New Scientist - Robbert Dijkgraaf editie

7 GROTE FYSICAPROJECTEN VAN DE TOEKOMST

Nederlandstalige editie | december 2016 | NewScientist.nl

Ideeën die de wereld veranderen Nr. 39 €8,50

Gasthoofdredacteur Robbert Dijkgraaf

GASTHOOFDREDACTEUR

ROBBERT DIJKGRAAF

Nr. 39 | december 2016

INTERVIEW ERIK VERLINDE

‘IK VERWACHT EEN REVOLUTIE IN DE FYSICA’

OOGSTTIJD IN DE WETENSCHAP

HIGGSDEELTJE, ZWAARTEKRACHTSGOLVEN… EN NU?

DOSSIER THEORIE VAN ALLES

DE RADICALE INGREDIËNTEN VAN DE ULTIEME THEORIE

Ideeën die de wereld veranderen. New Scientist is hét internationaal toonaangevende magazine over wetenschap en technologie. Kijk ook op newscientist.nl voor de laatste wetenschapsberichten en opinie. Lees verder alles over ontwikkelingen binnen de ruimtevaart en reizen naar Mars. Ga naar newscientist.nl/mars

vooraf New Scientist nr. 39

Over ontestbaar gesproken: Yannick stelde ook het dossier Theorie van alles samen, zie pagina 33

Robbert Medewerkers

George van Hal

Yannick Fritschy

Joris Janssen

Coördinerend redacteur

Redacteur

Coördinator boeken

Copernicus kreeg veel kritiek op zijn heliocentrische theorie. Van de kerk, maar ook van medewetenschappers. Ze vonden het een ontestbaar concept. Bovendien was Copernicus’ model niet accurater dan dat van Ptolemaeus met de aarde in het midden. Deze bezwaren vielen pas weg toen Kepler het model verfijnde en telescopen het bevestigden. De zwaartekrachtstheorie van Erik Verlinde (zie interview vanaf p. 22) krijgt nu dezelfde kritiek: onvoldoende uitgewerkt en ontestbaar. Met zijn nieuwe publicatie wil Verlinde dat veranderen.

Is hij de Copernicus én de Kepler van de 21e eeuw? @scienceyannick

Bij de Belastingdienst kijken ze niet op een eurootje of twee. Of vijfhonderd miljoen. Wat een elegante afvloeiingsregeling had moeten zijn, bleek een geldverslindend zwart gat. Einstein overkwam hetzelfde met zijn vergelijkingen die het gedrag van ruimte en tijd moesten verklaren. Het leverde allesopslorpende fenomenen op, waaruit zelfs licht niet kan ontsnappen. Einstein gruwelde van deze onzin.

Ons boek Zwarte gaten (zie p. 70) vertelt hoe de wetenschap dit onwaarschijnlijke uitvloeisel van Einsteins theorie na een titanenstrijd tussen de knapste koppen toch omarmde. @jorisjgjanssen

Het zijn mooie tijden voor een wetenschapsjournalist. In 2012 mocht ik onze lezers via een goed gelezen liveblog op de site vertellen over de vondst van het higgsdeeltje. Vorig jaar was ik op locatie in Italië bij het Virgo-experiment tijdens de bekendmaking van de meting van zwaartekrachtsgolven. Het gaf mij het gevoel dat ik verslag deed van een bijzondere periode in de fysica. Nu we dit nummer natuurkundeeindbaas Robbert Dijkgraaf als opperhoofd hebben, mocht ik eens uitzoeken of dat ook echt zo is. Het resultaat leest u vanaf p. 16. @georgevanhal

Volg ons ook op Twitter twitter.com/ NewScientistNL

Dik tien jaar geleden ontmoette ik Robbert Dijkgraaf voor het eerst. Ik was net hoofdredacteur van universiteitsblad Folia en hij was daar columnist. Robbert was toen al een fenomeen. De weg die hij daarna bewandelde, is bekend. Het voorlopige hoogtepunt: president van het Institute for Advanced Study in Princeton. Ondertussen bleef Robbert gestaag werken aan het populariseren van de wetenschap. Hij toonde altijd zijn bereidwilligheid, of ik hem nu vroeg voor een filmpje, een column of een radio-uitzending. Eigenlijk ontbrak nog maar één ding aan onze samenwerking: Robbert als gasthoofdredacteur.

Daarom presenteren we met trots deze New Scientist, geheel samengesteld door Dijkgraaf himself. Het is zoals we hier op de werkvloer zeggen een heerlijk hardcore nummer geworden. De nieuwe theorie van Verlinde, een formule op de cover of grootse fysicaprojecten? Onze gasthoofdredacteur heeft het allemaal bedacht. Ook met zijn keuze voor columnisten als Hans Clevers, Pia de Jong en Leo Kouwenhoven kon ik alleen maar blij zijn. En mocht u nu benieuwd zijn hoe hij het zelf ervaren heeft: op newscientist.nl vindt u een filmpje waarin hij het allemaal haarfijn uitlegt.

Jim Jansen

hoofdredacteur jim@newscientist.nl @jimfjansen (Twitter)

Facebook facebook.com/ NewScientistNL december 2016 | New Scientist | 3

inhoud

16

64

50 Dossier Theorie van alles

Nieuws 10 Afgelopen maand Solitair golfgedrag verklaard / Warme groeispurt jong heelal / Quasideeltjes bekeken / Uitdijing heelal in alle richtingen gelijk / Verzachting maakt oppervlakken spatloos / Gevangen in licht doen deeltjes rare dingen / Zwarte gaten hebben achterdeur / Jupiter stoot horrorgeluiden uit / De nano-auto’s van Feringa

4 | New Scientist | december 2016

Features 16 Werkelijkheid in wiskunde Is de wiskunde opgewassen tegen de steeds complexere werkelijkheid, vraagt Robbert Dijkgraaf zich af.

50 De verborgen wet Emmy Noether heeft onze kijk op het heelal voorgoed veranderd.

Toch is haar stelling lang niet zo bekend als zou moeten.

22 ‘Ik heb moeite met de oerknal’ Fundamentele begrippen uit de natuurkunde moeten vrezen voor hun bestaan als het aan Erik Verlinde ligt.

56 Fysica XXL De grootste fysicaprojecten die de komende decennia gaan domineren.

42 Bom in de ivoren toren Het Institute for Advanced Study bracht in de eerste twee decennia van zijn bestaan zowel de computer als de waterstofbom voort.

64 Oogsttijd Leven we in een nieuwe gouden tijd voor de wetenschap?

70 Dwergsterduel Verslag van een van de meest beruchte intellectuele tweegevechten in de astrofysica.

34 Eenwording Waar komen de bizarre ideeën uit M-theorie vandaan?

36 Hebben we ’m? Levert de versmelting van 11-dimensionale supergravitatie en 10-dimensionale snaartheorie ons eindelijk een theorie van alles?

39 Weerwoord Is de kritiek op snaartheorie terecht?

40 Wat als...? Misschien lost supersymmetrie de tekortkomingen van het standaardmodel toch niet op. Wat dan?

COLOFON

7 GROTE FYSICAPROJECTEN VAN DE TOEKOMST

Nederlandstalige editie | december 2016 | NewScientist.nl

Ideeën die de wereld veranderen Nr. 39 €8,50

Gasthoofdredacteur Robbert Dijkgraaf

GASTHOOFDREDACTEUR

ROBBERT DIJKGRAAF

Nr. 39 | december 2016

INTERVIEW ERIK VERLINDE

‘IK VERWACHT EEN REVOLUTIE IN DE FYSICA’

OOGSTTIJD IN DE WETENSCHAP

HIGGSDEELTJE, ZWAARTEKRACHTSGOLVEN… EN NU?

DOSSIER THEORIE VAN ALLES

DE RADICALE INGREDIËNTEN VAN DE ULTIEME THEORIE

001_NS39_Cover NS39 Dijkgraaf_v4-2_cc.indd 1

COVERONTWERP: PASCAL TIEMAN. FOTOGRAFIE: BOB BRONSHOFF

28-10-16 12:31

22 Interview Erik Verlinde ‘Het probleem is dat de kosmologie nog volledig leunt op de theorieën van Einstein’

In beeld

Opinie

Rubrieken

06 Ingezoomd Deeltjesversneller Tevatron gefotografeerd door Reidar Hahn, al dertig jaar huisfotograaf van Fermilab

49 Column Pia de Jong Kattenproefjes

09 Wat u zegt Brieven, quotes en tweets

63 Column Hans Clevers Of Yeast and Men

30 Inzicht Close-up van de Large Hadron Collider

82 Jonge Akademie Nathalie Vemeulen voorspelt een grote toekomst voor fotonica.

84 Culturelab Tentoonstelling Imaginary / Film Hidden Figures / Boek Philips Natlab / Boek Zwarte gaten

76 Fotoreportage Iconische beelden uit de wetenschap, gekozen door Robbert Dijkgraaf.

96 Column Leo Kouwenhoven Topologische twist

KLANTENSERVICE 0900-0401351 (15 ct/min.) of vanuit België: 0031 88 1214 012 voor contact over abonnementen, bestel­lin­ gen, wijzigingen en vragen. Of mail naar lezersservice@veenmedia.nl of kijk op newscientist.nl/faq Nederland Postbus 11249, 3004 EE Rotterdam t.n.v. Veen Media, Utrecht België Postbus 102, 2910 Essen t.n.v. Veen Media, Utrecht Tarieven 11 nummers per jaar, incl. porto Abonnement € 92,85; jongeren € 68,50; Europa € 121,42; Buiten Europa € 141,22 Losse nummers € 8,50 (excl. verzendkosten) Een abonnement wordt tot wederopzegging aangegaan, tenzij anders vermeld..

Hoofdredactie Jim Jansen Redactie Jaap Augustinus (beeldredactie), Ivar Dilweg, Yannick Fritschy, George van Hal, Joris Janssen, Wim de Jong (eindredactie), Loes Maassen, Dorine Schenk Tel +31-(0)88700 2931 Mail redactie@ newscientist.nl (voor persberichten), info@ newscientist.nl (uitsluitend voor vragen aan redactie), lezersservice@veenmedia.nl (voor vragen en wijzigingen in abonnementen) Post Postbus 57191, 1040 BB Amsterdam Bezoekadres Danzigerkade 9D, 1013 AP Amsterdam Aan dit nummer werkten mee Pepijn Barnard, Bob Bronshoff, Ed Croonenberg, Michael Duff, Ype Driessen, Marianne Pinckaers, Govert Schilling, Danny Schwarz, Ionica Smeets, Erick Vermeulen, Marcus Woo Vertalingen Ed Croonenberg, Valentijn van Dijk en Erick Vermeulen Basisontwerp Sanna Terpstra (Twin Media bv) Vormgeving Janneke Louwaars (Twin Media bv) en Pascal Tieman Brandmanager José Snel (josé.snel@veenmedia.nl) Marketingcoördinator Aniek Gillissen (aniek.gillissen@veenmedia.nl) Sales Alex Sieval (sales@veenmedia.nl)+31-(0)88-700 2679 Productiemanager Sonja Bon Druk Habo DaCosta bv Distributie Aldipress (NL), AMP (BE) ISSN 2214-7403 De uitgever is niet aansprakelijk voor schade als gevolg van druk- en zetfouten.

COPYRIGHT Deze Nederlandstalige New Scientist is een maandelijkse uitgave van Veen Media onder licentie van Reed Business Information Ltd. De inhoud is gedeeltelijk eerder gepubliceerd in de Engelstalige New Scientist ©2016 Reed Business Information Ltd. Alle andere kopij © 2016 Veen Media. Het logo en overige handelsmerken van New Scientist zijn eigendom van Reed Business Information Ltd. Niets uit deze uitgave mag op enigerlei wijze worden overgenomen of in een geautomatiseerd gegevensbestand worden opgenomen zonder schriftelijke toestemming van de uitgever. De uitgever heeft ernaar gestreefd de auteursrechten van de illustraties volgens de wettelijke bepalingen te regelen. Zij die menen nog zekere rechten te kunnen doen gelden, kunnen zich wenden tot de uitgever.

90 Young Scientist Proefjes, plaatjes en weetjes 97 Ype & Ionica Die Dekselse Dijkgraaf!

december 2016 | New Scientist | 5

INGEZOOMD

REIDAR HAHN/FERMILAB

Verlichte versneller Voor deze nachtfoto van de inmiddels gepensioneerde Tevatron liet de fotograaf Reidar Hahn een halfuur lang auto’s rondjes rijden om de vorm van de ondergrondse deeltjesversneller te visualiseren. Al bijna dertig jaar lang is Reidar Hahn de huisfotograaf van Fermilab, het Amerikaanse onderzoekscentrum voor hoge-energiefysica waar de Tevatron bij hoorde.‒DS

FOTO: SPEAKERS ACADEMY® - WALTER KALLENBACH

drs. Patrick van Veen

FOTO: SPEAKERS ACADEMY® - WALTER KALLENBACH

Arjan Postma

dr. André Kuipers

FOTO: DANNY SCHWARZ

drs. Femke Halsema

FOTO: MET DANK AAN PATRICK VAN VEEN

dr. Bernard Bot

prof. dr. Vincent Icke

FOTO: STEPHAN VANFLETEREN

Helga van Leur

FOTO: JORIS DEN BLAAUWEN

FOTO: MET DANK AAN MIDAS DEKKERS FOTO: CHARLOTTE HEMMENS

Midas Dekkers

FOTO: NICK VAN ORMONDT

FOTO: MET DANK AAN ERIK SCHERDER

prof. dr. Bas Haring

FOTO: HEIDI DE GIER

prof. dr. Erik Scherder

prof. dr. ir.

Mathieu Weggeman

prof. dr. Damiaan Denys

M AG

A

20

ZI N

Bestel editie 2016 van ACADEMY© Magazine

FOTO: WALTER KALLENBACH

FOTO: SUITABLE IMAGES

E

16

prof. dr.

Maarten van Rossem

Charles Groenhuijsen

(er zijn geen kosten aan verbonden)

Anne-Marie Rakhorst

prof. dr. Dick Swaab

prof. dr. Jan Peter Balkenende

FOTO: YPE DRIESSEN

FOTO: ROY BEUSKER

prof. dr. Herman Pleij

FOTO: SUITABLE IMAGES

prof. dr.

Victor Lamme

FOTO: EVERT-JAN DANIELS

Diederik Jekel

FOTO: MET DANK AAN ANNE-MARIE RAKHORST

FOTO: KAREN SCHEFFENS

FOTO: JORGEN CARIS

Ylva Poelman

FOTO: SPEAKERS ACADEMY® - WALTER KALLENBACH

FOTO: SJOERD GEUKE

dr. Mathijs Bouman

Vivianne Bendermacher

FOTO: SUITABLE IMAGES

FOTO: JEROEN BROEKMANS

Pierre Wind

FOTO: MINISTERIE VAN BEELD

speakersacademy.nl | 010-4333322

FOTO: SUITABLE IMAGES

dr. ir.

Koert van Mensvoort

Inspirerende sprekers en dagvoorzitters boekt u bij Europa’s grootste sprekersinstituut

FOTO: WALTER KALLENBACH

magazine@speakersacademy.nl

Pedro De Bruyckere

prof. dr. ir.

Ionica Smeets

ir. Thomas Rau

wat u zegt

Quotes

Brieven

Kersensap

In het Dossier Slaap van New Scientist 37 staat dat je langer slaapt als je twee keer per dag een glas zure kersensap drinkt, omdat dat rijk is aan melatonine. Ik wil dit graag proberen en vroeg me af op welk moment je het sap moet drinken, hoeveel ‘een glas’ is en welk soort kersensap je moet hebben.

—Casper, via e-mail Antwoord redactie: In de wetenschappelijke studie waarin dit is onderzocht dronken de proefpersonen twee keer per dag een glas kersensap van 200 milliliter. Dit dronken de proefpersonen bij het ontbijt en bij het avondeten. Melatonine heeft even tijd nodig om in je bloed te komen en zo in je hersenen te werken. Verder is het belangrijk dat er echte kersen of ‘kersenconcentraat’ bij de ingrediënten staat. Daar zou de melatonine in moeten zitten.

Spruitjes

‘ Men noemt mij ook wel de toiletprof’ _Ergonoom Johan Molenbroek (TU Delft) heeft als teamleider meegeholpen aan een wc voor ouderen in Delta

‘Ik weet niet goed wat te zeggen. Ik ben vereerd en ook wel emotioneel' _Chemicus Ben Feringa in reactie op het winnen van de Nobelprijs voor de Scheikunde in de Volkskrant

‘Sommige mensen willen heel specifiek dat hun lichamen door gieren opgegeten worden’ _Archeoloog Hayley Mickleburgh onderzoekt de ontbinding van stoffelijke overschotten op zogenaamde bodyfarms in Mare

‘ Wetenschap is het zoeken naar het begin van het plakbandrolletje’ _Robbert Dijkgraaf in Kijken in de Ziel

In het artikel over superfoods in New Scientist 38 (‘Driemaal daags innemen?’) staat in de vergelijkingstabel witlof, maar de afbeelding ernaast is van spruitjes. Zijn het witlofstruikjes of spruitjes die 236 milligram glucosinolaten per 100 gram bevatten?

—Chantal de Leest Antwoord redactie: Excuus, daar is een vertaalfout ingeslopen. Het gaat om spruitjes die 236 milligram glucosinolaten per 100 gram bevatten. In witlof komen ze helemaal niet voor. Ze zijn enkel te vinden in koolsoorten.

Tweets 18:12 - 20 okt .2016

Jaarprijs #wetenschapscommunicatie omdat ik "Op een vernieuwende en voorbeeldige manier een moeilijke discipline visibiliteit geef" <bloos> @freyablekman, hoogleraar deeltjesfysica VUBrussel 09:50 - 9 okt. 2016

6 year old has just wandered past muttering "Why is everything made of atoms? I have to know..." And so it begins. @drannawatts, universitair hoofddocent astrofysica 16:08 - 10 okt. 2016

Reageren kan via: New Scientist Postbus 57191 1040 BB Amsterdam

info@newscientist.nl twitter.com/NewscientistNL facebook.com/NewscientistNL

We behouden ons het recht voor om reacties te redigeren en in te korten. Plaatsing betekent niet dat we het eens zijn met de inhoud.

Leuk, Ben van Ome Geert en Tante Lies wint de Nobelprijs #RUG @feringaj, familielid van Nobelprijswinnaar Ben Feringa 10:32 - 25 jun. 2016

Amerikanen streven naar zo veel meer en nemen met zo veel minder genoegen, ook in de wetenschap @RHDijkgraaf, Robbert Dijkgraaf

december 2016 | New Scientist | 9

Nieuws

Op deze pagina’s staat, in lijn met het thema van het hele nummer, een selectie van recent nieuws uit de natuurkunde. Kijk voor actuele berichten op newscientist.nl en op facebook.com/newscientistnl.

Informeel produceerden TU/e-natuurkundigen solitonen al in 2008 bij een experiment in een voetbalstadion. Supporterswaves bleken eveneens ongestoord door elkaar heen te bewegen.

FLICKR/KEN LUND

Team van wetenschappers verklaart solitair golfgedrag Een vijftig jaar oud raadsel rond golven is opgelost.

Wetenschappers hebben in theorie en experiment laten zien hoe sommige golven ongestoord door elkaar heen kunnen bewegen.

10 | New Scientist | december 2016

H

et raadsel ontstond in 1965, toen de wiskundigen Norman Zabusky en Martin Kruskal een verrassende oplossing vonden voor de Korteweg-de Vries-vergelijking.

Deze vergelijking beschrijft hoe

golven voortbewegen over het oppervlak van ondiep water. Volgens de oplossing moeten in het water acht golven bewegen die hun vorm en snelheid behouden als ze zich verplaatsen. Zelfs wanneer deze zogeheten

DEZE MAAND 12 Quasigeboorte Wetenschappers zien voor het eerst hoe quasideeltjes ontstaan.

13 Spatvrij Zacht oppervlak kan spetters neutraliseren.

14 Zwexit Zwarte gaten hebben mogelijk een uitgang aan de achterkant.

15 Nano-auto’s Feringa’s moleculaire machines nader verklaard.

solitonen onderling botsen, blijven hun eigenschappen onveranderd.

De oplossing van Zabusky en Kruskal was echter een vereenvoudigde benadering. Een exacte oplossing bleek alleen met computers te vinden. Daardoor konden wetenschappers de betekenis van de oplossingen niet volledig bevatten. Bovendien lukte het niet om de acht voorspelde solitonen experimenteel te produceren.

Gino Biondini en Guo Deng van de University at Buffalo hebben daar nu verandering in gebracht. Ze ontwikkelden een wiskundige techniek waarmee ze het golvenpatroon beter beschrijven dan Zabusky en Kruskal. Met de techniek kunnen nauwkeurige voorspellingen gedaan worden over het aantal solitonen dat in golvend water kan ontstaan en over eigenschappen zoals amplitude en snelheid.

Om deze wiskundige techniek te testen, deden Italiaanse wetenschappers experimenten in een 110 meter lange watertank in Berlijn. Daarmee slaagden ze er voor het eerst in de verwachte acht solitonen te produceren. Bovendien kwam het golvenpatroon overeen met de theoretische voorspellingen van Biondini en Deng. De theoretische en experimentele resultaten verschenen samen in een artikel in vakblad Physical Review Letters. —DS

10

groeispurt die het heelal vlak na de oerknal doormaakte, duurde volgens de huidige −32 Detheorieën slechts 10 seconde. In die minieme fractie van een seconde werd het heelal -32

minstens 1026 keer zo groot - schattingen lopen zelfs op tot een factor 10100.

1 minuut Majorana-neutrino's Natuurkundigen zijn dichter bij uitsluitsel of een neutrino gelijk is aan een antineutrino. Deze theorie is in de jaren dertig bedacht door Ettore Majorana.

Japanse fysici hebben de theorie nu voor een deel experimenteel uitgesloten. Als neutrino's wel hun eigen antideeltje zijn, verklaart dat mogelijk waarom er veel meer materie dan antimaterie in het heelal is.

Was het vroege heelal met warm of koud gas gevuld?

NASA

93 dimensies

Jonge heelal had het wellicht warm tijdens groeispurt Kosmologen denken dat de groeispurt van het babyheelal gepaard ging met een dip in temperatuur. Een nieuw model spreekt deze aanname tegen.

H

et pasgeboren heelal was mogelijk een stuk warmer dan gedacht. Dat volgt uit een alternatief theoretisch model dat de snelle uitdijing van het heelal vlak na de oerknal beschrijft. Een internationaal team van fysici publiceerde het model in vakblad Physical Review Letters.

Kosmologen gaan ervan uit dat het heelal vrijwel onmiddellijk na de oerknal een ultrakorte periode van razendsnelle uitdijing kende. Volgens de huidige theorieën was het heelal tijdens deze ‘kosmische inflatie’ een stuk kouder dan ervoor en erna.

Twee decennia geleden bedacht fysicus Arjun Berera van de University of Edinburgh

➽

een alternatieve theorie, waarbij de inflatie onder warme omstandigheden plaatsvond.

Deze theorie is volledig gebaseerd op fundamentele principes uit de fysica.

Een van die principes is het Little Higgsmechanisme. Dat mechanisme houdt de massa van higgsdeeltjes stabiel. Berera combineerde het mechanisme met het idee dat in het jonge heelal genoeg energie werd geproduceerd om de temperatuur in de inflatieperiode constant te houden.

Nu heeft Berera met collega-fysici zijn theorie uitgebreid tot een model dat de volledige ontwikkeling van het heelal tijdens de inflatieperiode weergeeft. Het model komt goed overeen met satellietwaarnemingen aan temperatuurfluctuaties in het verre heelal. Meer metingen zijn echter nodig om te weten wat klopt: de huidige theorieën of Berera’s warme alternatief. —YF

Tik tak Onderzoekers hebben een klok ontwikkeld die nauwkeurig loopt tot op enkele femtoseconden (biljardsten van een seconde). De klok werkt op basis van heen en weer bewegende lichtpulsen.

Wetenschappers van de University of Cambridge hebben een nieuwe methode ontwikkeld waarmee je wiskundige berekeningen in hoge dimensies kunt uitvoeren. Ze testten hun methode met succes op een 93-dimensionaal probleem .

Losse atomen Natuurkundigen van MIT in de VS hebben voor het eerst de beweging van losse atomen in een gas microscopisch in beeld gebracht. Normaal bewegen gasatomen daarvoor te snel. De natuurkundigen koelden kaliumgas af tot een paar nanokelvin, waardoor de atomen zo langzaam bewogen dat ze afzonderlijk bestudeerbaar werden. Meer inzicht in hun beweging kan zorgen voor beter geleidende materialen.

Zwaartekrachtshistorie Kosmoloog Jim Peebles heeft een artikel gepubliceerd in The European Physical Journal H waarin hij de historische ontwikkeling van zwaartekrachtsonderzoek beschrijft. Zijn belangrijkste bevinding is dat experimenteel en theoretisch onderzoek evenveel aan de ontwikkeling hebben bijgedragen.

december 2016 | New Scientist | 11

nieuws

Quasideeltjes bekeken Normaal gaat het te rap om waar te nemen: de geboorte van quasideeltjes.

Fysici zijn er nu toch in geslaagd.

Uitdijing heelal lijkt in alle richtingen gelijk Britse astronomen hebben vrijwel volledig bewezen dat het heelal naar alle kanten even snel uitdijt. Dat publiceerden ze in Physical Review Letters.

De astronomen onderzochten de kosmische achtergrondstraling. Die straling ontstond vlak na de oerknal en is nog steeds overal in het heelal meetbaar.

De Britten maakten computermodellen die beschrijven hoe de achtergrondstraling eruit zou zien als het heelal draait of in een bepaalde richting meer of minder uitrekt. Die modellen vergeleken ze vervolgens met een warmtekaart van de kosmische nagloed.

Als het heelal roteert, hadden er volgens de astronomen spiraalpatronen zichtbaar moeten zijn in de achtergrondstraling. Als de uitdijing van het heelal een bepaalde voorkeursrichting heeft, had de straling langwerpige warme en koude plekken moeten weergeven.

De astronomen vonden niets dat op het bestaan van dergelijke patronen wijst. De kans dat het heelal een voorkeursrichting heeft, is volgens hen slechts 1 op de 121.000.

Op de aanname van een uniform uitdijend heelal zijn talloze kosmologische theorieën gebaseerd, waaronder het oerknalmodel. Deze theorieën hoeven dus voorlopig niet de prullenmand in. —MP 12 | New Scientist | december 2016

D

oor het vormingsproces af te remmen, hebben fysici voor het eerst het ontstaan van quasideeltjes bekeken. Ze publiceerden dat resultaat in Science.

Quasideeltjes zijn geen echte deeltjes, maar verzamelingen materie die zich als los deeltje gedragen. Dat wordt vaak vergeleken met de combinatie van een skiër en opstuivende sneeuw: samen vormen die een systeem dat je als één ding kunt beschrijven.

Het bekendste voorbeeld van een quasideeltje is het majoranadeeltje dat TU Delftfysicus Leo Kouwenhoven in 2012 bouwde.

Dat deeltje kan een basisbouwblokje van de toekomstige quantumcomputer zijn.

In dit geval bekeken fysici de vorming van een ander quasideeltje, het Fermi-polaron.

Dat ‘deeltje’ bestaat uit kaliumatomen gehuld in een wolk lithium. Normaal duurt het ontstaan van Fermi-polaronen ongeveer 100 attoseconden, een bijna onvoorstelbaar korte tijd. Het verschil tussen 100 attoseconden en een seconde is namelijk van dezelfde ordegrootte als het verschil tussen een seconde en 3,7 miljard jaar.

Doordat de fysici het quasideeltje lieten ontstaan in een in een ultrakoud gas, lukte het om de vorming te vertragen tot enkele microseconden. Daarom konden ze de vorming voor het eerst live volgen.

In de toekomst hopen de fysici het gedrag van quasideeltjes realtime te bekijken. Dat opent volgens hen de deur naar de ontwikkeling van hypersnelle elektronica. —GvH

Quaskideeltje

➽

Stukje taart Wiskundigen hebben een methode ontwikkeld om een taart eerlijk te verdelen over een arbitrair aantal mensen, zonder dat de taart door een buitenstaander gesneden wordt.

70%

Onderzoekers vergeleken de val van druppels op materialen van verschillende hardheid. Op de zachtste materialen hadden de druppels 70 procent meer bewegingsenergie nodig om te spetteren dan op de hardste materialen.

Gevangen in licht doen deeltjes rare dingen

Spetter spieter spater, nooit meer spatjes water.

LUKE PETERSON

Verzachting maakt oppervlakken spatloos

N

atuurkundigen hebben een manier gevonden om te voorkomen dat vloeistofdruppels opspatten als ze ergens op vallen. Bepaalde materialen met zacht oppervlak blijken gespetter volkomen te neutraliseren. De uitvinding kan laboranten en chirurgen helpen geknoei tot een minimum te beperken.

Eerder hadden onderzoekers al aangetoond dat je gespetter kunt verminderen door het oppervlak waarop een druppel valt opzij te bewegen. Ook kun je dit bereiken door de luchtdruk te verlagen. Dat is echter niet handig als er mensen aanwezig zijn die moeten ademen.

De natuurkundigen, werkzaam bij de universiteit van Oxford, lieten eerst druppels ethanol op een hard acryloppervlak terechtkomen. Ze zagen dat er op de plek waar de druppel neerkwam, kleine straaltjes de lucht in stuiterden. Eenmaal in de lucht vielen die straaltjes weer in druppeltjes uiteen, zodat de vloeistof uiteindelijk verspreid over meerdere plekken op het oppervlak kwam.

Toen de natuurkundigen het acryloppervlak inruilden voor zachte siliconen, gebeurde er iets anders. Het oppervlak vervormde bij de inslag van de druppels en absorbeerde de energie van de ontstane straaltjes. Daardoor hadden de straaltjes niet genoeg energie om van de druppel af te breken en bleef er slechts één plasje vloeistof over.

Hoe sneller de druppels vallen, hoe zachter het oppervlak moet zijn om spetters te neutraliseren.

Het onderzoek legt voor het eerst de oorsprong van vloeistofopspatting bloot. Om toepassingen mogelijk te maken, moeten natuurkundigen eerst andere factoren onderzoeken die het spatproces beïnvloeden, zoals de ruwheid van het oppervlak.

Spatloze oppervlakken kunnen van pas komen voor mensen die met gevaarlijke chemicaliën of lichaamsvloeistoffen werken. Als deze vloeistoffen opspatten, kunnen giftige of ziekteverwekkende stoffen in de lucht blijven. Tevens kan de uitvinding toiletten en urinoirs schoonhouden. —MW/YF

Deeltjes in een rooster van licht vertonen nieuwe materiaaleigenschappen. Dat blijkt uit theoretisch onderzoek van Cristiane Morais Smith van de Universiteit Utrecht. Het resultaat is gunstig voor de ontwikkeling van quantumcomputers.

Topologische isolatoren zijn van binnen niet geleidend, maar kunnen aan de randen wel stroom geleiden. Voor het ontwikkelen van een theorie over topologische materialen wonnen drie fysici dit jaar de Nobelprijs voor de Natuurkunde.

Topologische effecten in materialen leiden tot verrassende eigenschappen.

Zo maken ze spintronica mogelijk: een techniek om de hoeveelheid informatie op een computerchip te verdubbelen.

Daarbij wordt niet alleen de elektrische stroom van elektronen gebruikt, maar ook een stroom veroorzaakt door hun superkleine magneetveld.

Voor gewone materialen zijn topologische eigenschappen al veel bestudeerd.

Dat ook exotischer materiaal topologisch gedrag kan vertonen, toonde Morais Smith aan samen met haar promovendus Marco Di Liberto. Ze berekenden hoe deeltjes zich gedragen als ze opgesloten zitten in een rooster van licht. Dit rooster ziet eruit als een soort eierdoos, met energieheuvels en -dalen. De deeltjes zitten net als eieren ‘gevangen’ in de dalen.

Morais Smith en Di Liberto rekenden uit dat deeltjes in zo’n rooster – in tegenstelling tot eieren – gaan ronddraaien om de energieheuvels. Dat wekt een bijzondere stroming op waarbij bijna geen wrijving is tussen deeltjes onderling. Daardoor verplaatst de stroom zich erg gemakkelijk in het materiaal, wat veelbelovende mogelijkheden biedt voor quantumcomputers.

Morais Smith en Di Liberto hebben inmiddels contact met een Oostenrijkse onderzoeksgroep die een experimentele opstelling probeert te maken waarin ze deeltjes daaadwerkelijk in een rooster van licht opsluiten. —DS

december 2016 | New Scientist | 13

nieuws Gekerm, n gekrijs e gekreun

Jupiter stoot horrorgeluiden uit naar Juno

Is er licht aan het eind van de tunnel?

NASA

Zwarte gaten hebben mogelijk een achterdeur Wat gebeurt er als je in een zwart gat valt? Volgens een nieuw model beland je dan doodleuk elders in het heelal.

Z

warte gaten hebben in hun binnenste mogelijk een achterdeur, waardoor de materie verdwijnt die via de voordeur is binnengekomen. Dit volgt uit een nieuw theoretisch model voor zwarte gaten dat onderzoekers uit Valencia publiceerden in Classical and Quantum Gravity. Hiermee komt het beeld van het zwarte gat als oneindig klein punt met een oneindige dichtheid op losse schroeven te staan.

De onderzoekers haalden inspiratie uit de kristalstructuur van chemische verbindingen zoals grafeen. Net zoals dergelijke structuren kleine afwijkingen bevatten, zitten er ook afwijkingen in de structuur van

➽

de ruimtetijd. Volgens de onderzoekers is een zwart gat zo'n ruimtetijd-afwijking.

Voor het beschrijven van een dergelijke imperfectie is een andere geometrie nodig dan voor de rest van de structuur. De onderzoekers maakten een model waarin zwarte gaten in het centrum een bolvormig oppervlak hebben. Ze interpreteren dit oppervlak als de opening van een wormgat: een tunnel voor tijd en ruimte. Materie aangetrokken door een zwart gat vliegt volgens deze beschrijving door het wormgat en belandt elders in het heelal.

Het mogelijke bestaan van wormgaten is niet alleen belangrijk vanwege de verbinding tussen verschillende punten in het heelal. Wormgaten kunnen ook een verklaring bieden voor quantummechanische fenomenen zoals verstrengeling. —JoJ

Wiskunst Wiskundige technieken hielpen bij de restauratie van de 14e-eeuwse Johannesretabel van Francescuccio Ghissi. Voor het eerst sinds een eeuw is de retabel te zien in museum NCMA (VS).

14 | New Scientist | december 2016

Nasa-ruimtesonde Juno heeft tijdens haar omloop rond de gasreus Jupiter vreemde geluiden opgevangen. De spookachtige tonen komen van Jupiters aurora’s: lichtshows vergelijkbaar met het poollicht op aarde.

Ze geven inzicht in het immense magneetveld van de gasreus.

Jupiters magnetische veld is zo’n tien keer sterker dan dat van de aarde. Daardoor buigen de geladen deeltjes die de zon de ruimte in vuurt af als zij langs Jupiter schieten. Als de deeltjes sterk genoeg afbuigen om in de atmosfeer van de gasreus te komen, botsen ze op gassen.

Daarbij komt energie vrij in de vorm van een kleurrijk aurora.

Bij de interactie tussen atmosfeer en geladen deeltjes komen ook radiogolven vrij.

