Het grootste experiment ooit

CERN. Een immens laboratorium dat tussen de 50 en de 175 meter onder de grond ligt, vol met de meest geadvanceerde technologie. Een tunnel met een omtrek van 27 km die in de buurt van de financiële stad Geneve verschillende malen de Zwitserse en Franse grenzen doorkruist. Een budget van 3 miljard Euro, zonder de kosten van de experimenten en van de rekenkundige units mee te rekenen. Het meest geavanceerde experiment dat de mensheid tot nu toe ten uitvoer gaat brengen.

Het doel?

Bundels protonen, dat zijn kerndeeltjes die 1800 keer zo zwaar zijn als de electronen die door uw mp3-player heen vliegen, met duizelilngwekkende snelheden tegen elkaar af te schieten. Om precies te zijn: met ongeveer één miljoenste fractie van de lichtsnelheid.

En waarom?

Om het Higgs deeltje en de volledige lijst elementaire deeltjes te vinden. Om erachter te komen of er meer dan vier dimensies zijn. Om de aard van donkere materie te achterhalen.

Omdat zo’n experiment een soort reageerbuis-oerknal is, een Big-Bang in the lab.

Zijn dat geen dingen waar u ook in geïnteresseerd bent? Natuurlijk wel!

Komt er voldoende spin-off om die 3 miljard Euro te rechtvaardigen? Ja, die komt er. Die is er zelfs al. Maar daar zal ik u vandaag niet mee lastig vallen want de precieze aard van spin-off kun je niet voorspellen. Zoals niemand had kunnen voorspellen dat Berners-Lee in 1990 op CERN het world wide web zou bedenken en fundamentele begrippen als http, html, URL en een eenvoudige web-browser zou ontwikkelen; dat deeltjesversnellers in de geneeskunde gebruikt zouden kunnen worden.

U voelt het al op uw klompen aan: de technologische toepassingen zijn in dit geval van ondergeschikt belang. Kennis van de natuur is waar het op CERN in de eerste plaats om gaat. De vraag: hoe zit de wereld in elkaar, hoe is het allemaal ontstaan?

Kennis zonder onmiddelijke toepassingen is immers ook nuttig. Het is nuttig wanneer wij meer te weten komen over hoe atoomkernen in elkaar zitten want wij zijn zelf uit atomen samengesteld; wanneer we de vier natuurkrachten onderzoeken en leren temmen (of leren dat er situaties zijn waar dit juist niet kan!); wanneer wij de oerknal kunnen begrijpen en de latere ontwikkeling van het heelal kunnen achterhalen en als een film voor onze ogen af kunnen draaien.

Het Higgs-deeltje verwacht men op CERN in een vroeg stadium al te kunnen vinden. Het Higgs is het sluitstuk van het standaardmodel van elementaire deeltjes en het enige deeltje dat nog niet gevonden is. Het vult de hele ruimte: alle andere deeltjes varen in een zee van Higgs-deeltjes. Dit is ook wat het Higgs-deeltje (of Higgs boson) zo’n fundamentele rol binnen het standaardmodel geeft. Zonder het Higgs deeltje zouden alle andere deeltjes massaloos zijn en met de lichtsnelheid door het heelal heen vliegen. Door de interactie met het Higgs deeltje krijgen de andere deeltjes massa en remmen ze af. Dit heet het Higgs-mechanisme.

Het Higgs-mechanisme is het sluitstuk van de deeltjesfysica. In de klassieke natuurkunde van Newton was massa geen probleem; maar in de quantummechanica van deeltjes kunnen bepaalde deeltjes geen massa hebben zonder een symmetrie te schenden en daarmee de hele theorie onbruikbaar te maken. Om dit wiskundig goed te kunnen doen is het Higgs deeltje nodig.

Er zijn nagenoeg geen andere mechanismen bekend om deeltjes massa te geven die zo goed werken als het Higgs-mechanisme. Toch is het Higgs deeltje nog nooit gevonden. Als het ook nooit gevonden wordt dan ligt er een grote uitdaging voor de theoretische natuurkunde.

