Scheuren en sliertjes

Snaartheorie werkt met minuscule sliertjes en opereert in elf dimensies. Theoretisch fysicus Brian Greene staat aan het front van deze uitheemse wereld en toont zich daarnaast een begenadigd popularisator.

Toen brian greene, de fysicus die ontdekte dat de ruimte kan scheuren, dertien was pakte hij van de bovenste plank van zijn vaders boekenkast een intrigerend dun boekje. Het was De mythe van Sysifus van Albert Camus. `Er is maar één echt serieus filosofisch probleem en dat is zelfmoord', begon de tekst. `Oordelen of het leven de moeite waard is om geleefd te worden is het beantwoorden van de belangrijkste vraag die er bestaat. De rest, of de wereld drie dimensies heeft, of de menselijke geest negen categorieën kent of twaalf, komt later wel.'

``Camus vraagt naar de zin van het leven en inderdaad: een grotere vraag is ondenkbaar', zegt Greene in de lobby van het Amsterdamse Hotel l'Europe. ``Maar zijn bewering dat al het andere daarbij in het niet zinkt, heeft me altijd gestoord. Dat kon niet waar zijn, dacht ik, Camus sloeg de plank mis. Hoe kun je weten wat leven is als je het heelal niet doorgrondt? Juist kennis van de arena waarbinnen het leven zich afspeelt voert je er dieper in binnen. Dat motiveert om dat van die drie dimensies en negen categorieën tot op de bodem uit te zoeken. Daar heb je wat aan. Inzicht in de wereld, in de sterren, in het heelal, verrijkt. Natuurkunde staat niet apart, het is oneindig meer dan een intellectueel speeltje, een aardigheidje voor de geest. Natuurkunde is overal, alles wat we ervaren is ermee doordrenkt. Natuurkunde is een passie, het raakt het hart.'

Brian Greene, hoogleraar theoretische natuurkunde aan Columbia University in New York en auteur van de populair-wetenschappelijke bestsellers The Elegant Universe en The Fabric of the Cosmos, was vorige week in Nederland. In het Paleis op de Dam was hij hoofdgast op een bijzonder levendig symposium waar een gezelschap van cultuurdragers en wetenschappers, in bijzijn van koningin Beatrix en onder leiding van Robbert Dijkgraaf, onbeschroomd de grote vragen van de kosmologie aan de orde stelde. Alles in het licht van de snaartheorie, een nog jonge overkoepelende beschrijving van alle natuurkrachten die vele beloftes in zich draagt, grote dynamiek uitstraalt maar niettemin tot op heden experimentele ondersteuning mist en om die reden én bewondering én scepsis oproept.

De Snaartheorie brengt de twee grote succestheorieën van de vorige eeuw, de Algemene Relativiteitstheorie van Einstein en de quantumtheorie, onder een noemer. Dat is een prestatie van formaat: altijd leek de kloof tussen die mastodonten onoverbrugbaar. Probleem is dat de wiskundige structuur van Einsteins gekromde ruimtetijd, die de zwaartekracht beschrijft, met geen mogelijkheid valt onder te brengen in het standaardmodel van de elementaire deeltjes. De snaartheorie, die sinds 1995 de wind in de zeilen heeft, speelt die unificatie klaar door niet met puntdeeltjes te werken (zoals elektronen of quarks) maar met minuscule trillende `elastiekjes', zo klein dat geen microscoop ze ooit in beeld zal brengen. Maar die aanpak heeft zijn prijs: hij werkt alleen in een wereld met elf dimensies. Wij stervelingen ervaren er vier; drie voor de ruimte en een voor de tijd, en dus zit er weinig anders op dan te veronderstellen dat de extra dimensies tot onooglijke proporties zijn `opgerold'.

``Snaartheorie is een tak van fysica die enorm in beweging is', zegt Greene. ``Als ik straks inlog op het preprint archive – ik heb nog een paar uur de tijd, New York slaapt nog – dan wachten daar de dagelijkse twintig à dertig papers en er zitten er altijd wel een paar bij die op jouw terrein liggen. De snelheid is overweldigend. Zelf houd ik me nu bezig met het mechanisme achter het oprollen van de extra dimensies, dat is nog altijd een groot raadsel. Ook onderzoek ik of kosmologie, bijvoorbeeld de achtergrondstraling in het heelal, kan dienen om de snaartheorie experimenteel te testen – ik kan er niet genoeg op hameren hoe cruciaal zo'n test is. Wellicht dat de Large Hadron Collider, een kolossale deeltjesversneller die in Genève in aanbouw is, over een paar jaar licht op de zaak werpt.'

