‘Perfectie is een illusie van de theoretische natuurkunde’

Natuurkunde

Theoretisch natuurkundigen zoeken naar een harmonieuze samenhang die alles verbindt. Maar de werkelijkheid is lelijk; wen daar maar aan, zegt Sabine Hossenfelder.

Foto Getty Images

Door een obsessie met schoonheid en ‘natuurlijkheid’ blijft de theoretische natuurkunde hangen in oude ideeën en theorieën, eindeloos vertimmerd tot steeds esoterischer maar ook betekenislozer gedaantes.

Dat schrijft de Duitse theoretisch natuurkundige Sabine Hossenfelder (42), die haar collega’s ongemeen kritisch onder vuur neemt in ‘Lost in Math: how beauty leads Physics Astray’ (Basic Books, juni).

Ja, het standaardmodel, de theorie die we nu hebben, is lelijk en onnatuurlijk, maar werkt prima, is haar boodschap. Wen er maar aan, en richt je op echte natuurkundige problemen.

Het standaardmodel is de wiskundige beschrijving van het gedrag van elementaire deeltjes zoals elektronen, quarks, en andere deeltjes die kortstondig ontstaan als deeltjes hard op elkaar botsen. Dat gebeurt bijvoorbeeld in de Large Hadron Collider (LHC), de 27 kilometer grote ringvormige deeltjesversneller bij Genève.

Uit de wegschietende brokstukken van zulke botsingen is te reconstrueren wat voor deeltjes bij zulke botsingen een fractie van een seconde ontstaan, hoe ze vervallen tot stabielere deeltjes, en welke wetten ze daarbij gehoorzamen.

Zo werd 2012 na jaren meten het bestaan van het Higgs-boson aangetoond, het laatste nog ontbrekende deeltje van het standaardmodel. Die theorie werd ontwikkeld in de jaren zeventig door onder andere de Nederlandse Nobelprijswinnaars Gerard ‘t Hooft en Martinus Veltman.

De theorie voorspelt de uitkomsten van experimenten met hoge precisie, maar oogt onaf en onnatuurlijk, vinden veel natuurkundigen. Maar in de zoektocht naar iets beters, iets mooiers, iets completers, zijn ze sindsdien geen steek verder gekomen, betoogt Hossenfelder. Erger nog: door academische kartelvorming en fixatie op publicaties en citaties kúnnen onderzoekers mislukte theorieën zoals supersymmetrie en snaartheorie niet eens meer verlaten.

Wie na die beschrijving een drammerige waslijst aan beschuldigingen verwacht, komt bedrogen uit. ‘Lost in Math’ is een afwisseling van natuurkunde-uitleg, geestig beschreven persoonlijke twijfels, en interviews met grote namen, vaak mensen die het wél gemaakt hebben in de natuurkunde, zoals de Amerikaanse éminence grise Steven Weinberg. „Een man die niet met maar tegen je praat. En, laat me je vertellen, hij praat als een boek, bijna drukklaar.”

Zelf hoort Hossenfelder, duidelijk niet bij die eredivisiespelers. Na jaren onderzoek in de quantum-zwaartekracht heeft ze nog altijd geen hoogleraars-stoel of vaste positie weten te bemachtigen, en ze is niet de enige. ‘De mislukte generatie’ noemt ze haar eigen lichting, die ondanks intellectuele acrobatiek met het multiversum, snaartheorieën en verborgen ruimtedimensies nauwelijks verder gekomen is met het verklaren van de fundamentele natuurwetten, of het doen van succesvolle voorspellingen. En meestal trouwens ook niet in baanzekerheid.

Ik spreek haar in een kale kamer in het Frankfurt Institute for Advanced Study, een nieuwbouw-blokkendoos op een campus aan de rand van Frankfurt.

Waarom hebt u dit boek geschreven?

„Volgens mij zijn er grote problemen met de manier waarop academisch onderzoek nu georganiseerd is. In de theoretische natuurkunde worden deze problemen nog eens versterkt door het gebrek aan nieuwe data. Mijn vak is daarom een soort proeftuin waar je de allerslechtste gevolgen daarvan ziet.”

Wat voor slechte gevolgen?

„In wetenschappelijk onderzoek is er een enorme druk om productief te zijn. Je moet artikelen publiceren en zorgen dat andere mensen die citeren. Dus gaan mensen in onderzoeksgebieden werken waarin je snel veel artikelen kunt schrijven. Hoe meer mensen je onderzoek interessant vinden, hoe meer citaties je krijgt, dus kun je beter in een onderzoeksveld werken waar al veel mensen zitten.