In mei begint CERN de eerste proefexperimenten te draaien. Vanaf de zomer worden de eerste bundels protonen tegen elkaar afgeschoten, en tegen het eind van het jaar mogen we de eerste data en meetresultaten verwachten.

Ter afsluiting een quote van Gandalf: “He who breaks a thing to find out what it is has left the path of wisdom”. Wat Gandalf waarschijnlijk niet wist is dat je door dat te doen fundamentele vragen over het heelal kunt beantwoorden.

(Foto's: shotleyshort, dirtybronson, xamad)

Stephen Hawking

Stephen Hawking is inmiddels een icoon geworden. Iedereen kent de glimlachende wetenschapper in de rolstoel die aan de zeldzame zenuwziekte ALS lijdt; die moeizaam door middel van een spraakcomputer met de buitenwereld communiceert maar intussen allerlei geniale theorieën bedenkt die hij in wiskundige symbolen uitdrukt: de zwarte gaten-expert, ook bekend van de Simpsons en van zijn uitspraken over de Big Bang en het bestaan van God.

Een vraag die men vaak hoort is of hij werkelijk zo geniaal is als men denkt, of dat hij zijn populariteit toch grotendeels aan zijn media-aandacht te danken heeft. Ook vraagt men regelmatig wat zijn belangrijkste bijdrage aan de natuurkunde en aan de wetenschapsfilosofie eigenlijk is geweest. Ik heb in de kelder een artikel geplaatst waarin ik deze vragen beantwoord.


De eerste aanwijzingen dat er met de gezondheid van de jonge Stephen iets mis was, verschenen vroeg. Na een roemloze afronding van de middelbare school examens kreeg hij op zijn zeventiende een beurs en ging naar Oxford om natuur- en scheikunde te studeren. In 1962, zijn laatste studiejaar, ontdekte hij dat hij moeite had om te roeien en alsmaar onhandiger werd. Het jaar daarop begon hij aan zijn proefschrift in Cambridge en werden de symptomen duidelijker: ALS (Amyotrofische Laterale Sclerose) is een zeldzame zenuwziekte die in relatief korte tijd tot de dood van de patiënt door verlamming van de ademhalingsspieren leidt. Stephen zal de uitzondering blijken want 45 jaar na deze prognose vliegt hij nog overal heen om lezingen te verzorgen.

Stephen werd getroffen door periodes dat de symptomen van zijn ziekte verergerden. In 1985 werdt hij tijdens een bezoek aan de deeltjesversneller CERN te Genève geveld door een longontsteking. Hij moest kunstmatige beademing krijgen en in slaap worden gebracht. Verder moest hij een tracheotomie ondergaan waardoor hij zijn spreekvermogen voorgoed kwijt raakte. Zijn arts stelde voor om alle levensvervangende functies stop te zetten, maar Jane wees dit resoluut van de hand. Voortaan zou Stephen voortdurende verpleging thuis krijgen en een spraakcomputer die inmiddels wereldberoemd is geworden.

Ondertussen werd hij steeds meer een publieke persoonlijkheid. In 1988 verscheen zijn populair wetenschappelijk boek A Brief History Of Time, dat een absolute bestseller werd.

