Tijd en ruimte zijn illusies

Tijd en ruimte zijn illusies
Volkskrant, 26 augustus 2006
Doorgronden wij het universum echt? Met dit soort vragen toert Nobelprijswinnaar David Gross door de
wereld. Martijn van Calmthout
David Gross, wereldberoemd theoretisch natuurkundige en Amerikaan, rookt. Althans: nu en dan probeert hij bedachtzaam zijn
sigaartje weer tot leven te wekken. Neemt een trekje. Blaast uit. Raakt dan weer verdiept in wat hij wil zeggen. Herontdekt het
sigaartje, losjes tussen duim en wijsvinger. Zucht. Zoekt zijn aansteker. Begint opnieuw. Zoveel te bedenken. Zoveel uit te
leggen. En zo weinig tijd.
Gross, na een lange carrière op Princeton tegenwoordig directeur van het Kavli-instituut voor Theoretische Fysica in Santa
Barbara bij Los Angeles, kreeg in 2004 de Nobelprijs voor Natuurkunde, samen met zijn collega David Politzer en zijn
voormalige student Frank Wilczek.
Zij waren het die in de jaren zeventig als eersten theoretisch doorgrondden hoe de zogeheten sterke wisselwerking in elkaar
steekt, de kracht die zorgt dat atoomkernen niet meteen uit elkaar spatten. Het Amerikaanse trio liet zien hoe zo’n kracht kan
ontstaan uit de manier waarop de quarks in kerndeeltjes van atomen op elkaar inwerken.
Uw resultaten maakten u destijds in één klap beroemd.
‘Er zijn vier fundamentele krachten in de natuur. Gravitatie. Elektromagnetisme. De sterke kernkracht. En de zwakke
kernkracht, die radioactiviteit veroorzaakt. Als je voor één daarvan als eerste een theorie opschrijft, haal je de
geschiedenisboeken, dat staat vast. Er zijn er immers maar vier.
‘Maar verder waren we vooral erg jong en erg argeloos. We realiseerden ons niet eens zo goed dat we zomaar het juiste antwoord
aan het vinden waren. Sterker, dan waren we misschien zo nerveus geworden dat het was misgegaan. Het is een doodeng idee
om ergens de eerste in te zijn. Opwindend, maar doodeng.’
Achteraf klinkt het vast haast triviaal, uw ontdekking?
‘Niet triviaal, achteraf wel betrekkelijk recht-toe-recht-aan. Het blijft een raar gevoel om te beseffen dat we echt pas dertig,
veertig jaar een beetje weten hoe atomen werken. Zo kort pas. Terwijl het toch al zo enorm vertrouwd, vanzelfsprekend klinkt.
We vergeten erg makkelijk hoe succesvol we zijn, wat we al bereikt hebben. Nu vinden we het saai dat onze beste deeltjestheorie,
het standaardmodel, zo goed werkt. We zijn teleurgesteld dat onze versnellers geen spectaculaire nieuwe deeltjes meer vinden.
Maar dertig jaar geleden hadden we niet kunnen dromen wat we nu kunnen en weten.’
Uw theorie sloeg destijds meteen aan omdat er al massa’s metingen waren die ermee verklaard konden
worden. Iedereen kon zien dat het klopte?
‘In mijn jonge jaren waren de experimentatoren de baas in de natuurkunde. Ze ontdekten het ene deeltje na het andere, en
allerlei exotische verschijnselen. Theoretici hobbelden er een beetje achteraan, overweldigd door de waanzinnige puzzel die voor
ze bleek te liggen. De experimenten stelden de vragen aan de theorie.’
Dat is nu anders?
‘Precies omgekeerd. In de jaren zeventig en tachtig is de theorie gevonden die sindsdien bijna alle experimenten verklaart, het
standaardmodel. En de proeven met deeltjesversnellers beginnen aan hun limiet te komen, die kunnen niet veel groter.
Theoretici denken na over domeinen waar experimenten ondenkbaar zijn. Ze vergen energieën die we nooit zullen kunnen
opwekken. We kunnen het ons althans niet voorstellen.’
Wat wilt u eigenlijk weten?
‘Van alles. Het grootste vraagstuk is of alle vier bestaande natuurkrachten ergens deep down inside op hetzelfde neerkomen.
Vooral de vraag of zwaartekracht en quantumtheorie aan elkaar verwant zijn, is nu heel belangrijk. De snaartheorie is een
theorie waarin dat eigenlijk voor het eerst zomaar tevoorschijn komt.
‘En ik toer deze zomer met een lezing van 25 nog veel fundamentelere vragen door de wereld. Kun je leven berekenen? Kan onze
natuurkunde deugen als vrijwel alle materie en energie in het heelal onzichtbaar blijken te zijn? Zijn ruimte en tijd geen illusies,
die voortvloeien uit diepgaander structuren van de werkelijkheid?
Én? Zijn tijd en ruimte illusies?
‘Het lijkt er sterk op, al is dat vooral voor tijd moeilijk te bevatten.’
