Eurostrings 2008

Verschuift het zwaartepunt van de snaartheorie van de VS naar Europa? De jaarlijkse conferentie Strings wordt dit jaar op CERN, het grootste deeltjesversneller ter wereld (zie "Het grootste experiment ooit"), gehoduden. Maar deze week vindt een andere belangrijke conferentie plaats: Eurostrings 2008, de jaarlijkse Europese conferentie over snaartheorie. Deze doet zeker niet aan de "officiële" stringconferentie onder. 165 deelnemers uit Europa en de hele wereld: de VS (oost- en westkust), Canada, Brazilië, Japan, Zuid-Korea, Israël, Zuid-Afrika). Gefinancieërd door The European Superstring Theory Network, een Marie Curie Research Training Network van de EC; door FOM en door de KNAW.

Specialisten op het gebied van snaartheorie, supergravitatie en M-theorie bespreken met elkaar de belangrijkste ontwikkelingen van het afgelopen jaar. Een daarvan is zeker de recente vooruitgang in de formulering van M-theorie (zie "Is M-theorie nu eindelijk gevonden?").

Als de tijd het toelaat hoop ik op deze blog verslag te geven van een en ander.

(Illustratie: strings@Amsterdam)

Snaartheorie: een filosofische rechtvaardiging

Snaartheorie is hot. Dat blijkt uit de hoeveelheid boeken en artikelen die erover geschreven worden. Zelfs wetenschapsfilosofen proberen te begrijpen wat er met de snaartheorie aan de hand is. Eerder deze week plaatste Richard Dawid een artikel op het web met een filosofische beoordeling van de status van snaartheorie (“On the Conflicting Assessments of the Current Status of String Theory”).

Waarom is een filosofische beoordeling van snaartheorie nodig? Is er een probleem? Volgens Dawid wel. Hij noemt de volgende drie problemen waar volgens hem de snaartheorie mee zou kampen en die de snaartheoreten ook toegeven:

1) Er zijn geen experimentele aanwijzingen voor het bestaan van snaren. Snaren zijn nog nooit gevonden. Zulke aanwijzingen kunnen volgens Dawid ook niet in de nabije toekomst verwacht worden.

2) Snaartheorie is als theorie nog steeds onvolledig en biedt ook geen duidelijke strategie voor experimentele toetsing.

3) De snaartheorievergelijkingen hebben veel oplossingen, en elke oplossing komt met een mogelijke wereld overeen. Momenteel heeft snaartheorie de voorspellende kracht niet om de natuurwetten eenduidig te bepalen.

De hoofdstelling van Dawid is dat de controverse tussen voorstanders van snaartheorie en haar critici als een “paradigmatische breuk” gezien kan worden. Een paradigma is volgens wetenschapsfilosoof Thomas Kuhn een standaard voor wetenschappelijk succes. Iedere wetenschapper werkt binnen een bepaald paradigma en een paradigma dient om wetenschap te beoordelen. Kenmerkend voor paradigma’s zijn volgens Kuhn niet alleen de zuiver wetenschappelijke elementen zoals het belang van het experiment of het hanteren van wiskunde; even belangrijk zijn voor hem de metafysische commitments (filosofische aannames) en waarden die aan een theorie ten grondslag liggen, en die de wetenschappers niet altijd even duidelijk naar voren brengen. Zo is bijvoorbeeld de aanname dat beweging deterministisch en dus voorspelbaar is, een metafysisch commitment van de Newtonse mechanica; ook het belang dat aan de nauwkeurigheid van een voorspelling gehecht wordt, houdt een waardeoordeel in. Wetenschap gaat sprongsgewijs vooruit, en een wetenschappelijke revolutie komt volgens Kuhn pas tot stand als het heersende paradigma door een nieuw paradigma wordt vervangen. De aanvaarding ervan is niet het resultaat van het objectieve succes van de nieuwe theorie (bijvoorbeeld, dat zij meer voorspellende kracht heeft), maar is in wezen een sociaal en psychologisch proces.

