UITDAGINGEN VOOR DE NIEUWSTE FYSICA

UITDAGINGEN VOOR DE NIEUWSTE FYSICA
Meditaties over de stand van de fysica 100 jaar na Einsteins wonderjaar
(samenvatting)
Christian Maes
Instituut voor Theoretische Fysica, K.U.Leuven
Uitdagingen zijn niet nieuw en worden gevoed door het verleden. We
starten met een overzicht van het ontstaan en de evolutie van de moderne
fysica. Daarna kiezen we een aantal onderwerpen uit de nieuwste fysica
waar nieuwe ideeën dringend nodig zijn. Het einde van de fysica is nog
lang niet in zicht.
I. Klassieke fysica, de fysica rond 1900.
1. Mechanica
Mechanica spreekt over een eenvoudige soort van verandering in de tijd, deze van plaats of
positie. Dat de bewegingen van planeten of zelfs sterrenstelsels aan dezelfde
bewegingswetten voldoen als vallende appels of weggeschoten ballen betekent een
belangrijke eerste unificatie in het natuurwetenschappelijk denken en gaat hand in hand met
het programma van reductionisme waarin een grote verscheidenheid van natuurfenomenen
worden herleid en als het ware convergeren naar een steeds kleinere familie van meer
elementaire en unieke fysische principes en wetten. Dat geloof in wetmatigheid binnen
ogenschijnlijk ongerelateerde en wildvreemde verschijnselen blijft het programma van de
fysicus anno 2005.
2. Thermodynamica
Het belangrijkste thema van de thermodynamica is de studie van warmteomzettingen en
energietransformaties. Temperatuur, dichtheid en druk kunnen veranderen wanneer arbeid
wordt geleverd op of door een systeem of wanneer warmte wordt aangevoerd.
Energieomzettingen, warmte en verlies (of dissipatie) vormen nog altijd een belangrijke
economische uitdaging maar zijn natuurlijk ook essentieel in levensprocessen.
3. Elektromagnetisme
Elektromagnetische fenomenen zijn deze van elektriciteit en magnetisme. James Clerk
Maxwell slaagde er in om via het concept van het elektromagnetische veld en zich vooral
steunend op het experimentele werk van Michael Faraday, elektrische, magnetische en
optische verschijnselen te verenigen. Licht wordt beschreven als een golf net zoals geluid een
drukgolf is.
II. Het wonderjaar 1905, start van de moderne fysica. De publicaties van Albert
Einstein uit 1905 zijn elk op zich al wonderbaarlijk en samen hebben ze het aanschijn van de
fysica veranderd. Tijdens het wereldjaar van de fysica in 2005, honderd jaar na het annus
mirabilis, kijken we terug naar die werken en we zien er de revoluties van de moderne fysica.
Ten eerste is dat de kwantumrevolutie. De kwantumfysica beschrijft de subatomaire wereld
maar heeft ook gevolgen op menselijke schaal. Ten tweede is er de ontwikkeling van de
statistische mechanica. Het verwoordt de combinatie tussen dynamische wetten en
kanstheoretische aspecten in de beschrijving van de natuur. Ten derde is er de revolutie van
de relativiteitstheorie. Hier leren we een nieuwe mechanica kennen waarin ruimte en tijd op
een eerder onintuïtieve manier worden verstrengeld.
III. Fysica van de twintigste eeuw, de moderne fysica. Materie is granulair. Er
zijn bouwstenen. Dat inzicht betekent ook een uitdaging: hoe leiden we het manifeste beeld
van de alledaagse fenomenen af? Statistische beschouwingen zullen daarin een constructieve
rol spelen.
Ook licht bestaat uit deeltjes, de zogenaamde fotonen. Nu blijkt complementair dat ook
deeltjes een golfaspect hebben. De evolutie van die golven wordt beschreven in de
kwantummechanica. We hebben geleerd die te gebruiken voor de beschrijving van de meest
fundamentele interacties, behalve voor de zwaartekracht.
Einstein ontwikkelde ook de algemene relativiteitstheorie. Die is vooral relevant voor de
fysische kosmologie. Het is een meetkundige theorie voor de zwaartekracht waarin materie
en energie belangrijke aspecten van de ruimte-tijdstructuur bepalen.
IV. Uitdagingen, de nieuwste fysica. De moderne fysica die ontstaan is uit de
revoluties van 1905 heeft weer nieuwe spanningen opgeleverd en presenteert vandaag ook
nieuwe uitdagingen. Hier komen enige voorbeelden.
1. Spanning tussen statistiek en dynamica
Waar komt de statistiek onze beschrijving van de natuur binnen? Is het door onze methodes of
zitten er intrinsieke kansaspecten in de natuur zelf?
2. Naar een theorie van kwantumgravitatie ?
Tot op vandaag is geen algemeen-erkende verzoening mogelijk gebleken van de
kwantummechanica met de algemene relativiteitstheorie. De betekenis of de aard van die
verzoening is zelfs niet helemaal duidelijk. Daarmee verbonden is er natuurlijk de droom van
de grote unificatie van natuurkrachten.
3. Het laatste grote onopgeloste probleem van de klassieke fysica
In principe kun je onderscheid maken tussen twee soorten structuren of processen, die van
evenwicht en die buiten evenwicht. In processen buiten evenwicht kunnen tal van
onverwachte patronen en stromen optreden. Er is vandaag geen theorie om die te beschrijven.
Een belangrijk voorbeeld is het probleem van de turbulentie.
4. Fysische kosmologie
Kosmologie wil de natuur begrijpen op de grootst mogelijke schaal, dat van het hele
universum, geschiedenis en toekomst, met de methodes van de natuurwetenschappen.
Het standaardmodel van de fysische kosmologie is de big-bangtheorie. Nochtans lijkt
kosmologie veel meer open vragen te hebben dan men zou verwachten van een rijpe fysische
theorie. Eén van de vele problemen is hoe de veelheid aan (vrije) parameters in het
standaardmodel kleiner kan worden gemaakt: Had God wel een keuze?
5. Biofysica
Natuurwetenschappen zijn niet onafhankelijk van elkaar. Interdisciplinariteit is daarin een
uitdaging. Kan de fysica bijdragen aan het ontrafelen van levensprocessen? Wat is de
thermodynamica van het leven en zal daarin (kwantum) statistische mechanica haar limieten
verkennen?
Bibliografie
S. Bergia, Einstein, Kwanten en relativiteit: revolutie in de natuurkunde, Deel 2 in de serie Wetenschappelijke
Biografie van Natuur, Wetenschap en Techniek, Veen Magazine (2002).
Einstein en L. Infeld, The Evolution of Physics, Simon and Schuster (1938, herdruk 1966).
H. Kragh, Quantum Generations, a history of physics in the twentieth century, Princeton University Press,
Princeton, New Jersey (1999).
M.S. Longair, Theoretical concepts in physics, Cambridge University Press (1984).
R. Penrose, The Emperor’s New Mind, Oxford University Press (1989). Vertaling: De nieuwe geest van de
keizer, Prometheus (1989).