Natuurkunde; Vorderingen onder extreme condities

H.B.G. Casimir (1909) was directeur van Philips Natuurkundig Laboratorium en van 1973 tot 1978 president van de Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen

"Wanneer je de natuurkunde in ons fin-de-siècle vergelijkt met die uit het vorige, dan zie je in de eerste plaats een groot kwantitatief verschil. Het aantal beoefenaren is geweldig toegenomen. Een van mijn medewerkers heeft eens op halflogaritmisch papier de volumegroei van de jaargangen van de Physical Review uitgezet. Dat gaf een keiharde rechte lijn en als je die extrapoleert, dan blijkt dat het tijdschrift over een paar honderd jaar zwaarder weegt dan de aarde. Die groei kan bezwaarlijk in hetzelfde tempo doorgaan.

"Inhoudelijk zie je dat in de huidige natuurkunde, net als die aan het eind van de vorige eeuw, een aantal zaken een zekere afsluiting hebben bereikt. Dat geldt bijvoorbeeld voor de quantummechanica, die nog altijd verschrikkelijk succesvol is. Nu is het natuurlijk verraderlijk om te zeggen dat iets een afsluiting heeft bereikt, want de les van de quantummechanica is juist dat er uit een onverwachte hoek ineens problemen kunnen rijzen die tot een complete revolutie leiden. De klassieke fysica leed schipbreuk op de warmtestraling van zwarte lichamen. Wat een klein probleem leek, bleek in werkelijkheid een fundamenteel probleem en dat leidde uiteindelijk tot de formulering van de quantummechanica. Je kunt nooit uitsluiten dat iets dergelijks opnieuw gebeurt.

"Toch denk ik dat het wiskundig formalisme van de quantummechanica in grote trekken goed zal blijven. Spectra zul je heus wel op dezelfde manier blijven uitrekenen als je nu doet. Misschien zullen er wat kleine veranderingen in de formulering komen, meer niet.'

"Iets anders ligt het met de interpretatie van de quantummechanica. Ik heb het gevoel dat de mensen daar over een jaar of tien, wanneer ik er waarschijnlijk niet meer ben, iets anders over zullen praten dan nu. In de wereld van de theoretici wordt het nog steeds als ketterij beschouwd om aan de Kopenhaagse interpretatie te twijfelen. Maar het is wel een ketterij die steeds meer in de mode komt.

"Mensen als Einstein en Bell zeggen: de quantummechanica is onvolledig. Bohr werpt tegen dat zij zo volledig is als ze redelijkerwijs kan zijn. Dat is in de praktijk een vruchtbare houding gebleken. Experimenteel is er bijvoorbeeld nog geen enkele aanwijzing dat de beschrijving van de quantummechanica niet zou kloppen. Je moet al in de kernen en subnucleair gaan kijken eer je op onbekend terrein stuit. Op dat niveau zijn de experimenten natuurlijk veel minder talrijk: onze kennis berust daar vaak maar op enkele tientallen gebeurtenisen. Er is altijd een kans dat daarbij op den duur iets compleet nieuws te voorschijn komt.

"Een open vraag voor mij is of, en zo ja in hoeverre, de quantummechanica ook de werking van onze hersenen kan beschrijven. Veel fysici zullen zeggen dat er niets aan de hand is. Ik ben daar minder zeker van. Nu zullen mijn fysische collega's wel roepen: die man wordt een beetje oud en begint te praten als een mysticus. Goed, all right. Maar ik sluit toch niet uit dat daar nog verrassende dingen aan het licht zullen komen.'

"Als we nu nog even verder in de theoretische natuurkunde rondkijken, dan zijn er nog enkele dingen niet helemaal bevredigend. Bij de unificatie van natuurkrachten heb je bijvoorbeeld die renormalisatie, het wegmoffelen van oneindigheden. Dat is wiskundig gezien niet erg mooi. Er is weliswaar ook hier een verbluffend goede overeenstemming met de experimentele waarnemingen, maar ik kan me voorstellen dat mensen daar in de toekomst toch niet tevreden mee zullen blijven en iets anders zullen verzinnen.

"Als we nu kijken naar de experimentele kant, dan zien we dat veel ontdekkingen in de afgelopen eeuw zijn gedaan op de uiterste grenzen van het experimenteel haalbare. Leuke nieuwigheden doen zich meestal voor onder extreme condities en ik voorzie dan ook, dat de jacht daarop in de toekomst volop door zal gaan.

