De echte uitdaging voor de openminded tweaker, laten we beginnen met 1 en daarvoor vast de nobelprijs in de wacht slepen ;)<BLOCKQUOTE><font size=1 face=Verdana, Arial, Helvetica>quote:</font><HR>De sessie heette niet voor niets ''millennium-gekte''. Het was een aardigheidje, meer niet. Bedoeld om tussen de serieuze bedrijven van het congres door ook een leuk gespreksonderwerp te hebben. En dus kozen theoretisch fysici onlangs op een congres over de zogenoemde snarentheorie in Michigan de tien meest prangende vragen uit hun vakgebied. Vragen waarvan de antwoorden stuk voor stuk goed zouden zijn voor een Nobelprijs, maar waarvan de meeste nog wel een millennium onbeantwoord zullen blijven. Sander Bais, hoogleraar theoretische fysica aan de Universiteit van Amsterdam, blikt terug op de toptien.
door Joep Engels
1. Is de grootte van de natuurconstantes door het lot bepaald of lagen ze bij voorbaat vast?
Einstein zei het wat prikkelender: had God een keuze toen hij het universum schiep? Hoefde Hij alleen maar de oerknal te laten afgaan, of moest Hij eerst nog aan de knoppen draaien? Hoe groot zou Hij de lichtsnelheid maken, of de zwaartekracht, om twee belangrijke natuurconstantes te noemen.
Het is van tweeën een. Of: de constantes zijn willekeurig, maar dan zouden er meer werelden kunnen zijn met verschillende constantes - en die zijn nooit gezien. Of: ze hangen met elkaar samen, maar dan moet er een theorie zijn die de verbinding legt, zodat de fysici die constantes zouden kunnen uitrekenen. En dat kunnen ze nog niet. Feit is dat het standaardmodel, dat alle fundamentele krachten beschrijft behalve de zwaartekracht, op dit moment nog zeventien parameters nodig heeft. Zeventien getalletjes die de fysici met de hand moeten invoeren om het model passend te maken, zonder dat ze begrijpen waarom die getalletjes zo groot zijn als ze zijn.
2. Hoe ziet de ''theorie van alles'' eruit en verklaart hij ook alles?
Deze vraag voert al jaren de ranglijst aan in populair-wetenschappelijke verhalen. Waarom lukt het de fysici maar niet om hun twee grote theorieën, de quantumfysica en de relativiteitstheorie, onder één dak te krijgen? De eerste werkt perfect, op atomaire schaal. En aan de manier waarop de tweede de kosmos beschrijft, twijfelt niemand. Maar breng ze eens samen. Probeer eens een atoom tot in detail te bestuderen. De quantumtheorie zegt dat je om zo scherp te kunnen kijken ontzettend veel energie in die kleine ruimte moet stoppen. Dat kan zo veel energie zijn dat de relativiteitstheorie voorspelt dat er zwarte gaten ontstaan. De ruimte zou eigenlijk moeten verkruimelen tot zwarte gaten. Maar dat doet ze niet.
We zijn pas twee vragen onderweg en de natuurkunde zelf verkruimelt al tot een hopeloos allegaartje. We begrijpen er gewoon nog niets van. Sander Bais veert op, hij is het daar helemaal mee oneens. ,,We weten het juist heel goed. We weten exact wat er sinds die oerknal is gebeurd. We meten nu nog sporen van wat er na zo''n minuut of drie is gebeurd. Alleen dat allereerste begin, die fractie van een seconde, die extreme omstandigheden, die begrijpen we niet. Maar wat er daarna uit die oersoep is ontstaan, kunnen we uitrekenen.''''
Hij relativeert. ,,Bij wijze van spreken dan. Vraag me niet uit te rekenen waarom een grassprietje tien centimeter hoog wordt en groen is. Maar in essentie begrijpen we het allemaal wel.''''