Met haar WAVES-instrument heeft Juno die golven gemeten. Wetenschappers van de universiteit van Iowa zetten die data om in geluidsgolven, met als resultaat iets wat niet zou misstaan in een horrorfilm.

Juno maakt in totaal 35 ronden rond Jupiter. Astronomen willen met haar gegevens de precieze effecten van het magneetveld in kaart brengen. —ID

10.000

Feringa liet zijn moleculaire motoren in een vloeistof draaien. De stroming die dit veroorzaakte, bleek sterk genoeg om een glazen cilinder te roteren die 10.000 keer groter was dan de motoren; alsof een zandkorrel een mens laat ronddraaien.

De moleculaire wagentjes van Ben Feringa en zijn mede-Nobellaureaten zijn al heel lang onderweg, maar niemand weet hun eindbestemming.

RICE UNIVERSITY

De nano-auto's die Feringa de Nobelprijs bezorgden Mechanische moleculen leverden Ben Feringa van de RU Groningen de Nobelprijs voor de Scheikunde op. Hoe werken die nanomachines?

O

m het onderzoek van Feringa in kaart te brengen, moeten we eerst naar het werk van zijn medeNobellaureaten kijken. In 1983 klikte de Fransman Jean-Pierre Sauvage op effectieve wijze moleculaire ringen in elkaar door een geladen koperdeeltje in een van de ringen te zetten. Op die manier maakte hij een ketting van moleculen die los van elkaar kunnen bewegen.

In 1994 maakte James Fraser Stoddart zijn paradepaardje: een moleculaire constructie van een

ring om een as. Die constructie doopte hij rotaxaan. Op de as zitten twee blokkades met deeltjes die een sterke negatieve lading hebben ten opzichte van de ring. Door de lading in de blokkades met kleine stroompjes aan te passen, kon Stoddart de ring naar wens over de as laten bewegen. Hij paste dit bijvoorbeeld toe op een structuur waarbij de ring als een soort nanolift fungeerde voor een 0,7 nanometer hoog gebouw.

Bovenaan het verlanglijstje van scheikundigen stond daarna een structuur die een werkelijke nanomachine mogelijk zou maken: een motor die continu in dezelfde richting draait. Dit bereikte Ben Feringa in 1999.

Hij maakte een cirkelvormig,

tweedelig molecuul en verbond dat met een ronddraaiende as.

Ronddraaiende moleculen bestonden al, maar Feringa was de eerste die een controleerbaar exemplaar maakte. Door uv-licht kunnen de twee helften 180 graden draaien ten opzichte van elkaar. Beide helften hebben bovendien een klein uitstekend stukje dat, als een ribbel van een tiewrap, maar in één richting kan doorschieten. Daardoor draait het molecuul eenmaal over het randje niet meer terug. Met een nieuwe puls uvlicht schiet het molecuul vervolgens verder door tot een volledige rotatie.

Door vier van zulke motoren als wielen vast te maken aan een moleculair chassis, maakte

Feringa een moleculaire fourwheeldrive. Daarmee behaalde hij in 2011 de voorpagina van vakblad Nature.

In 2014 liet Feringa de wielen 12 miljoen rotaties per seconde maken. Hij demonstreerde de kracht van deze moleculaire motoren door ze in een kristalachtige vloeistof te laten draaien. De ronddraaiende stroming die dit veroorzaakte, bleek sterk genoeg om een glazen cilinder die 10.000 keer groter is dan de motoren te roteren – vergelijkbaar met een zandkorrel die een mens laat ronddraaien.

De nanomotoren kunnen mogelijk in de toekomst dienen als gereedschap, als onderdeel of simpelweg als inspiratie voor toekomstige moleculaire machines. Feringa opperde zelf het gerichte transport van medicijnen als toepassing. Je zou zo’n medicijn op de moleculaire fourwheeldrive kunnen laden en die naar bijvoorbeeld een kankercel kunnen sturen. —ID december 2016 | New Scientist | 15

BOB BRONSHOFF

16 | New Scientist | december 2016

Werkelijkheid in wiskunde Met de wiskunde die ons brein verzint, kunnen we de echte wereld beschrijven. Geldt dat straks ook voor onze steeds complexere werkelijkheid, vol zwarte gaten en contraïntuitieve verschijnselen? We vroegen het gasthoofdredacteur Robbert Dijkgraaf.

Door George van Hal

‘D

e Italiaanse wiskundige en astronoom Joseph-Louis Lagrange zei ooit dat de Britse natuurkundige Isaac Newton wel de gelukkigste persoon in de geschiedenis van de mensheid moest zijn. Er kon immers slechts één mens voor het eerst ontdekken dat er een systeem in de wereld zit. En dat was Newton.

‘Vrijwel iedereen kent tegenwoordig de natuurwetten die hij opstelde. Ze worden er tijdens de natuurkundeles op de middelbare school onverbiddelijk ingehamerd.

Toch is het feit dat die wiskundige wetmatigheden de natuur beschrijven het grootste inzicht uit de moderne wetenschap. De werkelijkheid oogt chaotisch en onbeheersbaar, maar blijkt te vangen in de taal van de wiskunde. Dat is eigenlijk krankzinnig, een wonder. Die verbazing voel ik nog steeds.

‘En het wordt nog mooier. Want zodra we kijken naar de wereld van atomen en moleculen, of naar de allergrootste structuren in het heelal, blijkt die wiskunde nog steeds enorm goed te werken. De mathematisering van de werkelijkheid zet dus door. En niemand weet of het eind ooit in zicht komt.

‘Wie de geschiedenis van de natuurkunde bestudeert, ontdekt daarin een wapenwedloop tussen de complexiteit van de natuurlijke verschijnselen die we bestuderen en de wiskunde die we nodig hebben om die verschijnselen te beschrijven.

Newton moest voor zijn beschrijving van de wereld bijvoorbeeld nog zo’n beetje de hele moderne wiskunde ontwikkelen. De wiskundige taal die hij nodig had, bestond nog niet. En dus boetseerde hij zijn differentiaalrekening in het evenbeeld van de mechanica die hij wilde beschrijven.

‘In het geval van Albert Einstein verliep het juist andersom, iets dat wellicht een nog groter wonder is. Einstein genoot het geluk dat de wiskunde die hij nodig had december 2016 | New Scientist | 17

CV

nieuwe wiskunde

Robbert Dijkgraaf Geboren op 24 januari 1960 te Ridderkerk.

1982 natuurkunde, Universiteit Utrecht 1982 – 1984 Rietveld Academie, Amsterdam 1986 doctoraal natuurkunde 1989 promotie bij Gerard ’t Hooft 1989 – 1992 onderzoek Institute for Advanced Study, Princeton (VS) 1992 – heden hoogleraar mathematische fysica, UvA 2005 universiteitshoogleraar UvA 2008 – 2012 president KNAW 2012 – heden directeur Institute for Advanced Study Robbert Dijkgraaf is getrouwd met schrijfster Pia de Jong en heeft drie kinderen.

voor zijn algemene relativiteitstheorie al ergens in een kast op de plank lag. Vijftig jaar eerder had de Duitse wis- en natuurkundige Bernhard Riemann namelijk al beschreven hoe de geometrie van gekromde ruimtes eruit moest zien. Dat bleek de doorslaggevende wiskundige bouwsteen die leidde tot Einsteins nieuwe beschrijving van de werkelijkheid.

‘De verhalen van Einstein en Newton laten daarom weinig ruimte voor twijfel dat er een stevig verband bestaat tussen de wiskunde en de werkelijkheid. Maar hoe sterk is dat verband? Laten we eens het volgende gedachtenexperiment doen. Stel dat we elders in de kosmos intelligent buitenaards leven ontmoeten. Zeker is dat dat leven dezelfde natuurverschijnselen beschrijft als wij. Natuurkunde en scheikunde werken op verre planeten immers net zoals hier. De vraag is: gebruiken zij daarvoor dan ook dezelfde wiskunde?

‘Wiskundevergelijkingen vinden we niet in de vrije natuur. Daar tref je wel 18 | New Scientist | december 2016

Isaac Newton liet zien dat de werkelijkheid misschien chaotisch en onbeheersbaar oogt, maar toch te vangen is in de taal van de wiskunde.

THINKSTOCK

elektronen, maar de formules waarmee we elektronen beschrijven komen uit ons eigen hoofd. Het is waarschijnlijk dat we dus het soort formules ontwikkelen waar we instinctief gevoel voor hebben. Kijk nog eens naar Newton en zijn mechanica. Ieder mensenkind zal instinctief begrijpen wat je bedoelt met snelheid. Iets gaat snel, of iets gaat langzaam, dat hoef je niet uit te leggen. Newton ving begrippen als snelheid en versnelling in wiskundige formules. Dat zijn het soort formules die zich thuisvoelen in ons brein.’

Apenbrein ‘Miljoenen jaren aan evolutie heeft onze breinen zo geboetseerd dat ze kunnen omgaan met dat soort alledaagse begrippen.

Maar de wiskunde blijkt vervolgens ook in staat om een sprong te maken naar zaken die veel verder van ons afstaan. Van hele complexe getaltheorieën tot hogerdimensionale ruimtes, waar niemand zich nog iets bij kan voorstellen. Tot onze stomme

verbazing blijkt die hele abstracte wiskunde zich prima thuis te voelen bij hele complexe natuurkunde.

‘Neem nu de ruimtetijdkromming veroorzaakt door een zwart gat. Niemand heeft een intuïtief gevoel voor een zwart gat, of voor de vierdimensionale meetkunde die je nodig hebt om die kromming van de ruimtetijd te beschrijven. Maar op de een of andere manier helpt de abstractie van de wiskunde ons toch om zo’n ingewikkeld fysiek object te beschrijven. Met dat rare apenbrein van ons kunnen we de wiskundige structuren vangen die we nodig hebben voor de beschrijving van hele exotische, onbereikbare elementen van de natuur. Dat pleit sterk voor een soort universaliteit van de wiskunde. Intelligente buitenaardse wezens gebruiken dus vermoedelijk dezelfde formules als wij.

‘Tegelijk is de wiskunde ook veel groter dan het deel dat we gebruiken om de natuur mee te beschrijven. Ik kan heel makkelijk alternatieve natuurwetten en

‘Er is een wapenwedloop tussen de complexiteit van verschijnselen die we bestuderen en de wiskunde’

De wiskunde die Albert Einstein nodig had voor zijn algemene relativiteitstheorie was vijftig jaar eerder al beschreven door zijn voorganger Bernhard Riemann.

RUE DES ARCHIVES /HOLLANDSE HOOGTE

werelden bedenken die in de wiskundige werkelijkheid bestaan, maar niet in onze fysieke werkelijkheid. Toch bestaat de angst dat juist die wiskunde tekort zal schieten. Dat er stukken natuur bestaan die je niet in wiskunde kunt vangen omdat het menselijk verstand te beperkt is om die stap te zetten. Tegen die beperkingen zijn we tot nu toe echter niet aangelopen.

‘Op dit moment zitten we wel op een kantelpunt. Het punt waarop we ons zelfvertrouwen dat de werkelijkheid in wiskunde te vangen is, op de proef gaan stellen. Dat gebeurt vooral in mijn eigen vakgebied, de snaartheorie. Als je die theorie bestudeert, bekruipt je heel sterk het gevoel dat we met te zwak gereedschap werken. Iedereen voelt wel dat het overkoepelende wiskundige raamwerk waar we naar speuren echt bestaat, al weten we nog niet of vervolgens ook de echte wereld beschrijft.

‘In de snaartheorie willen we alles tegelijk doen. We willen de taal van de

quantummechanica en de taal van de algemene relativiteitstheorie met elkaar verbinden. Die overkoepelende taal bestaat nog niet, al zien we af en toe fragmenten, schimmen, die gevangen zitten in een eigen wiskundige taal. Soms gebruiken we de meetkunde, soms de algebra, soms abstractere talen. We beschikken inmiddels over een aantal woordenboeken waarmee we het ene fragment naar het andere kunnen vertalen. Maar onze wiskunde is niet diep genoeg om het geheel in één keer te beschrijven. Wat dat betreft zitten we in hetzelfde schuitje als Newton.

‘We weten zelfs nog niet naar welke fundamentele begrippen we precies op zoek zijn. Ik zie daarin een omgekeerde versie van de beroemde grot van de Griekse filosoof Plato. Hij stelde zich voor dat er perfecte, abstracte begrippen bestaan.

De ideale driehoek, bijvoorbeeld. De driehoek die wij in het dagelijks leven zien, is daar slechts een schaduw van, als ware deze geprojecteerd op de wand

van een grot waarbij je met de rug naar de opening zit.

‘Wat ik nu voel is dat we in de natuurkunde in de inverse van die grot zitten. We kennen niet de overkoepelende wiskundige theorie, niet die perfecte driehoek. Maar we zien wel de schaduwen ervan opdoemen in bepaalde formules. Stukken die voldoende zijn aangelengd dat we ze in onze bestaande wiskunde kunnen vangen.

En uit die schaduwen willen we nu het origineel reconstrueren.

‘Dat gebeurt nu nog vooral vanuit de menselijke, natuurkundige intuïtie. Ineens ziet iemand waarom begrip A gelijk moet zijn aan begrip B. Dat, bijvoorbeeld, de beschrijving van een zwart gat in de relativiteitstheorie gelijk moet zijn aan de beschrijving van zo’n zwart gat in een bepaalde ijktheorie. Wiskundigen gaan dan kijken of de formules van de ene theorie inderdaad passen op de formules van de andere. Dat lukt meestal, met een nieuw stuk wiskunde tot gevolg.

‘Maar waar die wiskunde dan vandaan komt, snapt niemand. Het komt voort uit onduidelijke, schimmige fysische begrippen die ons brein aan elkaar kan knopen, maar die nog niet in wiskundig formalisme zijn gevangen. We willen in zekere zin dus de natuurkundige intuïtie zelf vangen in vergelijkingen. Daarin schuilt de kern van de werkelijkheid.

‘Wiskundigen en natuurkundigen moeten daar de komende jaren samen aan werken. Het leuke van de moderne wetenschap is immers dat onze zoektocht onherroepelijk teamwork is. Mensen wiens kracht de natuurkundige intuïtie is moeten het eerste stuk van deze estafette rennen, waarna anderen dat idee kunnen oppakken, vertalen en wiskundig doorontwikkelen.

‘Die eerste stap is een rol die bijvoorbeeld Erik Verlinde [zie het interview vanaf pagina 22, red.] goed zou passen. Hij is iemand die zich realiseert dat de moeilijkste december 2016 | New Scientist | 19

nieuwe wiskunde

Het zwarte gat is de krankzinnigste voorspelling van Einstein; het onderdeel van zijn theorie waarin die theorie zelf niet meer blijkt te werken.

NAOJ

stap op dit moment is om de juiste natuurkundige intuïtie te verkrijgen. Die eerste stap hebben we nodig om een nieuwe taal te ontwikkelen, de taal die ik het liefst de quantummeetkunde noem.

‘Die taal moet uiteindelijk contact maken met de theorieën van Einstein, maar ook ideeën bevatten die de natuurkunde al heeft blootgelegd. Zo zijn we ons de laatste jaren steeds meer gaan realiseren dat ruimte en tijd niet fundamenteel zijn. Dat werkt net zoals de temperatuur, die eveneens niet fundamenteel is, maar juist het gevolg van de beweging van atomen. We zijn dus eigenlijk op zoek naar de ‘atomen’ van ruimte en tijd. De beschrijving van die fundamentele bouwstenen moet ons nieuw inzicht in de ware aard van de kosmos verschaffen.’

Lijnen en punten ‘Voor wiskundigen is die zoektocht controversieel en confronterend. In al het denken over de wiskunde zijn begrippen als ruimte en punten heel fundamenteel. Dat is al zo sinds de tijd van de hellenistische wiskundige Euclides, zo’n 300 jaar voor Christus.

Je kunt je bijna niet voorstellen dat er iets fundamentelers bestaat dan een punt, maar toch is dat wat de huidige natuurkunde lijkt te impliceren. Punten zijn een illusie en er zit iets fundamentelers onder.

‘Wat we nodig hebben is een wiskundige taal die dat concept vangt en een soort knop heeft waar je aan kunt draaien. Draai je die knop helemaal naar rechts, dan krijg je de vergelijkingen van Einstein. Maar zet hem een beetje in het midden en je krijgt ineens iets heel ingewikkelds. Iets waaruit ruimte en tijd voortkomen.

‘We hebben het sterke vermoeden dat de overkoepelende taal die dat kan, moet bestaan. De natuur heeft voor deze problemen immers een oplossing gevonden.

Want de natuur werkt, de werkelijkheid bestaat. De eerste ideeën van waarmee we die diepere laag kunnen beschrijven, bestaan al. Toen fysici bijvoorbeeld gingen kijken naar zwarte gaten, ontdekten zij dat de informatie die in een zwart gat verdwijnt, het oppervlak van de horizon van zo’n zwart gat vergroot. Met andere 20 | New Scientist | december 2016

‘Natuurkundige intuïtie willen we vangen in vergelijkingen. Daarin schuilt de kern van de werkelijkheid’

product van de botsingen van atomen en moleculen weten we dat wel. We weten precies wat moleculen zijn, hoe ze zich gedragen. Maar voor informatie weten we dat nog helemaal niet. Het soort wiskundige structuur dat erin schuilt, heeft nog niemand door. Zelfs Erik Verlinde niet.’

woorden: informatie wordt een meetkundig begrip. Verlinde doet iets soortgelijks met informatie, en gebruikt het als verklaring voor de zwaartekracht.

‘Het zou dus zo kunnen zijn dat informatie de basisbouwsteen is waaruit ruimte en tijd ontstaan. Toch zijn we er dan nog lang niet. Want uiteindelijk moeten we kunnen uitleggen hoe uit die informatie dan ook lijnen en punten ontstaan. En hoe dat leidt tot de relativiteitstheorie van Einstein.

‘Er zijn al theorieën die dat in specifieke gevallen voor elkaar krijgen, die vertellen hoe je informatie in een stukje ruimtetijd vangt. Daar kun je zelfs al min of meer de relativiteitstheorie uit afleiden. Maar dan snap je nog niet wat de microscopische wetten zijn die het gedrag van die informatie beschrijven. Bij temperatuur als

‘De komende jaren moeten we daarom goed blijven kijken naar de ontwikkelingen rond zwarte gaten. Aan het begin van de vorige eeuw was het atoom het vliegwiel van de natuurkunde. Dat atoom was een enorme paradox. We wisten wel iets van elektronen en elektromagnetisme, maar we snapten niets van hoe elektronen konden draaien om een atoomkern. Het leek alsof ze direct de atoomkern in zouden spiraliseren. En dat terwijl dat atoom het meest fundamentele element van de materie is. Die paradox zorgde voor een heerlijke situatie. Je kon op het atoom gedachte-experimenten loslaten, je ideeën eraan toetsen. En uiteindelijk leidde dat tot de geboorte van de quantummechanica.

‘Het zwarte gat is het atoom van het begin van de 21e eeuw. Het is eigenlijk een

Krankzinnige voorspelling

vormen van materie te beschrijven. Je moet daarvoor de interacties tussen ontelbaar veel elektronen beschrijven om de eigenschappen bloot te leggen. Je kunt daarmee in theorie een materiaal ontwerpen dat supergeleidend is op kamertemperatuur, zodat je zonder energieverlies willekeurige grote stromen door dat materiaal kunt laten lopen. Iets dat duidelijk enorme praktische toepassingen heeft.’

Quantumcomputer

Op verschillende plekken in de wereld, zoals hier bij QuTech in Delft, wordt gerekend aan de quantumcomputer, die op zijn beurt misschien weer nieuwe wiskunde oplevert.

BOB BRONSHOFF

heel simpel object, letterlijk een gat in de ruimte. Tegelijk is het het meest complexe object dat we kennen. Het bevat de grootst mogelijke hoeveelheid informatie in de kleinst mogelijke ruimte. Het zwarte gat is de meest krankzinnige voorspelling van Einstein. Het is het onderdeel van zijn theorie waarin die theorie zelf niet meer blijkt te werken. Het is een ideale theoretische paradox, een schijntegenstelling. Want hoewel de natuurkundige theorieën met elkaar in conflict zijn, heeft de natuur daar zelf overduidelijk een oplossing voor gevonden. Anders zouden we zwarte gaten niet aan de hemel zien staan. Dat levert opnieuw een enorm fijn object op op waar we onze ideeën aan kunnen toetsen.

‘Naarmate we meer van zwarte gaten leren, ontdekken we bovendien steeds nadrukkelijker hoe belangrijk ze zijn. Toen we vorig jaar voor het eerst zwaartkrachtsgolven waarnamen, bleken we meteen de botsing van twee zwarte gaten te zien. Dat toont wel aan dat ze een veel grotere rol spelen in de kosmos dan we tot nu toe dachten. Wanneer we zwarte gaten echt doorgronden, ontdekken we daarmee dus misschien de nieuwe wiskundige laag waar

we zo nadrukkelijk naar zoeken. Bij dat proces spelen computers een belangrijke rol. De vergelijkingen van Einstein die het gedrag van zwarte gaten beschrijven, passen met wat handige wiskundige notatie wel op één regel. Maar wie wil berekenen hoe twee zwarte gaten in elkaar spiraliseren, loopt tegen beperkingen op. Dat lukte pas vijf jaar geleden echt goed, dankzij de rekenkracht van computers.

‘Op het moment dat de wiskunde klaar is, dat we de vergelijkingen snappen, spelen die computers dus een grote rol. Maar daar zijn we nog niet in het geval van snaartheorie en quantumgravitatie. Toch kan een ander soort computer ons helpen om die volgende stap te zetten.

‘De microscopische wiskundige beschrijvingen die fysici al maakten van ruimte en tijd, hanteren een totaal ander fysisch model en een totaal andere taal dan onze andere natuurkunde. Die systemen zijn alleen vreselijk complex. Daarin lijken ze wel wat op de problemen die spelen in een andere tak van de theoretische natuurkunde, de gecondenseerde materie.

‘In dat vakgebied probeert men de eigenschappen van ingewikkelde nieuwe

‘De vraag is dan: welk arrangement van moleculen en atomen heb je daarvoor nodig? Dat kun je in het lab gaan uitproberen, maar zo veel verschillende mogelijkheden uittesten lukt niet in een mensenleven. Als een computer dit probleem zou kunnen simuleren zou dat veel efficiënter zijn, maar dit soort berekeningen zijn ook voor computers te complex.

‘De exponentiële rekenkracht van de quantumcomputer biedt dan mogelijk uitkomst. Het berekenen en ontwerpen van dit soort nieuwe vormen van materie zien sommigen dan ook als een van de killer applications van de quantumcomputer.

‘Ik kan me tegelijk goed voorstellen dat je zoiets ook kunt gebruiken om de microscopische modellen van de zwaartekracht door te rekenen. Die lijken wel een beetje op de problemen waar mensen met supergeleiding nu tegen aanlopen. Zo’n quantumcomputer is dus misschien het juiste gereedschap om de collectieve eigenschappen van de fundamentele bouwstenen waaruit ruimte en tijd ontstaan, te doorgronden en door te rekenen. Dan krijgen we mogelijk eindelijk de vinger achter alles van zwaartekracht en zwarte gaten tot de oerknal en andere exotische begrippen uit Einsteins beschrijving van de werkelijkheid.

‘Voorlopig weet echter niemand nog of het de quantumcomputer, een volgende doorbraak in de fundamentele wiskunde of een grandioos nieuw inzicht uit onze onnavolgbare natuurkundige intuïtie zal zijn, die de nieuwe wiskunde gaat opleveren die we nodig hebben om onze steeds complexere werkelijkheid te beschrijven. Maar één ding is wel zeker. De volgende stap in de voortdenderende mathematisering van de werkelijkheid zal onze blik op het universum tot in de allerdiepste kern veranderen.’ december 2016 | New Scientist | 21

‘Donkere materie bestaat niet’

22 | New Scientist | december 2016

Interview Erik Verlinde

Fundamentele begrippen uit de natuurkunde – denk aan zwaartekracht, de oerknal en donkere materie – moeten vrezen voor hun bestaan als het aan Erik Verlinde ligt.

december 2016 | New Scientist | 23

interview

detail uitwerkt. Wat vooral spannend is aan de nieuwe publicatie, is dat Verlinde het bestaan van donkere materie en donkere energie verwerpt. Niet alleen uit theoretische overwegingen, maar ook door te kijken naar astronomische waarnemingen. Daarmee brengt Verlinde de snaartheorie voor het eerst in het waarneembare gebied.

Als donkere materie inderdaad niet bestaat,

Tekst: Yannick Fritschy en Jim Jansen Fotografie: Bob Bronshoff

D

e polder-Einstein, werd hij genoemd. Met zijn radicaal nieuwe beschrijving van de zwaartekracht zou hij de algemene relativiteitstheorie flink verbeteren, net zoals Albert Einstein met zijn theorie Isaac Newton verbeterde. In 2010 presenteerde Erik Verlinde zijn concept van ‘emergente zwaartekracht’ in de publicatie On the Origin of Gravity and the Laws of Newton.

Daarin stelt hij dat zwaartekracht geen fundamentele kracht is, maar een indirect effect dat optreedt als gevolg van veranderingen in de informatieverdeling van het heelal. Een jaar later beloonde de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO) hem voor dat idee met de prestigieuze Spinozapremie, ook wel de Nederlandse Nobelprijs genoemd.

Niet iedereen was echter lovend over Verlindes nieuwe idee. De voornaamste kritiek was dat de theorie niet falsificeerbaar was. Want hoewel Verlinde zwaartekracht op een volledig nieuwe manier omschreef, waren zijn uitkomsten voor waarneembare verschijnselen identiek aan wat volgt uit Einsteins vergelijkingen. Bovendien was het gepubliceerde concept volgens collega-fysici nog te vaag om daadwerkelijk partij te kunnen bieden aan de algemene relativiteitstheorie.

Inmiddels zijn we vijf jaar verder en bevindt de theorie zich in een volledig andere fase.

Verlinde heeft een nieuw artikel geschreven, waarin hij zijn zwaartekrachtstheorie in 24 | New Scientist | december 2016

niet goed genoeg. Bovendien is timing belangrijk: in de zomer heeft een publicatie minder impact. Daarom heb ik besloten te wachten. Ik ben toen nog een keer het hele artikel langsgegaan en kwam vanzelf punten tegen die nog beter konden.’

Gaat het dan om formules of formuleringen?

‘Vooral om de presentatie van het idee en de

‘Bij grootschalige processen wijkt de zwaartekracht af van Einsteins theorie’ zou dat een enorme schok zijn voor de fysica. Op elke denkbare plek wordt immers gezocht naar de duistere deeltjes, die volgens de meeste natuurkundigen het gros van het heelal vullen. Op de bodem van de oceaan, in de ruimte, op de Zuidpool en bij deeltjesinstituut Nikhef op het Science Park in Amsterdam: overal denken natuurkundigen met dure experimenten ’s werelds meest gezochte deeltje te ontmaskeren.

Vlak voor het verschijnen van zijn artikel spreken we Verlinde in zijn kantoor op het Science Park van de Universiteit van Amsterdam, een paar honderd meter van de Nikhef-experimenten vandaan. Hij is ervan overtuigd dat de donkere-materiejagers niets zullen vinden. Verlinde vertrouwt op zijn eigen idee, dat hij helemaal alleen en puur op intuïtie heeft ontwikkeld. Sterker nog, Verlinde denkt dat de theorie van emergente zwaartekracht zal leiden tot een revolutie in de theoretische fysica, die misschien wel groter is dan de revoluties van de quantummechanica en de relativiteitstheorie bij elkaar.

Begin april zei u al in de Volkskrant de nieuwe publicatie binnen een week af te ronden. Waarom heeft het nog een half jaar geduurd?

‘Ik heb het artikel destijds wel geprobeerd af te ronden, maar enkele details waren nog

conceptuele denkstappen. Ik kan niet verwijzen naar bestaande theorieën, omdat ik daarvan afwijk. Dan moet ik de reden dat ik afwijk wel goed uitleggen. Wat heeft iedereen over het hoofd gezien? Daarbij is het ook belangrijk dat ik het zelf zo goed mogelijk begrijp. Hoe beter ik het snap, hoe beter ik het kan uitleggen.’

Is het vanwege de verwachte impact dat u het artikel zo hebt geperfectioneerd?

‘Ja, ik weet zeker dat collega’s erop zullen duiken als dingen onduidelijk zijn. Een theorie is nu eenmaal zo sterk als de zwakste schakel. Ik wil ook niet elk jaar een nieuwe versie van het artikel publiceren. Het moet in één keer goed.’

Is het dan ooit helemaal goed?

‘Er zullen altijd vragen open blijven staan, maar ik denk dat ik het nu goed genoeg heb onderbouwd.’

Hebt u spijt van uw uitspraak in april?

‘Die had wat mij betreft niet in de krant gehoeven. Maar ik denk dat uiteindelijk niemand wakker zal liggen van die paar extra maanden.’

Was u niet bang dat anderen in de tussentijd met uw idee aan de haal zouden gaan?

‘Nee, daarvoor heb ik er te veel en te lang

dat gebied. Net als bij een hologram zou alle informatie over een driedimensionale ruimte beschreven staan op een tweedimensionaal vlak. Ik stel echter dat de informatie niet alleen op de rand van het gebied staat, maar over het gehele volume verdeeld is. Daardoor krijg je in sommige gevallen afwijkingen van de Einsteinvergelijkingen.’

CV

In wat voor gevallen?

Erik Verlinde Geboren op 21 januari 1962 in Woudenberg.

1988 promotie, Universiteit Utrecht 1988 postdoc, Institute for Advanced Study in Princeton, VS 1993 lid theoriegroep Cern, Genève 1996 hoogleraar Universiteit Utrecht 1999 hoogleraar Princeton University, VS 2003 hoogleraar Universiteit van Amsterdam 2010 voorpublicatie On the Origin of Gravity and the Laws of Newton, waarin hij de theorie van emergente zwaartekracht presenteert 2011 Spinozaprijs

over nagedacht. De theorie is volledig gebaseerd op een intuïtief idee. Ik weet vrij zeker dat dat niet zomaar in het hoofd van iemand anders terechtkomt.’

Zijn er wel andere fysici die zich met uw theorie bezighouden?

‘Zeker. De theorie van emergente zwaartekracht is al tientallen jaren in ontwikkeling.

Ze komt voort uit ideeën van onder andere Stephen Hawking en Gerard ’t Hooft op het gebied van zwarte gaten. Die ideeën zijn later naar de snaartheorie gebracht en worden nu verder uitgewerkt (zie kader ‘Emergente zwaartekracht’).’

Is het vervelend om een artikel telkens te

moeten veranderen vanwege dat soort recente ontwikkelingen?

‘Nee, het is juist prettig dat sommige denkstappen al door anderen worden gedaan. Ik ga dan een paar denkstappen verder. Voor veel anderen is het ultieme doel om met de theorie van emergente zwaartekracht de oude Einsteinvergelijkingen te reproduceren. Daar zijn ze onder bepaalde aannames zelfs al in geslaagd. Maar ik denk juist na over hoe het anders kan. Ik zie redenen om sommige aannames te veranderen.’

Welke aannames?

‘Vooral de aanname dat de quantuminformatie die een bepaald gebied beschrijft, opgeslagen is op het oppervlak van de rand van

‘De afwijkingen zijn vooral zichtbaar in de beweging van sterren in stelsels zoals de Melkweg. Je verwacht dat de sterren naar buiten toe steeds langzamer bewegen, net zoals de planeten in het zonnestelsel. Dat gebeurt ook, maar niet helemaal zoals verwacht. De precieze snelheid die astronomen waarnemen, wijkt vanaf een bepaald punt telkens evenveel af van de theoretische waarde. De sterren aan de buitenkant gaan dus sneller dan verwacht.’

Reden voor anderen om donkere materie in het leven te roepen. Waarom niet volgens u?

‘Er zijn twee mogelijke verklaringen: er is meer materie dan je ziet, of de zwaartekrachtswetten moeten op de schop. De eerste verklaring schiet tekort. Volgens de huidige theorieën hangt de hoeveelheid donkere materie rond een melkwegstelsel af van processen die plaatsvinden op het moment dat de sterren zich vormen. Deze stervormingsprocessen zijn echter zo complex dat niemand ze volledig kan doorrekenen.

Toch is er een duidelijke formule die de versnelling van de sterren ten opzichte van Einsteins wetten in elk melkwegstelsel beschrijft. Zo’n directe relatie is onmogelijk te verklaren met een complexe deeltjestheorie.

‘De andere mogelijkheid is om de zwaartekrachtswetten te veranderen. Lange tijd was daar geen reden toe. Nu we zwaartekracht als emergent verschijnsel beter begrijpen, is die reden er wel. Ik laat vanuit de wetten van de thermodynamica zien dat de zwaartekracht bij grootschalige processen afwijkt van Einsteins theorie. Die theoretische afwijking komt goed overeen met de afwijkingen die astronomen meten in melkwegstelsels.’ december 2016 | New Scientist | 25

interview

‘De formule die de afwijkingen binnen melkwegstelsels beschrijft, gaat niet op voor clusters van sterrenstelsels. Waarnemingen aan het Bullet Cluster, een cluster van twee botsende sterrenstelsels, laten zien dat de zwaartekracht het sterkst is op de oorspronkelijke plek van de clusters. Dat is in tegenspraak met de theorie van Mordehai Milgrom, de Israëliër die de formule heeft opgesteld.

‘Maar mijn theorie is anders. Volgens Milgrom treden overal dezelfde afwijkingen op van Einsteins wetten. Uit mijn theorie

De enige manier om dat te bewijzen, zou zijn door zo’n deeltje direct waar te nemen. Maar de experimenten die dat proberen, komen telkens met negatieve resultaten.’

de snaartheorie kunt testen via waarnemingen aan sterrenstelsels met donkere materie.

Daarmee gaat de theorie een volledig nieuwe fase in, met meetbare gegevens.’

Staat u dan te juichen na zo’n negatief resultaat?

Wat voor experiment kan uw theorie echt op de proef stellen?

‘Misschien inwendig een beetje, maar eigenlijk ben ik daar niet zo mee bezig. Ik vind het wel goed dat ze naar donkere materie zoeken. Als ze gedurende een lange periode niks vinden, zullen mensen steeds meer gaan nadenken over een alternatief. Ook daarom denk ik dat het goed is dat ik nog even heb gewacht met mijn publicatie.’

‘Nog betere directe waarneming van sterrenstelsels. Met meer directe waarnemingen kun je verschijnselen beter verklaren, mits je een idee hebt wat de achterliggende theorie is.

‘Ikzelf vind overigens dat een theorie ook zonder waarnemingen overtuigend kan zijn.

Einsteins algemene relativiteitstheorie draaide ook niet om de kleine afwijking van Mercurius die hij voorspelde. Het succes kwam voort uit de logica van de theorie. Ik voorspel net zo’n afwijking, alleen dan op veel grotere schaal. Dat hoop ik vanuit de logica van de theorie te bewijzen.’

‘Het gros van wat nu als donkere materie wordt gezien, is dat niet’ volgt dat dit niet in elke situatie op dezelfde manier gebeurt. Alleen bij melkwegstelsels die niet worden verstoord voldoen ze aan Milgroms formule. In andere gevallen afhankelijk van de verstoringen soms wel en soms niet. Maar ik moet bekennen dat mijn theorie niet ver genoeg is ontwikkeld om uit te kunnen rekenen wat er in deze gevallen precies gebeurt.’

Is er binnen uw theorie helemaal geen ruimte voor donkere materie, of bent u als polder-Einstein wel bereid tot een poldermodel met een beetje donkere materie?