Net als Einstein een icoon van de algemene relativiteitstheorie is, is Stephen Hawking een icoon geworden van de quantum gravitatie, het moeilijkste en meest extreme vakgebied van de theoretische natuurkunde. Deze publieke aandacht is niet onterecht omdat begrippen als “baby universe”, “wormhole”, “wave function of the universe”, “information loss” en oerknal singulariteit, al zijn ze niet alle van hem afkomstig, door hem ontwikkeld zijn en dankzij hem sterk tot de verbeelding zijn gaan spreken. Ik zal deze begrippen in toekomstige berichten uitleggen. Hawking beheerst als geen ander de kunst om een wetenschappelijke ontdekking zodanig te formuleren dat ook de ruime implicaties ervan duidelijk zijn, en dit met een vleugje Britse humor. De publiciteit voor hem is zo groot dat hij optredeedt in Star Trek, waar hij met Newton, Einstein, en Commander Data pokert... en wint; bij The Simpsons, en voor een opname voor Pink Floyd’s Keep Talking. In zijn controversiële Millennium Lecture op 6 maart 1998 in het Witte Huis verweet hij de Clinton administratie kortzichtigheid omdat ze de bouw van een nieuwe deeltjesversneller hadden afgeblazen: “At the risk of causing embarrassment, I have to say I think this was a very short sighted decision. I hope that the US, and other governments will do better in the next millennium.” Bij deze gelegenheid en elders pleitte Hawking voor de noodzaak van de genetische verbetering van de mens, “if it is to deal with the increasingly complex world around it and meet new challenges like space travel”. Hawking staat bekend om zijn politiek incorrecte uitspraken en voorkeur voor provocatie en gok. Het is dan ook de vraag hoe serieus deze uitspraak genomen dient te worden. Lenny Susskind, hoogleraar op Stanford University en zelf een charismatische persoonlijkheid, beschrijft Stephen ooit als “By far the most stubborn and enfuriating person in the universe”.

Het genie gevangen in een lichaam dat niets kan, spreekt tot de verbeelding. Stanley Kubrick gebruikte dit reeds als centraal thema in Dr. Strangelove, or: How I learned to Love the Bomb. Toch geniet Stephen in zijn eigen wetenschappelijke kring niet het mateloze aanzien dat het grote publiek hem vaak toekent, waar hij met natuurkundigen als Newton en Einstein wordt vergeleken.


Hawking is ook een getalenteerd schrijver. A Brief History of Time wordt als bestseller opgenomen in het Guinness Book of Records. Veel critici verwijten het boek dat het wetenschappelijk onbegrijpbaar is. Maar het slaagt er wel in de grandeur van de wiskundige formules in woorden om te zetten en de grote vragen van de mensheid op eenvoudige manier te stellen. Aan het einde van A Brief History of Time schrijft hij bijvoorbeeld: “Zodra we een volledige theorie ontdekken zal deze na verloop van tijd voor iedereen begrijpelijk zijn, niet alleen voor een handjevol geleerden. Dan kunnen allen, filosofen, geleerden en gewone mensen, deelnemen aan de discussie over de vraag waarom wij en het heelal bestaan. Wanneer we het antwoord op die vraag kennen is dat de bekroning van het menselijk verstand – want dan kennen we de geest van God”. Stephen wil dat natuurkunde een bijdrage levert aan het beantwoorden van de grote vragen van de mensheid.

Natuurkunde is voor Hawking geen een ivoren toren, een plek waar geniale ontdekkingen worden gedaan wiens belang òf puur academisch is, òf zich slechts in termen van technologische vernieuwingen uitdrukt. Integendeel. Hawking is een popularisator die zich realiseert dat de wetenschap een stem heeft die hoorbaar moet zijn in de maatschappelijke en filosofische debatten. Dat zij een bijdrage kan en moet leveren aan discussies over politiek beleid en maatschappelijke vraagstukken.

Zijn jongste wens is om in 2009 de ruimte in te gaan. Om dit mogelijk te maken treft Virgin Galactic reeds voorbereidingen.

(Foto's: A&F foto's en Pingnews)

Er bestaan geen domme vragen, alleen domme antwoorden

Nog geen jaar geleden kwam ik na een lang oponthoud in het buitenland terug naar Nederland. Ik heb gemerkt dat er heel veel veranderd is. Nederland is rijker geworden, de wegen zijn steeds drukker, we hebben het fenomeen politieke moord en het fenomeen Wilders. We schrijven pannenkoek in plaats van pannekoek maar het smaakt zoals vroeger. Van sommige veranderingen heb ik een duidelijke parallel in het buitenland gezien, van andere niet.


