De som der 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. In de natuurkunde heb je degenen die de eigenschappen bekijken van de meest fundamentele bouwstenen, de deeltjes die ze onder meer bij het CERN in Genève onderzoeken. Je zou denken: als je de kleinste deeltjes begrijpt, dan weet je 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?

„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 z’n allen 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 bosonen en elektronen zijn fermionen. En om het ingewikkeld te maken: een aantal fermionen die samen een molecuul vormen, gedragen zich altijd als een boson.

„Bosonen zijn de sociale deeltjes: ze doen graag hetzelfde, hebben graag dezelfde energie of snelheid. Maar twee fermionen dezelfde snelheid geven is over het algemeen onmogelijk. Dat zijn de asocialen.

„Het verschil kun je het duidelijkst zien bij experimenten met heel koude atomen, die vlakbij het absolute nulpunt van min 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 (voor kenners: een Bose-Einsteincondensaat), 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 razend 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.”

Zondag spreekt dr. Rembert Duine over ‘De magie van meerdere deeltjes’. 14.30 u. Universiteitsmuseum Utrecht, Lange Nieuwstraat 106. Toegang: museumkaartje. Reserveren via museum@uu.nl