Kwantumzwaartekracht en snaartheorie

Dr. Diederik Roest
Universitair docent Theoretische Natuurkunde
Rijksuniversiteit Groningen

1. Wat is de belangrijkste wetenschappelijke ontwikkeling in uw vakgebied?

Als je de natuurkunde op subatomaire afstanden wilt begrijpen moet je je alledaagse intuïtie laten varen: je betreedt de schijnbaar ondoorgrondelijke wereld van de kwantumtheorie. Op dit niveau begrijpen we drie van de vier fundamentele natuurkrachten, namelijk elektromagnetisme en de sterke en zwakke kernkrachten. Het Standaard Model van elementaire deeltjes beschrijft hoe de natuur zich op dit niveau gedraagt. Fysica in optima forma: een elegante theorie die een verklaring biedt voor ingewikkelde experimenten zoals die in deeltjesversnellers als CERN worden gedaan.

De ontbrekende schakel, de zwaartekracht, begrijpen we echter alleen buiten de kwantumwereld, waar de algemene relativiteitstheorie van Einstein geldt. Het blijkt erg moeilijk om Einstein de kwantumwereld in te lokken: een theorie van kwantumzwaartekracht is al decennia een heilige graal binnen de theoretische natuurkunde.

Hier komt de snaartheorie om de hoek kijken. Als we veronderstellen dat elementaire deeltjes niet puntvormig zijn maar kleine lasso’s, dan volgt uit de wiskundige vergelijkingen dat we een kwantumtheorie met zwaartekracht in handen hebben. Verder zijn er vergelijkbare krachten als in het Standaard Model. De snaartheorie kan daarom in potentie alle krachten tot een enkel model unificeren. Echter, uit de wiskundige vergelijkingen volgt ook een bepaalde symmetrie tussen materie en krachten, supersymmetrie, en bovendien extra dimensies! Op CERN wordt nu actief gespeurd naar aanwijzingen hiervoor.

Ondanks, of juist vanwege, alle extra ingrediënten blijkt het erg moeilijk om éénduidige voorspellingen uit de snaartheorie te destilleren. Dit is precies het punt waar de afgelopen jaren met veel enthousiasme aan is gewerkt. Op twee vakgebieden in het bijzonder is veel vooruitgang geboekt om de snaartheorie met waarnemingen te verbinden. Via zogeheten holografie kan de snaartheorie gebruikt worden om berekeningen te doen in conventionele theorieën. Er is een toenemend aantal gevallen waarbij we de snaartheorie kennen die correspondeert met een bepaald experiment, bijvoorbeeld de botsingen van goud-ionen in het RHIC experiment of bijzondere eigenschappen van vaste stoffen. Verder zijn er grote ontwikkelingen binnen de kosmologie, waarover hieronder meer.

2. Op welke wetenschappelijke doorbraak hoopt u?

Ons begrip van het Heelal is het afgelopen decennium met enorme sprongen vooruit gegaan. De ontstaansgeschiedenis van bijna 14 miljard jaar is tot aan de eerste seconde na de Oerknal ontrafeld. Een belangrijke rol in deze speurtocht is weggelegd voor de kosmische achtergrondstraling. Dit is een overblijfsel, een soort nagloeien, van het vroege Heelal, toen de dichtheid en de temperatuur veel hoger waren dan nu. Minieme temperatuurvariaties in deze straling geven aan hoe het Heelal er 300.000 jaar na de Oerknal uitzag. Maar waar zijn deze variaties eigenlijk uit voortgekomen?

Het antwoord op deze vraag leidt ons terug tot de eerste seconde na de Oerknal, toen het Heelal onder invloed van zogeheten inflatie heel sterk gegroeid is. Kleine kwantumfluctuaties kunnen zich tijdens inflatie ontwikkelen tot macroscopische structuren. Hieruit volgen in eerste instantie de variaties in de kosmische achtergrondstraling, en in een later stadium alle structuur die we in het Heelal tegenkomen, waaronder sterrenstelsels en clusters. Het uitzonderlijke is dat inflatie bij een heel hoge temperatuur heeft plaatsgevonden, waar kwantumzwaartekracht een natuurlijke rol speelt. Inflatie biedt dus bij uitstek een observationele kijk op de snaartheorie!

Op 14 mei 2009 is de Planck satelliet gelanceerd, die de statistische eigenschappen van de kosmische achtergrondstraling in meer detail zal bepalen. Hierbij worden wellicht afwijkingen van de normale verdeling worden gevonden. Deze zouden belangrijke aanwijzingen bevatten over hoe inflatie heeft plaatsgevonden, en hopelijk hoe de snaartheorie hierbinnen een rol heeft gespeeld. De resultaten van Planck worden begin 2013 bekend gemaakt, en zullen zonder enige twijfel een belangrijke invloed hebben op dit vakgebied. We wachten in spanning af!

3. Wat is de waarde van uw vakgebied voor de samenleving?

Uit het bovenstaande is duidelijk geworden dat ons vakgebied zich voornamelijk bezig houdt met fundamentele vragen. De elementaire deeltjesfysica draait om waar we uit bestaan, terwijl de kosmologie poogt te ontcijferen waar we vandaan komen. Het antwoord op beide zoektochten zou wel eens met elkaar te maken kunnen hebben: het sluitstuk van de elementaire deeltjesfysica, de kwantumzwaartekracht, speelt precies in de allereerste fractie van het bestaan van het Heelal een beslissende rol. Tijdens inflatie wordt de kiem gelegd voor alle structuren die later zullen volgen, waaronder dit nummer van De Groene Amsterdammer.

Naast het beantwoorden van existentiële vragen blijkt dat fundamenteel onderzoek in deze richtingen altijd interessante spin-offs tot gevolg heeft. Deze onverwachte toepassingen zijn vaak van grote betekenis voor de maatschappij. Een belangrijk voorbeeld is het World Wide Web: dit is voorgekomen uit de onderzoeksgemeenschap van CERN. Verder blijkt dat de analytische vaardigheden die mensen in ons vakgebied opdoen van groot nut kan zijn in andere sectoren, waaronder het bankwezen en de consultancy.


Andere bijdragen in Elementaire deeltjes, Het heelal, Natuur- en Sterrenkunde