Een ontdekkingsreis door elf dimensies

Body: 
Pionier Erik Verlinde hoopt met snaartheorie klooftussen quantummechanica en zwaartekracht te dichten


Een van de meer curieuze afkortingen uit het wetenschappelijkabracadabra is PIONIER, wat staat voor 'Persoonsgerichte Impulsvoor Onderzoeksgroepen met Nieuwe Ideeën voor ExcellenteResearch'. In 1989 werd de Pionier-subsidie dooronderzoeksorganisatie NWO in het leven geroepen om jonge,veelbelovende onderzoekers in staat te stellen ervaring op te doenals leider van een omvangrijk onderzoeksproject. Inmiddels zijnlandelijk éénentachtig PIONIER-subsidies van rondanderhalf miljoen gulden per persoon uitgereikt, waarvan zeventienaan Utrechtse onderzoekers. Dit jaar zijn in Utrecht vier nieuweprojecten van start gegaan. Als laatste presenteert het U-blad indeze korte serie theoretisch fysicus prof.dr. ErikVerlinde.


Het is niet denkbeeldig dat het UtrechtseMinnaertgebouw over pakweg honderd jaar eenzelfde reputatie zalhebben als het laboratorium van waaruit Einstein in 1905 zijnbefaamde formule E=Mc2 aan de wereld openbaarde. Utrecht ontwikkeltzich namelijk als een van 's werelds vooraanstaande centra op hetgebied van de 'snaartheorie'. En de 'snaar', zo geloven velen,heeft de toekomst.

Spil in het Utrechtse 'snaar'-onderzoek is prof. dr ErikVerlinde (36), die dit voorjaar een NWO Pionier-subsidie vananderhalf miljoen gulden in de wacht sleepte. "Een van de centraleproblemen in ons vak is dat er nog steeds niet éénsamenhangende theorie bestaat die alle fundamentele natuurwettenverklaart. De quantummechanica heeft ons weliswaar een goed inzichtgegeven in het gedrag van de fundamentele deeltjes, maar een aantalverschijnselen die met zwaartekracht te maken hebben, kunnen nietbinnen het raamwerk van de quantummechanica worden verklaard.

We 'zien' om ons heen nog steeds dingen waarvan we maar weinigbegrijpen. Vandaar dat in de theoretische natuurkunde al enige tijdwordt gezocht naar een zogeheten 'Theorie van Alles' die in staatzou zijn om de kloof tussen quantumtheorie en zwaartekracht teoverbruggen. Aanvankelijk heerste er scepsis over het bestaan vanzo'n theorie, maar inmiddels wordt in brede kring aangenomen dathet vijftien jaar oude snaarconcept wel eens tot die 'Theorie vanAlles' zou kunnen leiden."

Touwtje

[?mP#a4!#$&@Broodachtergrond= Desnaarhypothese gaat ervan uit dat alle elementaire deeltjes -elektronen, fotonen en quarks om er een paar te noemen -verschijningsvormen zijn van één en hetzelfdebasis-'deeltje'. Daarbij zou het niet gaan om een puntdeeltje, maarom een snaar, zeg maar een ééndimensionaal touwtje dat opallerlei manieren kan trillen. De elementaire deeltjes zoals wijdie kennen, moeten volgens die hypothese worden opgevat alsverschillende trillingstoestanden van die ene snaar.

Voor een buitenstaander lijkt het lood om oud ijzer of de wereldbestaat uit onzichtbare deeltjes of uit onzichtbare snaren. Maarvoor Verlinde en zijn collega's is er sprake van een opwindendewereld van verschil. "Ik ben ervan overtuigd dat we dankzij desnaarhypothese al op korte termijn een enorme stap vooruit gaandoen. We moeten de theorie nog aanzienlijk verder ontwikkelen, maarnu al is duidelijk dat we de werkelijkheid met de snaarhypotheseveel adequater kunnen beschrijven dan met eerdere theorieën.Ik denk dat een meer uitgewerkte snaartheorie een groot aantalverschijnselen zal verklaren, die we tot nu toe nooit goed hebbenbegrepen."

Eén van de vragen waarop de nieuwe theorie het antwoordmoet gaan geven, is de vraag hoe het mogelijk is dat het heelalzijn huidige omvang heeft. Gegeven de zwaartekracht had het heelalna de oerknal namelijk nooit groter kunnen worden dan pakweg eenvoetbal. Dat is zo omdat in de ogenschijnlijk lege ruimte volgensde quantummechanica voortdurend paren van deeltjes en anti-deeltjesontstaan en weer verdwijnen, aldus Verlinde. "Er is volgens degangbare theorie sprake van een forse energiedichtheid die een zogrote aantrekkingskracht op de materie uitoefent, dat die zich metgeen mogelijkheid aan die kracht kan onttrekken.

"Toch zien we om ons heen dat het heelal met grote snelheiduitdijt. Het valt dus kennelijk wel mee met die aantrekkingskracht,maar waarom dat zo is, weten we niet. De verwachting is dat desnaartheorie ons duidelijk kan maken wat er werkelijk aan de handis. En wellicht krijgen we daarmee ook een antwoord op de vraag hoegroot het heelal precies is."