„In veel vakgebieden zullen zulke problemen misschien op lange termijn niet zo belangrijk zijn. De tucht van nieuwe experimentele gegevens wiedt onzin weg. Maar in de fundamentele natuurkunde wachten we al veertig jaar op nieuwe experimentele gegevens, dus hebben mensen allerlei ingewikkelde theorieën ontwikkeld. Die zijn productief en populair, maar we komen er niet verder mee.”

Geen data? Maar de Large Hadron Collider, de deeltjesversneller bij Genève, levert meetgegevens over deeltjesbotsingen met gigabytes tegelijk?

„Ja, maar die data worden gewoon verklaard door het standaardmodel, de theorie die we al sinds de jaren zeventig hebben. Het enige nieuwe deeltje dat de LHC heeft gevonden, het Higgs-boson, is al voorspeld in de jaren zestig. Wat ontbreekt, zijn data voor iets dat verder gaat dan het standaardmodel.

„Aan de andere kant hebben we onopgeloste problemen, zoals donkere materie (materie in het heelal waarvan het bestaan zich alleen indirect laat bewijzen, red). Maar dat zit weer niet in het standaardmodel of in de algemene relativiteitstheorie, de theorie die zwaartekracht verklaart.

„Theoretisch natuurkundigen hebben nogal wat hypotheses over wat voor deeltjes dat zouden kunnen zijn, maar als we experimenten opzetten om die te zoeken, vinden we niets. Het is dus niet dat theoretici geen voorspellingen doen, ze doen juist te veel voorspellingen. Het probleem is dat ze niet uitkomen.”

Is er een specifiek voorbeeld?

„Het meest in het oog springende voorbeeld is denk ik supersymmetrie. Dat is een heel mooi idee – dat zal ik meteen toegeven – uit de jaren tachtig. In het standaardmodel zijn symmetrieën belangrijk, en in supersymmetrie komen daar nog extra symmetrieën bij. Daardoor heeft ieder deeltje een supersymmetrische partner, en dat zijn ook weer kandidaat-deeltjes voor donkere materie. Supersymmetrie helpt bovendien bij de unificatie van de natuurkrachten. Dat wil zeggen: de verschillende krachten, de elektromagnetische kracht, de sterke kernkracht en de zwakke kernkracht, zouden dan facetten van één kracht zijn.

„Je moet dan natuurlijk wel verklaren waarom we de supersymmetrische deeltjes nog niet gezien hebben. Het antwoord is dan dat die deeltjes zo zwaar zijn dat we ze nog niet hebben kunnen maken (je kunt deeltjes creëren uit botsingen van lichtere deeltjes: hoe harder de botsing, hoe zwaarder de deeltjes die daarbij kunnen ontstaan, red.).

„Al in de jaren tachtig werd het duidelijk dat de voorspellingen van de eenvoudigste supersymmetrie-modellen niet kloppen: ze voorspelden processen en deeltjes die gewoon niet gezien werden. Maar dit leidde er niet toe dat natuurkundigen de theorie overboord gooiden. In plaats daarvan voegden ze nog een symmetrie toe, die de niet-waargenomen processen gewoon verbood.”

Maar je mag je hypothese toch wel aanpassen?

„Natuurlijk, op zich is dat niet zo vreemd. Het is redelijk om je hypothese aan te passen als de eerste versie niet werkt. Maar daarna ging het door. Er is naar supersymmetrische deeltjes gezocht met het Tevatron (een deeltjesversneller in de VS), met LEP (de voorganger van de LHC), en daarna in LHC: steeds niets.

„Elke keer gaan de theoretici terug naar hun theorieën, en passen ze aan zodat ze passen bij de nul-resultaten. Dat is natuurlijk een spel dat eeuwig doorgaat. Maar op een zeker moment denk ik dat je jezelf de vraag moet stellen: hoe lang ga ik hiermee door? En ik denk dat we dat punt lang voorbij zijn. Supersymmetrie maakt het mooier, maar het is niet echt nodig.”

Toch vinden veel natuurkundigen dat het standaardmodel er onaf uitziet.

„Zeker. Het lijkt erop dat er patronen zijn waar we geen verklaring voor hebben. Waarom zijn er drie generaties van deeltjes, en waarom zit er steeds ongeveer een factor tien tussen de massa’s. Allerlei parameters zoals deeltjesmassa’s worden niet verklaard.

