'Geen enkel experimenteel bewijs voor de snaartheorie'

Als een republikein die uitlegt wat de monarchie te bieden heeft, zo stond theoretisch fysicus Gerard ’t Hooft op 6 november bij de Studium Generale-lezing over de snaartheorie. De Nobelprijswinnaar staat kritisch tegenover de theorie die stelt dat de allerkleinste bouwstenen van de materie bestaan uit trillende snaren. De snaartheorie maakt geen contact met de werkelijkheid, zegt hij. “Er is nog geen enkel experimenteel bewijs dat er ook maar iets van waar is.”

Het zal niet elke spreker van de Studium Generale-lezingen overkomen. Of ’t Hooft het door hem geschreven boek ‘De bouwstenen van de schepping’ wil signeren? Maar ook niet elke spreker heeft een curriculum waarop een Nobelprijs prijkt. Op geanimeerde toon — hij heeft het over prutsen, verder struikelen, gekunsteld, onnavolgbaar — valt ’t Hooft de populairste theorie in zijn vakgebied aan.

Waarom is de snaartheorie zo populair? De theorie kan misschien een enorm probleem in de natuurkunde oplossen. De twee belangrijkste theorieën die beschrijven hoe de natuur in elkaar zit — de quantummechanica en de zwaartekrachttheorie van Einstein — zijn niet met elkaar verenigbaar. De quantummechanica beschrijft het gedrag van de allerkleinste deeltjes zoals quarks en elektronen. Einsteins theorie stelt onder andere dat de ruimte-tijd gekromd is. Hoe die theorieën uitpakken op het laagste niveau is niet duidelijk. Het gekke is dat zwaartekracht, die vooral een rol speelt bij hele zware voorwerpen, zoals de aarde die om de zon draait, juist bij hele kleine deeltjes weer belangrijk wordt. Een goede theorie om dat te beschrijven is er nog niet.

De snaartheorie kan hier uitkomst bieden. Die exotische natuurkundige hypothese steunt op het idee dat de allerkleinste deeltjes niet puntvormig zijn, maar dat ze zich gedragen als een snaar, een trillend touwtje. Een wonderlijk aspect van de snaartheorie is dat de snaren zich niet in de gebruikelijke vier dimensies bevinden, maar in tien. Zes van die dimensies zijn zo klein ‘ingepakt’ dat we er niets van merken. In 1984 beleefde de theorie een grote doorbraak. “Sommigen hebben dit zelfs het jaar 0 van de natuurkunde genoemd”, schampert ’t Hooft met nauwelijks verholen afkeer voor zulke pretenties. In dat jaar transformeerde de snaartheorie onder leiding van de Amerikaanse “guru” Edward Witten in een supersnaartheorie. De grote klapper was dat de theorie het ‘graviton’ voorspelde, het hypothetische deeltje dat de zwaartekracht overbrengt. “De snaartheoretici zagen de zwaartekracht op zijn plaats vallen, precies zoals Einstein voorspeld had. ‘Dat kan geen toeval zijn!’, vond men.”

Kleine complicatie. Inmiddels bestonden er vijf verschillende snaartheorieën. Bij nadere inspectie bleken die vijf eigenlijk verschillende uitingen te zijn van één onderliggende theorie. Dat heeft geleid tot het populaire idee van een Grand Unified Theory. Snaartheoretici denken dat als de wiskunde achter de snaren is opgelost, dat dan zal blijken dat alle krachten in de natuur, zowel elektrische krachten als de zwaartekracht, te herleiden zijn tot één (stelsel van) wiskundige vergelijking(en). Dat zou een fraai resultaat zijn, maar het is niet meer dan theorie — die niet te toetsen is.

Bewijs

“Het is een fantastisch mooie theorie, maar er is geen enkel experimenteel bewijs. Nog geen spoortje dat er ook maar iets van waar is!” En dat bewijs is ook nog niet in zicht, stelt ’t Hooft. Deeltjesversnellers, de ‘microscopen’ van de kleine deeltjes-natuurkunde, zijn lang niet sterk genoeg om de voorspellingen van de snaartheorie te toetsen. Daarvoor zouden ze miljarden keer sterker moeten zijn. Zo’n versneller is niet te bouwen.