Waar is de ruimte van gemaakt? Wat is tijd? Het zijn vragen die Greene niet loslaten. ``Ik wil weten of ruimte een soort water is. Is de ruimte opgebouwd uit een stroom kleinste deeltjes? Bestaat tijd echt of is het ontsproten aan de menselijke geest? Daar denk ik vaak over na en ik vermoed dat op die vragen antwoorden bestaan. Op kleine schaal, miljardsten van miljardsten van atoomafstanden, laat de gewone geometrie van losse punten die `aaneengeregen' een vlak vormen het afweten. Misschien leveren snaren een nieuwe geometrie, misschien moet een totaal nieuw idee uitkomst bieden. Gelukkig weet het vak de knapste studenten te trekken.'

Had u in plaats van populair-wetenschappelijk boeken te schrijven niet beter extra ontdekkingen kunnen doen?

Brian Greene: ``Schrijven kost tijd, zeker. Tijd die ik die in onderzoek had kunnen steken. Aan de andere kant: ik schrijf 's avonds. Wat er bij inschiet is filmbezoek, eten in een fancy restaurant. Overdag doe ik gewoon onderzoek. Sterker, het schrijven van populaire boeken komt mijn onderzoek ten goede. Je bent gedwongen de naakte basisideeën eruit te lichten, ontdaan van details, van wiskunde. Anders gaat het er bij de lezer niet in. Dat uitgangspunt brengt je vanzelf bij de belangrijkste vragen. Gaandeweg het schrijven van The Elegant Universe drong het tot me door hoe cruciaal het is de oerknal in snaartheorie te vatten. Door toedoen van dat boek is mijn onderzoek richting kosmologie verschoven.'

Wanneer besloot u fysicus te worden?

``Als kind was ik gefascineerd door wiskunde. Ik leerde vermenigvuldigen en delen en stond verbaasd dat je met een paar regels zaken kon uitrekenen die nooit iemand eerder had uitgerekend. Maar zodra ik op de high school besefte dat wiskunde niet alleen spel is maar de werkelijkheid kan beschrijven, dat wiskunde je dingen over de wereld zegt die op geen enkele andere manier zijn te achterhalen, ging ik om en koos voor natuurkunde. Wat hielp was dat mijn natuurkundeleraar een advanced class had voor leerlingen die méér wilden. We wierpen ons op problemen uit de echte wereld, losten ze op met pen en papier en gingen vervolgens naar buiten om te zien in hoeverre er een match was met het experiment. Zo openbaarde zich het wonder van het onredelijke succes van de wiskunde.

``Thuis waren creatieve uitingen het hoogste goed. Mijn vader was componist en zangleraar, mijn moeder dierenartsassistente. Mijn vader heeft de high school niet afgemaakt maar hij hield van de wiskunde die hij kende en leerde me als klein kind rekenen. In die zin stond hij aan het begin van het pad dat ik ben ingeslagen.'

Waarin schuilt de aantrekkingskracht van snaartheorie?

``Snaartheorie stelt de grootste vragen. Vragen die filosofen, theologen en gewone mensen al duizenden jaren beroeren. Wat zijn de fundamentele wetten in het heelal? Hoe begon het heelal? Hoe is het geëvolueerd tot de situatie van nu? Wat heeft de toekomst in petto? Het zijn de vragen die mij het meest boeien. Zonder de snaartheorie is er geen schijn van kans de Big Bang te leren kennen, omdat aan het begin van de tijd – wat dat ook precies betekenen mag – de bekende natuurwetten hun geldigheid verliezen. Alleen met een nieuw stel wetten is tot dat extreme domein door te dringen. Snaartheorie is daar geknipt voor.'

Wat is uw mooiste ontdekking?

``De meest verbazingwekkende was de mogelijkheid van het scheuren van de ruimte. In de Algemene Relativiteitstheorie kun je ruimte uitrekken, draaien, verwringen – maar scheuren gaat niet. Toen ik met twee collega's die vraag in het licht van de snaartheorie nog eens overdeed, vonden we dat scheuren wél kon. Waarna de herschikte ruimte zich weer aaneen rijgt, zonder dat er catastrofes, rampen of explosies aan te pas komen. De natuurkunde blijft er onaangedaan onder en vervolgt haar weg. Dat was een mooie vondst. Ontdekken dat de ruimte dingen kan uithalen die Einstein voor onmogelijk hield, geeft bevrediging.'

