Asociale deeltjes

Uiteindelijk bestaat de hele wereld uit elementaire deeltjes. Maar ook als je alles weet van zo’n deeltje, dan begrijp je eigenlijk nog niets volgens natuurkundige Rembert Duine (1975). Hij is universitair docent bij het Instituut voor theoretische fysica van de Universiteit Utrecht.

Het geheel is meer dan de som der deeltjes?

„Iedereen weet dat er nieuwe dingen kunnen gebeuren als je de som van de delen bekijkt. Neem de psychologie. Die onderzoekt hoe één mens in elkaar zit. Daarnaast gaat het in de sociologie om de maatschappij, om veel mensen bij elkaar. Uit het gedrag van één persoon kun je niet voorspellen wat er bijvoorbeeld gebeurt bij een brand in een volle zaal.

„Zo heb je in de natuurkunde degenen die de eigenschappen bekijken van de meest fundamentele bouwstenen, de bekende deeltjes die ze onder meer bij het CERN in Genève onderzoeken. Je zou denken: als je nou maar de kleinste deeltjes begrijpt dan weet je toch wel alles. Maar in werkelijkheid weet je dan nog niets van de principes die het gedrag van veel deeltjes bij elkaar beschrijven.”

Wat voor principes zijn dat dan?

„Iets als temperatuur ontstaat pas bij meerdere deeltjes. Neem een watermolecuul. In zijn eentje is dat nog geen water. Alleen als je er een heleboel van hebt, krijg je iets waar je op kunt schaatsen of varen. Iets met een temperatuur, een oppervlaktespanning. Die hangen samen met hoe snel de moleculen met elkaar bewegen, en hoe dicht ze op elkaar zitten.”

En er bestaan sociale en asociale deeltjes?

„Zo noem ik het. Alle deeltjes die we kennen zijn ofwel bosonen ofwel fermionen. Bose was een natuurkundige en Fermi ook. Lichtdeeltjes, fotonen, zijn bijvoorbeeld altijd bosonen, en elektronen zijn altijd fermionen.

„Bosonen zijn de sociale deeltjes: ze doen graag hetzelfde, hebben graag dezelfde energie of snelheid. Maar twee fermionen dezelfde snelheid geven is onmogelijk. Dat zijn de asocialen. Het verschil kun je het duidelijkst zien bij experimenten met heel koude atomen, die vlakbij het absolute minpunt van -273 graden gebracht worden. Verlaag je de temperatuur dan worden de gemiddelde energie en snelheid van deeltjes altijd lager. Bij bosonen ontstaat dan een dicht, klein wolkje, maar bij fermionen houdt dat bij een bepaalde grootte op. Ze willen niet zo dicht op elkaar.”

Hebben we er iets aan?

„Nou, zonder fermionisch gedrag zouden bijvoorbeeld een tafel en een voorwerp dwars door elkaar heen gaan. Fermionen houden de boel letterlijk bij elkaar.

„En het interessante gedrag van meer deeltjes ligt ook ten grondslag aan elektrische geleiding en magnetisme. Zonder dat zou de IT-sector niet bestaan. Transistoren, harde schijven, de iPod. Maar het is lastig onderzoek. Vaak gaat het om ongelooflijk veel deeltjes: een 1 met 24 nullen. Daarmee rekenen is moeilijk.”

Liesbeth Koenen

Zondag spreek dr. Rembert Duine over ‘De magie van meerdere deeltjes’. 14.30 u. Universiteitsmuseum Utrecht.