‘Aan clusters wordt meer donkere materie toegeschreven dan aan melkwegstelsels. Het zou kunnen dat bepaalde soorten onzichtbare deeltjes, neutrino’s bijvoorbeeld, voor dat verschil zorgen. Maar ik ben ervan overtuigd dat het gros van wat nu als donkere materie wordt gezien, dat niet is.

‘Er zullen heus nog wel onontdekte deeltjes zijn, maar niet een deeltje dat zo stabiel is dat het nergens mee reageert en niet vervalt. Als de LHC een nieuw deeltje ontdekt, dan hoeft dat dus niet per se donkere materie te zijn.

26 | New Scientist | december 2016

Denkt u dat men ooit zal stoppen met zoeken naar donkere materie?

‘Het bestaan ervan is nooit volledig uit te sluiten. Er zullen altijd modellen denkbaar zijn, bijvoorbeeld met neutrinoachtige deeltjes, die verklaren waarom we donkere materie tot dat moment niet hebben gemeten. Dat zijn echter niet de aantrekkelijkste modellen. De meest gewenste optie – supersymmetrische deeltjes die botsingen aangaan – is al nagenoeg uitgesloten. Die deeltjes zou je met de LHC moeten kunnen produceren, maar dat is niet gelukt.’

Leiden dit soort nulresultaten ertoe dat meer fysici naar uw kamp overstappen?

‘Ik denk dat experimentele fysici meer interesse zullen hebben dan vijf jaar geleden, toen ik alleen een intuïtief concept publiceerde. Maar het zijn vooral de snaartheoretici die ik wil overtuigen. Dat zijn de mensen die nadenken over emergente zwaartekracht. De snaartheorie is veel bekritiseerd, omdat die alleen voorspellingen deed op de kleinst mogelijke schaal en daardoor niet verifieerbaar was. Ik zeg nu dat je ideeën uit

DE KEUZE VAN DIJKGRAAF

Geeft de theorie even goede resultaten op andere plekken waar volgens astronomen donkere materie te vinden is?

‘Tijdens mijn promotie in Utrecht deelde ik een kamer met Erik Verlinde. In die jaren zaten we daar vaak samen eindeloos te filosoferen. Ik ben sindsdien een van zijn grootste fans. Hij is een van de meest originele denkers die ik ken. Hij heeft de durf om zijn eigen pad te zoeken in een tijd waarin de meeste mensen meer van hetzelfde doen.’

interview

sterrenstelsels. Dat is een grote conceptuele stap. Formules uit de snaartheorie bleken daarbij enorm belangrijk. Maar mijn werk bleef heel anders dan dat van degenen die de snaartheorie alleen maar volgen.’

Hebt u die stap helemaal als enige gemaakt?

‘Ja, het is dan ook een individuele publicatie.

Dat ik de enige ben, heeft trouwens ook met durf te maken.’

Zijn anderen bang om afgebrand te worden?

‘Op een gegeven moment heb ik besloten alleen nog maar mijn intuïtie te volgen’ Kijken er veel collega’s over uw schouder mee?

‘Het begint wel rond te zingen. Een punt van zorg is echter dat snaartheoretici over het algemeen niks van donkere materie weten en astronomen niks van snaartheorie. Ze zijn wel blij met mijn contactpoging.

‘Ik heb natuurlijk al wat dingen verteld op conferenties. Dat vinden ze fascinerend, maar ze zullen pas oordelen als ze de details in de publicatie hebben gezien. Net als bij mijn vorige publicatie zullen er discussies volgen. Ze zullen vast niet direct overtuigd zijn.’

Vindt u het frustrerend dat veel vakgenoten donkere materie als een voldongen feit zien?

‘Ik vind het wel verrassend als iemand tijdens een conferentie maar één slide laat zien over donkere materie in melkwegstelsels en vervolgens alleen maar praat over de zoektocht naar een deeltje. De denkstap dat donkere materie niet vanzelfsprekend bestaat, wordt nauwelijks gemaakt. Veel wetenschappers kopiëren elkaar en gaan volledig uit van de autoriteit van anderen. Ik ging er

vroeger ook vanuit dat donkere materie een of ander deeltje was. Pas zo’n vijf à zes jaar geleden ontstond bij mij de twijfel.’

Was het een bewuste keus om radicaal tegen de stroom in te gaan?

‘Ik heb me altijd aangetrokken gevoeld tot zwaartekracht. Samen met zwarte gaten en quantummechanica werd dat mijn onderzoeksthema. In het begin heb ik me veel met mathematische fysica beziggehouden, onder andere samen met Robbert Dijkgraaf, maar op een gegeven moment ben ik dat minder gaan doen. In dat veld komen veel modeonderwerpen voorbij. Elke keer van de ene wiskundige ontwikkeling naar de andere, dat voelde niet nuttig voor mij.

‘Ik denk dat ik een goede intuïtie heb. Op een gegeven moment heb ik bewust besloten voortaan alleen nog maar mijn intuïtie te volgen. Hoe dan ook. Ik heb iets begrepen over zwaartekracht, puur door erover na te denken. Bij het uitwerken behaalde ik telkens kleine doorbraakjes die mijn idee bevestigden. De laatste jaren moest ik de stap maken van quantummechanische processen naar

‘Anderen wel. Ikzelf ben erop voorbereid. Ik stel mezelf de hele tijd vragen, scan mijn volledige redenering om te achterhalen waar de bottlenecks zitten. Ik ben mijn sterkste criticus.’

Zijn er mensen met wie u deze worsteling deelt?

‘Ik laat mijn twee promovendi dingen doorrekenen. Daar zal een vervolgartikel uit voortkomen. Verder is er niemand met wie ik mijn theorie in detail bespreek.’

Ook niet met de studenten aan wie u college geeft?

‘Die moeten eerst de oude theorie leren. Net zoals ze nog steeds eerst de wetten van Newton leren en dan pas die van Einstein.

Aan het eind van mijn colleges laat ik weleens wat van mijn eigen werk zien. De betere studenten vinden dat heel interessant; ik had er laatst nog een leuke discussie over.’

En Robbert Dijkgraaf?

‘Die heeft het erg druk. We praten soms kort.

Robbert weet veel en leest veel, maar hij houdt zich niet in detail bezig met donkere materie.

Ik heb me zelf flink moeten inlezen in astronomische theorieën voor ik me die eigen had gemaakt. Voor mijn werk is een brede achtergrond vereist. Die hebben anderen niet.’

Voelt u zich niet eenzaam?

‘Nee, niet echt. Je leest weleens dat belangrijke wetenschappelijke resultaten tegenwoordig alleen nog maar in grote samenwerkingsverbanden worden behaald. Ik laat graag zien dat het ook nog individueel kan.’ december 2016 | New Scientist | 27

VERLINDES THEORIE EMERGENTE ZWAARTEKRACHT De kerngedachte van Verlindes theorie is dat zwaartekracht een emergent verschijnsel is: iets dat voortvloeit uit een dieperliggend verschijnsel. Je kunt het vergelijken met temperatuur. De warmte die we op een zomerse dag voelen is geen fundamenteel natuurverschijnsel, maar het gevolg van een hogere snelheid van atomen en moleculen in de lucht.

Bij de theorie van emergente zwaartekracht is quantuminformatie het onderliggende verschijnsel. Dat is geen nieuw begrip. Stephen Hawking en Gerard ’t Hooft hielden zich al in de jaren negentig bezig met quantuminformatie om een mysterie rond zwart gaten op te lossen.

Zwarte gaten hebben een waarnemingshorizon: een grens waarbinnen niets aan het zwarte gat kan ontsnappen, zelfs licht niet. Hawking kwam erachter dat deze horizon leidt tot een

Gerard ’t Hooft hield zich al in de jaren negentig bezig met quantuminformatie om een mysterie rond zwarte gaten op te lossen.

ED VAN RIJSWIJK

paradox. Op de grens kunnen namelijk spontaan twee deeltjes ontstaan – dat gebeurt voortdurend, overal in het heelal. Zulke spontaan gevormde deeltjes zijn verstrengeld: ze bevatten informatie over elkaars quantummechanische eigenschappen. Maar als het ene deeltje net binnen de grens ontstaat en het andere deeltje net erbuiten, zal het ene deeltje het zwarte gat in kukelen en het andere niet.

Het zwarte gat heeft dan informatie opgeslokt over het ontsnapte deeltje. Dit druist in tegen het fundamentele principe uit de quantummechanica dat informatie altijd behouden blijft. ’t Hooft loste deze ‘informatieparadox’ op door 28 | New Scientist | december 2016

te stellen dat de informatie die het zwarte gat opslokt behouden blijft op de waarnemingshorizon. Hij stelde de horizon voor als een schilvormige geheugenkaart die alle informatie binnen het zwarte gat bevat. Net als bij een hologram representeert die tweedimensionale geheugenschil een driedimensionaal verschijnsel. Vanwege die analogie noemde ’t Hooft dit het ‘holografisch principe’.

Het holografisch principe is niet alleen bij zwarte gaten toepasbaar. Als je een stuk ruimte om je heen in een denkbeeldige doos vangt, dan kun je uit de grootte van het door jou gecreëerde grensoppervlak afleiden hoeveel informatie de deeltjes binnen de doos bevatten. Ongeacht waar je de doos plaatst. Je kunt zelfs de rand van het waarneembare heelal als grens nemen.

In dat geval is de grootte van de waarnemingshorizon gerelateerd aan de totale hoeveelheid informatie in het heelal.

Nu komen we bij de theorie van emergente zwaartekracht. Volgens die theorie is zwaartekracht het gevolg van veranderingen in de informatieverdeling in een bepaald gebied. Een planeet die van positie verandert, een atoom dat vervalt: elk natuurkundig proces veroorzaakt een herschikking van de infobits. Zo’n herschikking ervaren wij als zwaartekracht.

Vakgenoten van Verlinde zijn er al in geslaagd om – met enkele aannames – uit het concept van emergente zwaartekracht de Einsteinvergelijkingen af te leiden: de basisvergelijkingen van de algemene relativiteitstheorie. Bij hen blijft het echter bij een nieuwe interpretatie van dezelfde uitkomsten. Verlinde onderscheidt zich door enkele aannames ter veranderen, waardoor zijn theorie in bepaalde situaties afwijkt van die van Einstein.

De belangrijkste aanpassing zit in de plek waar de informatie zich bevindt. Volgens Verlinde ligt de quantuminformatie over een bepaald gebied niet alleen op het omringende oppervlak, maar verspreid over het hele volume. Alle sterren en planeten drijven dus in een soep van bits die samen met de bits aan de waarnemingshorizon alle informatie in het heelal bevatten.

Deze informatiesoep lost een belangrijk probleem op. De totale hoeveelheid informatie op de waarnemingshorizon, oftewel de entropie van het heelal, is in de oorspronkelijke theorie van emergente zwaartekracht veel groter dan

de entropie die alle waarneembare materie samen levert. Een factor 1030 groter maar liefst.

Net als bij de berekeningen uit de algemene relativiteitstheorie is dit alleen op te lossen met een heleboel donkere materie en donkere energie. In Verlindes theorie is het echter de quantuminformatiesoep binnen de bol die de extra entropie voor zijn rekening neemt. Er zijn dan geen duistere deeltjes vereist om de formules kloppend te maken.

SNELLE STERREN Het bijzonderste aspect van Verlindes huidige publicatie is dat hij de theorie van emergente zwaartekracht in verband brengt met sterrenkundige waarnemingen. Het gaat dan om waarnemingen aan spiraalvormige sterrenstelsels zoals de Melkweg. De sterren aan de

Verlinde hoopt alle theorieën over donkere materie en donkere energie omver te werpen binnenkant van deze stelsels bewegen precies zoals Einsteins wetten voorspellen. Aan de buitenkant bewegen ze echter telkens harder dan je zou verwachten op basis van de hoeveelheid materie om ze heen. Opvallend is dat de versnelling ten opzichte van de theoretische waarde in elk stelsel even groot is. De Israëliër Mordehai Milgrom stelde al in 1983 een formule op die dit verschijnsel beschrijft.

De gangbare verklaring voor de snelle sterren is dat er een gigantische band van donkere materie rond melkwegstelsels zit. Dat zijn onzichtbare deeltjes die alleen via de zwaartekracht interacties aangaan. Als dat klopt, hebben melkwegstelsels een veel hogere donkeremateriedichtheid dan de rest van het heelal. De

interview

‘halo’ rond de Melkweg heeft bijvoorbeeld dertig keer zoveel massa als alle sterren en planeten binnen het stelsel bij elkaar, terwijl in het hele heelal naar schatting ‘slechts’ zes keer zoveel donkere materie als gewone materie is.

Volgens de huidige theorieën wordt dat verschil veroorzaakt door stervormingsprocessen in melkwegstelsels, waarbij gewone materie wordt weggeblazen. Deze processen zijn dermate ingewikkeld dat astrofysici ze niet volledig kunnen uitrekenen. Toch is het resultaat uiteindelijk altijd in overeenstemming met Milgroms eenvoudige formule. Volgens Verlinde wijst dat erop dat de donkere-materiehalo geen goede verklaring is. Met zijn theorie van emergente zwaartekracht verklaart hij de snelle sterren op een andere manier: via een aanpassing van Einsteins formules.

Verlindes aanname dat de quantuminformatie die een bepaald gebied beschrijft niet alleen op het oppervlak van dat gebied geschreven staat, maar overal erdoorheen, veroorzaakt een afwijking van de algemene relativiteitstheorie. Die afwijking komt echter slechts in bepaalde situaties naar voren. Als je een relatief klein gebied beschrijft, is de informatie op het oppervlak dominant en blijven Einsteins wetten intact. Daardoor gaan sterren aan de binnenkant van melkwegstelsels precies zo hard als je verwacht. Maar als je het gebied uitbreidt, neemt het volume sneller toe dan het omringende oppervlak. Vanaf een bepaalde afstand gaat de quantuminformatie in het volume een merkbare bijdrage leveren aan de totale hoeveelheid informatie.

Dat verklaart volgens Verlinde waarom sterren aan de buitenkant van melkwegstelsels altijd met dezelfde versnelling afwijken van de bestaande theorie.

Op nog grotere afstand – zoals wanneer je het heelal als geheel beschouwt – speelt de quantuminformatie in het volume een nog belangrijkere rol, zodat de afwijking van de algemene relativiteitstheorie steeds groter wordt. Uiteindelijk hoopt Verlinde dan ook met zijn theorie alle kosmologische theorieën over donkere materie en donkere energie omver te werpen.

Een voorbeeld van zo’n groot samenwerkingsverband is de Ligo-collaboratie, die begin dit jaar het bestaan van zwaartekrachtsgolven aantoonde. Hoe kijkt u naar die ontdekking?

Maar als ik met mijn theorie wat dingen uitreken op dat gebied, komt het wel uit.’

‘Ik had niet verwacht dat ze meetbaar zouden zijn, maar ik heb wel altijd geloofd in het bestaan van zwaartekrachtsgolven. Als emergent verschijnsel kan zwaartekracht nog altijd op kleine schaal trillingen in de ruimte opwekken, vergelijkbaar met geluidsgolven. Ik geloof daarentegen niet in zwaartekrachtsgolven op kosmologische schaal, die uit de oerknal zouden zijn ontstaan.’

‘Ja, op het gebied van zwaartekracht en kosmologie. Ik hoop dat het idee van emergente zwaartekracht en quantuminformatie binnen twee decennia de bestaande theorieën vervangt. Niet iedereen ziet het, maar volgens mij staan we aan de vooravond van een revolutie die even groot of misschien wel groter is dan die van de quantummechanica en de relativiteitstheorie bij elkaar.’

Verwacht u binnenkort een revolutie in de theoretische fysica?

‘Ik geloof niet in het opstellen van kosmologische scenario’s’ In 2014 dachten fysici dat ze in de kosmische achtergrondstraling bewijs voor zulke zwaartekrachtsgolven vlak na de oerknal hadden ontdekt. Dat resultaat werd later ingetrokken. Hoe kijkt u daarnaar?

‘Daar had ik vanaf het begin mijn twijfels over. Ik geloof niet in het opstellen van kosmologische scenario’s. Op basis van metingen aan de kosmische achtergrondstraling creëren fysici een scenario over het heelal vanaf de oerknal, waarbij donkere materie een soort placeholder is. Hij wordt overal ingezet om onbekende dingen te verklaren.

‘Ik heb sowieso conceptueel moeite met de oerknal, waarbij iets uit niets ontstaat. Het hele heelal zou moeten zijn voortgekomen uit iets dat kleiner is dan een krijtje. Dat is voor mij onbevattelijk, zelfs als ik er langer in detail over nadenk.

‘Het probleem is dat de kosmologie nog volledig leunt op de theorieën van Einstein. Met een andere taal zullen we de zwaartekracht beter begrijpen. Dan worden dit soort concepten, zelfs als de formules hetzelfde blijven, beter te behappen. Ik houd me daarom voorlopig bezig met directe waarneming aan sterrenstelsels en niet met donkere materie en donkere energie in het vroege universum.

Hoe ziet u uw eigen rol daarin?

‘De theorie is nog lang niet af, dus dat is nu moeilijk te zeggen, maar ik denk wel dat ik een flinke stap heb gezet. Mijn grootste angst is dat mensen me niet zullen begrijpen. Dat mijn artikel in de kast wordt gelegd en over vijftien jaar iemand zegt: ‘O, dat bedoelde hij.’ Dat mijn theorie niet fout is, maar bewust of onbewust onbegrepen blijft.’

Bewust? Uit jaloezie?

‘Dat kan een rol spelen. Soms heb je niet de gunfactor, willen mensen je geen credits geven. Dat hangt ook af van de woorden waarmee je het idee presenteert. Belangrijk is dat je claims niet te sterk zijn. Breng je een theorie als een ‘voorstel’ of als iets anders? Dat zijn dingen waar ik de laatste tijd veel over heb nagedacht.’

Als mensen u niet begrijpen, hebt u het dan wel goed genoeg uitgelegd?

‘Als je tegen iemand schaakt en je verliest doordat je zijn zetten niet begrijpt, dan is dat niet de schuld van je tegenstander. Je hebt immers elke zet kunnen zien. Ik heb in mijn artikel laten zien hoe het zit. Het is nu aan anderen om het te begrijpen.’ december 2016 | New Scientist | 29

inzicht

Denderende deeltjesrammer Onder de grond bij Genève razen hadronen rond met bijna de lichtsnelheid.

De Large Hadron Collider (LHC) heeft al meerdere malen het nieuws gehaald: als er een nieuw deeltje ontdekt werd of wanneer een steenmarter het hele apparaat platlegde. Na de teleurstelling van afgelopen zomer, toen er toch geen nieuw deeltje ontdekt bleek, zijn de onderzoekers alweer druk verder aan het zoeken. Natuurkundigen hopen op nieuwe deeltjes waar nog niemand aan gedacht had.

1

DE REIS VAN EEN DEELTJE

Waterstofatomen worden gestript van elektronen zodat er alleen protonen overblijven.

2

FRANKRIJK CMS

3

LHC ALICE ATLAS

Protonen worden met een energie van 50 MeV (0,05% van de lichtsnelheid) vanuit Linac 2 in PS booster gebracht waar ze tot een energie van 1.4 GeV (~31% van de lichtsnelheid) versneld worden.

LHCb

De bundel protonen wordt in de Proton Synchroton (PS) gebracht, waar hij tot 25 GeV (~90% van de lichtsnelheid) versneld wordt.

Genève

PS

ZWITSERLAND 5 km

SPS DETECTOREN

ALICE

ALICE Analyseert botsingen van loodionen die af en toe plaats vinden in plaats van protonen. Deze botsingen produceren een plasma waar het heelal vlak na de oerknal waarschijnlijk uit bestond. Zo wordt de toestand van het heelal vlak na de oerknal bestudeerd.

ATLAS

ATLAS Deze detector wordt voor verschillende dingen gebruikt. Het higgsdeeltje is met Atlas ontdekt.

Nu zoekt hij ook naar nieuwe natuurkunde, deeltjes die niet voorspeld zijn door het standaardmodel en extra dimensies. Atlas is de grootste van de vier detectoren.

Bevindt zich in Meyrin, Zwitserland.

30 | New Scientist | december 2016

4

Dan komt de bundel in de Super Proton Synchroton (SPS) waar er een kick gegeven wordt om tot 450 GeV (99,9997828% van de lichtsnelheid) te komen.

IINFOGRAPHIC: PEPIJN BARNARD TEKST: DORINE SCHENK BRON: WWW.HOME.CERN, WWW.NIKHEF.NL

DETECTOREN

CMS

Deze detector heeft hetzelfde doel als Atlas, maar het ontwerp en de techniek die CMS gebruikt is anders.

Dit betekent dat als CMS en Atlas allebei hetzelfde meten, het niet een artefact kan zijn dat ontstaat door het type detector.

Bevindt zich in Cessy, Frankrijk.

LHCb

7

Na een paar uur ronddraaien worden ze in botsing gebracht.

Gespecialiseerd in het onderzoek naar de kleine asymmetrie tussen materie en antimaterie. Dit onderzoek moet antwoord geven op de vraag waarom ons universum bestaat uit materie en er bijna geen antimaterie is. Bevindt zich in Ferney-Voltaire, Frankrijk.

CMS

LHC

HOLLANDSE GLORIE IN GENÈVE

6

LHCb 5

Als de protonen versneld zijn tot 99,9997828% van de lichtsnelheid, mogen ze eindelijk de LHC in. Daar begint het echte werk.

44 meter

22 meter

In de LHC worden sommige bundels met de klok mee en andere tegen de klok in versneld tot ze een eindenergie bereiken van 7 TeV (99,9999991% van de lichtsnelheid).

Hier vinden de Muon detectoren botsingen plaats

Magneten

Het Nederlandse instituut voor deeltjesfysica, Nikhef, heeft een flinke bijdrage geleverd aan de Atlas-detector. In Amsterdam werden onder andere delen van de muondetector gebouwd.

Verder helpen Nederlandse onderzoekers met het analyseren van de data. december 2016 | New Scientist | 31

dossier

Theorie van alles 34

OP WEG NAAR EENWORDING

39

WEERWOORD OP DE KRITIEK

PASCAL TIEMAN

M-theorie, de meest ambitieuze kandidaat voor een theorie van alles, bevat radicaal nieuwe ingrediënten.

Snaartheorie heeft veel kritiek gekregen omdat de theorie niet experimenteel toetsbaar zou zijn. Is dit commentaar terecht?

36

HEBBEN WE NU EEN THEORIE VAN ALLES?

40

ALS SUPERSYMMETRIE NIET KLOPT

Levert de versmelting van 11-dimensionale supergravitatie en 10-dimensionale snaartheorie ons eindelijk een theorie van alles?

Misschien is supersymmetrie toch niet de gedroomde oplossing voor de huidige tekortkomingen van het standaardmodel. Wat dan? december 2016 | New Scientist | 33

dossier theorie van alles Door Michael Duff

OP WEG NAAR EENWORDING De meest ambitieuze poging om Einsteins zwaartekrachttheorie te verenigen met de quantummechanica die de drie andere natuurkrachten beschrijft, heet M-theorie. Die bevat drie radicaal nieuwe ingrediënten: extra ruimtetijd-dimensies, supersymmetrie en minuscule trillende snaartjes. In deel één van een drieluik over een theorie van alles beantwoordt fysicus Michael Duff de vraag: waar komen deze bizarre ideeën vandaan?

D

e afgelopen eeuw zijn allerlei pogingen gedaan om de verschillende natuurkrachten te verenigen. De Duitse natuurkundige Theodor Kaluza probeerde dat in de jaren twintig als één van de eersten, door Einsteins zwaartekrachttheorie samen te voegen met de elektromagnetische theorie van James Clark Maxwell.

Het universum waarin wij leven, lijkt uit vier dimensies te bestaan. De ruimte heeft er drie (links-rechts, voor-achter en boven-beneden) en de tijd is de vierde.

Kaluza herschreef Einsteins theorie alsof er vijf ruimtetijd-dimensies bestaan. Hierdoor krijgt het zwaartekrachtsveld een paar extra componenten die naar zijn idee konden worden geïnterpreteerd als 34 | New Scientist | december 2016

Maxwells elektromagnetisch veld. En tot ieders verbazing kon hij inderdaad aantonen dat deze extra componenten exact overeenkomen met Maxwells vergelijkingen. Als je dus akkoord gaat met een vijfde dimensie voor de zwaartekracht, dan krijg je elektromagnetisme er gratis bij.

Maar waarom zien we die vijfde dimensie dan niet? In 1926 verzon de Zweedse natuurkundige Oskar Klein hierop een antwoord. Hij veronderstelde dat de vijfde dimensie niet lijkt op de andere vier, maar opgerold zit in een lusje dat zo klein is dat we het niet kunnen waarnemen.

De volgende analogie illustreert hoe dit werkt: stel je een mier voor op een strak gespannen touw. Behalve over het touw heen lopen kan de mier ook in een cirkeltje langs de omtrek ervan bewegen. De mier is zich bewust van deze extra, cirkelvormige

dimensie. Gezien van een afstand veel, veel groter dan de grootte van de mier ziet het touw er echter heel anders uit: in essentie is het een ééndimensionale lijn. Van de extra dimensie zie je niets.

Zo stelde Klein zich Kaluza’s vijfdimensionale universum voor. Uit zijn berekeningen volgde zelfs welke afmeting de opgerolde extra dimensie maximaal mocht aannemen. Is die kleiner is dan 10-35 meter, dan is de vijfde dimensie te klein om zelfs met de allerkrachtigste deeltjesversnellers – waarmee je het subatomaire rijk kunt aftasten – nog te kunnen waarnemen. Daardoor komt het dat wij de indruk hebben dat we in een vierdimensionale wereld leven.

De ideeën van Kaluza en Klein leidden jarenlang een sluimerend bestaan. In veel opzichten waren ze hun tijd ver vooruit,

onder andere doordat er in hun tijd nog weinig bekend was over de zwakke en sterke kernkracht. Pas toen supersymmetrie van zich deed spreken, werden extra dimensies weer actueel.

Op het eerste gezicht lijken de quarks en leptonen waaruit materie bestaat heel anders dan de deeltjes die de natuurkrachten genereren. Toen theoretici in de jaren zeventig aantoonden dat je vergelijkingen kunt opstellen die onveranderd blijven als je deze twee groepen deeltjes met elkaar verwisselt, kwam dat dan ook als een volslagen verrassing.

Dat suggereert dat er een nog onbekende symmetrie in de natuur bestaat. Op dezelfde manier als je uit de symmetrie van een sneeuwvlok kunt afleiden waarom die er zelfs na een rotatie nog exact hetzelfde uitziet, volgt de equivalentie van die twee klassen fundamentele deeltjes vanzelf als je het bestaan van een nieuwe vorm van symmetrie veronderstelt: supersymmetrie.

Supersymmetrie voorspelt onder andere dat elk deeltje in het standaardmodel een supersymmetrische partner heeft, waardoor het aantal fundamentele deeltjes in één klap verdubbelt. Er zijn reusachtige hoeveelheden energie nodig om een supersymmetrisch deeltje te maken, wat zou kunnen verklaren waarom niemand er tot nu toe één heeft kunnen vinden. In het deeltjesfysica-laboratorium Cern bij het Zwitserse Genève wordt met behulp van de krachtige Large Hadron Collider naar zulke deeltjes gezocht. Het zou één van de grootste wetenschappelijke ontdekkingen aller tijden zijn als er daadwerkelijk een werd gevonden.

Supergravitatie Er bestaat een goede reden waarom theoretici zo dol zijn op supersymmetrie, ook al is er in de afgelopen veertig jaar geen spatje experimenteel bewijs voor geleverd: het voorspelt de zwaartekracht. Uit

de wiskunde van de supersymmetrie volgt dat wanneer je een elektron omzet in zijn supersymmetrische partner en weer terug, je in feite niets anders doet dan het deeltje door de ruimtetijd heen bewegen.

Dit betekent dat supersymmetrie een verband legt tussen de eigenschappen van quantumdeeltjes en de ruimtetijd, zodat je de zwaartekracht er in principe bij kunt betrekken. De theorie die de zwaartekracht en supersymmetrie verenigt, heet supergravitatie.

De wiskunde van de supergravitatie heeft een onverwacht gevolg: de ruimtetijd blijkt niet meer dan elf dimensies te kunnen hebben. In de vroege jaren tachtig

Theoretici zijn dol op supersymmetrie, want het voorspelt zwaartekracht leidde dit tot een wederopleving van de ideeën van Kaluza en Klein, dit keer met maar liefst zeven opgerolde dimensies.

Kunnen deze extra dimensies misschien de sterke en zwakke kernkracht en ook de elektromagnetische kracht verklaren?

Aanvankelijk leek supergravitatie uiterst veelbelovend, maar al gauw deden zich ook hier problemen voor. Om te beginnen valt met 11-dimensionale supergravitatie niet goed te verklaren hoe quarks en elektronen zich onder invloed van de zwakke kernkracht gedragen. Maar een nog ernstiger probleem, waar ook alle andere pogingen om de zwaartekracht en de quantumveldentheorie te verenigen op strandden, is dat zodra je de vergelijkingen van de supergravitatie aanwendt om

bepaalde quantummechanische processen te berekenen, er als antwoord ‘oneindig’ uitrolt. Dit is evidente nonsens, wat betekent dat supergravitatie op zijn best een interessante benadering is van een levensvatbare theorie van alles. Om die reden werd toen al gauw een alternatieve benadering populair: de snaartheorie.

In de snaartheorie zijn de fundamentele bouwstenen van de materie geen puntvormige deeltjes meer. In plaats daarvan zijn het eendimensionale snaren die in een universum leven met wel tien ruimtetijddimensies. Net als de snaren van een viool kunnen zij op verschillende manieren trillen, waarbij elke trilling een ander elementair deeltje vertegenwoordigt. Sommige van zulke trillende snaren kunnen zelfs gravitonen beschrijven: de hypothetische dragers van het zwaartekrachtsveld.

Eindelijk hadden theoretici met de snaartheorie gevonden waar ze al zo lang van droomden. De zes extra dimensies konden op zo’n manier worden opgerold dat de problemen werden vermeden waar je tegenaan liep als je de zwakke kernkracht een plek wilde geven in de theorie van 11-dimensionale supergravitatie. Bovendien leek snaartheorie sprekend op de algemene relativiteitstheorie, zolang je de energie van een graviton maar voldoende klein nam. Maar het belangrijkste was nog wel dat de oneindige uitkomsten en andere afwijkingen verdwenen waren waar alle voorgaande pogingen om de qantumveldentheorie toe te passen op de algemene relativiteitstheorie mee kampten.

Voor het eerst konden nu op een consistente manier zwaartekracht en quantummechanica met elkaar verenigd worden. Theoretici gingen uit hun dak. Maar na deze aanvankelijke euforie begon toch de twijfel weer toe te slaan… ▶ december 2016 | New Scientist | 35

dossier theorie van alles Door Michael Duff

Hebben we nu eindelijk een theorie van alles?

M-theorie ontstond uit de versmelting van twee op het eerste gezicht nogal verschillende benaderingen: 11-dimensionale supergravitatie en 10-dimensionale snaartheorie. In deel twee van zijn drieluik over een theorie van alles geeft fysicus Michael Duff antwoord op de vraag: hebben we er nu eindelijk één?

S

naartheorie had in haar beginperiode een aantal serieuze tekortkomingen.

Om te beginnen bestaan er niet één, maar vijf wiskundig consistente snaartheorieën die strijden om de titel theorie van alles. Wij fysici wisten niet goed welke we moesten kiezen.

Ook deed zich al snel een tweede puzzel voor. Volgens de supersymmetrie zijn er maximaal elf dimensies, maar de wiskunde van de snaartheorie zegt dat het er tien zijn. Een lastige kwestie. En een verwante vraag is waarom je eigenlijk van eendimensionale snaren zou uitgaan.

Waarom geen tweedimensionale membranen, die de vorm van een vlies of van een boloppervlak kunnen aannemen?

Het blijkt dat supersymmetrie en membranen wel verenigbaar zijn. Net zoals snaren in tien dimensies leven, werd in 36 | New Scientist | december 2016

Een membraan in elf dimensies kan zo worden opgerold dat het op een snaar in tien dimensies lijkt. Deze twee zijn equivalent 11-dimensionale ruimtetijd

MEMBRAAN

1987 berekend dat ‘supermembranen’ in de 11-dimensionale ruimtetijd kunnen leven waar supergravitatie van uitgaat.

Bovendien kan, als de elfde dimensie opgerold is zoals Kaluza en Klein al suggereerden, het membraan daar weer omheen gewikkeld zijn. En als het geheel

Waarom zouden we eigenlijk van eendimensionale snaren uitgaan? maar strak genoeg is opgerold, dan zou zo’n eromheen gewikkeld membraan er in tien dimensies precies zo uitzien als een snaar (zie figuur rechts).

10-dimensionale ruimtetijd SNAAR

De meeste snaartheoretici waren sceptisch over deze pogingen om de elf dimensies weer nieuw leven in te blazen met het nieuwe ingrediënt membranen.

Jarenlang waren er twee kampen: snaartheoretici met een 10-dimensionale theorie en membraantheoretici die in elf dimensies werkten. Of deze twee kampen met elkaar door één deur konden, was niet duidelijk.

Magie, mysterie, membraan In 1995 bracht snaartheoreticus Edward Witten, van het Institute for Advanced Study in Princeton, al het werk aan snaren, membranen en elf dimensies onder één noemer: M-theorie. De M staat volgens hem voor magie, mysterie of membraan, dat mag je zelf kiezen.

Witten liet zien dat de vijf verschillende snaartheorieën en 11-dimensionale supergravitatie eigenlijk helemaal niet met elkaar in tegenspraak waren. Ze waren allemaal een facet van zijn M-theorie. Het was

Zijn wij schaduwen aan de rand van een hogerdimensionaal universum? een grote stap vooruit dat er nu één enkele theorie bestond. Ook bleek M-theorie met zijn membranen tot dingen in staat die enkel snaren niet voor elkaar kregen.

Het standaardmodel

Dit is het beste begrip dat we hebben van de bouwstenen van materie en de krachten die ze bij elkaar houden.

EERSTE GENERATIE UP

QUARKS

u

TWEEDE GENERATIE CHARM

KRACHTDRAGEND

t

FOTON

Elektromagnetisme DOWN

BOTTOM

STRANGE

d ELEKTRON

LEPTONEN

c

Dualiteit

DERDE GENERATIE TOP

ELEKTRONNEUTRINO

e

νe

s

b

μ MUONNEUTRINO

νμ

W BOSONEN

Z

Zwakke kernkracht GLUON

TAU

MUON

τ TAUNEUTRINO

ντ

Neem bijvoorbeeld zwarte gaten: een prima testomgeving voor nieuwe theorieën. In 1974 had Stephen Hawking al aangetoond dat zwarte gaten niet volledig zwart zijn – dankzij quantumeffecten kunnen ze wel degelijk energie uitzenden. Dit betekent dat zwarte gaten een temperatuur hebben, evenals een andere thermodynamische eigenschap genaamd entropie: een maat voor hoe ongeordend een systeem is.

Hawking liet zien dat de entropie van een zwart gat afhangt van zijn oppervlakte.

Tegelijk moet het ook mogelijk zijn om de entropie ervan te bepalen door de quantumtoestanden van alle deeltjes in zo’n zwart gat op te tellen. Lange tijd faalden echter alle pogingen om een zwart gat op deze wijze te beschrijven. Dat lukte pas met M-theorie: die theorie blijkt de entropieformule van Hawking wonderwel te reproduceren. Dit succes gaf ons het vertrouwen dat we op het goede spoor waren.