Er is een groeiende interesse voor wetenschap en een steeds merkbaardere invloed van diverse vormen van kunst in het dagelijks leven aanwezig. In Nederland rijzen wetenschapscafé’s in alle grote steden uit de grond, zijn musea drukker dan ooit en wil iedereen een van Gogh in de zitkamer hebben. Of desnoods een van Warhol’s portretten van Marylin, want die is een stuk knapper dan zo’n goudgele zonnebloem.


Daar komt nog bij dat de kennis van middelbare scholieren aan diepte heeft ingeboet en helaas niet evenredig veel aan breedte heeft gewonnen. Scholieren moeten nu een canon van minstens vijftig feiten uit de Nederlandse geschiedenis kennen, maar weten nog steeds niet waarom Spinoza en zijn tijdgenoot Leibniz van invloed zijn op het denken van nu. Ondanks deze leemtes is de behoefte aan kennismaking met wat wetenschap en cultuur te bieden hebben duidelijk merkbaar.


In mijn eigen vakgebied is dat zeker het geval. De theoretische natuurkunde in Nederland is om diverse redenen meer op de voorgrond komen te staan. Zij is weer twee Nobelprijzen in de natuurkunde rijk. Robbert Dijkgraaf, de jongste president van de KNAW, is zelf theoretisch natuurkundige. Theoretisch natuurkundigen moeten vaker vragen beantwoorden als: “Wat is het maatschappelijk nut van uw onderzoek?”, “Waarom moet ik úw experiment en niet dat van uw buurman financiëren?” Of belangrijker nog: “Waarom is er al twintig jaar nog geen experiment gedaan dat uw theorie bevestigt?” Dit heeft ons ertoe gedwongen meer over het hoe en het waarom van ons eigen vakgebied na te denken, en vaker naar de media toe te stappen. Met wisselend succes maar een positief netto saldo.


Maar daar zal ik een andere keer over spreken; wat nu van belang is, is dat ik sinds ik in Nederland terug ben regelmatig geconfronteerd word met vragen van leken, wat snaartheorie nou eigenlijk is; waarom natuurkundigen beweren dat er tien of zelfs elf dimensies zijn; of zwarte gaten nu werkelijk gevonden zijn in het centrum van ons eigen melkwegstelsel, en wat er in zo’n zwart gat dan eigenlijk gebeurt. Ook met vragen van het soort “Wat is dat met Heisenberg ook weer, en wat zei de quantummechanica ook al weer over het tegelijk zijn en niet-zijn van een deeltje?” Zoals een leraar van mij zei, er zijn geen domme vragen, alleen domme antwoorden.


Wat ik op de pagina's van deze salon zal schrijven is mijn eigen visie op zulke onderwerpen; ik zal proberen zo objectief mogelijk te zijn, maar kan niet de pretentie hebben dat ik alle vragen, zelfs die, die over mijn eigen vakgebied gaan, naar ieders tevredenheid zal beantwoorden. Ik zal wel mijn best doen.


Daarom ben ik dankbaar aan de mensen die me aangespoord hebben om deze salon, en ook de bijbehorende wijnkelder en zolder, te openen, en ook enig advies hebben gegeven in hoe je het technisch het handigst aanpakt.


(Afbeelding: MacEnsteph)

Salon geopend

Eind april 2008 is deze salon geopend. Het staat eenieder vrij om hier langs te komen en een tijdschrift te lezen of een boek uit de kast te halen. Je mag er ook gewoon gaan zitten om onder het genot van een glas wijn of desnoods een sigaar een gesprek voeren . Er zijn voldoende fauteuils aanwezig.

Een aantal arikelen die ik in deze blog zal bespreken heb ik alvast in mijn wijnkelder geplaatst. Dit zijn makkelijk leesbare artikelen, bestemd voor een breed publiek. Er is ook nog een zolder waar de specialistische artikelen staan.

(Afbeelding: Erik)