Asymptotische vrijheid

Is het u ook opgevallen dat het IQ van een reisgezelschap een flink aantal punten lager ligt dan het gemiddelde van de leden? Het lijkt alsof toeristen, voordat ze in de bus stappen, ook hun intellectuele bagage moeten afgeven. Dwaalt een individuele bezoeker van het Rijksmuseum nog vrij door de zalen van schilderij tot schilderij, als groep loopt men slaafs achter de gids aan, met oogkleppen op rechtstreeks naar de Nachtwacht en terug. De kracht om zich te conformeren wordt sterker naarmate de groep groter is. Pas in de limiet van de eenpersoonsgroep wordt de ultieme vrijheid gevonden, waarbij we ons kunnen afvragen of dat laatste niet een illusie is, want zijn we ooit helemaal alleen?

Van deze observatie, dat het gedrag van een groep afhangt van de grootte, zullen sociologen of historici niet van hun stoel vallen. Er spelen immers totaal andere processen op het niveau van tien, tienduizend of tien miljoen mensen. Maar wat heeft dat effect te maken met de Nobelprijs voor de fysica, die op 10 december zal worden uitgereikt aan de Amerikanen David Gross, David Politzer en Frank Wilczek voor hun ontdekking van de `asymptotische vrijheid' van kerndeeltjes?

U weet het, anders dan in de zachte sociale wetenschappen, staan de wetten van de harde natuurwetenschappen in graniet gebeiteld. Ze zijn weliswaar niet persoonlijk door het Opperwezen op een bergtop uitgereikt, maar fysici weten soms wel die indruk te wekken. Neem zoiets fundamenteels als de lading van een elektron. Deze kan uitgedrukt worden in een natuurconstante, die door bèta's liefkozend (en zonder enig sarcasme) alfa wordt genoemd. Alfa is ongeveer gelijk aan 1/137 en is een absolute maat voor de sterkte van de elektrische kracht.

Waarom 137 en geen andere mooi getal? Dat is een vraag waar velen zich het hoofd over hebben gebroken. Toen de eerste metingen nog op 136 leken uit te komen, had de Engelse astronoom Sir Arthur Eddington daar een prachtig, maar allang weer vergeten argument voor. Eddingtons reputatie was vlekkeloos; zijn observaties van de afbuiging van sterrenlicht door de zon hadden Einstein en zijn relativiteitstheorie gelanceerd. Maar toen de metingen van 136 naar 137 opschoven, was Eddington flexibel genoeg om die extra één ook snel in zijn redenering te vinden. Sindsdien stond hij bekend als Sir Arthur Adding-One. Ook onder getallenmystici blijft die 137 een geliefkoosd onderwerp van speculatie. Zelfs de fysicus Wolfgang Pauli, niet vies van metafysische uitstapjes, heeft vruchteloos getracht het raadsel van 137 te doorgronden – tot zijn dood, in kamer 137 van een Zwitsers ziekenhuis.

Alfa is nu een van de meest nauwkeurig bepaalde natuurkundige grootheden, om `precies' te zijn is het 1/137,03599911. Maar de vraag naar de diepere betekenis is geen goede vraag gebleken. Net zoals het IQ van een groep toeristen, hangt het er namelijk maar helemaal van af op welk niveau je de vraag stelt.

Dit komt door de `onlogische' wetten van de quantumtheorie, waar alles mag, mits je het maar snel genoeg doet, voordat het kan worden waargenomen. Ik noem dat graag het gedoogbeleid van de natuur, iets dat ons Nederlanders bijzonder moet aanspreken. Zo is een elektron bijvoorbeeld nooit echt helemaal alleen. Het mag heel even een lichtdeeltje uitstralen, op voorwaarde dat het dat ook weer snel opvangt. Zoals een kind snel het slaapkamerlampje aan- en uitdoet, zonder dat de ouders het zien. En daar blijft het niet bij, want dat lichtdeeltje mag in zijn korte leven weer vervallen in andere deeltjes, die op hun beurt... etc. etc. Uiteindelijk vormt zich zo een wolk van kortlevende spookdeeltjes om het elektron heen. Die wolk dekt als een isolerende deken het oorspronkelijke `kale' elektron af, waardoor we van veraf slechts een afgezwakte versie zien. Dringen we dichter in die quantumwolk door, dan wordt meer lading zichtbaar en de elektrische kracht sterker.