Sterke kernkracht

HIGGSBOSON

MASSAGEVER

In 1998 gebruikte Juan Maldacena, ook van het Institute for Advanced Study, membranen om uit te zoeken wat er in een hypothetisch universum met veel meer ruimteen zwaartekrachtsdimensies zou gebeuren.

Hij toonde aan dat alles wat er aan de rand van zo’n universum gebeurt equivalent is met wat er binnenin plaatsvindt: de interactie van gewone deeltjes aan het oppervlak correspondeert exact met de interactie van membranen erbinnen.

Als twee wiskundige benaderingen dezelfde fysica beschrijven, noemen we dat een dualiteit.Deze dualiteit is opmerkelijk, omdat de wereld aan het oppervlak van het universum er heel anders uitziet dan de wereld erbinnenin. Pas je Maldacena’s idee toe op ons eigen universum, dan zou het kunnen betekenen dat we louter schaduwen zijn aan de rand van een hogerdimensionaal universum. december 2016 | New Scientist | 37

dossier theorie van alles

38 | New Scientist | december 2016

Een raadselachtig aspect van M-theorie is dat er heel veel (wellicht zelfs oneindig veel) manieren bestaan om deze dimensies op te rollen, wat leidt tot een multiversum: een groot aantal parallelle universa. Sommige daarvan zouden best op het onze kunnen lijken, met drie generaties quarks en leptonen en vier natuurkrachten, andere juist helemaal niet.

Maar vanuit een theoretisch perspectief zijn ze allemaal even plausibel.

Fysici gingen er lange tijd vanuit dat er slechts één universum bestaat, met één unieke verzameling fundamentele natuurwetten. Een andere kijk, die steeds meer aan geloofwaardigheid wint, zegt dat er meerde-

We moeten alle universa even serieus nemen re universa bestaan met elk weer andere natuurwetten. Wij leven toevallig in een van deze universa. Maar we moeten ze allemaal even serieus nemen.

Is M-theorie dan nu de definitieve theorie van alles? Net als bij alle eerdere pogingen is het niet eenvoudig om met falsificeerbare voorspellingen op de proppen te komen. Sommige algemene aspecten zoals supersymmetrie of extra dimensies kunnen wellicht door experimenten met deeltjesversnellers of astrofysische waarnemingen bevestigd worden, maar dat is voorlopig niet gebeurd. Nog lastiger is het om deze aspecten volledig te ontkrachten. Het scala aan mogelijkheden dat het multiversum biedt, maakt exacte voorspellingen erg moeilijk. Of de M in M-theorie staat voor Magie of Mislukking, zal dus voorlopig een Mysterie blijven. ▶

DE KEUZE VAN DIJKGRAAF

Maldacena’s artikel werd al 7000 keer geciteerd. Dat komt onder andere doordat zijn idee al toegepast is in onverwachte gebieden van de natuurkunde, zoals supergeleiding en vloeistofmechanica, los van de vraag of M-theorie nu echt de langgezochte theorie van alles is of niet.

Zelf heb ik samen met een stel collega’s een ander toepassingsgebied van M-theorie ontdekt: de correspondentie tussen zwarte gaten en qubits. Een klassieke bit is de basiseenheid van computerinformatie en neemt de waarden nul of één aan. Een quantumbit, of qubit, kan tegelijkertijd de waarde nul en één hebben. Pas wanneer we een qubit meten, leggen we vast welk van de twee die is en de uitkomst daarvan kan van tevoren niet met zekerheid worden voorspeld. Dit leidt vanzelf tot het fenomeen van verstrengeling, waarbij een meting aan één qubit van invloed is op een andere, hoe ver die er ook van verwijderd is.

Einstein noemde dit effect ooit ‘spookachtige invloed op afstand’.

Om redenen die we niet goed begrijpen, is de wiskunde die de verstrengeling van qubits beschrijft exact dezelfde als die waardoor bepaalde zwarte gaten in M-theorie worden geregeerd. Deze zwarte gaten blijken in 31 klassen uiteen te vallen, afhankelijk van hun massa, lading en entropie. Dit gegeven gebruikten we om te voorspellen dat vier qubits op 31 verschillende manieren verstrengeld kunnen zijn. Dit valt in principe in het laboratorium te testen. We vragen experimentatoren dan ook met klem om een manier te bedenken dat ook daadwerkelijk te doen.

De geometrische en topologische eigenschappen van de opgerolde extra dimensies dicteren dat onze vierdimensionale wereld wel verschijnen moet, en er rolt meteen uit hoeveel generaties quarks en leptonen er bestaan, welke krachten er zijn en welke massa’s de elementaire deeltjes hebben.

‘Bij een theorie van alles heb ik twee gevoelens. Ten eerste lijkt het enorme overmoed om te denken dat wij als mensen zo’n theorie kunnen bedenken.

Tegelijkertijd denk ik dat de wetenschap veel succesvoller is geweest dan wie dan ook had durven dromen. Het is in elk geval prachtig dat we in een tijd leven waarin we dit soort vragen kunnen stellen.’

Door Michael Duff

Weerwoord op de kritiek Snaartheoretici krijgen veel kritiek van andere fysici. Hun voornaamste bezwaar: de theorie is niet experimenteel toetsbaar. Sommigen noemen snaartheorie daarom zelfs geen wetenschap, maar religie. In het laatste deel van het drieluik over een theorie van alles reageert fysicus Michael Duff op de vraag: is deze kritiek terecht?

T

heoretisch-fysici hebben een tweeledige taak: er wordt verwacht dat ze de ontdekkingen van hun experimentele collega’s kunnen verklaren en daarnaast moeten zij verschijnselen kunnen voorspellen die nog niet zijn waargenomen. De wetenschapsgeschiedenis laat zien dat beide methoden tot resultaten kunnen leiden.

De quantumtheorie kwam bijvoorbeeld grotendeels voort uit empirische resultaten, terwijl Einsteins algemene relativiteitstheorie zuiver het product was van speculatie en gedachte-experimenten, plus natuurlijk van hogere wiskunde.

Speculatie is dus een essentieel onderdeel van het wetenschappelijk proces.

Toen Paul Dirac een vergelijking neerpende die beschrijft hoe quantumdeeltjes zich gedragen als hun snelheid in de buurt komt van die van het licht, verklaarde hij daarmee niet alleen de eigenschappen van het elektron, een deeltje waarvan de eigenschappen allang experimenteel waren onderzocht. Zijn vergelijking voorspelde ook het bestaan van het positron, waarvan niemand ooit had durven dromen, en daarmee van het hele concept antimaterie.

Zulke speculatie is geen luchtfietserij.

Altijd wordt die in toom gehouden door het harnas van de wiskundige consistentie en de noodzaak van verenigbaarheid met bestaande natuurwetten. Einsteins algemene relativiteitstheorie moest, nog voor die experimenteel werd getest, enkele theoretische tests doorstaan. Zo moest die in alle gevallen dezelfde resultaten

geven als de speciale relativiteitstheorie en Newtons wetten van de mechanica.

Daarnaast werd verlangd dat Einsteins theorie nieuwe verschijnselen kon voorspellen die deze bestaande theorieën niet hadden voorzien.

Beter dan religie Het is een veelgemaakte denkfout dat de natuurkunde zich alleen bezighoudt met zaken die al ooit experimenteel zijn aangetoond. Het onderzoek naar kosmische snaren – hypothetische objecten die in het vroege universum ontstonden – wordt bijvoorbeeld ten onrechte weleens vergeleken met ufo’s en homeopathie, om de reden dat zulke snaren nooit zijn waargenomen. Ook wordt gezegd dat M-theorie, zolang er geen empirisch bewijs voor is, weinig meer is

in te kunnen passen. Geen religie krijgt dat voor elkaar.

Om vergelijkbare redenen moest een aantal rivaliserende ideeën, waarvan beweerd werd dat ze als theorie van alles konden fungeren, worden verworpen nog voordat hun voorspellingen konden worden getest – niet omdat ze een vals geloof predikten, maar gewoon omdat ze wiskundig foutief waren. Theoretische speculatie onderscheidt zich van geloof doordat nieuw bewijs en nieuwe ontdekkingen aanleiding zijn om theorieën te wijzigen of te verwerpen.

De meest overtuigende manier waarop critici van M-theorie hun gelijk kunnen halen, zou zijn door met een superieur alternatief op de proppen te komen. Tot nu toe is dat niemand gelukt.

Critici van M-theorie zijn nog niet met een beter alternatief op de proppen gekomen dan een ‘geloof’. Snaren en M-theorie vinden hun rechtvaardiging echter in het feit dat ze in staat zijn de quantummechanica en de algemene relativiteit te incorporeren en op een wiskundig strenge manier met elkaar te verenigen. Verder bieden ze aanknopingspunten om de standaardmodellen van de deeltjesfysica en de kosmologie ook

Theoretisch fysicus Michael Duff is een pionier op het gebied van superzwaartekracht. Hij bezet de Abdus Salam-leerstoel in theoretische fysica aan het Imperial College London.

december 2016 | New Scientist | 39

dossier theorie van alles Door Amanda Gefter

Wat als supersymmetrie niet bestaat?

Misschien is supersymmetrie toch niet de gedroomde oplossing voor de huidige tekortkomingen van het standaardmodel van de deeltjesfysica. Wat dan?

D

ecennia van getheoretiseer en gereken. Hele carrières besteed aan het formuleren van ideeën. Miljarden geïnvesteerd in een enorme ring onder de grond die twee landen doorkruist. Tienduizenden toegewijde wetenschappers en ingenieurs naarstig op zoek naar het deeltjesfysische equivalent van een naald in een hooiberg. Het leidde allemaal tot dit ene moment. Geen wonder dat je, terwijl iedereen zijn adem inhoudt, zo nu en dan opeens nerveus gegiechel hoort.

‘Het moet er zijn, goddomme!’ grinnikt natuurkundige en Nobelprijswinnaar Frank Wilczek in zijn werkkamer op het Massachusetts Institute of Technology.

Hij vertelt over supersymmetrie, ook wel liefkozend SUSY genoemd. Van deze theorie verwachten veel fysici dat ze er eindelijk het standaardmodel van de deeltjesfysica, het algemeen geaccepteerde model van hoe deeltjes en krachten op elkaar inwerken, mee achter zich zullen laten. Het zou een grote stap zijn naar een beter begrip van de onderliggende structuur van de werkelijkheid.

40 | New Scientist | december 2016

Fysici speuren fanatiek in de overblijfselen van deeltjesbotsingen uit de experimenten Atlas en CMS, uitgevoerd in de Large Hadron Collider bij het Zwitserse Genève. Maar ook al zijn ze ruim zes jaar bezig, in geen van beide experimenten is

Natuurkundigen vinden SUSY simpelweg te mooi om onjuist te zijn ook maar een glimp ontwaard van de gezochte SUSY-deeltjes, zelfs niet bij massa’s van tot wel 700 gigaelektronvolt – wat ongeveer het gebied was waarin de theoretici het deeltje verwachtten.

Het gerucht gaat dat SUSY achterhaald is. Alternatieve theorieën staan te trappelen om de honneurs waar te nemen. Maar natuurkundigen zoals Wilczek vinden SUSY simpelweg te mooi om onjuist te zijn. ‘Het zou wel erg wreed van de natuur zijn om ons zo ver te laten komen, ons de

volgende stap in het vooruitzicht te geven, en dan te zeggen dat ze ons voor de gek hield.’

Supersymmetrie stelt dat de twee basistypen deeltjes die aan de basis van onze werkelijkheid liggen – fermionen (materiedeeltjes zoals elektronen en quarks) en bosonen (krachtveroorzakende deeltjes zoals fotonen en gluonen) in feite twee aspecten zijn van één enkel type deeltje.

Het is een elegant idee en als het klopt, zouden daarmee een paar van de allerlastigste natuurkundige problemen in één klap opgelost zijn.

De theorie vereist wel dat het in 2012 ontdekte higgsdeeltje, dat alle andere bekende deeltjes hun massa geeft, zelf precies de juiste massa heeft, want anders stort het hele bouwwerk van de deeltjesfysica in elkaar. Zonder SUSY wordt de massa van het higgsdeeltje namelijk sterk beïnvloed door het quantumgedrag van het vacuüm. De massa van het higgsdeeltje schiet omhoog als gevolg van de interactie met de virtuele deeltjes van het vacuüm en wordt zo immens groot dat het standaardmodel niet meer werkt. Maar gelukkig biedt SUSY redding – voor elke virtuele interactie die de higgsmassa omhoog doet schieten, bestaat er een

In zes jaar deeltjesbotsingen is nog geen glimp ontwaard van de gezochte SUSY-deeltjes.

CMS

Als SUSY wel klopt, wordt misschien ook een ander mysterie onthuld: waarom de theorie niet perfect symmetrisch is. Was dat wel zo, dan zouden de ‘superpartner’deeltjes net zoveel wegen als hun normale neefjes en zo langzamerhand wel zijn waargenomen. Fysici gaan er dus vanuit dat de supersymmetrie onvolledig is en deze partnerdeeltjes meer wegen dan hun tegenhangers in het standaardmodel.

‘Over de vraag waarin de imperfectie van SUSY schuilt, bestaat geen consensus’, vertelt Wilczek. Veel modellen wijzen met de vinger naar de zwaartekracht, dus als de LHC aanwijzingen voor SUSY vindt, kan dat de weg wijzen naar een nieuwe manier om de zwaartekracht te combineren met de andere fundamentele natuurkrachten, wat zou resulteren in de ultieme theorie van alles.

Drie krachten verenigd onder supersymmetrie Onder de hoge energieën in het vroegste universum waren de elektromagnetische kracht, de zwakke kernkracht en de sterke kernkracht naar gedacht allemaal even sterk, zodat ze één enkele kracht vormden. In het standaardmodel komen ze bij zulke hoge energieën helaas niet op één sterkte uit. Dat lukt wel met supersymmetrie.

STANDAARDMODEL

SUPERSYMMETRIE

Elektromagnetische kracht

Zwakte van kracht

virtuele interactie waardoor die weer naar beneden schiet.

Minstens zo belangrijk is dat SUSY de drie fundamentele krachten van het standaardmodel verenigt, wat suggereert dat elektromagnetisme en de sterke en zwakke kernkracht bij hoge energieën één enkele superkracht vormen.

Ook is SUSY de ideale kandidaat voor de mysterieuze donkere materie die naar gedacht sterrenstelsels bij elkaar houdt en meer dan 80 procent van alle materie in het universum vertegenwoordigt. Het is zelfs een essentieel bestanddeel van snaartheorie, de meest plausibele variant van een theorie van alles, die de zwaartekracht met de drie andere natuurkrachten weet te combineren.

Geen enkele andere theorie is in staat om in één klap alle vier deze problemen op te lossen. Dat verklaart waarom fysici SUSY zo aantrekkelijk vinden.

Hoewel, niet allemaal. ‘Ik heb sowieso nooit echt in SUSY geloofd’, vertelt fysicus Jonathan Butterworth van het University College London, die meewerkte aan het ATLAS-experiment met de LHC. Hij zet zijn geld liever op iets volstrekt onverwachts. ‘Ik denk dat er best eens een volstrekt onbekende verzameling krachten zou kunnen bestaan’, vertelt Butterworth.

‘Ik verwacht eerlijk gezegd dat de natuur ons eerder nog enorm zal gaan verrassen, dan dat ze zich netjes gedraagt zoals wij verwachten.’

1

Zwakke kernkracht

Eendrachtige kracht

Sterke kernkracht

105

1010 Energie (GeV)

1015

1

105

1010

1015

Energie (GeV)

december 2016 | New Scientist | 41

42 | New Scientist | december 2016

De bom in de ivoren toren Het Institute for Advanced Study in Princeton is strikt bedoeld voor zuiver theoretisch onderzoek. Toch bracht het zowel de computer als de waterstofbom voort. Het was allemaal de schuld van Johnny.

Door Ed Croonenberg

‘W

ALAN RICHARDS PHOTOGRAPHER. FROM THE SHELBY WHITE AND LEON LEVY ARCHIVES CENTER, INSTITUTE FOR ADVANCED STUDY, PRINCETON, NJ, USA

e zijn bezig een monster te creëren dat de toekomst zal veranderen – als er überhaupt nog een toekomst in het verschiet ligt.’

Toen John von Neumann begin 1945 deze woorden sprak tegen zijn vrouw Klara, was hij betrokken bij de ontwikkeling van Amerika’s eerste atoombom. Maar volgens Klara was het niet de bom die hem het meeste vrees inboezemde. Het eigenlijke monster, zo vond hij, was de machine die het kernwapen mogelijk had gemaakt: de elektronische computer.

John von Neumann was in die dagen een van de grote wetenschappelijke sterren van het Institute for Advanced Studies (IAS) in Princeton. Deze bijzondere wetenschappelijke instelling is geheel zelfstandig, en het onderzoek dat er bedreven wordt dient volgens de statuten strikt theoretisch van aard te zijn. Over de man die zich daar niets van aantrok, gaat dit verhaal.

De geestelijke vader van het Instituut was Abraham Flexner (1866-1959). Deze Amerikaanse onderwijsdeskundige had een droom: het opzetten van een wetenschappelijk oase voor de helderst stralende sterren der wetenschap. Hij besefte dat dit kostbaar zou zijn, aangezien ook grote

geesten prijs stellen op een goed inkomen en aantrekkelijke secundaire arbeidsvoorwaarden. Collegegeld heffen was geen optie omdat Flexner vond dat de geleerden vrijgesteld dienden te zijn van elke beslommering die hun denken uit balans zou kunnen brengen. Alleen weldoeners, kortom, zouden dit welhaast utopische project vlot kunnen trekken.

In 1929 dienden deze zich aan in de personen van Louis Bamberger en diens zus Caroline Bamberger-Fuld. De twee hadden juist op tijd, namelijk zes weken voor Zwarte Donderdag, hun warenhuis Bamberger’s verkocht. Een deel van de opbrengst wensten ze te besteden aan het oprichten van een medische universiteit in New Jersey.

De reden dat ze Flexner consulteerden, was dat deze grote naam had gemaakt met het kritisch doorlichten van talloze Amerikaanse medische faculteiten, die in het begin van de twintigste eeuw veelal van abominabele kwaliteit waren.

Het mag geen verbazing wekken dat Flexner zijn kans schoon zag en de Bambergers richting zijn droom begon te masseren. Na tal van lunches in de New Yorkse hotelsuite van de rijkaards, gaven deze hem volledig zijn zin. Als locatie voor zijn Instituut voor Voortgezette Studie koos hij Princeton: vlak bij een universiteit met een beroemde wiskundige bibliotheek, niet te ver van New York, maar toch landelijk. De december 2016 | New Scientist | 43

john von neumann

eerste jaren huurde het IAS kantoren van de universiteit. In 1936 werd een landgoed aangekocht en in 1939 was het hoofdgebouw klaar: Fuld Hall, de plek waar tegenwoordig Robbert Dijkgraaf kantoor houdt.

Flexner begreep dat de reputatie van zijn Instituut zou staan of vallen met de eerste geleerden die er zouden arriveren. In het streven de allergrootste geleerden van zijn tijd aan boord te halen kreeg hij onverwacht hulp van een duistere bondgenoot: Adolf Hitler. In luttele jaren wist de Führer het grootste deel van de Duitse en Midden-Europese wetenschappelijke gemeenschap – onder wie zich nogal wat joden bevonden – de grens over te jagen. Een beroemdheid als Albert Einstein kon overal ter wereld terecht, maar koos in 1933 voor het gloednieuwe instituut van Flexner. Hij werd er al snel vergezeld door de door velen briljant geachte wiskundige János Lajos Neumann, een Hongaar van joodse origine die zijn naam al snel zou verengelsen tot John von Neumann.

Er zijn opmerkelijk weinig bewegende beelden bekend van Von Neumann. Op YouTube is een documentaire te vinden waarin hij vragen beantwoordt van scholieren. Gedurende de hele film wordt hij liefkozend ‘Johnny’ genoemd. De grote wiskundige was in 1966, het jaar dat die documentaire gemaakt werd, al een kleine tien jaar dood, maar zijn vrienden en collega’s spreken nog altijd met grote genegenheid over de man die niettemin van mening was dat de Sovjet-Unie bij wijze van voorzorgsmaatregel met waterstofbommen van de kaart zou moeten worden geveegd.

Een hogere diersoort János Lajos Neumann werd op 28 december 1903 in Boedapest geboren met een gouden lepel in zijn mond. Hij ontving al op jeugdige leeftijd privéonderwijs aan huis – een achttien kamers tellend appartement waarin zich onder andere een bibliotheek bevond. Dat de bankierszoon talent had voor getallen, blijkt uit het feit dat hij als achtjarige reeds vertrouwd was met differentiaal- en integraalrekening. Tijdens zijn schooltijd aan het chique Fasori Gymnasium in Boedapest, volgde János privélessen van Gábor Szegó´. Toen deze befaamde wiskundige János voor het eerst ontmoette, schijnt hij in huilen te zijn uitgebarsten vanwege het wiskundige talent 44 | New Scientist | december 2016

In 1939 was het hoofdgebouw van het Institute for Advanced Study klaar: Fuld Hall, de plek waar tegenwoordig Robbert Dijkgraaf kantoor houdt.

ROSE AND SON PHOTOGRAPHER. FROM THE SHELBY WHITE AND LEON LEVY ARCHIVES CENTER, INSTITUTE FOR ADVANCED STUDY, PRINCETON, NJ, USA

dat de jongen tentoonspreidde. Vier jaar later zou Szegó´’s pupil zijn eerste wetenschappelijke publicaties op zijn naam schrijven – die meteen opvielen.

János vader – de bankier – was matig onder de indruk. Omdat in Oostenrijk-Hongarije wiskundigen slecht betaald werden, leek het senior verstandiger dat János scheikundig ingenieur zou worden, zodat hij fortuin zou kunnen maken in de industrie. János gehoorzaamde, maar studeerde niettemin tegelijkertijd af in de wiskunde, overigens zonder ooit de colleges te hebben gevolgd.

Nadat hij eind 1927 was aangesteld als docent aan de universiteit van Berlijn, ging zijn carrière hard vanwege zijn enorme productie van bovendien zeer opvallende publicaties. In 1929 accepteerde János een aanstelling in Hamburg. In 1930 ontving hij een uitnodiging om gastdocent te worden aan de universiteit van Princeton. In 1933 zou Flexner hem strikken voor zijn IAS. Het is onmogelijk om het werk van Von Neumann in kort bestek samen te vatten.

Johnny was in alles en nog wat geïnteresseerd, met als resultaat dat hij zich bezig hield met de wiskunde van eigenlijk alles.

Von Neumann heeft belangrijk bijgedragen aan de wiskundige onderbouwing van de in zijn tijd nog jonge quantummechanica.

Ook wordt hij beschouwd als een van de grondleggers van de speltheorie, waarover hij in 1944 samen met Oskar Morgenstern een boek schreef. Even baanbrekend was zijn onderzoek in de vloeistofdynamica.

Het meest bekend is hij echter als uitvinder van de Von Neumann-cyclus, die de grondslag vormt van de moderne computer.

Wie zich achter al dit intellectuele geweld een teruggetrokken zonderling voorstelt, slaat de plank mis. Nadat Johnny gestorven was, schreef zijn beste vriend Stanislaw Ulam in zijn necrologie dat de deur van de Von Neumanns altijd open stond. ‘Zijn vrienden zullen zich altijd de onuitputtelijke gastvrijheid blijven herinneren, evenals de atmosfeer van intelligentie en gevatheid die er hing.’ Johnny hield niet van stilte en werkte het liefst te midden van geroezemoes. Tijdens de talrijke feestjes die de veelal nog jonge wetenschappers organiseerden was hij regelmatig een half uurtje zoek. Dan zat hij elders in het pand de invallen uit te schrijven die tijdens het feestgedruis in zijn

hoofd waren opgekomen. Hij schuwde dis noch drank, en was dol op roddels. ‘Ik had vaak het gevoel dat hij een verzameling van menselijke eigenaardigheden in zijn geheugen aan het aanleggen was, om er ooit later een statistische analyse op uit te kunnen voeren’, schrijft Ulam.

Johnny’s mentale vermogens waren legendarisch. ‘Ik heb mij wel eens afgevraagd of een brein als dat van Von Neumann niet duidt op een hogere diersoort dan de mens’, zei Nobelprijswinnaar Hans Bethe ooit. Johnny had de gave om ingewikkelde wiskundige vergelijkingen zonder pen en papier op te lossen. Gibbons standaardwerk over de val van het Romeinse Rijk kende hij naar verluidt uit zijn hoofd – hij beschikte over een fotografisch geheugen en was bovendien zeer geïnteresseerd in de klassieke oudheid.

Meisjes van Eniac Een bijzondere man dus, in een bijzondere omgeving: het IAS. Binnen enkele jaren zou daar een bijzondere omstandigheid bijkomen: de Tweede Wereldoorlog. In 1938 had de Duitser Otto Hahn de mogelijkheid van kernsplitsing aangetoond. In de VS was dit, in 1939, aanleiding tot de zogenaamde Einstein–Szilárd-brief aan President Roosevelt, waarin Albert Einstein uit naam van een aantal prominente wetenschappers opriep

om de nazi’s voor te zijn in de ontwikkeling van een nucleair wapen.

De brief zou het startschot vormen van het Manhattan-project: de supergeheime militaire mega-onderneming die op 16 juli 1945, in een woestijn in New Mexico, zou leiden tot ’s werelds eerste kernexplosie.

Deze bom, informeel ‘The Gadget’ genaamd, was van het zogeheten implosietype. Een bol plutonium werd omsloten door een aantal zeer precies ontworpen conven-

Hitler joeg het grootste deel van de wetenschappelijke elite de grens over, onder meer naar de VS tionele springladingen die explosielenzen worden genoemd. Wanneer deze afgingen, drukten de resulterende schokgolven de plutoniumbol dusdanig samen dat er een kernreactie optrad. Johnny speelde een hoofdrol in de ontwikkeling van deze lenzen, die nog steeds de basis vormen van moderne kernwapens. Ook berekende hij hoe hoog boven de grond een atoombom het beste zou kunnen exploderen om maximale schade aan te richten.

Het was in deze militaire context dat Von

Albert Einstein met Clara Lavinia Bamberger, zus van de IAS-oprichters.

ROSE AND SON PHOTOGRAPHER. FROM THE SHELBY WHITE AND LEON LEVY ARCHIVES CENTER, INSTITUTE FOR ADVANCED STUDY, PRINCETON, NJ, USA

Neumann voor het eerste in aanraking kwam met de Electronic Numerical Integrator And Computer (Eniac), het elektronische rekenmonster van het Ballistic Research Laboratory van het Amerikaanse leger. Het woord ‘computer’ stond in deze tijd overigens niet voor een machine maar voor een mens van vlees en bloed – een vrouw in de praktijk – die met behulp van mechanische rekenmachines ingewikkelde berekeningen uitvoerde. Menselijke computers stelden bijvoorbeeld de ballistische tabellen op die in het veld werden gebruikt voor het richten van kanonnen. De Eniac werd in de eerste plaats ontworpen om dit soort monnikenwerk automatisch en – vooral – veel sneller uit te voeren.

In september 1944 werd Johnny voor het eerst tot de geheime machine toegelaten.

Hij begreep meteen dat hij oog in oog stond met de toekomst. De Eniac was namelijk ‘Turing-compleet’. Dat betekende dat de Eniac in principe elke denkbaar probleem in een reeks van kleine stapjes kon oplossen. De Britse wiskundige Alan Turing had de werking van een dergelijke machine in 1936 beschreven in zijn baanbrekende paper On Computable Numbers. In de jaren veertig gold Turings principe als de heilige graal – althans in de zeer selecte kring van mensen die de verstrekkendheid ervan doorzagen. ‘Als de eerste volledig automatische digitale computer die overal voor kan worden gebruikt, is de Eniac beslist een vooruitstrevend waagstuk te noemen’, aldus Von Neumann in 1945.

Dat wil niet zeggen dat hij geen oog had voor de beperkingen van de machine. Zo vereiste het invoeren van een nieuw programma dat de zogenoemde ‘meisjes van Eniac’ – ondanks de laatdunkende benaming geschoolde ingenieurs – vele honderden kabeltjes dienden om te pluggen. Johnny besefte dat dit zo’n beetje de slechtste methode moest zijn om van computerprogramma te wisselen.

Eniac was weliswaar bedoeld voor ballistische berekeningen, maar werd vanaf december 1945 vooral ingezet voor het kernwapenonderzoek. Von Neumann had zich ondertussen vast voorgenomen zelf een computer te bouwen. Aanvankelijk zag hij het wel zitten om dit te doen met de hoofdontwerpers van de Eniac, Pres Eckert en John Mauchly van de universiteit van Pennsylvania. Die waren echter van plan de december 2016 | New Scientist | 45

DE KEUZE VAN DIJKGRAAF

john von neumann

‘Princeton was opgezet als veilige haven voor diepe gedachten. Met als idee dat door goede mensen op een plek met ongekende vrijheid te zetten, er fantastische dingen ontstaan. Er golden bijna geen regels. De enige regel was: geen apparaten bouwen.

Von Neumann brak die regel door een computer te bouwen. Die leidde niet alleen tot de waterstofbom, maar bleek een enorme bijdrage te leveren aan de wetenschap. Het is fantastisch dat Von Neumann door die ene regel te breken, het oorspronkelijke idee van Princeton bevestigde.’

academische wereld de rug toe te keren en een commercieel bedrijf op te zetten. Johnny was hier bepaald verbolgen over, maar dat weerhield hem niet om zichzelf dik te laten betalen als consultant voor IBM, de leider in ponskaarttechnologie die grote belangstelling aan de dag legde voor de elektronische computer. ‘Hij heeft al onze ideeën via de achterdeur aan IBM verkocht’, zo zou Eckert later klagen.

Inmiddels was Von Neumanns reputatie hem zover vooruitgesneld dat niet alleen IBM, maar ook MIT, Harvard en de universiteit van Chicago hem voorstelden op hun kosten een computer te bouwen. Zelf zette hij zijn zinnen echter vanaf het voorjaar van 1946 op zijn eigen IAS. Dat was niet in de laatste plaats te danken aan Frank Aydelotte. De man die Flexner als directeur had opgevolgd, wilde Von Neumann koste wat kost behouden voor het Instituut. Er was echter een probleem met betrekking tot de statuten van het IAS: in hoeverre kon je de bouw van een fysiek apparaat nog theoretische wetenschapsbeoefening noemen? ‘In 46 | New Scientist | december 2016

Om een nieuw programma in te voeren moesten de ‘meisjes van Eniac’ vele honderden kabeltjes ompluggen.

RUE DES ARCHIVES SAS / HOLLANDSE HOOGTE

feite was er nauwelijks een minder waarschijnlijke omgeving denkbaar’, aldus Julian Bigelow, de ingenieur die Johnny’s ontwerp uiteindelijk in werkende hardware zou omzetten. ‘Hoe valt zoiets te rijmen met het Princetitute?’ vroeg wiskundige Norbert Wiener van het MIT zich in diezelfde tijd snerend af. ‘Je zult daarvoor uiteindelijk toch iets van een lab nodig hebben. En laboratoria gedijen nu eenmaal niet in ivoren torens.’

Aydelotte hield echter voet bij stuk. ‘Natuurlijk is het een mechanisch ding, maar we kunnen hem toch bouwen omdat de rechtvaardiging ervan theoretisch is’, zo verklaarde hij. ‘Het belang van een machine waarmee vergelijkingen 10.000 keer sneller kunnen worden opgelost is niet dat iemand dan 100 keer meer kan doen in 100 keer zo weinig tijd’, zo voegde Von Neumann daaraan toe, ‘maar dat we problemen zullen kunnen oplossen die nu nog volkomen buiten ons bereik liggen. Het apparaat zal zo radicaal nieuw zijn dat we pas nadat hij gereed is een idee zullen krijgen waar we hem allemaal voor kunnen gebruiken. Toepassingen die we op dit moment niet of nauwelijks kunnen voorspellen, zullen waarschijnlijk de meest belangrijke worden.’

Die uitspraak getuigt weliswaar van visie, maar illustreert ook dat Johnny een goede verkoper was. Overigens vond hij zelf wel

degelijk dat het Instituut een goede omgeving was voor zijn computer. Hij vermoedde namelijk dat het opstellen van de algoritmen voor de machine een grotere uitdaging zou vormen dan de bouw van de computer zelf. En daar zou hij de hulp van de IAStheoretici uitstekend bij kunnen gebruiken.

750 keer Hiroshima Von Neumann vroeg en kreeg 100.000 dollar per jaar voor de ontwikkeling van zijn computer (gecorrigeerd voor inflatie 1,2 miljoen dollar). Het kostte het Instituut geen moeite dat te financieren, aangezien allerlei militaire instanties met plezier de collectebus vulden.

Von Neumann gebruikte het geld om mensen aan te trekken als de wiskundige Arthur Burks, een van de medeontwerpers van de Eniac. In juni 1946 publiceerde Johnny’s team een 54 pagina’s tellend gestencild rapport met de naam Preliminary Discussion of the Logical Design of an Electronic Computing Instrument. In dit document wordt onder meer beschreven hoe de Eniac-meisjes overbodig kunnen worden gemaakt. Von Neumanns computer zou het computerprogramma in de vorm van binaire code opslaan in het werkgeheugen, dus pal naast de te bewerken data. Een zogenaamde control unit zou ervoor zorgen dat instructies en gegevens elkaar niet zouden corrumperen. Anno 2016 is deze zogenaamde Von Neumann-architectuur in elke

Ivy Mike, de eerste waterstofbom, explodeerde op 1 november 1952 met een kracht van grofweg 750 Hiroshima’s.

CTBTO

pc, tablet en smartphone terug te vinden.

Zoals altijd met radicaal nieuwe vindingen kostte de daadwerkelijke realisatie van de IAS machine (informeel ook wel de Maniac genaamd) meer tijd dan verwacht. Pas in de zomer van 1951 vonden de eerste tests plaats. Op 10 juni 1952 werd de machine operationeel verklaard. Er was meteen een toepassing voor: het doorrekenen van een volgend, extreem verwoestend kernwapen: de waterstofbom.

In 1947 volgde Robert Oppenheimer Frank Aydelotte op als directeur van het IAS. Als hoofd van het Los Alamos National Laboratory had Oppenheimer naam gemaakt als ‘de vader van de atoombom’.

1947 was ook het jaar dat onder leiding van Von Neumann begonnen werd aan de ontwikkeling van een computerprogramma om kernexplosies te simuleren. Klara von Neumann maakte deel uit van het ontwikkelteam. Omdat de IAS-computer nog in ontwikkeling was, werd Hippo – zoals het programma zou gaan heten – uitgetest op een primitieve IBM-computer in New York.

Of een waterstofbom echt zou werken,

Binnen de muren van het Instituut hing een zweem van geheimzinnigheid over het kernwapenonderzoek wist op dat moment niemand. Het idee was simpel genoeg. In een ‘gewone’ atoombom wordt een zwaar, radioactief materiaal – zoals plutonium – korte tijd zodanig samengeperst dat het uiteenvalt in lichtere elementen. Daarbij komt volgens Einsteins bekende formule E=mc2 heel veel energie vrij: boem!

