Kreukels in het vacuüm

Vincent Icke: The force of symmetry. Geïll., 338 blz., Cambridge University Press 1995, ƒ 46,- (paperback). ISBN 0 521 45591 X

Neem een vers stuk aluminiumfolie, desnoods een gestreken tafelkleed, en zet het bij de uiteinden vast op een vlakke ondergrond. Druk vervolgens je vingertop op het midden en draai een weinig. Je zult zien dat het folie (textiel) onder je vinger onaangetast blijft - natuurkundig spreken liever van invariant - maar dat daarbuiten een stervorm aan kreukels ontspringt.

In al zijn eenvoud illustreert dit keukentafelexperiment de essentie waar het bij het samenspel tussen kracht en materie om gaat. Het is daarom dat Vincent Icke, kosmoloog te Leiden en Amsterdam, het in The force of symmetry heeft opgenomen. Bij wijze van uitzondering: het boek gaat over theorie en er komt verder geen proef aan te pas. Icke wil laten zien hoe het 'waar', 'wanneer' en 'wat' - maar niet het 'waarom' - samenkomen in de eigenschappen van het vacuüm. Dat vergt inzicht in de essentie van de relativiteitstheorie, de quantummechanica en wiskundige symmetrieën: hun onderlinge samenhang bepaalt de vreemde, tegen elk gezond verstand indruisende wereld van het allerkleinste.

Velponen

De proef met het folie is een illustratie van invariantie bij lokale rotatiesymmetrie. In de moderne theoretische natuurkunde speelt het begrip symmetrie een sleutelrol. Het gaat daarbij niet alleen om draaiingen in ruimte en tijd, het vacuüm bezit ook andere rotatieassen. Dat lokale houdt verband met de relativiteitstheorie van Einstein, die het 'waar' en het 'wanneer' koppelt en zegt dat niets sneller kan zijn dan de lichtsnelheid: 300.000 km/sec. Daarom is het onmogelijk de hele ruimte tegelijk een rotatie op te leggen, het kost tijd eer zo'n commando de buitengewesten bereikt. Instantane werking op afstand, een probleem waar Newton al mee worstelde, is een onmogelijkheid. Daarom nemen natuurkundigen genoegen met lokale symmetrieën, waarbij de hoeveelheid rotatie van plek tot plek in de ruimte-tijd (of waar dan ook) verschilt.

Het gevolg van de lokale rotatie van het folie is dat de ruimte onder de vinger ten opzichte van het geheel verwrongen is, zich uitend in de kreukels. Die zijn te vergelijken met de veldlijnen uit de tijd van Faraday - denk aan het patroon dat ontstaat door rond een magneet ijzervijlsel te strooien. Iedere lokale symmetrie produceert zijn eigen veld, en daarmee ook zijn eigen type kracht. Alleen zijn de continue velden van de klassieke natuurkunde verdreven door de 'alles-of-niets' gaugevelden van de quantum mechanica. Zo reageert het elektromagnetische veld op 'kreukels' door fotonen in het leven te roepen, waarbij de wisselwerking tussen twee elektronen wordt opgevat als het overzenden van zo'n lichtdeeltje.

Iedere kracht heeft zijn eigen 'lijmquanta' - door Icke velpons gedoopt - die de vacuümkreukels van de gaugevervorming dragen. Het netto effect van een kracht wordt in deze beschrijving bepaald door de optelsom van alle mogelijke velpon-uitwisselingen (visueel voor te stellen door Feynman-diagrammen) die de bijbehorende symmetrie toestaat. Hoogste tijd voor het motto van The force of symmetrie, ontleend aan quantumvader Niels Bohr: 'Zodra iemand beweert over quantumzaken te kunnen nadenken zonder duizelig te raken, heeft hij er niets van begrepen.'

Icke heeft tien jaar aan zijn boek gewerkt. De grafische vormgeving is van hemzelf: sinds enige tijd volgt hij de avondopleiding op de Rietveld-academie in Amsterdam. 'Natuurkunde is niet moeilijk, het is gewoon absurd', schrijft hij in zijn voorwoord. Dat komt omdat de menselijke intuïtie, toegerust om te overleven, ieder begrip van het allerkleinste en allersnelste hopeloos in de weg staat. Een normaal mens weigert te geloven dat het bij het meten van de lichtsnelheid niet uitmaakt als we de bron tegemoet reizen, dat licht (maar ook een elektron) een golf- én een deeltjeskarakter kan aannemen, dat God dobbelt. Natuurkunde is vereenvoudigen en dat geldt net zo hard voor het uitleggen van natuurkunde. Blijft staan dat door af te zien van wiskunde er preciesie verloren gaat. Toch verzet Icke zich met klem tegen de gedachte dat uitleggen aan niet-vakgenoten erop zou neerkomen dat je je als fysicus verlaagt. 'Zolang je er maar voor zorgt dat de lezer in een later stadium niets hoeft af te zweren.'

The force of symmetry houdt het midden tussen een leerboek en een popularisatie. Formules zijn zoveel mogelijk vermeden en waar ze opduiken zijn ze niet essentieel voor de lijn in het betoog. Icke mikt op aankomende studenten in de exacte wetenschappen maar tegelijk hoopt hij dat zijn boek op colleges voor gevorderde diensten kan bewijzen. De geïnteresseerde leek wordt niet het bos ingestuurd maar moet beseffen dat het eens niet over zwarte gaten gaat. De volhouder zal merken dat ook een boek zonder 'Einstein' in de titel, zonder hocus pocus over quantummechanica en Zen, en zonder human interest de moeite waard kan zijn. Wel moet hij zijn hersens erbij houden: eenmaal uitgelegd volgt verderop in het boek geen herhaling, al is een handzaam glossarium toegevoegd. 'Misschien,' zo plaagt Icke, 'ontkom je er zelfs niet aan het te herlezen.'