"Wat de lage temperaturen betreft is er al veel bereikt, maar er kunnen daar best nog de nodige verrassingen in het verschiet liggen. Het is tegenwoordig geen enkel punt meer om tot op een micrograad boven het absolute nulpunt te komen. Vergeleken met hogere temperaturen is het indrukwekkend wat er in het lagere-temperatuurgebied is bereikt.'

"De mens voelt zich behaaglijk bij een kamertemperatuur van ongeveer 300 kelvin. In de natuur zijn de temperaturen zelden extremer dan plus of min 40 graden Celsius. In zijn lange geschiedenis is de mens al vrij vroeg begonnen om het temperatuurbereik naar de hoge kant op te schroeven. Primitieve beschavingen konden al vlug eten koken, en met pottenbakken is men ook rap aan de slag gegaan. Toen kwam de metallurgie met brons en daarna die met ijzer, een paar duizend graden was al snel bereikt.

"Het heeft lang geduurd eer de mens met de temperatuur ook naar beneden kon. Goed, hij kon ijs opsparen of uit de bergen halen. En hij wist ook al vrij vroeg dat je kouder ijs kon maken door er zout op te strooien. Maar daarmee was hij toch aan het eind. Tegenwoordig is dat eigenlijk helemaal omgedraaid, want in factoren gezien winnen de lage temperaturen het duidelijk van de hoge. Een temperatuur van 1 milligraad is 300.000 keer lager dan kamertemperatuur. Om naar de bovenkant even ver te komen zou je bij de honderd miljoen graden moeten zitten, en dat is nog heel wat meer dan we voor kernfusie nodig hebben.

"Een tweede extreem gebied waar erg veel vorderingen werden gemaakt is de vacuümtechniek. Toen ik in Leiden werkte, vond je een druk van een miljoenste millimeter kwik al iets heel moois. Tegenwoordig zijn vacua van een miljardste of een tienmiljardste millimeter kwik heel normaal. Zulke hoge vacua bieden de mogelijkheid om met veel schonere oppervlakten dan voorheen proeven te doen. Veel oppervlaktefysica van tegenwoordig is alleen mogelijk dank zij een heel goede vacuümtechniek.

"Voor het beste vacuüm kun je natuurlijk ook terecht in de ruimte. Je hoeft op de maan het raam maar open te zetten en je krijgt een volmaakt vacuüm, maar of het zinvol zal zijn om laboratoriumsatellieten voor onderzoek de ruimte in te schieten, betwijfel ik. Ik denk dat je op aarde de boel ook vrij aardig vacuüm kunt trekken en vind dat we het daar voorlopig maar mee moeten doen.

"Praat je over heel hoge temperaturen, dan heb je het al snel over kernfusie. De zon is een fusiereactor die al een poos uitstekend werkt, en zonder enig toezicht. Toch loopt hij helemaal niet regelmatig, met al die protuberanties, solar flares en wat dies meer zij. Mischien is dat een waarschuwing. Wie weet is een fusiereactor helemaal niet zo'n tam dingetje als we nu denken. Misschien moeten we de Icaruslegende niet opvatten in de zin dat we niet te dicht bij de zon moeten komen, maar dat we de zon niet te dicht bij huis moeten halen.

"Dan is er een geweldige voortgang geboekt in de gevoeligheid van metingen. Hele zwakke magnetische velden bijvoorbeeld, die kun je nu vele machten van tien preciezer en gevoeliger meten dan vroeger. Die meetgevoeligheid zal in de toekomst ongetwijfeld nog sterk vooruit gaan.

"In de meettechniek worden ook steeds belangrijker de hele korte tijdmetingen, de nanoseconde techniek. Ook daar verwacht ik grote vorderingen en belangrijke resultaten. Daarnaast kun je hoe langer hoe meer proeven doen met hoe langer hoe kleinere dingen. Eerst lag er bij chips een grens bij laten we zeggen 1 micron. Dat is ongeveer de golflengte van het licht - wordt het kleiner dan kun je het niet meer goed zien.

"Die grens is nu ruimschoots overschreden. Men kan tegenwoordig al proeven doen met afzonderlijke atomen. Was er vroeger nog een duidelijk scheiding tussen de atomaire en de macroscopische wereld, tegenwoordig zie je dat die scheiding eigenlijk wegvalt. Dat betekent dat het quantum hoe langer hoe meer naar voren komt in tastbare experimenten.