3. Hoe oud wordt een proton en waarom?
Dertig jaar geleden was dat nog geen vraag. Het proton was een elementair deeltje en had per definitie het eeuwige leven. Maar, weten we nu, het proton is opgebouwd uit drie quarks en is daarom zijn eeuwigheid kwijt. Alleen: hoe lang fysici ook hebben zitten turen, hoeveel bakken water (het proton is de kern van een waterstofatoom) ze hebben gemonitord, ze hebben nog nooit een proton aan zijn einde zien komen. Als de levensduur van een proton al eindig is, is deze op zijn minst een veelvoud van de leeftijd van het heelal.
Esoterische kennis, zou je zeggen, maar toch niet helemaal. Het eerder genoemde standaardmodel, dat drie van de vier krachten verenigt - het elektromagnetisme, de zwakke en de sterke wisselwerking - is helemaal niet zo''n hecht bouwwerk als het lijkt. De sterke wisselwerking, die de quarks bijeenhoudt, hangt er maar een beetje bij. Om dat wat beeldender uit te drukken: fysici snappen niet wat het proton en het elektron met elkaar te maken hebben. Samen vormen ze het waterstofatoom en heffen ze elkaars elektrische lading exact op. Toevallig? Nee, dat kan niet waar zijn. Daar moet een verklaring voor zijn. Maar welke? Wellicht ligt het antwoord besloten in de vervaltijd van het proton.
4. Is de natuur supersymmetrisch, en zo nee, waarom niet?
Het zijn rare jongens, die fysici. Verzinnen ze er eerst een hoop deeltjes bij, breken ze zich vervolgens het hoofd over de vraag waarom die deeltjes er in het echt niet zijn.
Het komt allemaal door hun rotsvaste geloof in symmetrische theorieën. Als er bijvoorbeeld behoud van energie is, mogen alle formules waar de energie in voorkomt, niet veranderen in de tijd. De theorie moet symmetrisch zijn in de tijd, zeggen fysici. Een theorie van alles moet daarom wel supersymmetrisch zijn. Dat vergt wat aanpassingen.
Een voorbeeld. Er zijn twee soorten deeltjes: fermionen zoals protonen en elektronen, die de materie opbouwen, en bosonen zoals het foton die de onderlinge krachten verzorgen. Fermionen en bosonen zijn in veel opzichten elkaars tegenpolen. De natuur zou pas echt supersymmetrisch zijn als elk fermion een boson-maatje had, en omgekeerd. Maar die superdeeltjes zijn nooit gevonden. Als supersymmeterie bestaat, wordt zij in de natuur kennelijk ernstig geschonden. Maar waarom dan?
Wat hebben fysici toch met symmetrie? Het lijkt soms meer op een dwangmatig streven naar perfectie dan dat het enige realiteitswaarde heeft. Bais neemt dit keer ruim de tijd voor zijn antwoord. ,,We zoeken naar orde in de wereld om ons heen'''', dicteert hij op collegetempo. ,,Die orde uit zich met name in behouden grootheden. Er is behoud van energie, van elektrische lading. En bij elke behouden grootheid hoort een vorm van symmetrie. Het zoeken naar orde leidt je vanzelf naar symmetrie.''''
Het ultieme doel is een supersymmetrie. ,,Telkens als we proberen de zwaartekracht te verenigen met de andere krachten, wordt de theorie supersymmetrisch'''', zegt hij met een brede glimlach.
5. Waarom heeft het universum één tijd en drie ruimtelijke dimensies?
Daarom is geen reden. Alleen maar omdat wij gewend zijn aan vooruit-achteruit, links-rechts en omhoog-omlaag, wil niet zeggen dat de natuur niet meer mogelijkheden had. Sterker nog: er ís meer mogelijk. Fysici die zich bezighouden met de snarentheorie rekenen in tien dimensies, zij het dat zes dimensies zo strak zijn opgerold dat wij ze niet zien - net zoals wij van een afstandje ook maar één dimensie van een touw zien. Vroeger waren de extra dimensies een rekenkundig handigheidje, tegenwoordig beweren sommigen dat die oprolling wel eens minder strak zou kunnen zijn, en wellicht waarneembaar. Dat wil zeggen dat atomen echt in een tiendimensionale wereld leven. Maar waarom zijn er dan tien, en geen twintig dimensies?