Die raadselachtige alfa is daarmee helemaal niet een constante, maar `loopt' zoals fysici graag zeggen. Geen visioenen van graniet dus, maar eerder van overrijpe Franse kaas. De enorme deeltjesversneller in CERN is de sterkste microscoop op aarde en die kan het diepst onder de wolkendeken kijken. In die tunnel onder de grond in Genève is alfa dan ook niet ongeveer 1/137 maar 1/127,934. Dat is dan ook direct de ultieme ontgoocheling van alle getallenmystiek.

Dus niet alleen in de sociologie maar ook in de fysica hangen processen af van de schaal waarop je de wereld beschouwt. Als u net als Alice in Wonderland een flesje op tafel zou zien staan met de opdracht `drink me', en als u vervolgens na een slok genomen te hebben ook opeens heel klein zou worden, dan zou de wereld niet alleen heel groot lijken, maar zouden de natuurwetten ook zijn veranderd.

Nu die Nobelprijs. De verrassende vondst van de laureaten van dit jaar was dat dit effect net omgekeerd is bij quarks, de elementaire deeltjes die in een atoomkern leven. Daar maakt de wolk van spookdeeltjes het alleen maar erger. Hoe verder weg de quarks uit elkaar proberen te gaan, des te groter de aantrekkingskracht die ze voelen. De quarks zijn daarmee voor eeuwig aan elkaar geketend. Alleen als je diep in de kwantumwolk doordringt, dan verdwijnt alle lading. Quarks zijn dus een beetje als die toeristen in het museum. Voor eeuwig gevangen in de kern vinden ze alleen op de allerkleinste afstanden, in hun strikt persoonlijke domein, de complete vrijheid. Maar omdat die situatie goedbeschouwd nooit echt bereikt kan worden, noemen fysici het een `asymptotische' vrijheid. Misschien moeten we die term ook maar voor onszelf gebruiken.

Sinterklaas is de drie prijswinnaars in ieder geval goed gezind, want de cruciale berekening was al een jaar eerder door Gerard 't Hooft gedaan, hoewel hij de gevolgen niet volledig doorzag. Daarmee past 't Hooft in een rijtje van illustere wetenschappers die eigenlijk alles al wisten. Een bekend voorbeeld was de Noor Lars Onsager, Nobelprijswinnaar in de chemie in 1964. Als iemand hem het laatste wetenschappelijke nieuws vertelde, keek hij even in zijn bureaulade. Na wat geritsel in de papieren, zei hij dan: Ja, dat klopt.

Het is goed gebruik ieder jaar op te merken dat het merendeel van de Nobelprijzen in de exacte vakken naar Amerikanen gaat, dit tot schande van de rest van de wereld. Dit jaar wil ik daar twee kanttekeningen bij plaatsen, allebei met een licht politieke lading. Allereerst valt weer eens op, zeker met de eerste twee Israëlische prijzen (in de scheikunde), hoe onevenredig veel prijswinnaars een joodse achtergrond hebben. Natuurkundigen hebben daar een flauw grapje over. Kent u het antiuniversum? Daar worden de antikrachten tussen de antideeltjes van de antimaterie bestudeerd door antisemieten.

Ten tweede, de families van zowel Gross, Politzer als Wilczek zijn pas in de loop van de twintigste eeuw naar Amerika gekomen, allemaal als arme immigranten uit Oost-Europa. Deze drie briljante fysici, die het geheim van één van de vier natuurkrachten ontsloten hebben en daar aanstaande vrijdag de hoogste eer voor ontvangen, zijn dus bovenal allochtonen.