Nieuwe ontdekkingen tonen de 'verbluffende exactheid' van de theorie van Nobelprijswinnaars aan

Nieuwe ontdekkingen tonen de 'verbluffende exactheid' van detheorie van Nobelprijswinnaars aan

De theoretische natuurkunde van de tweede helft van deze eeuwwordt beheerst door de prangende vraag hoe de wereld er op hetniveau van de elementaire deeltjes uitziet. Inmiddels is duidelijkdat alle materie op het meest fundamentele niveau bestaat uit zesleptonen en zes quarks, waarvan het gedrag wordt beheerst door vierfundamentele krachten (zie kader). Maar terwijl van deelektromagnetische kracht al in het midden van deze eeuw een goedbruikbare theoretische beschrijving kon worden gegeven, was dewerking van de drie andere krachten en hun onderlinge wisselwerkingin de jaren zestig van deze eeuw nog min of meer in nevelengehuld.

Dat leek te veranderen toen de Amerikanen Glashow, Salam enWeinberg in de jaren zestig theorieën ontwikkelden die dezwakke kracht verbonden met de elektro-magnetische kracht en diedaarmee de basis legden voor het nu algemeen gangbare'standaardmodel' van elementaire deeltjes. Het was dan ook nietonlogisch dat de drie in 1978 de Nobelprijs kregen. Een probleemwas alleen dat hun theorieën bij gebrek aan een wiskundigconsistente beschrijving niet praktisch bruikbaar waren. Zovoorspelde zij weliswaar het bestaan van twee onbekende nieuwedeeltjes W en Z. Maar een berekening van de eigenschappen van diedeeltjes leidde tot absurde uitkomsten, omdat daarin onverklaarbare'oneindigheden' voorkwamen.

Terwijl veel onderzoekers de moed hadden opgegeven dat detheorie van de zwakke kracht ooit tot bruikbare toepassingen konleiden, wist de Utrechtse hoogleraar prof.dr. Martin Veltman vangeen wijken omdat hij ervan overtuigd was dat er een oplossing konworden gevonden voor het probleem van de oneindigheden. In deperiode tussen 1966 en 1970 zette Veltman een aantal belangrijkestappen in de goede richting. In nauwe samenwerking met zijnpromotor slaagde 't Hooft er in 1970 vervolgens in om de doorVeltman ontwikkelde aanpak uit te werken tot een deugdelijkwiskundig fundament voor de omstreden theorie van de zwakkekracht.

Dat het gedrag van de elementaire deeltjes nu wel op eendoeltreffende manier kon worden beschreven bleek het duidelijkst in1983, toen de latere Nobelprijswinnaars Carlo Rubbia en Simon vander Meer in dedeeltjesversneller van het CERN bij Genève hetbestaan van de al voorspelde W en Z deeltjes aantoonden. Dat deNobelprijs voor de vinding uit 1970 nu pas wordt uitgereikt, hangtvolgens Veltman en 't Hooft samen met het feit dat er de laatstejaren op basis van hun theorie steeds meer belangwekkendeontdekkingen worden gedaan, waarbij met name de volgens 't Hooft'verbluffende exactheid' van de uitkomsten opmerkelijk is.

Snaren

Omdat in 'de glorieuze jaren zeventig', zoals 't Hooft ze ooitgenoemd heeft, ook de sterke kracht in kaart kon worden gebracht,beschikken de fysisici nu over een 'standaardmodel' dat drie van devier bekende krachten op een effectieve manier aan elkaar koppelten dat voor vrijwel alle fysische verschijnselen een afdoendeverklaring geeft. Een probleem is echter dat de zwaartekracht zichop het niveau van de elementaire deeltjes maar niet in hetkeurslijf van dit model wil laten dwingen. Gevolg daarvan is datveel fysici, waaronder ook 't Hooft zelf, al meer dan twintig jaarop zoek zijn naar een manier om ook deze laatste hindernis voor devorming van één overkoepelende 'Theorie van Alles' teoverwinnen.

Hierbij stuiten zij echter op een fundamenteel probleem. In defysica van de elementaire deeltjes is namelijk sprake van eenopmerkelijke tegenstelling tussen het wereldbeeld van de doorEinstein geformuleerde algemene relativiteitstheorie en dat van dete zelfder tijd ontwikkelde quantummechanica. Terwijl ruimte entijd bij Einstein worden beschouwd als continuë grootheden,die dus in willekeurig kleine delen kunnen worden verdeeld, krijgenwetenschappers steeds meer het idee dat de ruimte-tijd volgens dequantumgrativatietheorie moet worden opgevat als een soortruitjespapier, waarvan de ruitjes minimaal 10-33 centimeter grootzijn. Kleinere structuren, die bij Einstein wel denkbaar zijn opvoorwaarde dat de versnelling maar groot genoeg wordt, kunnen indie visie dus niet bestaan.

De oplossing van dit dilemma, en daarmee wellicht ook de ultieme'Theorie van Alles' die de vier fundamentele krachten onderéén noemer moet brengen, kan volgens de huidige generatiefysici alleen worden gevonden door een aanpak die net zorevolutionair anders is als de relativiteitstheorie en dequantummechanica dat honderd jaar geleden ook waren. Veelonderzoekers zijn overigens van mening dat de snarentheorie, dieervan uitgaat dat elementaire deeltjes geen punten maar lijntjeszijn, dit dilemma waarschijnlijk al heeft opgelost.

Prof.dr. Erik Verlinde, de twee weken geleden naar Princetonvetrokken collega van 't Hooft, zei precies een jaar geleden in hetU-blad ervan overtuigd te zijn dat de snaarhypothese een einde hadgemaakt aan detegenstelling tussen quantummechanica enrelativiteitstheorie. Maar 't Hooft deelt die mening niet. Vorigjaar organiseerde hij in Utrecht een conferentie over zwarte gaten,omdat in die merkwaardige concentraties van zwaartekracht naar zijnmening de oplossing moet worden gevonden. Bij die gelegenheid zeihij: "Mijn centrale vraag is en blijft: hoe komt het dat ruimte entijd volgens de quantummechanica aftelbaar zijn en discreet,terwijl ze volgens de relativiteitstheorie continu zijn. Die vraagwordt ook door de snaartheoretici niet beantwoord."

Erik Hardeman


De vier krachten

De sterke kracht zorgt voor de binding van protonen en neutronentot redelijk stabiele atoomkernen. Zij werkt niet buiten het gebiedvan de elementaire deeltjes.

De elektromagnetische kracht zorgt voor de binding vanelektronen en protonen tot atomen en van atomen tot moleculen. Zijzorgt ervoor dat de materie buiten de atoomkern min of meer stabielblijft.

De zwaartekracht zorgt ervoor dat deeltjes elkaar aantrekken.Zij is juist tussen elementaire deeltjes heel zwak en manifesteertzich alleen in voorwerpen met een grote massa. De zwaartekrachtreguleert de beweging van de hemellichamen en zorgt dus voorstabiliteit in het heelal.

De zwakke kracht is een vreemde eend in de bijt. Als enige vande vier krachten zorgt zij niet voor samenhang, maar juist voor hetverval van de materie door neutronen in protonen te veranderen,waardoor elektronen en neutrino's vrijkomen.