"Veel progressie zit er in de rekenkracht van computers. Er bestaat nu al een discipline die computational physics heet en waarin allerlei modellen worden doorgerekend. Persoonlijk heb ik me daar nooit zo mee bezig gehouden, omdat ik het niet leuk vind. Dat is een kwestie van persoonlijke smaak, ik ben om zo te zeggen van een vorige generatie. Ik heb liever een eenvoudig stukje wiskunde waar je op een velletje papier aan kunt rekenen en waar iets uitkomt dat je nog met de werkelijkheid in verband kunt brengen ook. Daar heb ik meer plezier aan dan wanneer er een machine aan het werk moet worden gezet. Dat wil overigens niet zeggen dat ik het belang van computers niet inzie. Je kunt goed verdedigen dat de computer je, doordat je niet alles meer hoeft uit te cijferen, meer tijd geeft om na te denken.'

"Kijken we tot slot naar de ontwikkelingen in de techniek. Wat de informatietechnologie betreft zet de elektronica zich ongetwijfeld nog lange tijd door. Na de eerste vlaag aan het begin van de eeuw zitten we nu in de tweede, begonnen met de transistor. Voorlopig zie ik daar geen einde aan komen. Hetzelfde geldt voor de miniaturisering, alhoewel ik niet geloof dat er nog echt heel veel behoefte bestaat om nog kleiner te gaan. We kunnen al zo veel op de schaal waarop we nu werken.

"Dan de energietechnologie. Kernfusie wordt altijd op een halve eeuw gesteld en daar sluit ik me bij aan. Ik sluit niet uit dat er nog eens een belangrijke doorbraak komt, maar ik voorzie niet dat je nog eens fusiereactoren zult krijgen in je auto of je stofzuiger.

"Persoonlijk hoop ik nog altijd op een grootschalige toepassing van zonne-energie. Maar dan ook echt grootschalig, met vierkante kilometers zonnecellen. De efficiency hoeft niet eens zo hoog te zijn, als je maar oppervlakte hebt. De Sahara is groot en er is daar genoeg silicium. Als je de hele woestijn zou bedekken met zonnecellen met een rendement van tien procent, dan kun je daar heel aardig mee voort. En als de Arabische olie op is, kan men daar ook zonnecellen plaatsen. Daar is behalve olie eigenlijk ook alleen maar zon en zand. Of het ook echt zal gebeuren weet ik niet, maar ik heb er nog altijd hoop op. Voor onze levensstijl maakt het overigens niet bijster veel uit.

"En dan hebben we nog de stoftechnologie: nieuwe substanties en materialen. Constructiematerialen, gewapende plastics, koolstofvezels, composite materials. Dat zet zich op het moment niet allemaal zo vreselijk hard door, maar dat kan in de toekomst veranderen. Hetzelfde geldt voor de hoge-temperatuur supergeleiders. Als je echt een stof krijgt waar je lekkere kabels van kunt maken en die bij kamertemperatuur, of liever nog bij 50 ºC, suprageleidend is, dan geeft dat geweldige toepassingen. Ik heb lang gedacht dat het er niet inzat. Maar de sprong naar 90 kelvin van enkele jaren geleden is zo groot en zo onverwacht, dat ik niet inzie waarom er niet nog eens zo'n sprong zou kunnen komen. En dat zou denk ik toch wel binnen 50 of 100 jaar moeten kunnen.

"Aan de groei van onze fysische kennis komt voorlopig geen eind, maar ik denk wel dat er grenzen aan het kenbare zijn. Zo vraag ik me af hoe realistisch onze speculaties over de de oorsprong van het heelal werkelijk zijn. De Big Bang is een mooi model, maar met onze prachtige waarnemingstechnieken kunnen we toch eigenlijk niet meer dan een klein hoekje van het heelal bestrijken en vatten. Of dat echt genoeg is voor een goed begrip van de kosmologie, waag ik wel eens te betwijfelen.

"Daarnaast geloof ik niet dat de andere wetenschappen te reduceren zijn tot fysica. In elk geval de historische wetenschappen niet, en ook niet vakken als de vergelijkende linguïstiek. En het menselijk bewustzijn, waar ik zonet al even op zinspeelde, is naar mijn mening al helemaal niet herleidbaar tot natuurkunde.'