In een waterstofbom (tegenwoordig meestal ‘thermonucleair wapen’ genoemd) wordt juist een heel licht materiaal – waterstof – extreem samengeperst waardoor de atomen fuseren tot zwaardere elementen.

Hierbij komt nog veel meer energie vrij dan bij kernsplijting: BOEM!!! Een thermonucleaire bom kan daardoor honderden keren

krachtiger zijn dan de exemplarische Hiroshima-bom. Het probleem is echter dat de fusiereactie alleen op gang kan worden gebracht door als ‘slaghoedje’ een splijtingsbom te gebruiken. Onderzoekers waren sceptisch of dat ooit zou werken, omdat de berekeningen er keer op keer op wezen dat de bom uit elkaar zou spatten voordat de fusiereactie goed en wel op gang zou komen – een fizzle in kernjargon.

Los Alamos worstelde jarenlang met dit probleem, totdat Stan Ulam van het IAS plotseling het licht zag. Op 9 maart 1951 publiceerde hij samen met Edward Teller een geheim artikel waarin de zogenoemd ‘heterokatalytische configuratie’ voor een waterstofbom beschreven wordt die sindsdien bekendstaat als het Teller-Ulamontwerp. Vanaf de zomer van 1951 werd het principe getest op de gloednieuwe IAScomputer – met groot succes. Ivy Mike, de eerste waterstofbom, explodeerde op 1 november 1952 met een kracht van 10,4 à 12 megaton – grofweg 750 Hiroshima’s.

Uiteraard hing binnen de muren van het Instituut een zweem van geheimzinnigheid over het kernwapenonderzoek. Maar de op hun scherpe geest geselecteerde wiskundigen van het IAS hadden weinig moeite te raden wat er gaande moest zijn. Virginia Davis, de vrouw van wiskundige Martin Davis, herinnert zich dat ze een keer ‘STOP THE BOMB’ schreef in het stof op Von Neumanns auto.

Wraak van de snobs De thermonucleaire bom zou niet te stoppen blijken, en de computer evenmin.

Maar Johnny wel. In 1956 werd bij hem kanker geconstateerd. Op 8 februari 1957 hielden in zijn bijzondere brein de neuronen op met vuren. Dit bezegelde tevens het lot van zijn computer. Het IAS richtte een comité op dat hoorzittingen organiseerde over de rol van Johnny’s levenswerk. De conclusie luidde dat de computer inmiddels geëvalueerd was tot een commercieel verkrijgbaar stuk gereedschap, en aldus geen functie meer vervulde in een puur theoretische onderzoeksomgeving. De computer werd ontmanteld en Johnny’s lab kreeg een nieuwe functie als opslagruimte voor schrijfblokken en schoolbordkrijt. Of zoals faculteitslid Freeman Dyson het zou uitdrukken: ‘De snobs hadden wraak genomen.’ december 2016 | New Scientist | 47

TWEAKERS .NET ALSOF JE 700.000 TECHNISCHE NEEFJES HEBT

opinie column

Kattenproefjes

D

e eerste schooldag na een lange zomervakantie. Charlotte, onze vijftienjarige dochter, zit aan de keukentafel gebogen over haar huiswerk Latijn. Kat Wollie, meeverhuisd uit Nederland, ligt luidruchtig spinnend naast haar.

‘Gaat het?’ vraag ik, als Charlotte voor de derde keer diep zucht. ‘Nee’, zegt ze. ‘De juf heeft ons een lijstje woorden gegeven en daarin moeten we het Latijnse woord onderstrepen. Alleen, ik ken niet een van die woorden.’

‘Belligerent’, leest ze voor. ‘Audacity.

Sorority.’ Arme Charlotte. Het valt niet mee als je door je ouders naar Amerika bent meegenomen en je een andere taal moet leren via een taal die je nog maar nauwelijks beheerst. Maar ze laat zich niet zo gauw uit het veld slaan.

‘Defenestration,’ leest ze verder en kijkt op. ‘Wat is dat in hemelsnaam?’ Samen reconstrueren we het woord: uit het raam gooien. ‘Vreemd’, zegt ze.

‘Waarom heb je daar een woord voor nodig? Wat gooi je nou uit het raam?’ ‘Je kat’, zegt vader Robbert die binnenloopt.

‘Mensen gooien katten uit het raam.’ ‘Wat is dat voor idioots?’ zegt Charlotte terwijl ze met één beweging de kat op schoot trekt. ‘Waarom zouden mensen zoiets gemeens doen?’ ‘Om uit te vinden waarom ze altijd op hun pootjes terecht komen’, zegt Robbert. ‘Dus net als die proefjes van jou’, zegt Charlotte, met enige ironie in haar stem. Ze vertelt graag in geuren en kleuren aan haar vriendinnen hoe de boterham met pindakaas die haar broer staande op het balkon liet vallen, met de besmeerde kant op haar nieuwe jurk belandde, of over de veel te hard opgevulde waterballon die boven haar hoofd knapte, terwijl Robbert er een kaars bij hield om nu juist aan te tonen dat die ballon niet zou knappen.

‘Katten kunnen goed vallen’, zegt Robbert. ‘Er zijn katten die van de vierenveertigste verdieping van een wol-

kenkrabber zijn gevallen en daarna gewoon een muis gaan vangen.’ ‘De kat van de buren viel laatst uit het raam en die brak zijn poot’, zegt Charlotte wantrouwig. ‘Hoe hoger het raam, hoe groter de kans dat de kat op zijn pootjes terechtkomt’, zegt Robbert. Dat komt door de vertraagde versnelling. Eerst gaan ze heel hard vallen, tot wel tachtig kilometer per uur. Maar dan stopt het, en vallen ze niet harder. Omdat ze gewichtloos zijn gewor-

‘Gelukkig is er nu de wetenschap en kunnen we ‘t allemaal verklaren'

den, gaan ze zweven. Ondertussen strekken ze zich behaaglijk uit: ze hebben niet meer door dat ze aan het vallen zijn.’

‘Maar waarom katten?’ vraagt Charlotte, terwijl ze Wollie dicht tegen zich aan drukt. ‘Waarom niet muizen. Of konijnen.’

‘Vroeger dachten mensen dat katten behekst waren’, zegt Robbert. ‘Ze snapten niet dat katten een val uit het raam konden overleven. Ze geloofden dat ze zeven levens hadden. Mensen waren bang voor wat ze niet begrepen.’ Wollie springt boven op haar Latijnse huiswerk. ‘Gelukkig is er nu de wetenschap’, zegt Robbert, 'en kunnen we het allemaal verklaren. Je boft maar dat je in deze tijd leeft.’

‘Ja ja’, zegt Charlotte. ‘Ik ben heel blij. En mag ik dan nu mijn huiswerk afmaken?’

Pia de Jong is schrijfster. Sinds 2012 woont ze met haar man Robbert Dijkgraaf en hun kinderen in Princeton, Verenigde Staten waarover zij een column voor NRC Handelsblad schrijft.

Recent verscheen haar memoire Charlotte.

BENOIT CORTET

december 2016 | New Scientist | 49

Verborgen wet Er bestaat een idee dat een belangrijkere rol in de fysica heeft gespeeld dan quantumtheorie en relativiteit. Waarom geniet de vrouw daarachter niet minstens evenveel roem als Einstein?

Door Dave Goldberg

W

ij fysici noemen ons vakgebied vaak ‘mooi’ of ‘elegant’, terwijl een buitenstaander er begrijpelijkerwijs eerder een eindeloos moeras aan vergelijkingen in ziet. In een ideale wereld zouden vergelijkingen overbodig zijn; het uiteindelijk doel van de natuurkunde – en van de wetenschap in het algemeen – is om de wereld zo eenvoudig mogelijk te beschrijven.

Eén iemand zette een eeuw geleden een grote stap in die richting. Vorig jaar was de algemene relativiteitstheorie honderd jaar oud en Albert Einstein werd terecht gelauwerd. Maar te midden van alle opwinding die het gloednieuwe concept relativiteit teweegbracht in 1915, was het ook het jaar van een andere grote doorbraak. Toch is deze, zelfs onder natuurkundigen, lang niet zo bekend als hij zou moeten zijn. Misschien ligt dat aan de ingewikkelde wiskunde waarin hij vervat is, maar misschien spelen ook de sekse van de auteur en het feit dat zij jong stierf een rol.

Toch lijdt het geen twijfel dat Amalie ‘Emmy’ Noether onze kijk op het heelal voorgoed veranderd heeft. Al is de wiskun50 | New Scientist | december 2016

de achter haar grootse eerste stelling nogal complex, het resultaat daarvan kan kort als volgt worden samengevat: symmetrieën leveren behoudswetten op.

Achter deze schijnbare eenvoud schuilt een diep inzicht. Het bracht de natuurkunde van dat moment onder één noemer en legde de basis voor bijna alle fundamentele ontdekkingen die sindsdien zijn gedaan.

Vooroordelen Emmy Noether is een verhaal op zich. Al kon niemand eromheen dat ze briljant was, de vooroordelen van de Duitse academische traditie rond 1900 legden haar fikse beperkingen op. Ze werd in 1882 geboren in een familie van vooraanstaande wiskundigen – haar vader Max was hoogleraar aan de universiteit van Erlangen in het noorden van Beieren – maar omdat ze vrouw was, mocht ze zich aanvankelijk niet inschrijven aan de universiteit.

Toen het haar toch was gelukt om af te studeren en te promoveren, was er geen universiteit die haar een baan wilde geven.

In het daaropvolgende decennium groeide zij uit tot een internationaal erkende expert in de wiskunde van symmetrie maar ze bleef zonder baan, salaris of officiële titel.

Symmetrie lijkt op het eerste gezicht misschien geen diepgaand onderwerp.

De wiskundige Hermann Weyl, een tijdgenoot van Noether die sterk door haar werk werd beïnvloed, formuleerde het concept ooit op de volgende, verrassend simpele manier: ‘Iets is symmetrisch als je er iets mee kan doen zodat het er, wanneer je daarmee klaar bent, nog hetzelfde uitziet als voorheen.’ Een cirkel kan bijvoorbeeld over een willekeurige hoek worden gedraaid en ziet er dan nog hetzelfde uit.

Het idee dat symmetrieën aan de basis van de natuurwetten liggen, is al heel oud.

Aristoteles en zijn tijdgenoten dachten dat de sterren op hemelse sferen geplakt zaten en dat de planeten in cirkelvormige banen om de aarde bewogen. Helaas hadden ze het mis. Johannes Kepler ontdekte aan het begin van de zeventiende eeuw dankzij zorgvuldige observatie dat de planeten soms dichter en soms verder van de zon af staan en in werkelijkheid een ellipsvormige baan doorlopen. Ze bewegen sneller wanneer ze dicht bij de zon staan en

Ook Einsteins algemene relativiteitstheorie is op een symmetrie gebaseerd langzamer wanneer ze er zich ver vanaf bevinden. Een denkbeeldige lijn die planeten met de zon verbindt, doorloopt in een bepaalde tijdsduur altijd een constante oppervlakte : een principe dat nu bekendstaat als behoud van impulsmoment.

De relativiteit voorbij

THINKSTOCK

Pas een eeuw later verklaarde Newton in zijn gravitatiewet hoe dit komt. Zulk gedrag komt inderdaad voort uit symmetrie – die van de onzichtbare hand van de zwaartekracht, die immers vanuit een hemellichaam als de zon in alle richtingen even sterk is.

Algemene relativiteit, Einsteins veel geavanceerdere theorie van de zwaartekracht, is ook op een symmetrie gebaseerd, en wel één die bekendstaat als het equivalentieprincipe. Dat zegt dat er in de praktijk geen verschil bestaat tussen een object dat zwaartekracht ondervindt en een ander dat een kracht ervaart door een andere oorzaak, bijvoorbeeld de voortstuwing van een raket of de ronddraaiing van een december 2016 | New Scientist | 51

stelling van noether

centrifuge. Vanuit dit equivalentieprincipe ontwikkelde Einstein zijn theorie, die allerlei fenomenen voorzag, variërend van gekromde ruimtetijd tot een uitdijend heelal, zwarte gaten en de voorspelling van – na honderd jaar eindelijk geobserveerde – gerimpelde zwaartekrachtsgolven in de ruimte.

Einsteins werk betekende een omwenteling in ons beeld van het heelal en genereerde een enorme interesse in de rol die symmetrieën in de natuurwetten spelen. De vooraanstaande wiskundigen David Hilbert en Felix Klein erkenden Noethers gezag op dit gebied en nodigden haar in 1915 uit om naar Göttingen te komen, in die tijd het centrum van de wiskundige wereld. Helaas stond er geen financiële tegemoetkoming tegenover en Hilbert deed niet erg zijn best om Noether een officiële benoeming te bezorgen; zelfs een ‘buitengewoon’ ereprofessoraat kreeg zij pas in 1922. Tot die tijd mocht zij enkel als onbetaalde gastdocent onder Hilberts naam lesgeven.

Weyl, die ook in de jaren twintig in Göttingen werkte, kreeg daarentegen al snel een belangrijke leerstoel aangeboden, al was hij jonger dan Noether. ‘Ik schaamde me dat ik zo’n begerenswaardige positie kreeg en zij niet, want ik besefte dat zij mij in veel opzichten als wiskundige overvleugelde’, zou hij later vertellen.

De beschamende omstandigheden waarin Noether terechtkwam, leidden haar overigens niet af van haar werk. Vrijwel direct

Hoewel Emmy Noether onze kijk op het heelal voorgoed veranderd heeft, is haar naam slechts bij weinigen bekend.

GETTY IMAGESON

na aankomst in Göttingen formuleerde Noether de stelling die haar naam draagt.

Daarin werd het – impliciet in de twee belangrijkste zwaartekrachttheorieën aanwezige – principe geformaliseerd dat symmetrieën ons direct tot de kern van het werkingsmechanisme van de natuur brengen.

Een voorbeeld is een puck op een immens, superglad bevroren meer. Waar de puck ook naartoe glijdt, het meer blijft

hetzelfde. Noethers stelling bevat een algemene manier om zulk soort beweringen over de symmetrie van een situatie in een behoudswet om te vormen.

Behoudswetten zijn voor natuurkundigen dagelijkse kost. Het zijn wiskundige handigheidjes waarmee je fysieke grootheden voor eens en altijd kunt vaststellen.

Die blijven, ongeacht je vertrekpunt, altijd hetzelfde. Dat is reuzehandig: stel je voor

Magisch recept Overal in de natuur bestaan symmetrieën. Emmy Noethers stelling uit 2015 maakt het mogelijk om ze te vertalen naar wetten die gebruikt kunnen worden om berekeningen uit te voeren.

SYMMETRIE: TRANSLATIE IN DE TIJD De natuurwetten veranderen in de loop der tijd niet.

SYMMETRIE: TRANSLATIE IN DE RUIMTE De natuurwetten veranderen niet als je je van de ene plek naar de andere verplaatst.

SYMMETRIE: ROTATIE IN DE RUIMTE Krachten zoals de zwaartekracht verspreiden zich gelijkmatig in alle richtingen.

GEVOLG: ENERGIE BLIJFT BEHOUDEN Hoe vaak een slinger ook heen en weer slingert, zonder luchtweerstand komt hij altijd even hoog.

GEVOLG: IMPULS BLIJFT BEHOUDEN Een raket die door vrije ruimte vliegt, blijft op dezelfde snelheid vliegen, mits er geen kracht op werkt.

GEVOLG: IMPULSMOMENT BLIJFT BEHOUDEN Kometen versnellen in de buurt van de zon. Het gebied tussen hun baan en de zon is per tijdsperiode altijd hetzelfde. m

massa

snelheid

massa

snelheid

r

r m

52 | New Scientist | december 2016

Symmetrieën in ruimte en tijd zijn zichtbaar met het blote oog, maar de werkelijke kracht van de stelling van Noether zit in de ‘interne symmetrieën’ van de werkelijkheid.

THINKSTOCK

hoe moeilijk het alleen al zou zijn om je tijd in te delen wanneer het aantal uren op een dag voortdurend veranderde en niet altijd 24 uur zou zijn. Het is al lastig genoeg dat het twee keer per jaar verandert als de klok een uur vóór- of achteruit gaat.

De meeste belangrijke natuurwetten beweren, impliciet of expliciet, iets over behoud. Newtons eerste bewegingswet stelt grofweg dat ‘bewegende objecten blijven bewegen en stilstaande stil blijven staan’.

Dat komt neer op behoud van impuls, een consequentie van het type ruimtelijke symmetrie die ook de fysica op ons geïdealiseerde bevroren meer regeert. Wanneer je een puck wegslaat, zal die, als we even de wrijving wegdenken, voorgoed blijven bewegen. Een behoudswet houdt echter alleen maar stand zolang de symmetrie niet doorbroken wordt. Een gat in het ijs verstoort de symmetrie, zodat de puck naar de bodem van het meer zinkt en daar blijft liggen – wat niet in lijn is met Newtons eerste wet.

Het is niet altijd goed duidelijk wat er wel en wat niet behouden wordt. Lange tijd werd verondersteld dat massa noch gecreëerd noch vernietigd kon worden, maar Einsteins beroemde formule E=mc² zegt dat dat niet klopt. Het is heel goed mogelijk om massa te creëren, misschien niet uit het niets maar wel vanuit pure energie. Zo bestaat je lichaam uit moleculen, die weer

zijn opgebouwd uit protonen en neutronen en die protonen en neutronen bestaan op hun beurt weer uit quarks. Quarks blijken verrassend genoeg zo licht te zijn dat ze maar 1 à 2 procent van je lichaamsgewicht uitmaken. De rest komt voor rekening van de gigantische energie waarmee deze quarks op elkaar inwerken. Maar al kan energie worden omgezet in massa, al deze manifestaties van energie vormen tezamen uiteindelijk één constante hoeveelheid.

De stelling van Noether is een praktische gids voor hoe je vooruitgang kunt boeken in de natuurkunde Vóór Noether dachten natuurkundigen dat energie simpelweg behouden blijft; dit was een zo fundamentele aanname dat die in de negentiende eeuw bekend kwam te staan als de eerste wet van de thermodynamica. Maar uit de wiskundige afleiding van Noethers stelling wordt duidelijk dat energie behouden blijft als gevolg van een nog fundamentelere symmetrie. Dit komt erop neer dat de natuurwetten in de loop van de tijd niet veranderen. Als ze dat wel zouden

doen, dan zou de energie niet behouden blijven.

In feite is de stelling van Noether een praktische handleiding voor hoe je vooruitgang kunt boeken in de natuurkunde: identificeer een symmetrie in hoe de wereld werkt en dan stelt de bijbehorende behoudswet je in staat om er zinvolle berekeningen op los te laten. Maar eigenlijk is het ook een bewering over hoe het heelal in elkaar zou moeten zitten. Als we vanuit onze menselijke schaal, of zelfs vanuit de schaal van ons zonnestelsel, naar het heelal kijken, zien we een ruimte die heel anders is dan een glad meer: er zitten klonten in ter grootte van planeten en nog andere oneffenheden. Maar bekijk je het op de veel grotere schaal van honderden miljoenen lichtjaren, dan lijkt alles opeens veel gladder.

De aanname is nu dat het heelal op de allergrootste schaal min of meer uniform is.

Aangezien we onmogelijk miljarden lichtjaren ver, tot achter de waarnemingshorizon van onze krachtigste telescopen, kunnen reizen, is dit echt niet meer dan een aanname, die wel het kosmologisch principe heet.

Dat zegt dat hetgeen wij op aarde ‘beneden’ noemen, feitelijk alleen maar de consequentie is van onze eigen positie ten opzichte van de rots waar we op staan. Het heelal kent geen boven en beneden, en al evenmin een centrum. De wetten die er gelden, lijken op geen enkele manier afhankelijk te zijn van waar we ze meten, van hoe wij onze meetapparaten oriënteren of zelfs maar van het moment waarop wij onze metingen doen. De stelling van Noether stelt dat ruimtelijke en temporele symmetrieën resulteren in behoud van energie, impuls en impulsmoment, waar en wanneer je ook kijkt (zie kader ‘Magisch recept’).

Maar dat is nog lang niet alles. Symmetrieën in ruimte en tijd zijn zichtbaar met het blote oog, maar de werkelijke kracht van de stelling van Noether zit hem in de vele ‘interne symmetrieën’ van de werkelijkheid. Voor leken lijkt het standaardmodel van de deeltjesfysica weinig meer dan een opsomming van fundamentele krachten en deeltjes. Maar er zit een reusachtig model in verstopt van interne symmetrieën, gebaseerd op de stelling van Noether.

De bekendste van de door dit model beschreven krachten is het elektromagnetisme, dat de stroom in onze elektriciteitsdraden, het gedrag van een kompas en de december 2016 | New Scientist | 53

DE KEUZE VAN DIJKGRAAF

stelling van noether

‘Emmy Noether verhuisde zoals veel andere Joodse Duitse wetenschappers naar Amerika. Einstein stond haar heel nabij. Daardoor kreeg ze een positie als gastonderzoeker bij Princeton. Ze is dus nauw verbonden met mijn werkplek. Daarnaast is symmetrie misschien wel het meest krachtige principe in de natuurkunde en we zouden meer moeten doen om haar naam daarmee te verbinden.

Het principe is nog fundamenteler dan de relativiteitstheorie. Ze heeft een diepe karaktereigenschap van de natuur blootgelegd.’

Met de stelling van Noether komen we tot prachtige fysische inzichten 54 | New Scientist | december 2016

inslag van de bliksem beschrijft. Meestal wordt James Clerk Maxwell gezien als degene die, in de jaren zestig van de negentiende eeuw, een theorie opstelde waarin elektriciteit en magnetisme samen in één bruikbaar model werden gevangen. Deze gaat uit van de aanname dat elektrische lading nooit gecreëerd of vernietigd kan worden, een idee dat al in de jaren veertig van de achttiende eeuw werd geformuleerd door Benjamin Franklin.

De stelling van Noether laat zien dat ook het behoud van lading een gevolg is van symmetrie. Fundamentele deeltjes hebben een eigenschap die spin heet, en net zoals de precieze positie op een bevroren meer niet uitmaakt, heeft ook de zogenaamde ‘spinfase’ geen consequenties voor de fysische berekeningen die je erop loslaat.

‘Draai’ je alle elektronen in het heelal één extra graad om hun as, dan verandert dit niets aan hun energie of andere eigenschappen. Uit Noethers wiskunde komt vanzelf behoud van lading naar voren.

Weyl voerde dit idee van fasesymmetrie een stap verder en nam aan dat elk elektron een verschillende draaiing kon krijgen en toch hetzelfde zou blijven. Dankzij deze aanname verschijnen als bij toverslag vanzelf alle vier de vergelijkingen van Maxwell.

Naarmate het standaardmodel zich verder ontwikkelde, werden er steeds subtielere symmetrieën in opgenomen – en de stelling van Noether blijft de fysica maar bedelven onder haar gulle gaven. Zo is het bijvoorbeeld moeilijk voorstelbaar dat elektronen, de deeltjes die door onze elektriciteitsdraden lopen en apparaten van stroom voorzien, en neutrino’s, waarvan er elk seconde biljarden door ons lichaam heenvliegen zonder sporen na te laten, in zekere zin identieke deeltjes zijn.

De interactie van neutrino’s is vooral het gevolg van de zwakke kernkracht, die voor kernfusie in de zon zorgt. Maar uiteindelijk kan het de zwakke kernkracht niets schelen of een deeltje nu een elektron of een neutrino is: als je ze verwisselt, blijft hun zwakke interactie onveranderd. Deze symmetrie resulteert in het behoud van een grootheid die ‘zwakke isospin’ heet. Net als elektrische lading kan die worden gebruikt om deeltjes te benoemen en te voorspellen hoe zij zich gedragen (zie kader rechts).

In de jaren zestig ontdekten wetenschappers dat elektromagnetisme en

zwakke kernkracht allebei het gevolg waren van één enkele symmetrie. Dit idee staat centraal in de elektrozwakke theorie, een fundamentele bouwsteen van het standaardmodel. Wanneer je die symmetrie in twee losse stukken ‘breekt’, leidt dat tot een heel stel nieuwe interacties, en bovendien voorspelt die het bestaan van een nieuw deeltje – wat we nu kennen als het higgsdeeltje. We hebben een halve eeuw moeten wachten op de bevestiging van deze voorspelling, die het directe gevolg was van het soort overwegingen dat met de stelling van Noether voor het eerst in de natuurkunde zijn intrede deed. De gezochte bevestiging kwam door de waarneming van het higgsdeeltje in de Large Hadron Collider van Cern in 2012.

Een andere steunpilaar van het standaardmodel is de ‘sterke interactie’, die protonen en neutronen bij elkaar houdt. De quarks waaruit deze deeltjes bestaan, zijn gelabeld met drie ‘kleuren’: rood, groen en blauw.

Maar geef je ze elk een andere kleur, dan blijven de sterke interacties onveranderd.

Kleurensymmetrie – en dit lijkt misschien een tautologie – leidt tot behoud van kleur.

Sinds het idee voor het eerst werd geformuleerd, is uit onderzoek naar de aard van de sterke kernkracht gebleken dat alle deeltjes in de natuur een kleurloze toestand hebben – oftewel ‘wit’. Protonen en neutronen zijn voorbeelden van deeltjes die baryonen worden genoemd en uit drie quarks bestaan, een rode, een blauwe en een groene. Het heelal als geheel lijkt kleurloos te zijn, net zoals het elektrisch neutraal is. Het komt door de symmetrie van deze sterke kernkracht dat deeltjes als protonen en neutronen überhaupt kunnen bestaan.

De natuurkunde is nu zover dat nieuwe theorieën uitgaan van de aanname van een fundamentele symmetrie, waarna op basis van aanwijzingen een gok kan worden gedaan welke symmetrie er precies in het spel is. Uiteindelijk is de heilige graal van de natuurkunde unificatie: het vinden van een theorie die alles in slechts enkele, zij het misschien hondsmoeilijke, vergelijkingen weet te vatten. Welk soort symmetrie de elektrozwakke kracht en de sterke kernkracht zou kunnen verenigen, weten we nog niet, maar de zoektocht naar zo’n geünificeerde theorie is een actief veld binnen het natuurkundig onderzoek. Een goede geünificeerde theorie moet kunnen

Verborgen principes De werking van het standaardmodel van de deeltjesfysica – en mogelijk van natuurkundige theorieën die verder gaan dan het standaardmodel – wordt bepaald door enkele subtiele symmetrieën.

SYMMETRIE: Bij elektronen en ‘leptonen’ (met vergelijkbare lading) horen corresponderende ongeladen neutrino’s Elektron

Muon

SYMMETRIE: Alle zes quarkvarianten komen voor in dezelfde ‘kleuren’.

SYMMETRIE: Volgens de nog onbewezen theorie van supersymmetrie heeft elk lepton en elk quark een zwaarder equivalent (superpartner of sparticle).

Tau

u

s

Elektronneutrino

t

Elektron

d Elektronneutrino

Muonneutrino

c

Up-quark Down-quark

b

Tauneutrino

Wanneer in processen als bètaverval een elektron wordt uitgezonden, wordt om de balans te handhaven ook een neutrino geproduceerd

Deeltjes die quarks bevatten, zoals protonen en neutronen, bestaan uit ‘kleurneutrale’ combinaties.

Als je twee kleuren verwisselt, verandert er niets.

Elektron Neutron

d Proton

Elektron(anti-)neutrino

voorspellen waar alle protonen en neutronen in het heelal vandaan komen. Ook het totale aantal van zulke zogenaamde baryonen lijkt onderhevig te zijn aan een wet van behoud. In experimenten is geprobeerd om uit te vinden of protonen, de lichtste van de baryonen, kunnen vervallen tot iets anders. Mochten we dat verval ooit observeren, dan geeft ons dat een idee over de vraag of het aantal baryonen werkelijk behouden blijft, wat een essentiële aanwijzing zou zijn bij het opstellen van een geünificeerde theorie.

Wanneer we verder kijken dan het standaardmodel, is het begrip ‘supersymmetrie’ bijzonder interessant. Dit model staat aan de basis van de meeste geünificeerde theorieën die tot dusver geopperd zijn. Supersymmetrie gaat uit van de unificatie van de twee belangrijkste groepen fundamentele deeltjes: fermionen (de deeltjes waaruit alle materie, zoals elektronen en quarks, is opgebouwd), en bosonen (onder andere fotonen, het higgsdeeltje en andere deeltjes die voor krachten zorgen). Het veronderstelt dat elk fermion uiteindelijk een geassocieerd boson heeft en omgekeerd: het gaat daarbij om hypothetische

u

d

Dit impliceert het bestaan van onbekende deeltjes en nieuwe fysica.

Down-squark

Selectron

u u Proton

d

Elektronsneutrino

Up-squark

Neutron

exotische deeltjes als ‘selektronen’ en ‘higgsino’s’. Gedacht wordt dat wanneer het energieniveau maar hoog genoeg is, een elektron en een selektron hetzelfde gedrag vertonen, net zoals neutrino’s en elektronen als gevolg van de zwakke kernkracht hetzelfde gedrag vertonen.

Supersymmetrie weet een aantal problemen mooi op te lossen waar het standaardmodel geen raad mee weet. Ook verklaart het waarom deeltjes precies die massa hebben die ze hebben. In principe tenminste.

Met de Large Hadron Collider wordt hard gezocht naar sporen van supersymmetrie, vooralsnog zonder resultaat, wat zou kunnen betekenen dat er weinig van klopt.

Verre droom Het uiteindelijk doel is om de zwaartekracht, waar de eerste ideeën over symmetrie zich mee bezighielden, en de door het standaardmodel beschreven krachten, te vangen binnen één ‘theorie van alles’. Deze droom is echter nog ver weg. De natuurkunde is nog lang niet ‘af’. Maar bij de jacht op betere antwoorden passeren symmetrieën de revue die ons een stukje dichter bij dat doel kunnen brengen – en met de stelling

van Noether kunnen we daaruit weer prachtige fysische inzichten destilleren.

In vergelijking met deze sublieme erfenis is de rest van Noethers levensverhaal nogal deprimerend. Ze verliet Duitsland toen de nazi’s er in 1933 aan de macht kwamen en kwam terecht op het Bryn Mawr College in Pennsylvania, waar ze twee jaar later stierf aan de complicaties van een kankeroperatie. Einstein schreef na haar dood: ‘Juffrouw Noether was het belangrijkste creatieve wiskundige genie dat zich heeft aangediend sinds vrouwen hoger onderwijs mogen volgen’. Je zou zelfs kunnen zeggen dat het tweede deel van deze zin overbodig is. Zij wordt door wiskundigen aanbeden, maar, al heeft ze de basis gelegd voor een groot deel van de moderne fysica, negeren natuurkundigen maar al te vaak haar bijdrage. Na een eeuw van miskenning wordt het tijd om dit genie de plek te geven die zij verdient.

Dave Goldberg is als fysicus verbonden aan Drexel University in Philadelphia, Pennsylvania. Hij schreef een boek over symmetrie: The Universe in the Rearview Mirror. december 2016 | New Scientist | 55

GROOT,

GROTER,

EXTREEM GROOT

Een veertig meter grote telescoop, een detector met vijftig ton xenon en miljoenen kilometers uit elkaar zwevende sondes: fysica-experimenten nemen steeds meer plek in.

56 | New Scientist | december 2016

Door Dorine Schenk

D

e deeltjesversneller LHC heeft een omtrek van 27 kilometer. De armen van de zwaartekrachtsgolvendetector Ligo zijn vier kilometer lang. Hoeveel groter kunnen natuurkunde experimenten nog worden? Veel groter, blijkt. Neem bijvoorbeeld Lisa, die in de ruimte een gebied van miljoenen kilometers gaat beslaan om meer zwaartekrachtsgolven te vinden. In de natuurkunde klopt de uitspraak the bigger, the better (hoe groter, hoe beter) verrassend vaak. Met grotere deeltjesdetectoren heb je meer kans om een deeltje te vangen. Een visser met een groter net zal immers sneller een vis vangen. Grotere telescopen vangen meer licht waardoor we het heelal beter kunnen

bestuderen. En grotere deeltjesversnellers kunnen deeltjes tot een nog hogere snelheid opjagen.

In de komende decennia worden natuurkundige experimenten alleen maar groter. Ook de locaties zijn extreem: diep in de zee, op een drie kilometer hoge berg in Chili, in afgelegen woestijnen in Afrika en Australië en in de ruimte. We bespreken een handvol fysische megaprojecten die de komende tijd worden opgezet.

In de natuurkunde klopt de uitspraak ‘hoe groter, hoe beter’ verrassend vaak

Laser Interferometer Space Antenna

Lasers in de ruimte

De missie van verkenner Lisa Pathfinder was een ongekend succes.

C.CARREAU /ESA

Over achttien jaar zweven drie ruimtevaartuigen op een paar miljoen kilometer afstand van elkaar in een driehoekige formatie. Het geheel zal op vijftig miljoen kilometer afstand van de aarde zweven en in dezelfde baan als onze planeet om de zon draaien.

Voor de lancering worden de drie ruimteschepen op elkaar gestapeld en in één keer gelanceerd. Vervolgens koppelen de drie zich los en vliegen ze zelfstandig naar hun uiteindelijke baan. Daar aangekomen wordt de module die nodig was voor de voortstuwing afgeworpen en kan het wetenschappelijke experiment beginnen. Laser Interferometer Space Antenna (Lisa) is dan de eerste gravitatiegolvendetector in de ruimte.

Tijdens het onderzoek wordt met lasers de onderlinge afstand tussen de ruimtevaartuigen continu zeer nauwkeurig gemeten. Een kleine verandering van die afstanden, veroorzaakt door een passerende gravitatiegolf, kan op die manier gemeten worden. De rimpelingen in de ruimtetijd die veroorzaakt worden door ronddraaiende zwarte gaten, samensmeltende neutronensterren en andere indrukwekkende gebeurtenissen in het heelal kunnen hiermee nog beter gemeten worden. Lisa is namelijk een

stuk groter dan haar aardse broertjes Ligo en Virgo, die L-vormig zijn en armen hebben van respectievelijk vier en drie kilometer lang. Lisa kan dankzij haar grootte gravitatiegolven met lage frequenties meten. Dit soort golven zijn afkomstig van dubbelstersystemen in de Melkweg en superzware zwarte gaten. Daarnaast heeft Lisa geen last van vervelende aardse trillingen, zoals die van langsrijdende vrachtwagens.

In december 2015 werd Lisa Pathfinder gelanceerd. Deze verkenner heeft de instrumenten getest die door Lisa gebruikt gaan worden. De apparatuur bleek boven verwachting te presteren en de verkenningsmissie verliep vlekkeloos. Daarnaast werd in februari 2016 bekendgemaakt dat de eerste gravitatiegolven op aarde gemeten waren door Ligo in de VS. Het bewijs van het bestaan van de golven gaf een extra motivatie voor de Lisa-missie. Dankzij deze geweldige resultaten besloot Nasa dat zich in 2011 had teruggetrokken wegens budgettaire redenen - in september 2016 weer toe te treden tot de missie.

De lancering van Lisa staat gepland voor 2034, maar ESA hoopt een paar jaar daarvoor al zover te zijn.

Darwin

Ultieme donkere-materiedetector Het grootste deel van het heelal bestaat uit een vorm van materie die we niet kennen en niet kunnen zien: donkere materie. Al decennia wordt er hard naar gezocht, maar tot nu toe heeft nog niemand donkere materie gevonden.

Voor 2019 staat de bouw gepland van Darwin (DARk matter WImp search with liquid xenoN). Deze donkeremateriedetector gaat vijftig ton vloeibaar xenon bevatten, vijftig keer meer dan de

huidige detectoren. Dit klinkt indrukwekkend, maar deze hoeveelheid past in een vat met een diameter en hoogte van ruim 2,5 meter.