“De snaartheorie zou een fenomenale prestatie leveren als ze het standaardmodel verklaart”, zegt ’t Hooft. “Dan maakt de theorie contact met de werkelijkheid.” Het standaardmodel beschrijft hoe de kleinste deeltjes zoals quarks eruit zien. Het heeft een grote voorspellende waarde. Met behulp van het model voorspelden ’t Hooft en Veltman bijvoorbeeld het bestaan van een speciale quark, terwijl natuurkundigen in het laboratorium het deeltje pas later aantoonden. Stel dat achter de wiskunde van de snaartheorie de ‘vorm’ van het Standaardmodel tevoorschijn komt, dan zou ’t Hooft willen aannemen dat de theorie echt de werkelijkheid beschrijft. “Het is niet ondenkbaar dat dat een keer gaat lukken. Tot het zover is, moeten we voorzichtig zijn.”

Overigens erkent hij dat de snaartheorie het beste is dat we op dit moment hebben, alternatieven volgen op grote achterstand. Maar hoewel de wiskunde van de snaartheorie prachtig in elkaar zit, denkt ’t Hooft dat er van alles ontbreekt. “Ik denk dat er veel meer aan de hand is dan de theorie nu suggereert.” Ter illustratie laat hij een animatie zien waarin wordt ingezoomd op een snaar. Uiteindelijk, onder begeleiding van een jengeldeuntje, verschijnt het stripfiguurtje Taz, de Tasmaanse duivel, dat opgewekt danst op een snaar. Het is de obligate ludieke noot aan het einde van een lezing. Maar toch. Op beleefde wijze steekt ’t Hooft stevig de draak met de snaartheorie.

“Om nou te zeggen dat de snaartheorie de heilige graal van de natuurkunde is. Écht niet!” ’t Hooft spreekt duidelijke taal, en daarin staat hij niet alleen. Mede-Nobelprijswinnaar Martinus Veltman is het hartgrondig met hem eens. “Iets wat klopt, wordt voortdurend duidelijker. Dat is bij de snaartheorie niet het geval.” Veltman zegt dat in het septembernummer van het tijdschrift Natuurwetenschap & Techniek in een discussie met Robbert Dijkgraaf van de Universiteit van Amsterdam. Dankzij het onderzoek van Dijkgraaf speelt Nederland een belangrijke rol in de ontwikkeling van de snaartheorie. De fysicus is in Utrecht gepromoveerd bij ’t Hooft (die zelf weer promoveerde bij Veltman). Dit jaar kreeg Dijkgraaf van NWO de Spinozapremie voor zijn snaren-onderzoek. “Hij zou het verhaal iets anders houden”, erkent ’t Hooft na de lezing.

Een collega van ’t Hooft aan het Instituut voor theoretische fysica is prof.dr. Bernard de Wit (die ook bij Veltman promoveerde). Hij houdt zich bezig met de snaartheorie en met supersymmetrie, een bijzondere symmetrie die een belangrijke rol speelt in de snaartheorie.

U houdt zich dus bezig met iets waar geen experimenteel bewijs voor is? “Ja, dat is waar”, erkent De Wit. “Maar het is ook niet in strijd met de natuurkunde.” Bovendien hebben snaartheorie en supersymmetrie al wel degelijk wat opgeleverd, vertelt De Wit. Zo zijn bijvoorbeeld belangrijke ideeën van 't Hooft uit de jaren tachtig over zogenaamde ijktheorieen (die essentieel zijn voor het standaardmodel van elementaire deeltjes) voor het eerst bevestigd en uitgebreid voor supersymmetrische versies van ijktheorieen. Supersymmetrische versies zijn wiskundig beter te begrijpen.

"Dat wil niet zeggen dat het niet zorgwekkend is dat het experiment achter loopt bij de theorie", analyseert hij. "Het werk van Einstein over de zwaartekracht heeft zich na de eerste experimentele bevestigingen niet verder in samenhang met het experiment ontwikkeld. Het gevolg was dat er steeds minder gebeurde en dat de communicatie met aangrenzende gebieden verzwakte. Pas na ongeveer veertig jaar is dat veld opengebroken dankzij de theoretische ontwikkelingen in de elementaire-deeltjesfysica, waaronder ook supersymmetrie en snaartheorie, en nieuwe sterrenkundige waarnemingen."

Maar De Wit snapt het verwijt niet dat de aandacht voor de snarentheorie een natuurkundige modegril is. ’t Hooft vertelde tijdens zijn lezing dat snarenonderzoek ook een interessant “sociologisch” fenomeen is. De Wit: “Het is in de mode. Ja, wat zegt dat nou? Jonge onderzoekers zoeken toch de gebieden op waar vooruitgang wordt geboekt en waar men staat aan de grenzen van het weten. Maar dat is niet gedicteerd. Dingen gebeuren nu eenmaal ergens.”