„Ik deel de intuïtie dat er meer moet zijn. Maar is er ook een rationele reden om dit te verwachten? Misschien vinden we het standaardmodel lelijk, maar het is een werkende theorie. Toen we het standaardmodel net hadden, was de vraag of er een unificatie van de krachten mogelijk is redelijk. Maar inmiddels worden alle unificatietheorieën al dertig jaar ontkracht. Dan kun je wel doorgaan met je theorieën ingewikkelder maken, maar misschien moet je je op een zeker moment afvragen of deze hele aanpak niet misleidend is.”

Hoe past snaartheorie in dit beeld?

„Snaartheorie is een interessant geval. Het is bedoeld als theorie van quantumzwaartekracht: het probleem dat je het standaardmodel moet combineren met de algemene relativiteitstheorie, die zwaartekracht verklaart.

„Nu doet de zwaartekracht er meestal niet veel toe in situaties waar je het standaardmodel toepast, en andersom hebben we geen zicht op elementaire deeltjes op de schaal waarbij de zwaartekracht een grote rol speelt, zoals bij zwarte gaten.

„Maar er zijn omstandigheden, bijvoorbeeld in zwarte gaten of tijdens de oerknal, dat beide theorieën er wel toe doen. We weten dat daar iets gebeurt, maar we niet wat, want de theorieën zijn lastig te combineren. Dat is een echt natuurkundig probleem, geen esthetische kwestie.

„Snaartheorie zou de oplossing zijn. Maar bracht ook weer problemen mee, en ook snaartheorie is een theorie die keer op keer gerepareerd is. Zo heb je negen ruimtedimensies nodig, en we zien er maar drie, dus wat doe je met de andere zes? Het antwoord: die zijn ‘opgerold’, zodat we ze niet kunnen zien. Maar toen bleek dat er heel veel verschillende manieren bestaan om dat te doen, die allemaal neerkomen op verschillende theorieën. Welke daarvan kies je, en waarom?

„Inmiddels vind ik het lastig om te geloven dat iemand die hier lang aan gewerkt heeft, nog in staat is om op te geven. Je kunt er eigenlijk niet meer uitstappen. En het is hetzelfde met het aanvragen van onderzoekssubsidies: je moet laten zien dat je expertise in het vakgebied hebt.

„Daarnaast er zijn duizenden snaar-theoretici. Als je eenmaal zo’n grote gemeenschap hebt, kom je er eigenlijk niet meer van af. Ze reviewen elkaars papers, vertellen elkaar dat ze op het goede pad zijn, en zo krijg je een ‘de rijken worden rijker’-trend.”

Foto Istock

In het boek beschrijft u hoe natuurkundigen soms heel makkelijk op hun eerdere voorspellingen terugkomen. Hebben ze gelogen?

„Dat zijn uw woorden.”

U schrijft het op…

„Ja, maar veel beleefder, haha. Ik denk dat mensen het niet doorhebben. Dat ze echt denken dat ze dat nooit gezegd hebben, of zelfs opgeschreven. Wat ik mis is zelfreflectie: kijk, er gaat iets mis, hoe hebben we dit allemaal kunnen geloven?

„Ik denk dat het veel mensen in onze gemeenschap ontbreekt aan een bewustzijn van wat ze aan het doen zijn. Wat ooit een esthetisch oordeel was, is nu een standaard manier van werken. Vandaar de ondertitel How beauty leads physics astray.”

Hoe wordt het boek tot nog toe opgepikt?

„Uit de gemeenschap hoor ik niets. Ik heb wel heb reacties van natuurkundigen uit andere disciplines die zeggen: ja, ik dacht altijd al dat het zo zit. En ik heb mails gehad van mensen zie zeggen: ja, dit is waarom ik uit de theoretische natuurkunde ben vertrokken. Als er zo’n druk is om te werken aan wat populair en productief is, selecteer je uiteindelijk ook mensen die daarin meegaan, en zo houdt het systeem zich dus in stand.”

Bent u intussen niet bang dat u geëxcommuniceerd wordt?

„Ja, dat verwacht ik eigenlijk wel.”

Bent u niet bang om het vertrouwen in de wetenschap te ondermijnen?

„We moeten hier een oplossing voor vinden, en niet ontkennen dat de problemen bestaan. Ik denk dat dát het vertrouwen in wetenschap veel sterker ondermijnt. Slimme mensen in andere disciplines zien heus wel dat er veel bullshit gaande is in de theoretische natuurkunde.”

    • Bruno van Wayenburg