Darwin gaat, net als voorgangers Xenon, Lux en PandaX, op zoek naar WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles). WIMPs zijn deeltjes waaruit donkere materie in theorie kan bestaan. Ze zijn relatief zwaar en gaan bijna geen reacties aan met gewone materie. Toch zijn deze theoretische deeltjes wel

meetbaar. Ze botsen namelijk heel af en toe met een deeltje dat wij kennen. Daarbij ontstaat een lichtflitsje. Dit flitsje kan gemeten worden en zou bewijs leveren voor het bestaan van WIMPs. Er wordt al jaren gezocht naar botsingen van WIMPs in grote vaten met vloeibaar xenon, maar tevergeefs. Dat betekent niet dat WIMPs niet bestaan. Er zijn namelijk modellen die voorspellen dat de deeltjes zo weinig botsen dat we ze pas zien als we nog

grotere vaten vloeibaar xenon bouwen. Meer xenon betekent namelijk meer kans om een botsing te zien. Daarom wordt Darwin zo veel groter dan zijn voorgangers.

In 2024 beginnen de metingen van Darwin. Het doel is om zelfs de meest lastige versies van de WIMPs te kunnen meten. Als Darwin de WIMPs niet kan vinden, dan kan geen enkel andere directe detectiemethode het. Darwin wordt daarom de ultieme donkeremateriedetector genoemd. december 2016 | New Scientist | 57

megafysica

European Extremely Large Telescope

Vijftien keer scherper dan de Hubble In de sterrenkunde is de schaalvergroting van het onderzoek goed af te lezen aan de namen van telescopen. Momenteel staat in de droogste woestijn ter wereld al de Very Large Telescope (VLT). Deze bestaat uit vier telescopen met elk een diameter van acht meter. Er waren zelfs plannen voor de Overwhelmingly Large Telescope (OLT), met een diameter van honderd meter. Dat bleek iets te hoog gegrepen, maar sterrenkundigen zijn nu wel bezig met de bouw van de European Extremely Large Telescope (E-ELT).

De hoofdspiegel van de E-ELT krijgt een diameter van 39 meter en is daarmee de grootste telescoop ter wereld voor zichtbaar licht (radiotelescopen zijn vaak veel groter). De door de Europese Zuidelijke Sterrenwacht (ESO) ontworpen detector wordt vier tot vijf keer groter dan de huidige telescopen. Daarnaast kan hij vijftien keer meer licht opvangen en worden de beelden vijftien keer scherper dan die van de Hubble-ruimtetelescoop. De bouw startte

Er waren zelfs plannen voor de Overwhelmingly Large Telescope 58 | New Scientist | december 2016

in 2014 en de eerste metingen staan gepland voor 2024. Op de foto's is het dus nog een paar jaar wachten.

Het is niet mogelijk en technisch ook niet wenselijk om zo’n grote spiegel uit één stuk te maken. In plaats daarvan zal hij worden opgebouwd uit 798 zeshoekige stukken van elk 1,4 meter breed en 5 centimeter dik.

Bovendien zijn de spiegels verstelbaar, zodat ze kunnen compenseren voor atmosferische turbulentie die het licht van de sterren kan verstrooien. Dit geeft een scherper beeld. Om de beeldkwaliteit nog verder te verbeteren, is gekozen voor een plek die hoog ligt en waar de lucht droog is. De telescoop komt daarom op de 3060 meter hoge Cerro Armazones-berg in Chili te staan.

De enorme diameter van 39 meter is niet zomaar gekozen. Het is de minimale doorsnede die nodig is om de atmosfeer van planeten buiten het zonnestelsel in kaart te brengen en de versnelde uitdijing van het heelal direct waar te nemen.

De naam van de Extremely Large Telescope laat aan duidelijkheid niets te wensen over.

ESO/L. CALÇADA/ACE CONSORTIUM

E-ELT zal onder andere worden ingezet om de veranderingen in chemische samenstelling en de versnelde uitdijing van het heelal te bestuderen. Verder zal hij het ontstaan van de eerste sterren en sterrenstelsels onderzoeken. Door ook naar de vorming van planetenstelsels te kijken, kunnen vragen over de vorming van planeten en het ontstaan van leven mogelijk uit de E-ELTgegevens beantwoord worden.

Een ander onderzoeksdoel van de telescoop is het zoeken naar aardachtige planeten die zich in de ‘leefbare zone’ rond andere sterren bevinden. Daar kan leven op voorkomen. Om deze planeten te vinden kijkt E-ELT naar schommelende bewegingen van sterren, veroorzaakt door een planeet die eromheen draait. Bovendien is de apparatuur gevoelig genoeg om rechtstreekse opnames te maken van de gevonden planeten, waarbij hun atmosfeer bestudeerd kan worden. Wellicht vindt E-ELT in de komende vijftig jaar ET.

Square Kilometre Array

Duizenden antennes in de woestijn

In de Middellandse Zee kunnen neutrino’s botsen zonder dat het bijbehorende lichtflitsje verloren gaat.

E. BERBEE/NIKHEF

KM3NeT

Deeltjes onder de zee Op drie tot vijf kilometer diepte in de Middellandse Zee is dit jaar de bouw gestart van een driedelige detector van enkele kubieke kilometers groot. Het eerst deel komt 40 kilometer uit de kust bij Toulon, Frankrijk te liggen. Het tweede gedeelte komt terecht op 100 kilometer van het zuidelijkste deel van Sicilië, Italië. En het laatste gedeelte komt in de buurt van Pylos, Griekenland.

De gigantische detector Cubic Kilometre Neutrino Telescope (KM3NeT) zal uit meer dan 320 kabels bestaan die vastgemaakt worden op de bodem van de zee. Aan deze kabels zitten in totaal tienduizenden bolvormige, optische modules die de signalen moeten opvangen. De eerste metingen staan gepland voor 2025.

Met de detector zal gezocht worden naar neutrino’s: ongeladen elementaire deeltjes. Ze zijn niet erg zeldzaam; er vliegen ruim een miljard per seconde door een oppervlak ter grootte van een duimnagel.

Toch zijn ze erg lastig te meten omdat ze bijna nooit interacties

hebben met andere deeltjes. Ze vliegen ongemerkt overal doorheen, zelfs door de aarde.

De meeste neutrino’s op aarde komen van de zon. Daar worden ze gemaakt bij de kernfusie die daar plaatsvindt. Het meest zeldzaam zijn neutrino’s die van buiten ons zonnestelstel komen en ontstaan in ‘kosmische deeltjesversnellers’, zoals supernova-explosies.

Over deze kosmische deeltjesversnellers hopen onderzoekers via neutrino’s meer te leren. Omdat neutrino’s bijna geen interacties aangaan met andere materie, beïnvloeden stofwolken en andere obstakels in het universum hun pad niet. Daardoor wijzen ze in een rechte lijn naar de plek waar ze ontstonden.

Neutrino’s zelf zijn niet te meten, maar het licht dat ontstaat als ze met een ander deeltje botsen wel. Helaas gebeurt dat bijna nooit, waardoor er heel veel materiaal nodig is om een paar neutrino’s te zien.

Vandaar dat de zee een van de beste plekken is voor een neutrinotelescoop.

De Square Kilometre Array (SKA) wordt de grootste radiotelescoop ter wereld. De opstelling bestaat uit duizenden antennes verspreid over twee grote gebieden. In de boomloze halfwoestijn Karoo in Zuid-Afrika worden tijdens de eerste fase (SKA1) bijna 200 schotelantennes op 0,33 vierkante kilometer geplaatst.

In het rode zand van een droge vlakte in West-Australië wordt een gebied van 0,4 vierkante kilometer bedekt met ongeveer 130.000 dipoolantennes van twee meter hoog. SKA1 kost 650 miljoen euro en dient vooral als proof of concept. Als zijn metingen de gewenste precisie opleveren, dan mag het project uitgebreid worden. De bouw van SKA1 gaat in 2018 van start. Eind 2020 moeten de eerste metingen beginnen.

In de tweede fase (SKA2) wordt de telescoop uitgebreid naar 2000 antennes in Zuid-Afrika en een miljoen in Australië. Die uitbreiding begint in 2023. In 2030 moeten de eerste metingen met de volledige opstelling beginnen.

SKA gaat radiostraling met golflengten van enkele centimeters tot vijf meter waarnemen.

Hiermee kan het heelal in groter detail dan ooit bestudeerd worden. Daarnaast kan er erg zwakke radiostraling gemeten worden die afkomstig is van hemellichamen die zich miljarden lichtjaren van ons vandaan bevinden. Deze signalen stammen uit de tijd waarin de eerste sterrenstelsels ontstonden, meer dan 13 miljard jaar geleden. Met de metingen van SKA kunnen vragen beantwoord worden zoals: hoe ontstonden sterren en sterrenstelsel? Wat is donkere materie? Wat is donkere energie? En wellicht worden zelfs signalen opgevangen die uitgezonden zijn door buitenaards leven.

Veel radiostraling van menselijke oorsprong valt echter binnen het bereik van SKA. Om te voorkomen dat de metingen verstoord worden, bevinden de telescopen in Australië en ZuidAfrika zich in afgelegen gebieden. Verder is er gekozen voor droge gebieden omdat radiostraling gehinderd wordt door vocht in de lucht.

Dankzij zijn omvang en zijn gunstige locatie zal zelfs SKA1 al minstens vijf keer betere resultaten opleveren dan de huidige radiotelescopen. Bovendien verzamelt hij de data razendsnel. Als SKA2 afgerond is, levert de telescoop veertien biljoen megabytes aan data per dag. december 2016 | New Scientist | 59

megafysica

International Linear Collider

DE KEUZE VAN DIJKGRAAF

31 kilometer lange racebaan

‘Deze projecten laten zien hoe de fundamentele natuur- en sterrenkunde vooroplopen in internationale samenwerking.

Ze zijn mooi verdeeld over de verschillende continenten.

Dat laat zien dat we in de wetenschap als wereld kunnen samenwerken. Er zijn internationale conflicten gaande, maar het kijken door de grootste telescoop of door de grootste microscoop (deeltjesversnellers) kunnen we wel gezamenlijk als mensheid. Om het universum te doorgronden, moeten we met elkaar het laboratorium ‘planeet aarde’ gebruiken.’

De Great Collider in China wordt mogelijk bijna vier keer zo groot als zijn tegenhanger op Cern.

IHEP

60 | New Scientist | december 2016

Een van de opvolgers van de LHC bij Cern wordt niet cirkelvormig maar langwerpig. Hij krijgt een lengte van 31 kilometer en gaat leptonen (elektronen en positronen) versnellen tot bijna de lichtsnelheid.

Voor het versnellen worden supergeleidende magneten gebruikt.

Omdat voor supergeleiding extreem lage temperaturen nodig zijn, wordt het in de tunnel ondenkbaar koud: twee Kelvin (-271°C).

Aan de ene kant van de International Linear Collider (ILC) worden elektronen versneld en aan de andere kant anti-elektronen, oftewel positronen. De botsingen vinden plaats in het midden van de 31 kilometer. Er zal vooral gekeken worden naar het higgsdeeltje en de topquark: de zwaarste van alle zes de quarks.

Er is nog geen locatie gekozen voor de versneller. De grootste

kanshebber is Japan. Daar kan de ILC gehuisvest worden in een tunnel ten noorden van Tokyo. In 2018 besluit de regering of dit plan door kan gaan. Voor de regering is het bestuderen van higgsdeeltjes en topquarks op zichzelf niet genoeg reden om een nieuwe detector te bouwen. Ze wil eerst kijken wat voor resultaten de LHC oplevert als die in 2018 op vol vermogen draait.

Als daar nieuwe deeltjes ontdekt worden, gaat het project zeker door. De bouw gaat dan in 2020 van start en de eerste experimenten vinden naar verwachting in 2030 plaats.

De ILC gaat leptonen (elektronen en positronen) versnellen, in plaats van de protonen die in de LHC rondsuizen. Per seconde zullen er 7000 botsingen plaatsvinden bij een energie van 500 GeV. Dit betekent dat de deeltjes met bijna de

lichtsnelheid reizen. Net als bij de eerste fase van de Great Collider (zie hieronder) zijn de botsingen minder krachtig, omdat leptonen minder wegen dan protonen. Daarentegen is het een voordeel dat leptonen botsingen met minder bijproducten opleveren, waardoor beter te zien is wat er gebeurt.

Tussen alle deeltjes die de ILC gaat produceren, zitten ook higgsdeeltjes. Deze gaan in meer detail bestudeerd worden om te bepalen of ze zich precies volgens het standaardmodel van de deeltjesfysica gedragen. Als dit niet zo is, zijn er nieuwe theorieën nodig om de eigenschappen te beschrijven.

Verder kan de ILC modellen testen die het bestaan van meerdere, verschillende higgsdeeltjes voorspellen. En zoals altijd hopen fysici bij de experimenten nieuwe deeltjes te ontdekken.

Niet rond maar langwerpig: de International Linear Collider wordt de rechte opvolger van de Large Hadron Collider.

REY.HORI/KEK

Great Collider

Grootste deeltjes­versneller ter wereld In een tunnel van vijftig tot honderd kilometer omtrek op een diepte van vijftig tot honderd meter onder de grond gaan twee soorten leptonen (elektronen en positronen) rondsuizen. Deze toekomstige deeltjesbotser wordt daarmee een stuk groter dan de LHC, de 27 kilometer lange deeltjesversneller in Genève. De bouw van ‘s werelds grootste circulaire elementaire-deeltjesversneller vlakbij Beijing in China start waarschijnlijk in 2021.

Er gaan miljoenen higgsdeeltjes geproduceerd worden om de eigenschappen van dit in 2012 ontdekte deeltje beter te bestuderen. Er is namelijk nog

veel onbekend over het higgsdeeltje. Hoe het precies ontstaat bijvoorbeeld, en of het een interne structuur heeft.

De metingen van de LHC zijn niet precies genoeg om dit te achterhalen, maar de Circular Electron Positron Collider, zoals de eerste fase van de Great Collider gaat heten, kan dit wel.

Dit komt mede doordat botsingen tussen de leptonen weliswaar minder krachtig, maar wel ‘schoner’ zijn dan botsingen tussen protonen. Protonen hebben een interne structuur: ze bestaan uit quarks en gluonen, waardoor een botsing is alsof je twee zakken vol met knikkers op elkaar laat knallen. Dit geeft

veel meer rommel dan wanneer elementaire deeltjes zoals elektronen en positronen botsen.

Die hebben namelijk geen interne structuur, zodat je ze voor kunt stellen als een enkele knikker. Er wordt dan minder rommel geproduceerd, zodat je beter kunt kijken naar datgene waar je in geïnteresseerd bent, bijvoorbeeld een higgsdeeltje.

In 2040 krijgt de Great Collider een upgrade. Er kunnen dan ook protonen in versneld en tot botsing gebracht worden.

Dit zijn dezelfde deeltjes als die nu in de LHC op elkaar knallen.

De Super Proton Proton Collider, zoals de tweede fase gaat heten, zal botsingsenergieën

bereiken van maar liefst honderd TeV. Dat is ruim zeven keer krachtiger dan de LHC. Het plan is om de protontunnel zo aan te leggen dat die de leptonenbotsingen niet stoort. In theorie kunnen leptonen en protonen dan tegelijk versneld worden.

De keus voor China is niet vreemd. Het land beschikt over het geld en de techniek om een dergelijke grote versneller te bouwen. Voor de kennis en ervaring zullen de Chinezen wel nauw gaan samenwerken met wetenschappers over de hele wereld, bijvoorbeeld uit het Fermilab: het Amerikaanse onderzoekscentrum voor hogeenergiefysica. december 2016 | New Scientist | 61

.nl/kidsbox

Limited edition kidsbox Wees er snel bij!

De eerste bestellers ontvangen gratis een toffe sterrenkaart!

+ OP=OP!

Vier de feestdagen!

Met deze limited edition kidsbox van New Scientist. Nu tijdelijk voor maar € 22,50 voor abonnees, € 25,- voor niet abonnees! (exclusief verzendkosten).

| Ideeën die de wereld veranderen

opinie column

Of Yeast and Men

Z

estig jaar geleden ontdekte de Belgische celbioloog Christian de Duve lysosomen: de prullenbakken van onze cellen. Daarin deponeren ze biologische afbraakproducten die ze van buitenaf hebben opgenomen. Enkele jaren later ontdekte De Duve dat cellen ook delen van zichzelf in deze afvalbakken deponeren, vermoedelijk om oude, versleten structuren te verwijderen en hun bouwstenen te recyclen. Hij muntte daarvoor de term ‘autofagie’ Tientallen jaren bleef het een raadsel hoe cellen precies kleine stukjes van zichzelf opeten. Deze vraag werd 25 jaar geleden opgepakt door Yoshinori Ohsumi van het Tokyo Institute of Technology, inmiddels de zeventig gepasseerd.

Ohsumi besefte dat menselijke cellen op min of meer dezelfde manier te werk gaan als gistcellen. Omdat de eencellige gisten aanzienlijk eenvoudiger zijn dan onze eigen cellen, bedacht hij dat gist wellicht het ideale systeem bood om autofagie in te bestuderen. Ohsumi isoleerde giststammen waarin het proces van autofagie was verstoord. Met behulp van moleculaire technologie ging hij na welke genen voor die mutaties verantwoordelijk waren; al snel vond hij er meer dan vijftien. Daarmee kon Ohsumi ontrafelen hoe een gistcel kleine deeltjes markeert, naar het lysosoom transporteert en vervolgens verteert.

Ohsumi bracht vrijwel het hele proces van autofagie in kaart en onthulde hoe de verschillende onderdelen daarbij samenwerken. Zo ontstond er een nieuw vakgebied. Andere wetenschappers wisten vervolgens aan te tonen dat zoogdiercellen dezelfde genen gebruiken voor autofagie als gist ‒ precies zoals Ohsumi had voorspeld.

Autofagie is veel meer dan een mechanisme voor de recycling van celonderdelen. Het speelt een centrale rol bij belangrijke bedreigingen van de wereld-

gezondheid. Autofagie is cruciaal om perioden van honger te overleven, niet alleen voor gist maar ook voor zoogdieren. De rol ervan bij het tegenovergestelde verschijnsel – obesitas – wordt op dit moment grondig bestudeerd. Cellen gebruiken het autofagiesysteem ook om ongewenste bacteriële bezoekers te verwijderen. De lijst van dit soort ongenode gasten is indrukwekkend: tuberculose, Salmonella, Shigella, Coxiella en Listeria. Zij zijn verantwoordelijk voor een aantal van de

Wij wetenschappers bouwen voort op het werk van anderen

Hans Clevers leidt een onderzoeksgroep bij het Hubrecht Instituut van de KNAW, is hoogleraar medische genetica aan de Universiteit Utrecht en UMC Utrecht en wetenschappelijk directeur van het Prinses Máxima Centrum voor Kinderoncologie.

dodelijkste infectieziekten. Ook naar de rol van autofagie bij neurologische aandoeningen, zoals de ziekten van Alzheimer en Parkinson, wordt intensief onderzoek gedaan.

Wij wetenschappers bouwen voort op het werk van anderen. We voegen details toe en leggen nieuwe verbanden.

We corrigeren fouten in ons eigen werk en in dat van anderen. Maar er is een zeldzaam type wetenschapper dat anders is. Dat zijn de mensen die nieuwe vakgebieden tot stand brengen en nieuwe horizonten openen. Dat zijn de reuzen op wier schouders wij staan. Het zijn er niet veel. Maar Yoshinori Ohsumi, dit jaar de winnaar van de Nobelprijs voor de Geneeskunde, is er één van.

BOB BRONSHOFF 09_BRON

december 2016 | New Scientist | 63

Oogsttijd in de fysica?

We leven in een unieke tijd. De vondst van het higgsdeeltje en de eerste meting van zwaartekrachtsgolven vormden het slotstuk van jarenlange zoektochten. Is het oogsttijd in de moderne fysica?

64 | New Scientist | december 2016

Door George van Hal

D

onderdag 5 juli 2012. The New York Times kopt bovenaan haar voorpagina: ‘Natuurkundigen ontdekken moeilijk te vinden deeltje dat de sleutel kan vormen tot het universum’. Wie die middag NRC Handelsblad van de mat pakt, treft daar de tekst ‘Higgsdeeltje ‘vrijwel zeker’ ontdekt’. Een dag eerder bezweken de webservers van deeltjesfysica-instituut Cern onder de interesse van hordes mensen die live een persconferentie vol natuurkundig vakjargon probeerden mee te maken. En het NOS Journaal, RTL Nieuws en Hart van Nederland stonden die

avond stil bij een ingewikkeld stuk fundamentele natuurkunde.

4 juli 2012 was de dag waarop de wereld voor het eerst kennisnam van de unieke vondst van het higgsdeeltje, het sluitstuk van het standaardmodel van de deeltjesfysica. Dat model vangt alle deeltjes en hun onderlinge interacties in één wiskundige beschrijving en is, om het plat te zeggen, ‘nogal een ding’ in natuurkundeland.

Het betrof een doorbraak waarvan de ware aard zich niet gemakkelijk in één zin laat samenvatten. De vondst van het deeltje vormde de experimentele bevestiging van het conceptueel lastige higgsmechanisme dat al in de jaren zestig werd beschreven door François Englert, Robert

THINKSTOCK

Brout en Peter Higgs. De grote media worstelden dan ook zichtbaar om dat mechanisme, dat ervoor zorgt dat het higgsdeeltje andere deeltjes van massa voorziet, in een paar minuutjes zendtijd recht te doen.

Ruimtetelescopen Toch weerhield dat diezelfde media niet toen het 3,5 jaar later opnieuw raak was. Het volgende huzarenstukje van de moderne fysica veroverde wereldwijd wederom krantenkolommen en televisiejournaals. ‘Zwaartekrachtsgolven, een doorbraak na een eeuw wachten’, schreef de Britse kwaliteitskrant The Guardian bijvoorbeeld. ‘Eindelijk bewijs: de ruimte rilt, theorie Einstein klopt’, kopte de Volkskrant. Zelfs het kijkcijferka-

‘Het standaardmodel lijkt compleet, nu we eindelijk het laatste puzzelstukje gevonden hebben’ non De Wereld Draait Door besteedde tweemaal aandacht aan de vondst.

In de wandelgangen van de fysica heerst daarom sindsdien een zeker optimisme. We lijken te leven in een bijzondere tijd, waarin kostbare en langlopende onderzoeksprojecten eindelijk grote ontdekkingen opleveren.

Is het inderdaad oogsttijd in de fysica?

Deeltjesfysicus Stan Bentvelsen, directeur van het Nederlandse deeltjesfysica-instituut Nikhef, denkt van wel. Onderzoekers van zijn instituut waren betrokken bij zowel de vondst van het higgsdeeltje als de ontdekking van zwaartekrachtsgolven. ‘Het is zeker oogsttijd’, zegt hij. ‘Het standaardmodel lijkt compleet, nu we eindelijk het laatste puzzelstukje gevonden hebben.’

Astrofysicus Vincent Icke van de Universiteit Leiden deelt dat gevoel. ‘We hebben al veel binnen’, zegt hij. Icke verwijst naar het ‘fantastische onderzoek’ bij de Large Hadron Collider in Cern, de indrukwekkende deeltjesversneller die het higgsdeeltje vond. ‘En in de sterrenkunde heb je december 2016 | New Scientist | 65

DE KEUZE VAN DIJKGRAAF

oogsttijd in de fysica

‘De fysica is in de 21e eeuw in een nieuwe fase terechtgekomen. Dit is een fase waarbij het plannen en de bouw van experimenten decennia kan duren. En er zijn theorieën waarvan we soms pas een eeuw later de volledige werking begrijpen en waarnemen, zoals bij de zwaartekrachtsgolven. We moeten daarom op een andere manier naar de wetenschap kijken. Het wordt steeds belangrijker om in de verre toekomst te plannen en ambitieus te zijn. Er is een lange adem nodig, maar de resultaten zijn het waard.’

Alma’, zegt hij, doelend op de interferometer in Chili waarmee astronomen ongekend diep het heelal in kunnen turen.

Volgens wetenschapshistoricus David Baneke, verbonden aan de Universiteit Utrecht, begon de oogsttijd in de astrofysica zelfs al in de jaren negentig. Hij verdiepte zich in de geschiedenis van de Nederlandse sterrenkunde voor zijn boek De ontdekkers van de hemel (2015). ‘Het begon al met de ruimtetelescoop Hubble’, zegt Baneke. Daarna volgden steeds grotere telescopen op aarde. ‘En tot slot kwamen er allerlei nieuwe ruimtetelescopen bij, die bijzondere ontdekkingen deden.’

Deeltjesdierentuin Zo onthulde de in 2009 gelanceerde ruimtetelescoop Kepler bijvoorbeeld het bestaan van bijna vierduizend exoplaneten.

Die planeten, die draaien om een andere ster dan de zon, hebben inmiddels ons begrip van de manier waarop planeten ontstaan al onherroepelijk veranderd.

66 | New Scientist | december 2016

Ondanks die successen denkt niet iedereen dat we in een bijzondere tijd leven. Frans van Lunteren, hoogleraar geschiedenis van de natuurwetenschappen aan de Universiteit Leiden, stelt bijvoorbeeld dat de fysica in de twintigste eeuw elk decennium dit soort doorbraken kon noteren. ‘Fysici ontdekten in de jaren negentig bijvoorbeeld het bose-einsteincondensaat’, zegt Van Lunteren, doelend op de ontdekking van een bizarre vorm van materie die alleen bij temperaturen vlak bij het absolute nulpunt kan bestaan. En in diezelfde periode bewezen deeltjesfysici het bestaan van het topquark, de zwaarste bewoner van de deeltjesdierentuin.

Van Lunteren meent dan ook dat de vondst van het higgsdeeltje en de meting van zwaartekrachtgolven, hoe leuk ook, eigenlijk helemaal niet zo spannend zijn.

‘In de jaren negentig ontdekte men bijvoorbeeld dat het heelal versneld uitdijt’, zegt hij. ‘Dat was veel interessanter. Dat leverde meteen nieuwe problemen op.’

Dat is nu juist niet het geval met de hui-

‘In de jaren negentig ontdekte men dat het heelal versneld uitdijt. Dat was veel interessanter’

Ruimtetelescoop Kepler onthulde het bestaan van bijna vierduizend exoplaneten NASA/AMES

dige successen, zegt Baneke. ‘Aan deze vondsten werd vooral in de jaren zestig en zeventig gebouwd’, zegt hij. Destijds ontwikkelden fysici het standaardmodel.

‘Sindsdien is dat model wel verfijnd, maar niet meer fundamenteel veranderd.’

Of dat pech is of dat er meer aan de hand is, is niet duidelijk. Zeker is in elk geval dat de spannendste ontdekkingen van de afgelopen jaren achteraf geen stand hielden. Zo publiceerden fysici van het Opera-experiment in het Italiaanse Gran Sasso-laboratorium in 2011 bijvoorbeeld dat ze neutrino’s hadden gemeten die sneller bewogen dan het licht. Een vondst die door de wetenschappers met de nodige terughoudendheid werd gepresenteerd, omdat deze de volledige relativiteitstheorie van Einstein op losse schroeven zou zetten. Toch haalde het nieuws prompt het achtuurjournaal. Later bleek dat de deeltjes helemaal niet sneller bewogen dan het licht, maar dat een losse aansluiting in een klok het opmerkelijke resultaat had veroorzaakt.

In maart 2014 maakten onderzoekers van het BICEP2-experiment bekend dat ze bewijs hadden gevonden voor de inflatie-theorie. Het gevolg? Wereldwijd jubelende koppen in de media (ook in New Scientist).

Dat enthousiasme leek in eerste instantie logisch. De inflatietheorie stelt dat het heelal 13,8 miljard jaar geleden, kort na haar ontstaan, exponentieel snel uitdijde. In theoretische kringen is dat weinig controversieel, maar het bewijs had wel degelijk een stevige basis gelegd onder het huidige werk van theoretici. Helaas bleek de meting uiteindelijk gebaseerd op een fout: de onderzoekers hadden het effect van kosmisch stof onvoldoende meegewogen.

Teleurstelling Dit jaar volgde nog een derde casus. Op Cern ontstond veel opwinding onder deeltjesfysici omdat men een aanwijzing had gevonden voor het bestaan van een deeltje dat nog nergens in de schoolboeken voorkwam. Een nauwkeurige analyse onthulde dat de kans

van het bestaan van het deeltje fors was, maar na nog meer metingen verdween het alsnog als sneeuw voor de statistische zon.

Een teleurstelling waarmee de deur naar ‘nieuwe fysica’, inzichten voorbij het standaardmodel, voorlopig weer op slot ging.

Dat is vooral zonde omdat fysici nog altijd met grote onopgeloste vragen zitten.

Zo blijkt uit metingen dat 95 procent van de energie-inhoud van het heelal bestaat uit volkomen onbegrepen donker spul, iets dat schreeuwt om opheldering. En hoewel het higgsdeeltje het standaardmodel vervolmaakte, past de zwaartekracht als enige fundamentele natuurkracht nog altijd met geen mogelijkheid in de formules van dat model.

Het werk van fysici is dus absoluut nog niet af. ‘We zeilen nu langzaam de haven uit, waarbij we het laatste lichtbaken achter ons hebben gelaten’, zegt Bentvelsen.

‘We zitten nu op volle zee en moeten dus zo snel mogelijk op zoek naar nieuw land.’

Dat schijnbare successen in die zoektocht de media halen, verbaast Van Lunteren niet.

‘Deeltjesfysica is kostbare wetenschap, waar dure apparaten voor worden gebouwd’, zegt hij. Daar moeten resultaten tegenover staan.

‘Wetenschappers moeten dus een hoop lawaai maken, de media halen. En ook wetenschapsjournalisten hebben belang. Voor hen is het een triomf als ze niet hoeven te strijden om een paar kolommen in de wetenschapsbijlage van de krant, maar gewoon de voorpagina kunnen halen’, meent Van Lunteren.

Dat is volgens hem bovendien geen nieuwe ontwikkeling. ‘Eind jaren tachtig had je bijvoorbeeld koude kernfusie’, zegt hij. ‘Dat was een hype die begon in de media, daarna verplaatste naar de wetenschappelijke tijdschriften en uiteindelijk met een sisser afliep.’

Volgens Bentvelsen is de aandacht voor dergelijke ‘missers’ vooral positief. ‘Het laat zien dat we onder een vergrootglas liggen’, zegt hij, ‘maar het leuke daarvan is dat je het grote publiek van alle ontwikkelingen op de hoogte kunt houden.’ De spanning van de jacht op het volgende ‘grote ding’ is daardoor volgens hem eindelijk niet meer voorbehouden aan slechts de kleine inner circle van beroepsfysici. ‘Dit hoort echt bij de speurtocht van de wetenschap.’

Ook Baneke meent dat dergelijke gevallen goed laten zien hoe de wetenschap werkt. ‘Dit soort dingen belanden nu aldecember 2016 | New Scientist | 67

oogsttijd in de fysica

leen misschien ietsje sneller in het nieuws.’

Vergis je echter niet. Dat inflatie of sneller-dan-het-licht-neutrino’s de krant halen, betekent niet perse dat de aandacht voor fysica in de media ook groter is geworden.

‘Eigenlijk heeft de fysica het moeilijk’, zegt Van Lunteren. ‘In de twintigste eeuw domineerden fysici de media, maar sinds de jaren negentig verliezen ze terrein. Terwijl astronomen het juist wel heel goed doen.’

Volgens Van Lunteren is het ‘ongelofelijk’ hoe vaak sterrenkunde in het nieuws is. ‘Als ze exoplaneet nummer zoveel ontdekken, dan gaat dat zo, hops, de voorpagina op.’

Levenswetenschappen Ook Baneke denkt dat astronomen gemakkelijker de media halen, omdat ze beter getraind zijn in het spreken over hun onderzoek. ‘Maar bij deeltjesfysica gebeurt het zeker ook.’ De reden is dat sterrenkunde- en deeltjesfysica-onderzoek meer interesse van het publiek geniet, omdat het daarbij om grote vragen gaat. ‘Dat is spannender dan de ontwikkeling van een nieuwe chip.’

Van Lunteren heeft wel een verklaring voor de terugloop in aandacht voor de natuurkunde. Volgens hem is de reden dat het geld tegenwoordig vooral naar de levenswetenschappen in plaats van de fysica gaat.

‘Dat zag je bijvoorbeeld al in de jaren negentig, toen in Amerika de bouw van een deeltjesversneller in Texas werd stopgezet nadat er al miljarden in waren geïnvesteerd.

Dat soort geld ging echter nog wel gewoon naar het Human Genome Project.’

Ook Baneke ziet dat er meer geld gaat naar levenswetenschappen. ‘Je ziet daar ook steeds meer een Big Science-aanpak, zoals bij het Human Brain Project en het Human Genome Project. Dat hebben ze echt geleerd van de natuurkunde.’ Tegelijk gelooft hij niet in een crisis in de natuurkunde. ‘De LHC levert mooie dingen op. En het Human Brain Project kostte misschien een miljard, maar dat kost Alma ook.’

Wel is er sprake van een accentverschuiving. In de jaren vijftig, tijdens de opkomst van het atoomtijdperk, verwachtten mensen bijvoorbeeld nog dat fysici een bron van gratis energie zouden vinden. In de jaren zestig, de Space Age, hoopten ze dat we vakanties op Mars gingen vieren. ‘En nu hoopt men dat nanotechnologie en gentech ons langer laten leven en gezonder maken’, zegt Baneke. ‘En dat werkt twee kanten op. Want 68 | New Scientist | december 2016

Het nieuws over het bewijs voor de inflatietheorie dat BICEP2 gevonden zou hebben, bleek achteraf opgeblazen.

ROBERT SCHWARZ, UNIVERSITY OF MINNESOTA

‘Op het meest fundamentele niveau is het wachten op een doorbraak’ wanneer we meer van een technologie verwachten, investeren we er ook meer geld in.’

In de geschiedenis is het volgens Baneke overigens altijd al zo geweest dat toegepast onderzoek meer mensen en meer geld heeft, terwijl het fundamentele onderzoek zichtbaarder is. De geldkwestie betekent dus niet per se dat fysici het nu zwaarder hebben. En als je het ze zelf vraagt, valt het volgens hen ook wel mee met de terugloop in media-aandacht. ‘Ik heb juist het gevoel dat natuurkunde tegenwoordig meer in het nieuws is’, zegt Bentvelsen, al geeft hij toe dat dat ook kan komen omdat hij er nu dichter bij betrokken is. ‘In de jaren negentig leek het iets minder te gaan, maar tegenwoordig haalt elke ontdekking van de LHC gewoon de krant.’

Desondanks staat de theoretische fysica volgens Baneke al een tijdje stil. ‘In andere

gebieden, zoals de vastestoffysica gebeurt genoeg. Of op het gebied van quantumcomputers. Maar op het meest fundamentele niveau is het wachten op een doorbraak.’

Dat komt niet omdat er weinig nieuwe ideeën zijn, meent hij. ‘Je hebt de snaartheorie, bijvoorbeeld, maar dat heeft nog niet tot nieuwe toepasbare fysica geleid. Daarvoor zijn die ideeën nog te abstract, te theoretisch. Je kunt ze nog niet toetsen.’