6. Waarom is de kosmologische constante nul? En als-ie niet nul is, waarom dan niet?
De kosmologische constante is de geschiedenis ingegaan als Einsteins grootste blunder. Hij rolde als vanzelf uit zijn relativiteitstheorie en Albert stelde hem zo in dat het heelal stabiel was. Dat was destijds de algemene gedachte. Maar toen Edwin Hubble had aangetoond dat het heelal uitdijt, kon Einstein zijn fout vergeten. De kosmologische constante was gewoon nul.
Maar ja, waarom is een constante die alles kan zijn, nou precies nul? Erger nog, de laatste jaren begint het erop te lijken dat hij helemaal niet nul is. En om de ellende compleet te maken: zodra fysici proberen uit te rekenen hoe groot de constante zou kunnen zijn, krijgen ze alleen maar onzin. Het enige lichtpuntje is dat de constante in een supersymmetrische wereld nul moet zijn, maar zodra de symmetrie gebroken is, niet meer.
Bais: ,,Bedenk wel dat dit vragen zijn die fundamentele theoretici zich stellen. Als de enquête was gehouden op het Natuurkundig Laboratorium van Philips, was er een heel andere lijst uitgerold. Daar vinden ze bijvoorbeeld supergeleiders belangrijk. Ook legitieme vragen, maar aan een ander front. Vragen met betrekking tot de complexiteit. Wat gebeurt er als je heel veel deeltjes bijeen brengt? Dit zijn vragen over de structuur der materie en de relatie met de ruimte-tijd. Een front waar de allerkleinste en allergrootste afstandsschalen elkaar raken.''''
7. Heeft de fameuze M-theorie iets met de werkelijkheid te maken?
Ooit was er een snarentheorie. Daarin bestonden massa''s niet meer; elk deeltje was een snaar en alle eigenschappen van het deeltje werden voorgesteld door trillingen van het snaartje - in die zes dimensies buiten lengte-breedte-hoogte. De snarentheorie leek een goede kandidaat voor de theorie van alles. Totdat bleek dat er niet één maar vijf snarentheorieën waren. De crisis werd een paar jaar geleden bezworen door de elfdimensionale M-theorie die alle vijf snarentheorieën verenigde - de M staat voor magie, mysterie en moeder, al naar gelang.
Daar stond wel een prijs tegenover. In de M-theorie trillen niet alleen snaartjes maar ook hogerdimensionale ''branen''. Op papier ziet het er mooi uit, de link met het echte leven is wat vervaagd.
8. Wat is de oplossing van de paradox van de zwarte gaten?
Volgens de quantumtheorie blijft informatie altijd behouden. De beroemde kosmoloog Stephen Hawking kwam twintig jaar geleden met een tintelend gedachtenexperiment. Stel, je gooit de complete Winkler Prins in een zwart gat (in de fysica doet het er niet toe dat er vele kopieën zijn; elke encyclopedie is uniek). Het enige dat je terugkrijgt, is wat warmtestraling. Weg informatie. De quantumtheorie moet op dit punt op de helling, concludeerde Hawking. Maar daar is het laatste woord nog niet over gezegd. Volgens de Nederlander Gerard ''t Hooft verdwijnt de informatie niet echt. ''t Hooft suggereerde dat de informatie als een soort hologram op de horizon van het zwarte gat achterblijft. Een vermoeden dat door de snarentheorie wordt bevestigd.