Kritiek op bijvoorbeeld de snaartheorie is dat die waarschijnlijk nooit getest zal kunnen worden. Dus kunnen we niet vaststellen
of de wereld inderdaad uit trillende, elf-dimensionale snaartjes bestaat. Is dat nog natuurkunde?
‘Er zijn veel critici die wat mij betreft te ver buiten het echte werk staan om serieus te nemen. Roger Penrose, bijvoorbeeld, die
met Stephen Hawking belangrijk werk deed, maar toch in de eerste plaats wiskundige is. Voor kritiek van anderen heb ik
daarentegen veel respect. Feynman, vroeger al. Of Nobelprijswinaar Sheldon Glashow.
‘Ook iemand als jullie Gerard ‘t Hooft is zeer sceptisch, maar weet wel precies waar het om draait in de snaartheorie. Maar hij
heeft principiële bedenkingen, die ik eerlijk gezegd niet zo goed begrijp. Hij wil volgens mij dichter bij zijn intuïtie blijven dan in
mijn ogen kan. De natuur zit op het fundamentele niveau echt anders in elkaar dan ons verstand gewend is.’
Volgens sommigen is de snaartheorie alleen maar wiskunde.
‘Dat gaat mij te snel. Ik begrijp best dat er mensen zijn die teleurgesteld zijn omdat de snaartheorie al decennia van alles belooft
en nog weinig concreets heeft afgeleverd. Maar juist het feit dat onze huidige standaardmodel nog geen krimp geeft in de beste
versnellers, betekent dat echt nieuwe fysica veel verderop zit. Bij veel grotere energie, of op veel kleinere schaal dan deeltjes of
quarks.’
En de testbaarheid dan?
‘Die is cruciaal voor echte natuurkunde. Maar ik sluit niet uit dat we, als we de snaartheorie wat beter doorgronden, wel degelijk
ook voorspellingen kunnen doen over verschijnselen die wél binnen bereik van experimenten liggen. Of die een kosmologische
toets blijken te kennen.’
Dat hoopt u, maar is daarvoor een goede reden?
‘Absoluut, en die reden zit in de theorieën zelf. De theorie van de sterke kernkracht, waarvoor David, Frank en ik de Nobelprijs
kregen, heeft een aantal heel interessante parallellen met wat sommige delen van de snaartheorie doen. Niet omdat we het op
dezelfde manier aanpakken, nee, omdat de structuren op elkaar blijken te lijken. Ik ben een echte platonist, ik denk dat je
theorie en wiskundige verbanden niet bedenkt, maar ontdekt. Dat zijn dingen die echt bestaan in ons universum.’
De snaartheorie is dus een ding?
‘Een intellectuele structuur, ja, niet iets wat we zomaar verzinnen. Zoals de natuur ons verschijnselen biedt, die we willen
doorgronden en verklaren. Maar we weten eigenlijk helemaal niet goed wat snaartheorie is. Er zijn heel veel beschrijvingen,
incompleet, extreem vreemd tot heel vertrouwd, en we weten niet of het misschien niet allemaal kanten zijn van iets groters.
Alsof je tastend een olifant probeert te overzien: de een denkt dat het vier bomen zijn, de ander dat het een slang is, weer een
ander denkt aan een rotswand.’
Uw collega Leo Susskind denkt dat er vele miljarden mogelijke oplossingen van de snaartheoretische vergelijkingen zijn. En dat
de natuurkunde niet zal kunnen uitleggen waarom we uitgerekend in ons heelal zijn beland.
‘Leo heeft het over een landschap van mogelijkheden en veronderstelt uiteindelijk dat het antropisch principe verklaart waarom
ons universum realiteit is en al die andere niet. Omdat, zo gaat die redenering dan, wij er anders niet waren om het op te
merken. Ik vind dat een gemakkelijk uitvlucht, en geen natuurkunde. Laten we nu eerst maar uitzoeken wat snaartheorie te
bieden heeft, behalve allerlei gehypte verwachtingen.’
Het is nog te vroeg voor kritiek?
‘Helemaal niet. Kritiek en scepsis moeten. Maar we moeten beseffen dat we er middenin zitten, of beter: aan het begin. Ik
begrijp de mensen niet die vooraf al concluderen dat het allemaal onzin is. ’
Niet een vorm van hoogmoed?
‘O, ja, heel menselijke hoogmoed. Maar we hebben wel redenen voor onze hoop. In onze theorie van de sterke kernkracht komen
geen vrije variabelen voor. Dat betekent: als je deze beschrijving kiest, liggen alle verhoudingen van grootheden mathematisch
vast.
‘Dat die theorie blijkt te kloppen, geeft aan dat er verschijnselen in de natuur zijn die noodzakelijkerwijs één gedaante
aannemen, ze kunnen niet anders. Als je wilt verklaren waarom de dingen zijn zoals ze zijn, wil je zo’n theorie. Dat wij zoiets in
de jaren zeventig vonden, heeft de droom van zo’n dwingende verklaring van alles zeker meer leven ingeblazen.’