Nieuwe Einstein De vraag is daarom uit welke hoek de vernieuwing moet komen. ‘Hoe gaat het nieuwe seizoen eruit zien?’ vraagt Icke. ‘Dat is de vraag. Om daarachter te komen, moeten we nu gaan zaaien, zodat we straks weer kunnen oogsten. Alleen gaat het in de wetenschap niet zoals op een boerderij. We kunnen niet nog een keer exact hetzelfde doen. We moeten wat anders verzinnen.’

Fysici als Bentvelsen hopen tegelijk dat nog een keer hetzelfde doen, wél wat oplevert. Zij menen dat bijvoorbeeld het onderzoek in de LHC wel degelijk nieuwe fysica kan blootleggen. ‘In de LHC is iedereen op zoek naar fysica voorbij het standaardmodel’, zegt hij. ‘En omdat het standaardmodel zo stevig staat, zijn kleine afwijkingen

Hier werd gebouwd aan de Texaanse grote broer van de LHC-deeltjersversneller. Het project werd in 1993 stilgelegd, onder andere vanwege weerstand tegen de hoge kosten.

WIKIMEDIA

meteen al een enorme ontdekking.’

Mocht die ontdekking onverhoopt toch niet komen, dan is dat volgens Icke helemaal niet erg. ‘Dat is juist mooi’, zegt hij. ‘De geschiedenis van de natuurkunde laat zien dat juist dat de perioden zijn waarin zich een enorme sprong voorwaarts voorbereidt.’

Toen de klassieke mechanica op z’n eind leek, kreeg je de opkomst van het elektromagnetisme en de relativiteitstheorie. Na de statistische mechanica kreeg je de ontwikkeling van de quantummechanica, waarna de quantumveldentheorie ontstond. ‘Over een aantal jaar zal misschien blijken dat het pad naar de toekomst al zichtbaar is’, zegt Icke. ‘Maar we zijn nog ziende blind. Totdat een nieuwe Huygens opstaat, of een nieuwe Bohr of Einstein.’

Antimateriemysterie Icke denkt dat daarvoor een eenling nodig is. ‘In de natuurkunde is het nooit anders

gegaan’, zegt hij. Neem de Planck-hypothese, waaruit bleek dat er zoiets bestond als een energiequantum. Dat was een theoretisch lastig idee dat slecht paste in het toenmalige paradigma in de natuurkunde.

‘Iedereen dacht dat er een tijd zou komen dat we die quanta niet meer nodig zouden hebben. Toen kwam Bohr, en die gebruikte ze voor zijn beschrijving van het waterstofatoom. En Einstein, die dat weer toepaste in zijn foto-elektrisch effect.’

Ook Baneke denkt dat het wachten is op een nieuw idee. ‘Misschien is het artikel met die paradigmaverschuiving al gepubliceerd. Alleen herkennen we het nog niet, want niemand weet uit welke hoek de vernieuwing moet komen.’

In tegenstelling tot de fysica, is de volgende stap volgens Baneke in de astrofysica al wel gezet. Ironisch genoeg is de vondst van zwaartekrachtsgolven daarvoor de reden.

‘Ooit was alleen het optische gebied be-

schikbaar om naar het heelal te kijken’, zegt hij. Sinds de Tweede Wereldoorlog is daar stukje bij beetje de rest van het elektromagnetische spectrum bij gekomen, maar nu is het een beetje op. ‘Gravitatiegolven en neutrino’s openen echter een volkomen nieuw venster op de kosmos.’

Dat astrofysici wat dat betreft een beetje voorlopen, betekent tegelijk niet dat de fysici stilzitten. Bentvelsen vindt dit bijvoorbeeld juist een bijzonder spannende fase.

Zo draait de LHC op een hogere energie en verzamelt de achterliggende infrastructuur van dat experiment meer data dan ooit. En de vondst van het higgsdeeltje roept allerlei spannende, nieuwe vragen op. ‘Is het wel het higgsdeeltje dat we hebben gevonden? Zijn er misschien meerdere higgsdeeltjes? En hoe zorgt het deeltje ervoor dat zwaartekracht kan koppelen aan massa? Dat soort vragen op een dieper niveau zijn ontzettend fascinerend’, zegt hij.

En dan lonkt ook nog eens het aansprekende mysterie van de antimaterie. De huidige natuurwetten impliceren namelijk dat in het heelal evenveel gewone materie zou moeten bestaan als deze ‘gespiegelde’ tegenhanger. In de praktijk blijkt antimaterie echter extreem zeldzaam. ‘Er duiken nu aanwijzingen op dat verschillen tussen neutrino’s en anti-neutrino’s daarvoor verantwoordelijk zijn’, zegt Bentvelsen.

Neutrino’s, de meest ongrijpbare deeltjes in de kosmos, zouden sowieso weleens de sleutel kunnen vormen tot de volgende grote doorbraak in de fysica. Vorig jaar ging de Nobelprijs voor de natuurkunde al naar onderzoek over typewisselingen van neutrino’s. ‘De vraag of er verschil zit in het gedrag van neutrino’s en anti-neutrino’s is ook daarom nu enorm spannend’, zegt hij.

Het opwindendst blijft de komende jaren echter de zoektocht naar het ‘donkere spul’, zoals Icke het noemt, de vermiste massaenergie-inhoud van het heelal. ‘Dat 95 procent van het universum mistig is, blijft enorm spannend’, zegt Van Lunteren. ‘Als iemand daar de oplossing voor heeft, zoals Erik Verlinde bijvoorbeeld beweert, dan haalt dat straks terecht alle voorpagina’s.’

Voorlopig weet nog niemand exact hoe die oplossing eruit zal zien. ‘En dat vind ik echt buitengewoon spannend’, zegt Icke.

‘Want als we volgend jaar gewoon weer dezelfde oogst zouden krijgen, dan zou dit vak veel minder leuk zijn.’ december 2016 | New Scientist | 69

voorpublicatie Zwarte gaten

DUEL OM DE WITTE DWERG

NASA

70 | New Scientist | december 2016

Hoe komt een witte dwergster aan het eind van zijn leven? Dat mysterie was de inzet van een van de beruchtste intellectuele tweegevechten in de geschiedenis van de astrofysica.

I

Door Marcia Bartusiak

n de zomer van 1930, terwijl de wereldeconomie wegzonk in de Grote Depressie, ondernam een jonge wetenschapper een achttien dagen durende zeereis vanuit India naar Engeland. Deze reiziger – de negentien jaar oude Subrahmanyan Chandrasekhar, roepnaam Chandra – had toen met geen mogelijkheid kunnen vermoeden dat de gedachten die hij onderweg had, zouden kunnen leiden tot een conflict op het scherp van de snede met een van de grootste namen uit de toenmalige wetenschap.

Tijdens zijn reis naar Engeland, waar hij zou beginnen aan zijn promotieonderzoek bij de Britse theoreticus Ralph Fowler aan Cambridge University, verkende Chandra de natuurkunde van witte dwergsterren, een onderwerp waardoor hij gefascineerd was geraakt tijdens zijn studie aan de universiteit van Madras. Voor zijn vertrek had hij al een artikel geschreven over de dichtheid van witte dwergen, waarin hij het idee van Fowler combineerde met het model van een ster van de vermaarde astrofysicus Arthur Eddington.

Fowler had laten zien hoe de druk van de elektronen, dicht opeengepakt in de compacte ster met een dichtheid van een metrische ton per kubieke centimeter, een witte dwerg intact houdt. Kan dat echter voor altijd doorgaan? Chandra piekerde daar aan boord van het schip verder over. Wat gebeurt er als een witte dwerg nog meer massa heeft? Tijdens de lange reis kreeg Chandra een ingeving. Hij besefte dat als de witte dwerg alsmaar zwaarder werd, veel van de elektronen die binnen de dichte sterrenklomp bewogen, de snelheid van het licht zouden benaderen. Dat betekende dat de wetten van de relativiteit op het gedrag van de ster toegepast moesten worden, iets dat Fowler nagelaten had.

Aan boord van de stoomboot voerde Chandra een berekening uit, gebruikmakend van de quantummechanica en relativiteit waarmee hij tijdens zijn doctoraalstudie vertrouwd was geraakt. Tot zijn verrassing kwam daaruit dat er een maximale limiet is aan de massa van een witte dwerg (nu weten we dat die limiet 1,4

zonsmassa bedraagt). Als gretige lezer van wetenschappelijke literatuur had hij toevallig de belangrijke boeken gelezen die het mogelijk maakten om dat uit te zoeken, en hij had er drie bij zich aan boord die hij kon raadplegen. Voorbij de door hem berekende limiet zou de witte dwergster zich niet meer tegen zwaartekracht kunnen weren. Wat er precies gebeurde op die grens, was onbekend. Chandra had geen idee waarin de witte dwerg zou veranderen als die wat zwaarder was. Niettemin schreef hij snel een werkstuk over de vondst na zijn aankomst.

Fowler stuurde het artikel over de dichtheid van witte dwergen, dat Chandra nog vóór de reis had geschreven, naar Philosophical Magazine. Zijn relativistische oplossing zond hij naar een andere expert, ter beoordeling.

Na maanden zonder enige reactie verstuurde de teleurgestelde jonge onderzoeker op eigen houtje het tweede artikel naar de VS. Het resultaat werd als een kort artikel in 1931 gepubliceerd in Astrophysical Journal met als titel ‘De maximale massa van ideale witte dwergen’. Het was bijna geweigerd.

Chandrasekhar emigreerde uiteindelijk naar de VS, waar wetenschappers ontvankelijker voor zijn ideeën waren.

University of Chicago

december 2016 | New Scientist | 71

voorpublicatie

we het materiaal oneindig blijven samenpersen?’ Inderdaad, wat gebeurt er met de ster? Door het cursiveren van zijn laatste gedachte hoopte Chandra waarschijnlijk druk uit te oefenen op de astrofysische gemeenschap, die tot dan toe weinig interesse getoond had. De belangrijkste Britse astrofysici – Eddington, James Jeans en Edward Milne – hadden het te druk met onderlinge discussies over de ingewanden van een ster om aandacht te besteden aan de theorieën van een eenvoudige promovendus.

Het enige waarover de drie vechters het eens waren, was dat een ster nooit kon ineenstorten tot een punt.

Na de publicatie van zijn artikel in 1932 werd Chandra’s aandacht enige tijd afgeleid door andere astrofysische vragen, maar toen hij eenmaal was gepromoveerd en een aanstelling aan Trinity College in Cambridge Chandra stond niet alleen in zijn wetenschappelijke had verworven, keerde hij terug bij het probleem. ‘De queeste. Terwijl hij in Engeland piekerde over witte levensgeschiedenis van een ster met een kleine massa dwergen, deed theoreticus Lev Landau in de Sovjet-Unie verschilt in wezen van de levensgeschiedenis van een hetzelfde. Door na te denken over de inwendige strucster met een grote massa,’ schreef hij in 1934. Voor een tuur van een ster hoopte Landau dat hij verrasster met een kleine massa is het natuurlijke stasende ontdekkingen zou doen op het gebied dium van witte dwerg een beginstap naar van kernfysica, zijn specialiteit. Na het opeen volledig uitsterven. Een ster met een – stellen van een vereenvoudigd model van grote massa […] kan niet overgaan naar MARCIA een ster als een klont koude materie, het witte-dwergstadium, en men kan BARTUSIAK concludeerde hij eveneens in 1931 dat slechts speculeren over andere mogeZWARTE ‘er in de gehele quantumtheorie geen lijkheden.’ Met andere woorden: sterreden bestaat die voorkomt dat het sysren met een lage massa zouden vast en GATEN teem instort tot een punt’ als een ster zeker als witte dwergen sterven, maar – zwaarder was dan 1,5 zonsmassa. Maar dat welk lot ligt er in het verschiet voor sterwas overduidelijk een ‘belachelijk’ resultaat, ren met een grotere massa, waarvan de cenbesloot hij. Hij wist dat er nog zwaardere sterren trale kern de limiet overschrijdt? waren. Wat kon die ogenschijnlijke tegenstelling verklaHet idee kwam bij hem op dat zijn vondst zou kunnen ren? Voor een antwoord daarop, zo redeneerde Landau, leiden tot nieuwe natuurkunde, maar hij durfde die conmoeten de natuurkundige wetten in de kern van een ster clusie niet te trekken. Chandra bleef echter stilletjes aan niet meer gelden. Daarmee gaf hij een vervolg aan een het probleem werken. Tijdens een bezoek aan Rusland gedachte die de Deense atoomfysicus Niels Bohr eerder overtuigden wetenschappers hem dat zijn limiet pas sehad geuit. In de kern van een ster wordt de materie zo rieus genomen zou worden als hij had laten zien dat dicht dat het ‘een gigantische kern’ vormt. Hoewel het binnen een goede verzameling van witte dwergsterren, een vooruitziende blik lijkt, was dat veeleer een voorbode met een verscheidenheid aan dichtheden en eigenvan aanstaande openbaringen. schappen, geen daarvan ooit de kritische massalimiet Ondertussen vervolgde Chandra zijn jacht naar het overschrijdt. Om die uitdaging aan te nemen, moest hij mysterie van het lot van de witte dwergster, en dat vervoor elke ster met een onhandige rekenmachine ingegrootte alleen maar zijn verbijstering. Hij publiceerde die wikkelde differentiaalvergelijkingen oplossen. Uiteindezorgen in 1932, ditmaal in een Duits tijdschrift om weige- lijk voltooide Chandra een artikel van 18 pagina’s propring door Britse beoordelaars te vermijden. In de laatste vol berekeningen. Op 1 januari 1935 legde hij er de zin van dat artikel schreef hij: ‘Een grote vooruitgang in laatste hand aan en verstuurde hij het voor publicatie in de analyse van de structuur van sterren is niet mogelijk de Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. voordat we de volgende fundamentele vraag kunnen beEen grafiek bij het artikel vatte de verrassende conclusie antwoorden: Gegeven een afgesloten ruimte met elektrosamen: naarmate een witte dwerg met toenemende nen en atoomkernen (totale lading nul), wat gebeurt er als massa alsmaar kleiner en kleiner wordt, benadert de Toen Chandra aan zijn berekeningen begon, wist hij niet dat anderen – Edmund Stoner in Engeland en Wilhelm Anderson in Estland – al eerder schattingen van een bovengrens aan de dichtheid van een witte dwerg hadden gepubliceerd. Zij stelden zich de dichtst gepakte ruimte voor waarin atomen zich konden ophopen. Chandra gebruikte echter een geavanceerder model van een ster, waardoor hij tot een sterkere (en vreemdere) slotsom kwam. Zijn vergelijkingen vertelden hem dat voorbij die drempel de ster op weg leek naar een volledige instorting, waarbij de dichtheid daarvan naar oneindigheid ging (een resultaat dat hij als ‘onvoorstelbaar’ beschouwde).

72 | New Scientist | december 2016

op de structuur en helderheid van sterren. Dan moet hij straal zero. Voorbij een zekere massa verschrompelt een zeker gelijk hebben, namen die omstanders aan, en witte dwergster eenvoudigweg naar niets. Het eerdere Chandra niet. Anderen waren te bang om in het openwerk van Chandra was gebaseerd op benaderingen. Ditbaar kritiek te leveren op Eddington, de meest vooraanmaal had hij een exacte oplossing.

Chandra’s conclusie was helder. ‘Als de kerndichtheid staande astrofysicus van zijn tijd. Zelfs toen belangrijke hoog genoeg is […],’ schreef hij, ‘dan zouden de configu- astrofysici later inzagen dat Eddington ernaast zat, en ze raties dermate kleine stralen hebben dat ze geen praktische betekenis in de astrofysica meer zouden hebben.’

Sterren werden niet geacht zich zo te gedragen. Sir Arthur Eddington was niet ingenomen met al dat nieuws.

Tijdens een bespreking van Chandrasekhars idee van een drastische stellaire instorting, tijdens de bijeenkomst van de Royal Astronomical Society op 11 januari 1935 in Londen, deed hij de beruchte uitspraak dat ‘er een natuurwet zou moeten zijn die voorkomt dat een dat in beslotenheid aan Chandra toegaven, bleven die ster zich op zo’n absurde manier gedraagt!’ De toehoorwetenschappers in het openbaar zwijgen, omdat ze de ders kwamen niet bij van het lachen. hogepriester van de sterrenkunde niet te schande wilChandra was geschokt door de snerende reactie van den maken. Het gebrek van steun van zijn vakgenoten Eddington en diep vernederd door de reactie van het was voor Chandra een zeer bittere pil. publiek. Wekenlang had hij Eddington geraadpleegd Waarom deed Eddington nu in dit geval zo hevig en de grote man had geen woord van afkeuring laten zijn best om relativiteit en quantummechanica gehoren. Het lijkt erop dat Eddington laaghartig wachtte scheiden te houden? Het kan zijn dat hij overweldigd op een gelegenheid om Chandra’s resultaten in het was door de psychologische factor – het openbaar neer te sabelen. bespottelijke idee dat materie op een of Eddington vond het verkeerd om speciale andere manier tot in het niets kan worden relativiteit te mengen met quantummechasamengeperst. Waar ging al die materie nica, in ieder geval op de manier waarop naartoe? Eddington, destijds 52 jaar, had Chandra dat voor witte dwergsterren had gestudeerd in een periode waarin het begedaan. ‘Ik beschouw het nageslacht kende heelal veel eenvoudiger was. Daarvoortkomend uit een dergelijke verenidoor was hij ervan overtuigd dat de naging als geboren binnen een onwettig hutuur zich niet op zo’n manier gedroeg. welijk,’ vertelde Eddington aan de sterHet tartte het gezonde verstand. Hij gerenkundigen. In een strijdvaardig artikel droeg zich alsof hij Chandra’s conclusie in Monthly Notices later dat jaar sprak hij kon verpletteren met louter wilskracht, zelfs van ‘een onheilige alliantie’.

Marcia Bartusiak beschrijft daarbij alle natuurkunde die hem niet in Zwarte gaten de moeizame geschiedenis van beviel negerend. Volgens de Britse zwarte gaten, beginnend wetenschapshistoricus Arthur Miller Chandra was niet Eddingtons enige slachtbij de zwaartekrachtswetpestte Eddington Chandra vooral ter offer. Door de jaren heen waren vele andeten van Newton. Het boek bescherming van een grotesk wiskundig ren geraakt door zijn vlijmscherpe schranlaat zien hoe het idee van schema waaraan hij acht jaar had gederheid. Maar waarom was er niemand zwarte gaten, geholpen door technologische ontwerkt, een geliefd (en uiteindelijk dwaas) binnen de vereniging die op die noodlottiwikkelingen, langzaam project met als doel om op natuurlijke ge avond Chandra verdedigde? Een deel maar zeker zijn verdiende wijze zowel de fysische natuurconstanten van het probleem was de moeilijkheid van erkenning kreeg. als het aantal deeltjes in het heelal te vinde wiskunde en natuurkunde in ChandraZwarte gaten is deel 136 den. Chandra’s ontdekking bracht al zijn sekhars werk. Weinigen waren net zo veruit onze serie Wetenschapmoeizame werk in gevaar. trouwd met stellaire theorieën (laat staan pelijke Bibliotheek. Word lid Het is dan ook niet verrassend dat quantummechanica of speciale relativiop newscientist.nl/wb Eddington volhardde in zijn tegenstand. teit) als Chandra zodat ze hem konden of bestel dit deel op In een lezing aan Harvard, in 1936, steunen. Eddington was dé wereldexpert shop.newscientist.nl.

Zou de mogelijkheid van zwarte gaten eerder geaccepteerd zijn als Eddington Chandra’s idee had verdedigd?

De tekst op deze pagina’s is een bekorte versie van een fragment uit Zwarte gaten.

december 2016 | New Scientist | 73

voorpublicatie

ik dacht eenvoudigweg niet dat het productief was om constant te blijven zeuren over iets dat achter de rug was.’ Hoewel Chandra in het openbaar rust uitstraalde, stak de kritiek van Eddington hem zeer diep.

Eddington, zo zou blijken, had eenvoudigweg ongelijk. De natuur levert geen veiligheidsnet dat beschermt tegen stellaire instorting. De jonge Chandra waagde zich nooit aan het gissen naar wat er gebeurt als een witte dwergster de grens van 1,4 zonsmassa’s overschrijdt. Hij zette echter de deur wagenwijd open voor andere theoretici om na te denken over het bestaan van neutronensterren en zwarte gaten.

Ondertussen kunnen we bij dit verhaal piekeren over Chandra was niet het enige slachtoffer de vraag ‘Wat als?’ Als Eddington Chandra’s verdediger van de vlijmscherpe schranderheid was geweest in plaats van tegenstander, zouden stervan Arthur Eddington. renkundigen dan sneller de mogelijkheid van zwarte gaten hebben geaccepteerd? Het is niet waarschijnlijk, veronderstelt de Canadese natuurkundige Werner Isnoemde hij Chandra’s witte-dwerglimiet ‘stellaire graprael Israel. ‘In 1935,’ zo schrijft hij, ‘was de wepenmakerij’. Chandra onderging alle kritiek met tenschappelijke gemeenschap nog niet rijp stoïcijnse gratie. Overtuigd van de juistheid voor het idee van een gravitationele invan zijn analyse, ging Chandra ervan uit – storting, zelfs niet als een meesterverkodat het een kwestie van tijd was voordat MARCIA per zoals Eddington had klaargestaan de zaak in zijn voordeel werd beslecht.

BARTUSIAK om al zijn overtuigingskracht in te zetMaar vanbinnen was hij onthutst over ZWARTE ten.’ In die periode voor de Tweede Wewat sterrenkundigen van hem dachten. reldoorlog waren nog maar weinig ster‘Ze beschouwden mij als een soort van GATEN renkundigen geoefend of zelfs maar Don Quichote die probeerde Eddington – geïnteresseerd in het toepassen van de te doden,’ vertelde hij veertig jaar later, nieuwe natuurkunde – relativiteit en quan‘een zeer ontmoedigende ervaring.’ tummechanica – op astrofysische problemen.

Velen dachten zelfs dat relativiteit geen natuurkunde was, maar meer een tak van wiskunde.

Voor gek worden gezet door een van Engelands meest Als een nieuwe natuurkundige wet de vorming van vooraanstaande mensen, dat was een wetenschappeeen singulariteit niet kon voorkomen, dan vertrouwlijke vernedering en een grote tegenslag voor de jonge den sterrenkundigen er op dat punt op dat andere onderzoeker. Het duurde meer dan twintig jaar voordat de chandrasekharlimiet, de grootst mogelijke mas- krachten het speelveld zouden betreden. Sterrenfysica sa van een witte dwergster, een fundamentele parame- was nog steeds een vrij jong vakgebied met vele onbekenden. Velen dachten slechts dat zware sterren een ter in de astrofysische leerboeken werd. Een grote gewichtsafname ondergingen, daarbij na verNobelprijs voor Chandra volgde pas in 1983. loop van tijd genoeg materie uitstotend dat ze stuk Vanwege zijn beschadigde zelfvertrouwen door alle voor stuk uiteindelijk zouden vallen onder de kritische intriges liet Chandra het onderwerp enkele decennia limiet van 1,4 zonsmassa’s, waarna ze dan veilig konvoor wat het was, en uiteindelijk emigreerde hij naar de den sterven als witte dwergsterren. Zelfs Chandra gaf VS, waar wetenschappers meer ontvankelijk voor zijn toe dat hij enige tijd naar dat gezichtspunt neigde. ideeën waren. Daar, aan het Yerkes Observatory en de Uiteindelijk bleek deze verklaring niet meer dan een universiteit van Chicago, werkte hij verder aan andere astrofysische problemen. ‘Ik moest besluiten wat ik ging lapmiddel om de bestaande theorie overeind te houden, die sterrenkundigen maar korte tijd op een doen. Moest ik de rest van mijn leven blijven vechten?’ dwaalspoor zette. Daarna moesten ze alsnog de herinnert Chandra zich later. ‘Ik zag mezelf nog zo’n onvoorstelbare waarheid onder ogen zien. dertig, veertig jaar wetenschappelijk werk verrichten en

74 | New Scientist | december 2016

Beklijvende beelden De abstracte wereld van de wetenschap laat zich niet altijd gemakkelijk in beeld vangen. Gasthoofdredacteur Robbert Dijkgraaf beschrijft daarom de beelden die wel beklijven. Op visuele safari langs wonderlijke wetenschap.

Door Dorine Schenk

'Grootindustrieel Ernest Solvay organiseerde in 1911 een bijeenkomst van de grootste chemici en fysici van die tijd. Op deze foto ontmoeten twee giganten van de relativiteitstheorie elkaar: Albert Einstein en Henri Poincaré, die op de foto in gesprek is met de schei- en natuurkundige Marie Curie. Het was tijdens deze bijeenkomst dat Poincaré aan Einstein vroeg: ‘Op welke mechanica is uw theorie gebaseerd?’ Einstein antwoordde: ‘Geen mechanica’. Opvallend is dat het hoofd van Solvay (derde zittende van links) er later in gemonteerd is.'

BENJAMIN COUPRIE

'Deze foto van stuifmeel is genomen met een elektronenmicroscoop. Hierin is prachtig te zien dat elegante abstracte meetkunde niet alleen in wiskundige theorieën voorkomt, maar ook in de natuur. Ze dwarrelen om ons heen zonder dat we het weten. Als je niest kan dat komen doordat je deze mooie meetkundige figuren in je neus hebt zitten.'

LOUISA HOWARD, CHARLES DAGHLIAN

'Op deze foto van de Hubble-ruimtetelescoop is de afbuiging van licht door een zwaartekrachtslens te zien. Volgens de relativiteitstheorie zorgt de zwaartekracht van een dichtbij gelegen sterrenstelsel ervoor dat het licht van de sterrenstelsels erachter omgebogen wordt. De zwaartekracht werkt hier als een lachspiegel die het beeld van de sterrenstelsels vervormt tot een soort smileys.'

'Deze foto komt uit het persoonlijke archief van Einstein, dus moet veel voor hem betekend hebben. Je ziet de zonsverduistering in 1919 waarbij voor het eerst bewezen werd dat de relativiteitstheorie klopt. Het licht van sterren bleek inderdaad afgebogen te worden door zware objecten zoals de zon. Dankzij dit bewijs haalde de theorie de voorpagina van de Britse krant The Times.'

ANDREW FRUCHTER (STSCI) ET AL., WFPC2, HST, NASA

INSTITUTE FOR ADVANCED STUDY

Hier zien we de familie Feynman voor hun busje. Toen Gweneth Feynman (rode jurk), de vrouw van de natuurkundige Richard Feynman (rood shirt), hier een keer in rondreed werd ze gestopt door een natuurkundestudent. Hij herkende de tekeningen op de bus als visualisaties van interacties van elementaire deeltjes. ‘Mevrouw!

Er staan Feynmandiagrammen op uw busje,’ riep de student enthousiast. ‘Dat weet ik,’ antwoordde ze. ‘Ik ben mevrouw Feynman.’

RALPH LEIGHTON

'Dit zijn zelfgeknutselde modelletjes van de winnaar van de eerste Nobelprijs voor de Scheikunde: de Nederlander Henry van ’t Hoff. Hij was de eerste die zich realiseerde dat het chemisch van belang is om moleculen als driedimensionale objecten te bekijken. Tot die tijd werd er vooral over moleculen gedacht in tweedimensionale tekeningen.'

'Dit is de meest recente afbeelding van de kosmische achtergrondstraling, gemeten door de Planck Observatory-satelliet. Het is de oersoep waar het heelal 38.000 jaar na de oerknal uit bestond. Het is bijna magie dat we zover terug in de tijd kunnen kijken dat we zo’n precieze babyfoto kunnen maken van het heelal.'

ESA/THE PLANCK COLLABORATION

'Eén van de metingen van LHC waarmee het higgsdeeltje ontdekt werd. Op 4 juli 2012, drie dagen nadat ik op Princeton aankwam, werd dit bekend. Ik had nog last van jetlag, maar dat kwam goed uit. De bekendmaking was om negen uur ’s morgens in Geneve, dus drie uur ’s nachts in Princeton. Ik vierde de ontdekking met collega’s in Princeton door middernachtelijk taart te eten en champagne te drinken.'

NOTIMEX

'Op dit Babylonische kleitablet uit ongeveer 1800 voor Christus staan Pythagorese drietallen, die samen voldoen aan de formule a2+b2=c2. Het is bijzonder dat er toen al Babyloniërs waren die dit soort rekensommen maakten met enorm grote getallen als 343768681. Toch was de schrijver van de tablet ook menselijk. Er staan namelijk een paar kleine foutjes op.'

COLUMBIA UNIVERSITY

'Deze iconische foto van Niels Bohr en Albert Einstein die in gesprek zijn, sluit goed aan bij hoe ik de wetenschap graag zie: collega's die samen praten en gedachten uitwisselen. Tegelijkertijd zie je op deze foto de quantummechanica en de relativiteitstheorie die met elkaar in gesprek zijn. Deze twee theorieën zijn op papier nog altijd niet verenigd.'

WIKIMEDIA

opinie jonge akademie

DANNY SCHWARZ

82 | New Scientist | december 2016

Leden van De Jonge Akademie vertellen over hun onderzoek en fascinaties. De Jonge Akademie is een platform voor jonge getalenteerde wetenschappers.

‘Fotonica wordt steeds belangrijker’ Door Ivar Dilweg

Elektronica kennen we, maar wat is fotonica?

‘Fotonica gebruikt lichtdeeltjes, zoals elektronica elektronen gebruikt. Het heeft al vele toepassingen waar heel wat mensen zich niet van bewust zijn. Het scherm van je mobieltje gebruikt lichttechnologie om zo’n hoge resolutie te behalen. Bovendien maken we allemaal gebruik van een wereldwijd netwerk van optische vezels om snellere internetconnecties op lange afstand te realiseren.’

U ontwikkelt dus fotonische, in plaats van elektronische chips?

‘Dat klopt. In plaats van elektronen reist hier licht doorheen, in de vorm van fotonen. Die bewegen over zogenoemde golfgeleiders die een groot circuit vormen.

Onder bepaalde omstandigheden kan het materiaal waaruit die golfgeleiders bestaan, de eigenschappen van de fotonen beïnvloeden. Men spreekt dan van nietlineaire interacties tussen de fotonen en het materiaal. Daardoor krijgt het licht dat door de golfgeleiders reist een andere kleur of golflengte. Ik onderzoek dit soort interacties, die wij nodig hebben voor allerlei toepassingen van fotonische chips.’

Wat zijn niet-lineaire interacties?

‘Stel je voor dat je met twee personen een springtouw ronddraait. Als je allebei voorzichtig op en neer beweegt met je hand, zal het touw dezelfde frequentie volgen – dat is een lineaire interactie. Maar als je het

touw heftig ronddraait, zal deze allerlei afwijkende bewegingen maken – een nietlineaire interactie. Dit werkt ook zo met licht. Als je een fotonische chip sterk belicht, zal deze in overdrive gaan. Dan straalt de chip licht uit bij golflengten die niet in de invallende lichtbundel aanwezig waren.

Op die manier kun je een breed spectrum van kleuren opwekken.’

Waar is zo’n breed spectrum van kleuren voor nodig?

‘Daardoor kan de chip bijvoorbeeld het glucosegehalte in bloed analyseren. Glucose absorbeert specifieke golflengten van

'Er is straks een pijnloze methode om glucose in bloed te checken’

licht, met name in het infrarood. Als de chip een breed spectrum op je bloedvat schijnt, reflecteert het licht dat het bloed niet absorbeert terug op de chip. Hoe minder infrarood reflecteert, hoe meer glucose in het bloed aanwezig is. Met een breed spectrum van golflengten vang je meer data en krijg je dus een nauwkeurigere meting.

Hierdoor zou een diabeticus volkomen pijnloos zijn glucosegehalte kunnen checken. Stel je bijvoorbeeld zo’n chip voor in een horloge, die zo rechtstreeks in de polsaders kijkt en je waarschuwt als je

Nathalie Vermeulen Nathalie Vermeulen (1981) promoveerde summa cum laude in 2008 aan de faculteit Ingenieurswetenschappen van de Vrije Universiteit Brussel. Ze is sinds 2013 professor in laserfysica in het B-PHOT-team, de VUB-groep die onderzoek verricht naar lichttechnologie: fotonica. Met haar fundamentele lichtonderzoek ontwikkelt zij lasers die als sensoren kunnen dienen.

suiker nodig hebt. Fotonische chips zouden bijvoorbeeld ook bacteriën kunnen vinden, dat is handig voor drinkwatercontroles en de voedselindustrie.’

Wat maakt het moeilijk om uw onderzoek toe te passen in techniek?

‘Voor niet-lineaire fotonica moeten chips op een uiterst nauwkeurige manier worden gefabriceerd. Anders werken die interacties niet. Maar de technologie van chipfabricatie staat gelukkig ook niet stil. De nauwkeurigheid hiervan verbetert jaar na jaar. Ik verricht op dit moment onderzoek naar chips die bedekt zijn met grafeen, een nieuwe vorm van koolstof die slechts één atoom dik is. Dit materiaal gaat snel in overdrive bij lichtbestraling en is daarom perfect voor niet-lineaire interacties.’

Speelt fotonica een grote rol in de toekomst?

‘Fotonica in de brede zin van het woord zal een steeds belangrijkere positie innemen in de dagelijkse omgeving. Daarvan zien we al enkele voorproefjes. Denk aan virtual reality-beeldtechnieken die we steeds vaker in games gebruiken. Elektronicabedrijven willen nu met fotonische schakelingen computers sneller en efficiënter maken. Een volledige optische PC is ooit al gedemonstreerd. Fotonische chips zullen echter niet snel de elektrische chips vervangen; fotonische circuits zijn namelijk minder compact. Ik denk dat fotonica en elektronica hand in hand moeten werken.

De combinatie van verschillende technologieën, dat is waar de toekomst ligt.’ december 2016 | New Scientist | 83

culturelab

tentoonstelling

film

Vergeten vrouwen van Nasa ‘Er is geen protocol voor deelname van vrouwen.’

‘Er is ook geen protocol voor mannen die rondjes om de aarde draaien.’

I

Voor de meetkundeliefhebber: de hecatonicosachoron is de convexe regelmatige 4-polytoop met Schläfli-symbool {5,3,3}.

AURÉLIEN ALVAREZ/ÉTIENNE GHYS/JOS LEYS

Wiskundig schoon in beeld Achter ingewikkeld ogende wiskundige formules gaan soms prachtige plaatjes schuil.

Bewonder ze bij de tentoonstelling Imaginary.

M

isschien herinner je je van de middelbare school dat de formule y = x een rechte lijn beschrijft en dat x2+y2= 1 een cirkel voorstelt. In drie dimensies kun je dat uitbreiden naar x2+y2 + z2 = 1. Dat verbeeldt een bol. Achter abstracte wiskundige vergelijkingen blijken soms ook meer kunstzinnige vormen schuil te gaan. Omgekeerd is er voor bijna alles een wiskundige vergelijking. Zo heeft de Duitse Valentina Galata formules opgesteld voor alledaagse voorwerpen

84 | New Scientist | december 2016

zoals een theepot, een schaakstuk en een wortel.

Dit deed ze met behulp van het toegankelijke computerprogramma Surfer dat abstracte formules prachtig visualiseert. De expositie Imaginary toont, onder andere met behulp van dit programma, de schoonheid en kunstzinnigheid van wiskunde. Bezoekers kunnen op touchscreens zelf formules invoeren of bestaande formules bewerken. Surfer toont vervolgens het bijbehorende beeld.