Een curieus aspect van de snaarhypothese is dat er elf dimensiesnodig zijn om de theorie te formuleren. Op de vraag hoe we ons eenwereld van elf dimensies moeten voorstellen, zegt Verlindegeruststellend: "Dat kun je maar beter niet proberen. Ook in dewereld van de snaartheorie is er sprake van niet meer dan vierwerkelijk bestaande dimensies, drie in de ruimte en éénin de tijd. De andere zeven moet je meer zien als wiskundigeconstructies die nodig zijn om nieuwe ingrediënten in detheorie te kunnen invoeren. In zekere zin zou je kunnen zeggen datde snaren weliswaarelfdimensionaal zijn, maar dat ze zo zijnopgerold dat ze in de meeste richtingen geen uitgestrektheidbezitten. Dat wil overigens niet zeggen dat er niet serieus wordtgespeculeerd over het bestaan van meer dimensies. Maar als die alzouden worden gevonden, dan zijn en blijven het theoretischeconcepten zonder invloed op onze alledaagse ervaring."

Doorbraak

Voor Verlinde is inmiddels zonneklaar dat de snaarhypothese inde theoretische natuurkunde voor een vergelijkbare doorbraak zalzorgen als de relativiteitstheorie en de quantummechanica bijnahonderd jaar geleden hebben gedaan. Niet al zijn collega's zijndaarvan overtuigd. De Utrechtse hoogleraar prof.dr Gerard 't Hooftnoemde de snaarhypothese in juni in dit blad weliswaar heelinteressant, maar zei niet te geloven dat de 'Theorie van Alles' nuecht was gevonden. Verlinde deelt die scepsis niet.

"Ik weet dat 't Hooft er anders over denkt, maar zelf ben ikervan overtuigd dat de snaarhypothese de tegenstelling tussen dequantummechanica en de zwaartekracht heeft opgelost. Daar bestaattrouwens in brede kring weinig twijfel meer over. Ik ben het met 'tHooft eens dat op dit moment nog lang niet al onze vragen kunnenworden beantwoord, maar dat komt vooral omdat de theorie nog verderontwikkeld moet worden. Tot voor kort waren er bij voorbeeld nogvijf concurrerende snaartheorieën. Pas de laatste drie jaarzijn die theorieën door de Amerikaan Edward Witten onderéén noemer gebracht.

We komen steeds dichter bij de definitieve doorbraak. Ikverwacht dat de snaartheorie ons binnen twintig jaar een heelnieuwe kijk zal geven op hoe de natuur in elkaar zit. Of hetdaarmee ook echt de 'Theorie van Alles' is, is een heel anderekwestie. Ik zie persoonlijk niet zoveel heil in dat soort termen.Laten we eerst maar eens proberen de theorie op een heldere manierte formuleren."

'Een spannende ontdekkingsreis' noemt de Utrechtse hoogleraardat onderzoek dat hij samen met een kleine twintig collega's uitUtrecht en Amsterdam uitvoert. Hij is blij met de Pionier-subsidie,maar vergeleken met de drie eerdere Pioniers die in het U-blad aanhet woord zijn geweest, reageert hij niet echt uitbundig op detoewijzing. En dat is ook wel logisch, gezien het feit dat eenaanvraag van rond veertig miljoen gulden op het gebied van detheoretische fysica dit voorjaar niet door de laatste selectie vande Dieptestrategie kwam.

Verlinde blijft beleefd, maar hij wil wel kwijt dat hij nietblij is met de voorkeur die de Dieptestrategie-jury aan de daglegde voor toepasbaar onderzoek. "Ik vind dat nogal kortzichtig,zeker omdat je over de toepasbaarheid van fundamenteel onderzoekmaar heel weinig kunt zeggen.Denk maar eens aan de chip-technologievoor computers. Die was nooit ontwikkeld als Erwin Schrödingeren diens collega's niet ooit uit pure nieuwsgierigheid overquantumtheorie waren gaan nadenken. Ze hebben wel eens gezegd datSchrödinger vele malen rijker was geweest dan Bill Gates alshij patent had aangevraagd op zijn vergelijking voorgolfmechanica.

"Ook wij doen ons onderzoek uit pure nieuwsgierigheid. En metsucces, want Utrecht vormt op dit moment op snaargebied - samen metAmsterdam - een centrum dat niet onderdoet voor de Amerikaansetop-centra in Harvard en Princeton. We staan dus aan de wereldtopen dan is het vreemd om te merken dat je zo weinig waarderingkrijgt. Gelukkig heeft het Utrechtse college van bestuur onsinmiddels de helpende hand toegestoken. Maar dat wij in deDieptestrategie buiten de prijzen zijn gevallen, beschouw ik alseen duidelijk signaal dat fundamenteel onderzoek, ook al is dat vantopkwaliteit, in Nederland niet op veel steun hoeft terekenen."

Erik Hardeman