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

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?

Door George van Hal

Donderdag 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 kijkcijferkanon 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

‘Het standaardmodel lijkt compleet, nu we eindelijk het laatste puzzelstukje gevonden hebben’

DE KEUZEDIJKGRAAF VAN

‘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.

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’

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.

Ruimtetelescoop Kepler onthulde het bestaan van bijna vierduizend exoplaneten

NASA/AMES

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 al-

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

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 ideeen 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 beschikbaar 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.’