Bais: ,,Wie beweert er nou dat de wetenschap dood is? Antwoorden op deze vragen leveren nieuwe paradigma''s op. Vraag me niet: wat hebben we eraan? Dit zijn vragen voor een millennium. Duizend jaar geleden wisten we niet eens wat ordinaire mechanica was. Een eeuw geleden wisten we nog niet wat atomen waren. Nu manipuleren we ze één voor één. Dat kun je pas als je begrijpt hoe het echt zit.''''
9. Zullen we ooit het verschil tussen de sterkte van de zwaartekracht en de andere krachten begrijpen?
Een eenvoudig fysisch experiment voor in de huiskamer: leg een stukje ijzer op tafel en hou er een magneetje boven. Wat gebeurt er? Het ijzer wordt opgetild. Met zo''n klein pokkemagneetje. Terwijl de hele aarde met haar zes miljard maal miljard kiloton het ijzer probeert vast te houden. Hoe zulke verschillende krachten ooit te verenigen tot één oerkracht? Een recent idee is dat de zwaartekracht eigenlijk veel sterker is maar dat het meeste ervan gevangen zit in die andere zes dimensies.
10. Waarom zijn er geen vrije quarks?
Het is een mooie theorie, die quantumchromodynamica, die beschrijft hoe alle kerndeeltjes samengesteld zijn uit drie soorten quarks terwijl die quarks worden bijeengehouden door gluonen. Niemand heeft ooit vrije quarks of gluonen gezien, de theorie verbiedt ook het bestaan ervan. Maar het volgt niet direct uit die theorie: hoewel computerberekeningen laten zien dat het zo is, moeten fysici nog steeds bewijzen dat quarks niet kunnen ontsnappen. Een vergelijkbare vraag luidt: gegeven de massa van de quarks, hoe zwaar is een proton (dat bestaat uit drie quarks)? Wie het antwoord weet, kan een reisje naar Stockholm boeken.
Bais: ,,Veel mensen hebben bij de vooruitgang in de wetenschap het beeld van een uitdijende bol: onze kennis neemt wel toe, maar het aantal onbeantwoorde vragen groeit nog harder. Dat beeld heb ik niet. Er ontstaan juist steeds meer dwarsverbanden. Er komt meer samenhang, de kennis wordt robuuster. Neem de niet te stuiten opmars van het moleculaire denken in de levenswetenschappen. Dat had je vijftig jaar geleden niet kunnen denken. En andersom: als wij zes nieuwe neutrino''s zouden poneren, worden we nota bene door de astronomen teruggefloten. Zij kunnen dat niet rijmen met hun uitdijende heelal.''''
Hij last weer een denkpauze in en keert dan weer terug bij zijn eigen vak, de snarentheorie. ,, Wij kregen vaak het verwijt dat onze theorieën esoterisch zijn, niet door enig experiment te bevestigen. Maar deze vragen zijn niet zweverig, er is voor allemaal wel een experimentele toetsing denkbaar. Maar ik geef toe: ze hebben een hoog abstractieniveau, maar dan wel in wiskundig opzicht, niet in theologische zin.'''' [/quote]Komt uit de trouw van vandaag (19-9-2000)
:strip_icc():strip_exif()/u/2032/rorty2.jpg?f=community)
:strip_icc():strip_exif()/u/3095/nietzsche.jpg?f=community)
/u/3670/tweakerslogo.png?f=community)
.)<BLOCKQUOTE><font size=1 face=Verdana, Arial, Helvetica>quote:</font><HR>Inbeelding lijkt me niet want dan zou iedereen een eigen versie van de belevenis hebben terwijl het toch collectief ervaren word.[/quote]Dat denk je maar. Moet je eens een keer met een aantal mensen gaan trippen, en dan kijken hoeveel jouw hallucinaties overeen komen met die van andere.
:strip_exif()/u/2349/VU_icon.gif?f=community){kind=icon}
aha!/u/3586/bismarck.png?f=community)