Verder kun je er puzzelen met Penrose-tegels. Daarmee kun je een regelmatig patroon proberen te vormen, maar helemaal lukken doet het nooit. Daarnaast hangen er posters van bekende wiskundige constructies zo-

als de Mandelbrot-set. Ook zijn er driedimensionale objecten tentoongesteld met bijzondere wiskundige eigenschappen, zoals een beeld met een recordaantal singulariteiten. Dat zijn plekken waar de formule niet is gedefinieerd, zoals bij y = 1/x. Daar heeft y geen duidelijke waarde als x gelijk is aan 0 (y ‘ontploft’ daar naar oneindig).

De rondreizende wiskundetentoonstelling is tot 7 juli te bezichtigen in diverse steden in Nederland.

—DS Imaginary 21 november t/m 9 december: Vox-Pop, Amsterdam 6 t/m 24 februari: Stadskantoor, Utrecht imaginarymaths.nl

n de jaren zestig werkte een groep vrouwen van Afro-Amerikaanse afkomst bij Nasa. Ze kregen veel minder betaald dan blanke mannen die hetzelfde werk deden. Bovendien werkten ze in een apart kantoor, de West Area. Zelfs collega’s wisten soms niet van hun bestaan af.

Bijna niemand kent hun namen. Daar willen de makers van de film Hidden Figures verandering in brengen.

Zij vertellen het waargebeurde, maar geromantiseerde verhaal van de wiskundigen Dorothy Vaughn, Mary Jackson en Katherine Johnson. Zij leverden een belangrijke bijdrage aan het rekenwerk dat nodig was om een Amerikaanse astronaut in een baan rond de aarde te brengen. De film is gebaseerd op het boek Hidden Figures van Margot Shetterly, dat afgelopen september verscheen.—DS Hidden Figures Bioscopen in NL/BE Vanaf begin februari

De hier gerecenseerde boeken zijn te bestellen op newscientist.nl/shop

boek

Natlab doorgelicht

Top 5

D

e splitsing van Philips in Healthtech en Lighting dit jaar vormt de genadeklap voor het Natlab van Philips. In Waalre ontwikkelden met name fysici en ingenieurs vanaf 1914 technologie voor het concern dat begon als een gloeilampenfabriek en veranderde in een consumentenelektronicagigant.

René Raaijmakers en Paul van Gerven hebben tal van (oud-)medewerkers van Philips geïnterviewd om een zo betrouwbaar mogelijk beeld te schetsen van enkele technologische hoogte- en dieptepunten.

Met name de eerste twee dossiers, De compact disc en Digitale dromen, analoge winsten, laten zich goed lezen. Het ontstaan van de waferstepper, wat leidde tot het bedrijf ASML, is eveneens een mooi verhaal, maar het vierde dossier, Uit beeld, over hoe Philips uiteindelijk de boot mist bij de opkomst van nieuwe beeldschermtechnologie, is wat te vlot en summier.

Niet iedereen zal gelukkig zijn met het boek. Zo wordt de vanwege de uit-

De best verkochte populair-­ wetenschappelijke boeken van boekhandel Van Stockum.

1

In Ons creatieve brein toont Dick Swaab hoe de interactie van de hersenen met onze omgeving ons tot mensen maakt.

SILVER SPOON

vinding van de cd met vele eerbewijzen overladen Kees Schouhamer Immink afgeschilderd als een degelijk ingenieur die pas in een laat stadium een beperkte bijdrage aan de cd-technologie heeft geleverd. In feite was Immink in 1998 ‘uitgekotst’ door Philips en had hij afscheid genomen met het gebruikelijke goede gesprek en een financiële regeling. Zijn zelfpromotie wekte de nodige wrevel bij oud-collega’s.

Het boek schetst vooral contrasten: tegenstellingen tussen mensen, botsingen tussen commercie en wetenschappelijke nieuwsgierigheid, een soms conservatieve opstelling in een wereld waarin

2

Philips Natlab – Kraamkamer van ASML, NXP en de cd Paul van Gerven en René Raaijmakers Techwatch € 39,50

technologische ontwikkelingen sneller kunnen gaan dan gedacht. Waar individuen in het Natlab belangrijke bijdragen aan de technologie van Philips hebben geleverd, verschaft het boek uiteindelijk vooral een beeld van de succesvolle maar niet altijd even soepele samenwerking tussen mensen, groepen en divisies. —EV

Op quantumuniverse.nl vind je verdiepende populairwetenschappelijke artikelen over fundamentele theoretische fysica, zoals snaartheorie, donkere materie en zwaartekracht. Theoretisch fysicus Erik Verlinde zette deze site in 2012 op met een deel van het prijzengeld van de NWO-Spinozapremie.

De kolonisatie van de planeet Mars is niet langer een illusie. Mensen op Mars is een even komisch als onthutsend boek over deze duizelingwekkende doorbraak.

3

Als mijn geheugen mij niet bedriegt toont hoe sommige ervaringen zo ingrijpend zijn dat ze niet alleen je toekomst, maar ook je verleden veranderen.

4

In Het gen. Een intieme geschiedenis verweeft Siddhartha Mukherjee wetenschap en sociale historie over de menselijke erfelijkheid met een persoonlijk verhaal.

5

De Wereld van De Wachter is een toegankelijke analyse van wereldproblemen door psychiater Dirk De Wachter. december 2016 | New Scientist | 85

culturelab

app

boek

Oneindige kunst

I

n de wiskunde zijn er weinig geometrische figuren zo fascinerend als fractalen.

Deze hallucinatie-opwekkende vormen zijn het gevolg van een continu opnieuw gemaakte berekening. Geef elke waarde een kleurtje en je krijgt bizarre taferelen. Je kunt hierop oneindig inzoomen, de vormen zullen zich oneindig herhalen.

Fractalen zijn ook in de natuur te vinden. Zoek bijvoorbeeld een plaatje op van de romanesco, een bloemkoolachtige plant die (schijnbaar) oneindig terugkerende structuren heeft. Wiskundigen wisten al in de zeventiende eeuw van de vorm van fractalen af, maar pas in de jaren tachtig van de vorige eeuw kon men ze voor het eerst op een computer in beeld brengen. Nu heb je slechts een iPhone of iPad nodig met de app Fractals. In deze app kun je naar believen duizelingwekkende vormen simuleren. —ID Fractals Pomegranate Apps Alleen voor iOS Gratis

86 | New Scientist | december 2016

Superkorte zwarte gaten

H

eerlijk, een nieuw boek van opper-zwarte-gaten-goeroe Stephen Hawking. Die gedachte schoot door mijn hoofd toen ik de drukproef van dit boekje op mijn bureau ontving. Hawkings hele carrière draait immers, letterlijk en figuurlijk, om een zwart gat. Dit is de man die ze echt leerde doorgronden, die bedacht dat ze straling uitzenden en die later een oorlog uitvocht met mensen als Leonard Susskind en Gerard ’t Hooft over de vraag of infor-

matie ooit in een zwart gat verloren kon gaan.

Nog altijd vormen zwarte gaten de katalysator voor allerlei radicale inzichten in de werkelijkheid. En met dat in het achterhoofd, is dit boekje een teleurstelling.

Allereerst telt het slechts 62 pagina’s. En dan betreft dit ook nog eens geen nieuw werk van Hawking, maar een uitgetikte versie van twee lezingen die hij voor de BBC hield. Tussen die teksten door staan toevoegingen van BBC-wetenschapsjour-

nalist David Shukham, die ook een voorwoord schreef.

Het maakt de conceptueel stevige teksten wel duidelijker, maar haalt ook de vaart eruit.

Hawkings onderzoek naar zwarte gaten blijft een van de meest inspirerende onderwerpen uit de moderne fysica, maar dit boekje voegt daaraan weinig tot niets toe. –GvH Zwarte gaten Stephen Hawking Prometheus € 12,50

Meer leren over ruimtereizen? Bezoek Space Expo Noordwijk, waar sinds september de Sojoez-capsule te bewonderen is waarin André Kuipers de reis naar en van het International Space Station maakte.

De hier gerecenseerde boeken zijn te bestellen op newscientist.nl/shop

Het culturele leven van…

Wim van Saarloos Wim van Saarloos is hoogleraar theoretische natuurkunde en vicepresident van de Koninklijke Nederlandse Akademie voor Wetenschappen. met de blik van een buitenlander.’

KUNST ‘Ik ben Robbert Dijkgraaf opgevolgd als lid van de Raad van toezicht van Teylers Museum in Haarlem. Daar kom ik nu dus met regelmaat. Mijn vrouw is classica en samen gaan we vaak naar Zuid-Europa en zien dan Romeinse of Griekse kunst en bezoeken we de mooie historische steden.’

Voetbalmeisjes

KRANT ‘Door de week lezen we de papieren versie van NRC en digitaal de Volkskrant. Ik scan altijd de voorpagina en via het internationale nieuws lees ik wetenschap en economie om af te sluiten met opinie. Qua wetenschapsnieuws heb ik niet echt een voorkeur voor een van de kranten. De Volkskrant is zich meer gaan richten op kennis en mensen, terwijl NRC vasthoudt aan diepere inhoud.’

Droomland Amerika

TIJDSCHRIFT ‘Met weemoed denk ik terug aan Vrij Nederland en Haagse Post uit de jaren zeventig. Dat soort tijdschriften met langere analytische stukken worden niet meer gemaakt.

‘Nu is 360 een favoriet. Dat tijdschrift maakt een goede selectie van internationale stukken

FILM ‘Een van mijn dochters is filmmaakster Alieke van Saarloos en ik kijk graag met haar mee. Ze was de regisseur van Wildflowers. Binnenkort komt haar serie Voetbalmeisjes op tv, waarin diversiteit op een natuurlijke manier verweven is.

Allerlei culturen – Marokkaans, Surinaams, Nederlands – spelen een rol, zonder dat het er dik bovenop ligt.’

BOEK ‘Naast romans lees ik graag boeken over de sociaal-culturele geschiedenis. Van Thomas Piketty heb ik Kapitaal in de 21ste eeuw helemaal gelezen en dat vond ik opvallend goed geschreven en interessant. Een roman als An Officer and a Spy van de Britse journalist Robbert Harris, over de Dreyfusaffaire, heb ik in één adem uitgelezen.’

THEATER ‘Onlangs heb ik De prooi gezien; een prima stuk.

Borgen, gespeeld door het Noord Nederlands Toneel was

echt fantastisch. In negen uur worden veertien afleveringen van de serie gespeeld. Steeds in stukken van zo’n veertig minuten. Mocht je even geen zin hebben, dan kan je na een gemiste aflevering de samenvatting op een beeldscherm kijken, zodat je de lijn toch nog kan volgen.’

MUZIEK ‘Met het schaamrood op de kaken moet ik bekennen dat ik vreselijk ben blijven hangen in de jaren zeventig. Via mijn kinderen heb ik dan nog Michael Jackson meegekregen, maar dat is het wel. Made in Japan van Deep Purple is een van mijn favoriete platen. Vlak voor mijn promotie heb ik die ook gedraaid, omdat het opzwepende en stimulerende nummers zijn.’

TV ‘We hebben een tijdje in Amerika gewoon en daarom vind ik Droomland Amerika, de documentaireserie van de VPRO erg de moeite waard. Ik leer graag over andere mij onbekende culturen, dus ik genoot ook van Langs de oevers van de Yangtze of Het achterland van Sotsji waarin Jelle Brandt Corstius de Kaukasus verkent. Daarnaast zie ik met regelmaat Nieuwsuur.’

KIJK UIT NAAR ‘Mijn jongste dochter Simone is schrijfster en haar debuutroman De vrouw die verschijnt eind november. Ik kijk ernaar uit, want ik heb hem nog niet mogen lezen!’ –JJ december 2016 | New Scientist | 87

culturelab

buiten

Sterren staren De dagen zijn kort en de nachten lang. Het ideale seizoen voor sterrenkijken. Als je de hemellichamen eens wat beter wil bekijken, kun je naar een van de publieksavonden die diverse sterrenwachten organiseren.

Door Dorine Schenk

H Landmetingen vinden plaats over de hele wereld en in de meest extreme omstandigheden.

Leer er meer over bij de tentoonstelling Pushing the Boundaries die tot 3 mei loopt in het Museum voor de Geschiedenis van de Wetenschappen in Gent.

88 | New Scientist | december 2016

et is een koude maar wolkeloze avond. Hand in hand met je geliefde loop je buiten en wijs je naar de sterren die aan de donkere hemel prijken. Met een beetje geluk zien jullie zelfs een vallende ster.

Het is ontzettend romantisch om op een heldere avond te wandelen en naar de hemel kijken, maar je leert er niet veel van. Bovendien kun je vanuit de meeste plekken in Nederland en België maar een paar sterren zien. Gelukkig bieden diverse sterrenkoepels in de winter sterrenkijkavonden aan. Met een groep mensen in een sterrenkoepel staan koukleumen is misschien een stuk minder romantisch, maar wel veel interessanter.

Op een sterrenkijkavond krijg je niet alleen informatie over sterren en planeten, maar er is vaak ook een rondleiding in de koepel waarbij je meer leert over de werking van telescopen. En als je geluk hebt, tref je een wol-

kenvrije avond waarop je zelf door een professionele telescoop kan turen. Daarnaast hebben sommige sterrenwachten ook een zonnetelescoop die overdag op de zon gericht staat.

Met behulp van filters zorgen ze ervoor dat je een indrukwekkend beeld krijgt van de dichtstbijzijnde ster. Er zijn door het hele land sterrenwachten te vinden.

Wij hebben voor Nederland en België een top 3 gemaakt: Sterrenwachten Nederland 1. Sonnenborgh, Utrecht www.sonnenborgh.nl 2. Planetron, Dwingeloo www.planetron.nl 3. Radboud Universiteit, Nijmegen www.astro.ru.nl Sterrenwachten België 1. Cozmix, Brugge www.cozmix.be 2. Volkssterrenwacht Armand Pien, Gent www.armandpien.be 3. Cosmodrome, Genk www.kattevennen.be/nl/cosmodrome

Mocht je toch liever zelf op pad gaan, dan kan het de moeite waard zijn om de hemelverschijnselen van die maand online op te zoeken. Zo kun je tussen 7 en 17 december de meteorenzwerm Geminiden bewonderen. Het maximum van de zwerm valt op 13 december.

In die nacht zijn er tot wel 120 meteoren per uur te zien. Verder kun je vlak voor kerst, in de Koninklijk Eise Eisinga Planetarium Franeker www.planetarium-friesland.nl € 5,25 voor volwassenen € 4,50 voor kinderen

De hier gerecenseerde boeken zijn te bestellen op newscientist.nl/shop

1 Met een goede telescoop kun je thuis je eigen sterrenwacht beginnen.

boek

THINKSTOCK

2 Bij het planetarium van Artis worden de mooiste beelden uit het heelal afgebeeld.

MARK SPOELSTRA

3 Van 1774 tot 1781 bouwde Eisinga in zijn huiskamer een planetarium.

HOMMEMA.NL

De mensen achter Ligo

E 1 2

3 nachten van 22 en 23 december een mooie samenstand zien van de ster Spica met de planeet Jupiter en de maan. Kijk ook op Oudjaarsavond omhoog. Rond 18:00 uur, voordat het vuurwerk begint, zie je in het zuidwesten de maansikkel. Op een vrij grote afstand, links boven de maan kun je Venus en Mars bewonderen. Alle hemelverschijnselen zijn te vinden op www.allesoversterrenkunde.nl.

Planetaria zijn bij regen een goed alternatief. Er worden vaak prachtige shows gegeven waarbij je met grote snelheid door het heelal vliegt en van

bovenaf op de Melkweg neerkijkt. Eén van de grootste planetaria van Europa is de Koninklijke Sterrenwacht van België (www.planetarium.be). Verder kun je voor een avontuurlijke reis door het heelal terecht bij Cosmos in Lattrop (www.cosmossterrenwacht.nl) en Artis (www.artis.nl).

Het oudste werkende planetarium ter wereld bevindt zich in Franeker. Daar bouwde Eise Eisinga tussen 1774 en 1781 het zonnestelsel op schaal na in zijn eigen woonkamer. Eisinga was de hoogbegaafde zoon van een wolkammer, die niet naar het

gymnasium mocht omdat hij geacht werd ook wolkammer te worden. Dit deed hij, maar daarnaast besteedde hij al zijn vrije tijd aan het bestuderen van wisen sterrenkunde. Hij publiceerde hier zelfs enkele boeken over.

Zijn planetarium is onlangs opgeknapt en weer te bezoeken.

Het aantal planeten strookt niet met onze huidige kennis, maar een groot deel is zeer nauwkeurig en prachtig hersteld.

Voor de echte sterrenfanaat organiseert New Scientist van 23 februari t/m 6 maart een sterrenkunde- en eclipsreis naar Chili (zie pagina 92).

instein voorspelde ruim honderd jaar geleden het bestaan van zwaartekrachtsgolven. Hij dacht dat deze rimpelingen van de ruimtetijd onmeetbaar klein zijn tegen de tijd dat ze op aarde aankomen. Toch werden ze begin 2016 gemeten door Ligo in Amerika.

Het was dus onzeker of de golven überhaupt gemeten konden worden. Bovendien waren er grote en dure apparaten nodig. De weg naar de eerste meting was lang en vol obstakels. Astrofysicus Janna Levin volgde de onderzoekers die meewerkten aan Ligo en vertelt hun verhaal van binnenuit. Hoe kwam de meting tot stand? Welke tegenslagen moesten de onderzoekers verwerken? En wie hadden onderling ruzie?

Zwarte gaten blues beschrijft de menselijke kant van het experiment. Het boek leest als een spannende roman. ‘Het is een eerbetoon aan een donquichotachtige experimentele onderneming,’ schrijft Levin zelf. —DS Zwarte gaten blues Janna Levin Atlas Contact € 21,99

december 2016 | New Scientist | 89

VOOR WIJZE KIDS DIE BIJNA ALLES WETEN

Young Scientist Leuk en leerzaam Nieuwsgierige jonge onderzoekers lezen hier alles wat ze willen weten.

Nodig

8 minuten

• Twee (tijd)schriften • Een vriend

15 minuten

2

Licht gaat razendsnel.

Maar toch duurt het 8 minuten en 20 seconden voordat het licht van de zon de aarde heeft bereikt.

1

3

4

PROEFJE

Sterk papier Het kan heel fijn zijn om een tijdschrift te lezen. Maar als je twee tijdschriften hebt, kun je er ook een proefje mee doen. Hoe sterk zijn twee tijdschriften?

Open het ene tijdschrift bij de laatste bladzijde en het andere bij de eerste. Leg de kaften op elkaar. Sla om en om steeds een bladzijde van elk tijdschrift naar het midden tot de tijdschriften helemaal in elkaar zijn gevou-

wen. Probeer met een vriend de tijdschriften uit elkaar te trekken. Lukt het niet? Als twee dingen langs elkaar schuiven ontstaat er wrijving. Dat zorgt ervoor dat het schuiven kracht kost. De wrijving tussen twee

KIDSVRAAG Emilia de Jong (7) Waar houdt het heelal op?

Eigenlijk weten we niet precies waar het heelal ophoudt. We kunnen namelijk niet het hele heelal zien. Om iets te zien heb je licht nodig.

Licht gaat heel snel, maar het duurt toch een tijdje voordat het een lange afstand heeft

90 | New Scientist | december 2016

bladzijden is niet zo groot. Maar hoe meer bladzijden je in elkaar vouwt, hoe meer wrijving er ontstaat. Het kost dan heel veel kracht om die bladzijden langs elkaar te bewegen. met toestemming van proefjes.nl

Robbert Dijkgraaf IAS, Princeton, VS

afgelegd. Als iets ver weg is, kunnen we het dus niet zien omdat het licht nog onderweg is.

Het is alsof je op een eiland in de oceaan staat. Je kunt de oceaan zien tot aan de horizon. Achter de horizon ligt nog veel meer oceaan en misschien zelfs land, maar dat kun je niet zien.

Dat is met het heelal ook zo. We weten niet of het ergens ophoudt, want zover kunnen we niet kijken.

Records

Rondje om de zon Alle planeten in ons zonnestelsel draaien rondjes om de zon. Als de aarde een heel rondje om de zon heeft gedraaid noemen we dat een jaar. Dat is 365 dagen. Maar het kan veel sneller. De snelste planeet is Mercurius.

Die staat dicht bij de zon. Daardoor is het rondje voor deze planeet korter.

Mercurius maakt een rondje af in 88 dagen.

In een jaar haalt Mercurius de aarde dus wel vier keer in.

Heb je ook een vraag? Mail ‘m naar redactie@newscientist.nl o.v.v. ‘Young Scientist’ en wie weet zie je het antwoord terug op deze pagina’s.

RUIMTE

Zwart gat Zwarte gaten kunnen ontstaan als sterren opbranden en in elkaar storten. Ze hebben zoveel zwaartekracht dat zelfs licht niet kan ontsnappen. Daarom is een zwart gat zo donker.

Niemand heeft ooit een zwart gat gezien. We weten dus ook niet echt hoe ze er uitzien. Maar wetenschappers denken dat ze misschien wel lijken op dit plaatje.

NASA/JPL-CALTECH/R. HURT (IPAC)

december 2016 | New Scientist | 91

Gaat u ook mee op Sterrenkunde- en eclipsreis naar Chili?

O.l.v. Govert Schilling & Marieke Baan

Kijk voor meer informatie en het volledige programma op onze website: newscientist.nl/chili

Ideeën die de wereld veranderen

VOOR WIJZE KIDS DIE BIJNA ALLES WETEN

eik Antwoord: Schors van een

MOP

Kees stoot een grote vaas van oma om. De vaas ligt in duizend stukjes op de grond. Oma zucht: ‘Die vaas was wel driehonderd jaar oud!’

‘Gelukkig maar’, zegt Kees. ’Ik was al bang dat hij net nieuw was.’

NASA/ESA

Agenda

RAADPLAATJE Wat is dit?

Aanbevolen De redactie van Young Scientist beveelt de leukste boeken en de coolste producten aan.

BOEK Young Scientist Vakantieboek‒winter Als het koud wordt, kruip jij lekker tegen de verwarming met dit leuke en leerzame winterboek. Vol weetjes en puzzels over sneeuw, sleeën, pinguïns en ijsberen. Laat de winter maar komen! € 12,50

BOEK Ontdek de wetenschap met de flipperkast Bouw je eigen flipperkast en leer alles over zwaartekracht, gewicht en versnelling. Ontdek hoe de onderdelen in de flipperkast bewegen, roteren en rollen en je snapt meteen hoe de wetten van Newton werken. € 19,99

Kunst en Vliegwerk Zondagmiddag Teylersmuseum Meer info: teylersmuseum.nl In de knutselhoek van het museum leer je onder andere hoe je een caleidoscoop maakt: een kijker die je meeneemt naar een kleurrijke bewegende wereld. Op sommige dagen kan je ook etsen of dino’s maken.

Techniekworkshops 8 februari t/m 29 maart Artesis Plantijn Hogeschool Meer info: www.ap.be

Ster van de maand De helderste ster die we ‘s nachts kunnen zien is de ster Sirius. Toch is dit niet de grootste ster.

Sirius vind je in het sterrenbeeld Grote Hond. Vanaf de aarde gezien geeft Sirius meer licht dan de andere sterren. Dat komt omdat deze ster maar 8,6 lichtjaar van de aarde af staat. Dat klinkt ver, maar voor een ster is dat best dichtbij. Sirius geeft eigenlijk meer licht dan de zon. Dat zou je niet verwachten. Maar de zon staat nog dichter bij de aarde, namelijk 15 miljoen kilometer. Sirius zal niet eeuwig de helderste ster blijven. Hij beweegt langzaam van de aarde af.

Over vijfmiljoen jaar is een andere ster de grote winnaar.

Vind je techniek interessant? Wil je weten hoe je zelf een zaklamp en robothand kunt maken?

Schrijf je in voor de workshops van Studio-T.

Natuurspreekuur Eerste woensdagmiddag van de maand Natuurhistorisch Museum Meer info:hetnatuurhistorisch.nl Je hebt een mooie veer, fossiel of schelp gevonden. Maar van welk dier komt het eigenlijk? Vraag het aan een expert tijdens het natuurspreekuur.

Coördinatie: Loes Maassen december 2016 | New Scientist | 93

.nl/shop

De beste wetenschapsboeken Speciaal voor u geselecteerd door de redactie van New Scientist

De uitvinder Sam Goudsmit – De jacht op de atoom- van de natuur bom van Hitler

Zijn we slim genoeg om te weten hoe slim dieren zijn

Rekenen op een bierviltje

A

W

W

an het einde van de Tweede Wereldoorlog waren de geallieerden ervan overtuigd dat de nazi’s aan een atoombom werkten en daarmee alsnog de oorlog zouden winnen. Een Amerikaans team van militairen, geheim agenten en wetenschappers ging, in het kielzog van de oprukkende geallieerden, op zoek naar Hitlers atoombom. De Nederlands-Amerikaanse natuurkundige Sam Goudsmit was hoofd van dit onderzoeksteam.

Journalist Martijn van Calmthout dook in de onlangs vrijgegeven archieven van Goudsmit en schreef een biografie die leest als een spannend jongensboek.

SAM GOUDSMIT – DE JACHT OP DE ATOOMBOM VAN HITLER Auteur: Martijn van Calmthout Uitgeverij: J. M. Meulenhoff ISBN: 9789029089586 Prijs: € 24,99

A

lexander von Humboldt (1769-1859) was een moedige ontdekkingsreiziger en de bekendste wetenschapper van zijn tijd. Hij had een grote honger naar avontuur en ontdekkingen, hij beklom de hoogste vulkaan ter wereld en deed onderzoek in de meest afgelegen gebieden.

Met zijn ideeën was hij zijn tijd ver vooruit.

De Britse historica Andrea Wulf beschrijft zijn gedurfde expedities en geeft op toegankelijke wijze inzicht in zijn baanbrekende onderzoek naar de wijze waarop het landschap zich op verschillende continenten heeft gevormd. Humboldt wist toen al dat menselijk ingrijpen wel degelijk effect heeft op het klimaat.

DE UITVINDER VAN DE NATUUR Auteur: Andrea Wulf Uitgeverij: Atlas Contact ISBN: 9789045031170 Prijs: € 39,99

at is het verschil tussen menselijke en dierlijke intelligentie, en vooral: hoe komen we daarachter? Het zijn vragen die primatoloog Frans de Waal al zijn hele carrière bezighouden. De laatste jaren heeft het onderzoek naar dierlijke intelligentie een grote vlucht genomen. Onderzoekers proberen zich steeds meer te verplaatsen in het standpunt van dieren. In Zijn we slim genoeg om te weten hoe slim dieren zijn? maakt De Waal de balans op. Een fascinerend boek dat je op een werkelijk andere manier laat kijken naar wat dier én mens kunnen.

ZIJN WE SLIM GENOEG OM TE WETEN HOE SLIM DIEREN ZIJN Auteur: Frans de Waal Uitgeverij: Atlas Contact ISBN: 9789045028583 Prijs: € 24,99

e krijgen de hele dag informatie op ons afgevuurd in de vorm van getallen. Honderden miljarden euro’s, tientallen lichtjaren of duizend kubieke kilometers – wat betekent dat allemaal nou echt? De schrijvers van dit boek zorgen ervoor dat je een gevoel kweekt voor GROTE getallen. Ze loodsen je door originele rekensommen heen, waardoor je goed leert schatten en verhoudingen leert begrijpen.

Uit hoeveel cellen bestaat je lichaam? Hoeveel golfballen kun je op de evenaar leggen? Bij elke vraag kun je kiezen of je de geboden hints wel of niet gebruikt.

Daardoor kan zowel de puzzelaar als de echte wiskundige zich helemaal uitleven.

REKENEN OP EEN BIERVILTJE Auteur: Lawrence Weinstein & John. A. Adam Uitgeverij: Veen Media ISBN: 9789085715634

Prijs: € 19,99

tip

Zwarte Gaten Blues

Ons creatieve brein

Z

B

warte gaten zijn donker, de naam zegt het al.

Als ze botsen, is daar niets van te zien. Toch komt bij een botsing van zwarte gaten een onvoorstelbaar grote hoeveelheid kracht vrij.

Einstein voorspelde, precies een eeuw geleden, dat je zou moeten kunnen zien dat ruimte en tijd een beetje veranderen wanneer zo’n botsing plaatsvindt. Maar hoe observeer je zoiets?

Wetenschappers zijn er tientallen jaren mee bezig geweest, en Janna Levin volgde hen op de voet: van de eerste tekeningen tot aan meetapparatuur van 40 kilometer groot, midden in de woestijn. Had Einstein gelijk?

ZWARTE GATEN BLUES Auteur: Janna Levin Uitgeverij: Atlas Contact ISBN: 9789045032979 Prijs: € 21,99

ij de geboorte hebben onze hersenen een derde van de grootte die ze in volwassenheid zullen krijgen. Hoe gaat de rest van de ontwikkeling? Om al dat potentieel te ontplooien is een veilige en warme omgeving nodig. Maar dat is niet alles: het brein moet gestimuleerd worden, bijvoorbeeld door je ouders, je omgeving, je werk. Ook kunst en muziek stimuleren het brein.

Neurobioloog Dick Swaab laat heel mooi zien wat die met je hersenen doen. Ons creatieve brein toont hoe belangrijk de interactie van de hersenen met de omgeving is. Wat de invloed van je beroep op je brein kan zijn en wat ziektes en trauma’s kunnen aanrichten.

Wetenschappelijke Bibliotheek

E

en gerenommeerde serie boeken over natuurwetenschappen en technologie. Word nu gratis en vrijblijvend lid.

In 2016 verschijnen >> Vruchten >> Zwarte gaten >> Genen Voor meer informatie:

www.newscientist.nl/wb

ONS CREATIEVE BREIN Auteur: Dick Swaab Uitgeverij: Altas Contact ISBN: 9789045030579 Prijs: € 29,99

Bestellen?

Kijk op newscientist.nl/shop

VOORDELEN NEW SCIENTIST-SHOP >> Retourmogelijkheid binnen 14 dagen >> Geen verzendkosten voor jaarabonnees >> Levertijd binnen 2-3 werkdagen >> Betalen mogelijk via acceptgiro, iDeal, creditcard of Paypal

opinie column

Topologische twist

O

p 4 oktober werd bekendgemaakt dat de Nobelprijs voor de Natuurkunde 2016 gaat naar David Thouless, Duncan Haldane en Michael Kosterlitz voor onderzoek naar ‘topologische quantumeigenschappen van materie’.

Een mooie verrassing: de grondleggers van mijn vakgebied krijgen de Nobelprijs!

Van de drie laureaten heb ik alleen Haldane persoonlijk ontmoet. Aardige man, maar wel moeilijk om contact mee te krijgen. We werken op hetzelfde gebied maar met een totaal verschillende insteek en taal. Duncan is wiskundig en abstract. Ik meet en bouw topologische structuren. Het gat daartussen is zo groot dat ik van theoretisch natuurkundige collega’s zoals Carlo Beenakker uit Leiden extra uitleg nodig heb om gevoel te krijgen voor deze abstracte concepten.

Carlo was ook de eerste die me vertelde over ‘topologische Majoranaquantumtoestanden’. Een mond vol. Over quantumtoestanden staan mooie animaties op internet zoals deze op YouTube: ‘Dr. Quantum – Double Slit Experiment’.

Het gaat over een elektron dat via een superpositie tegelijkertijd door twee openingen in een scherm gaat en aan de achterkant met zichzelf interfereert. Quantumdeeltjes kunnen dus tegelijkertijd door twee verschillende openingen, zelfs als die tot op grote afstand van elkaar gescheiden zijn. De animatie illustreert ook de rol van een waarnemer. Als de proef een aantal keer herhaald wordt en een waarnemer gaat bij een van de twee openingen zitten kijken of het elektron door die opening komt, dan ziet zij soms wel en soms niet een elektron voorbijkomen.

De waarneming dwingt het elektron een van de twee openingen te kiezen waarmee de mogelijkheid voor een superpositie onderdrukt wordt en de interferentie uitdooft.

Majorana-deeltjes vormen een topologische quantumtoestand en daarop

werkt een waarneming heel anders.

Twee Majorana’s kunnen we ook in een superpositie zetten, zodat ze tegelijkertijd op twee verschillende plekken zijn. Als een waarnemer naar een van de twee Majorana’s kijkt dan… ziet hij helemaal niks, nooit! De eigenschappen van Majorana’s zijn namelijk lokaal niet zichtbaar.

Daarvoor moet je naar beide Majorana’s tegelijkertijd kijken.

Een Möbiusring heeft dat ook. Zo’n ring

Onbegrijpelijke wetenschap vindt soms zijn weg naar alledaagse toepassingen

heeft één twist. Als ik op één plek naar de ring kijk, weet ik niet of de ring nul, één of meerdere twists heeft, daarvoor moet ik naar de ring in z’n geheel kijken.

De Möbiusring heeft een klassieke topologische toestand. Majorana’s zijn de quantumversie hiervan.

Wetenschappers als Haldane zijn misschien onbegrijpelijk, maar via de keten van een theoretisch natuurkundige als Carlo en mijn werk als experimenteel natuurkundige maken we over enkele decennia misschien allemaal gebruik van Majorana’s in onze elektronica. Zo vinden abstracte ideeën hun weg naar toepassingen die het dagelijks leven ingrijpend veranderen, zoals de computer en het internet dat ook gedaan hebben.

Leo Kouwenhoven is universiteitshoogleraar aan de TU Delft en wetenschappelijk directeur van QuTech.

BOB BRONSHOFF 09_BRON

96 | New Scientist | december 2016

ype & ionica

december 2016 | New Scientist | 97

verwacht

Volgende maand in New Scientist Vanaf 15 december verkrijgbaar in de winkel en te lezen via Blendle

FOTOREPORTAGE BLIK VAN BOVEN Bekijk de aarde door de ogen van een astronaut.

NATALIE NICKLIN

DOSSIER METAFYSICA Wetenschappers storten zich op vragen die tot voor kort tot het exclusieve terrein van de filosofen behoorden.

RACE TEGEN DE KLOK PORTRET VAN EEN TAAL In de Negev-woestijn haasten wetenschappers zich om een nieuwe taal vast te leggen voordat die weer uitsterft.

DAVE SINAI

FOSSIELE BRANDSTOF EINDELIJK SCHOON Als we een eenvoudige chemische reactie weten te kraken, hoeven we misschien niet van onze verslaving aan fossiele brandstof af te kicken.

JACK HUDSON

Volg ons ook op Twitter twitter.com/ NewScientistNL Facebook facebook.com/ NewScientistNL

Ga voor het laatste wetenschapsnieuws naar newscientist.nl 98 | New Scientist | december 2016

breinwijZer vzw

i-brain een festival over

DAG VAN DE

hersenen

LUst& LieFde

over het mechaniek van de LieFde

WETENSCHAP

ZondaG 27 nov 13u — 18u Zebrastraat 32 Gent Gratis toeGanG inFo & proGramma:

breinwijZer.be

GEZOCHT DOORZETTERS M/V BEKLIM DE KILIMANJARO EN HELP OORLOGSKINDEREN

.nl/winterboek

Young Scientist Winterboek

Nieuw

€ 12,50

Nu in de boekhandel en via newscientist.nl/winterboek Wist je dat de huid van een ijsbeer zwart is? En dat Leiden eventjes de koudste plek van het heelal was? Na het succesvolle zomerboek brengt de redactie van New Scientist een wintereditie van het Young Scientist Vakantieboek, vol met wetenschappelijke weetjes, pittige puzzels en winterse plaatjes.

| Ideeën die de wereld veranderen