Dringt zo'n inzicht zich langzaam op of slaat de bliksem in?

``Eigenlijk bestaan er twee versies van scheurende ruimte, de een minder drastisch dan de ander. De minder drastische variant kwam langzaam, die ging gepaard met complexe berekeningen en het duurde maanden eer de programmatuur draaide. Bij de drastische variant daarentegen was het in een week beklonken. Een collega in Santa Barbara deed een ontdekking, ik las het, een postdoc van me las het en we beseften direct dat hier de sleutel lag naar het scheuren van de ruimte. We brainstormden een paar dagen, kregen ideeën, haalden die jongen van Santa Barbara erbij en werkten het zaakje in twee dagen uit. Dat was flink doorpezen. Ik weet nog hoe we 's nachts om twee uur het artikel op de preprint surfer deponeerden, het een uur later benauwd kregen – hadden we het niet te sterk gesteld? – en het artikel terughaalden, nog wat aan de tekst sleutelden en pas tegen zonsopgang opnieuw indienden. Dat zijn zware dagen, en heerlijk om mee te maken.'

Hoe belangrijk is concentratie?

``Alles draait om concentratie. Langere tijd de ingewikkeldste ideeën in je hoofd vasthouden, eraan rekenen en hergroeperen tot een nieuw patroon: het is een uitputtingsslag. Maar als er dan wat moois tevoorschijn komt voelt het alsof je de kracht van het menselijk intellect hebt blootgelegd. Is een probleem eenmaal op gang dan is ieder half uurtje meegenomen maar bij de start kun je nog zoveel kanten op, dan moet je er echt voor gaan zitten, urenlang. Het liefst trek ik me terug in de bibliotheek, meer dan potlood en papier is niet nodig. Thuis is er de stereo, de tv, de koelkast en op mijn kamer in het instituut staat de computer met e-mail. Allemaal afleiding die je absoluut moet ontvluchten.

``Heb je een uur of vier, vijf geconcentreerd zitten zwoegen, dan is het tijd je gedachten los te laten op collega's. Op Columbia hebben we een instituut voor snaartheorie en kosmologie, één grote ruimte met zes postdocs en mijn kamer er pal naast. Al pratend en kaatsend voor een schoolbord komen er nieuwe ideeën, waarna iedereen zijns weegs gaat om op eigen houtje door te denken. Enzovoort. Het sociale, interactieve aspect is van wezensbelang, we werken in groepen.'

Kunt u tijdens een project de snaren nog van u afzetten? Of bent u er dan dag en nacht mee bezig?

``Zit je er midden in, dan zit je eraan vast. Ideeën dringen zich continu op, zal ik dit, zal ik dat. Dat kan behoorlijk uitputtend zijn en een doorbraak laat soms lang op zich wachten. Het leven van een fysicus is vol verwarring. Die verwarring kun je maar beter koesteren, zo vaak dient zich die bevrijdende gedachte niet aan.'

Hoe belangrijk is wiskunde?

``Het begint met intuïties en ideeën. Maar het zetten van een volgende stap lukt alleen als dat idee heel precies is geformuleerd. Zonder wiskunde gaat dat niet, daar is geen ontkomen aan. Om berekeningen te kunnen maken werkt snaartheorie met nieuwe, soms hondsmoeilijke wiskunde. Daar valt nog heel wat op te helderen. Mocht de snaartheorie ernaast zitten, en die kans bestaat, dan nog is alle aandacht geen verspilde moeite geweest vanwege de wiskunde die ze heeft opgeleverd.

``Maar in het onderwijs moet je oppassen met wiskunde. Als de natuurkundeles bol staat van de wiskunde, dan is dat vragen om moeilijkheden. Veel leerlingen vinden wiskunde intimiderend. Of ze vinden het saai, of mechanisch. Onderwijs de onderliggende fysische ideeën. De grootste wiskundehater raakt enthousiast zodra je over het idee achter een zwart gat begint, zodra je het idee achter de oerknal aansnijdt. Dat enthousiasme moet je koesteren, technische details komen later wel. In mijn boeken doe ik niet anders, moeilijke zaken stop ik in eindnoten.'

Komt er een derde boek?

``Hoogstens een kinderboek, nóg veel lastiger om te schrijven maar dankbaar om te doen.'

Brian Greene. `The Fabric of the Cosmos: Space, Time and the Texture of Reality'.

Uitg. Knopf, New York, 2004. Geïll., 569 blz. ISBN 0 375 41288 3. Prijs: 28,95 euro.