Wondere ruimtetijd in tien dimensies

Ioannis Papadimitriou promoveert vandaag in Amsterdam op een bijdrage aan een overkoepelende theorie van alle natuurkrachten.

De Oude Lutherse Kerk van Amsterdam, tevens aula der universiteit, is een ordentelijk gebouw aan het Singel dat volkomen is ingebed in de wereld van het alledaagse. Het onderwerp van het proefschrift dat Ioannis Papadimitriou er vandaag verdedigt is dat allerminst. Dat speelt in een tiendimensionale ruimtetijd en slaat een wonderbaarlijke, veelbelovende brug naar een vierdimensionale quantumwereld zonder zwaartekracht. Moderne natuurkunde vergt grote verbeeldingskracht.

,,Ik houd me bezig met snaartheorie'', zegt Papadimitriou in zijn werkkamer in het Instituut voor Theoretische Natuurkunde op het Amsterdamse Roeterseiland. Aan de muur bloemen van Picasso, het bord is volgekalkt met flarden formules. ,,Snaartheorie overkoepelt de twee monumentale theorieën van de 20ste eeuw: de quantumtheorie en de algemene relativiteitstheorie van Einstein, een theorie van de zwaartekracht. De eerste beschrijft de wereld van het allerkleinste, van atomen en elektronen en quarks, de tweede is juist werkzaam op kosmische schaal. Beide theorieën zijn experimenteel tot in den treure bevestigd. Tegelijk bijten ze elkaar. Hun wiskundige structuur verschilt hemelsbreed, ze zijn niet onder één noemer te brengen.''

Snaartheorie is een quantumzwaartekrachtstheorie die beide werelden in zich sluit. In de snaartheorie zijn de elementaire bouwstenen minuscule trillende elastiekjes. De theorie werkt alleen in een wereld van tien dimensies, de tijd inbegrepen. Zes van die dimensies zijn tot micro-proporties `opgerold'. De theorie is nog lang niet af. Nog altijd ontbreekt het aan een onderliggend principe en omdat de theorie met extreem kleine afstanden en extreem grote energieën werkt, is experimentele verificatie een heksentoer. Onbegonnen werk, aldus sceptici.

Wereldwijd houden zo'n tweeduizend natuurkundigen en wiskundigen zich actief met snaartheorie bezig. Voor Papadimitriou, geboren en getogen in Athene, zit de aantrekkingskracht hem in het uiterst fundamentele karakter van de theorie. ,,Snaartheorie combineert natuurkunde en wiskunde tot het uiterste'', zegt hij. ,,Het is een bruisend onderzoeksgebied met vele witte plekken, er valt nog van alles te doen. De wiskunde die er aan te pas komt is heel mooi. Ook als om wat voor reden dan ook blijkt dat de natuur snaartheorie niet wil, dan blijft de wiskunde die er speciaal voor is ontwikkeld vierkant overeind. Die kan niemand uitvlakken.''

Papadimitriou (27) is van jongs af aan gefascineerd door theoretische fysica. Na zijn middelbare school in Athene werd hij undergraduate op Imperial College in Londen, om in 2000 zijn promotieonderzoek te beginnen in de snarengroep in Pennsylvania. Daar publiceerde hij met zijn begeleider drie artikelen in vier maanden op het gebied van snaarfenomenologie. Niettemin kreeg hij behoefte aan een nieuw onderwerp. Toen hij in het kader van een uitwisselingsprogramma najaar 2002 in Princeton terecht kon en onder de hoede van landgenoot Kostas Skenderis kwam, switchte hij naar een bijzondere correspondentie (dualiteit) tussen een bepaald type snaartheorie en een quantumveldentheorie. Het betekent dat je via snaartheorie een aspect van quantumveldentheorie kan bestuderen en andersom. Werelden van tien en vier dimensies, die hemelsbreed van elkaar lijken te verschillen, zijn bij nader inzien toch nauw aan elkaar verwant. Biedt de ene wereld koppig verzet, dan val je de ander aan en wie weet bereik je via de omweg van de dualiteit alsnog je doel. In zijn proefschrift ontvouwt Papadimitriou een nieuwe methode om deze dualiteit te benutten en past deze toe op specifieke situaties, waaronder zwarte gaten.

Amsterdam kwam in beeld toen Kostas Skenderis in het voorjaar van 2003 samen met Princeton-collega Erik Verlinde (tweelingbroer Herman bleef New Jersey trouw) de overstap naar de hoofdstad maakte om de snarengroep aldaar te versterken. Ioannis Papadimitiou ging mee. ,,De Amsterdamse groep is één van de sterkste van Europa'', zegt hij. ,,Robbert Dijkgraaf had een paar maanden tevoren met Cumrun Vafa van Harvard een belangrijke doorbraak geforceerd. De gelegenheid om in Amsterdam aan de slag te gaan greep ik dus met beide handen aan. Kostas bleef begeleider, Jan de Boer werd mijn promotor.''

Wat Papadimitriou ook in Amsterdam aanspreekt is de goede sfeer, de levendige contacten en de vele seminars. ,,In Pennsylvanië waren de verhoudigingen veel competitiever, in negatieve zin wel te verstaan. En Amsterdam is gewoon een leuke stad. We zitten op het Roeterseiland midden in het centrum, overal in de buurt zijn cafés en eethuisjes. Ik heb in de weekenden regelmatig met Kostas in het instituut overlegd, en dan was het heerlijk om ergens aan de Amstel te gaan lunchen. Ook ben ik met Kostas naar de Melkweg geweest. Princeton is qua fysica prima maar het blijft een dorp.''

    • Dirk van Delft