In het geval van snaartheorie spreekt Dawid van een paradigma-breuk; snaartheorie zou inmiddels het “klassieke wetenschappelijke paradigma” (wat dit ook mag zijn) door een nieuw, eigen paradigma hebben vervangen, waarin met name de wiskundige consistentie van de theorie van belang zou zijn en niet haar experimentele toetsbaarheid.

Dawid noemt de kritiek van Roger Penrose en Lee Smolin, die snaartheoreten verwijten al zo’n 34 jaar met snaartheorie bezig te zijn zonder dat de theorie de schijn heeft van af zijn: “Een theorie wordt verwacht binnen een redelijk termijn een veelal volledige theoretische status te bereiken”. Anders verspilt men zijn tijd. In Dawid’s eigen bewoordingen, “34 jaar nadat ze voor het eerst als een fundamentele theorie voor alle wisselwerkingen voorgesteld werd, heeft het nog geen van beide bovengemelde doelen bereikt”. Volgens Smolin zou snaartheorie haar eigen succescriteria zodanig ontwikkelen dat zij altijd als winnaar uit de bus komt.

Het artikel van Dawid bespreekt een belangrijk probleem en streeft naar volledigheid: hij behandelt een brede scala van argumenten die voor of tegen snaartheorie zijn gebruikt. Maar hij neemt duidelijk stelling tégen snaartheorie en dat kleurt zijn weergave van de argumenten.

Laten we eens met de drie bovengenoemde problemen beginnen, die volgens hem “allemaal volledig door snaartheoreten aanvaard zijn”. Is dat zo? Dat supersnaren nog nooit gezien zijn, daar twijfelt niemand aan. Maar de bewering dat “het niet verwacht kan worden dat aanwijzingen [voor het bestaan van snaren] binnen afzienbare tijd gevonden zullen worden” is een mening die beslist niet door het geheel van snaartheoreten wordt gedeeld. Dawid probeert deze mening te staven op een andere mening van hem: dat het grootste deel van de modellen aangeven dat snaren pas bij zeer hoge energieën gevonden zullen worden, die we in de nabije toekomst niet zullen kunnen bereiken. Hiermee bedoelt hij modellen waar “extra dimensies” zichtbaar zouden worden. Maar geen van deze beweringen is juist. Er zijn veel modellen waar supersymmetrie binnen afzienbare tijd gezien zou moeten worden, bijvoorbeeld in de LHC (zie mijn vorige artikel over CERN). Navigeert u bijvoorbeeld eens naar de website van CERN, waar het zoeken naar experimentele bevestiging van snaartheorie als een belangrijke motivatie voor het onderzoek op de jongste versneller LHC wordt gezien. Ook maakt Dawid geen onderscheid tussen directe en indirecte aanwijzingen voor het bestaan van snaren. Dat “het niet verwacht kan worden dat aanwijzingen [voor het bestaan van snaren] binnen afzienbare tijd gevonden zullen worden” is dan ook geheel Dawid’s eigen speculatie.

Een snaar mag dan nog nooit direct gezien zijn, maar snaartheorie wordt wel degelijk in de deeltjesfysica toegepast, ook die fysica die we op het laboratorium kunnen testen. Dat dit kan, heeft met het holografisch beginsel te maken, waar ik een opkomend artikel aan zal wijden. Snaartheorie is vanwege deze bruikbaarheid in de natuurkunde van elementaire deeltjes al een tijd de sterkste stuwende kracht achter deze experimenten. Dit schijnt Dawid, die nog steeds gelooft dat snaartheorie geen verbinding met het experiment vertoont, volkomen te zijn ontgaan.

Maar er is nog iets fundamentelers mis in het beeld van Dawid. Een wetenschapsfilosofische analyse van een theorie kan zich niet beperken tot het analyseren van die theorie op zichzelf, maar moet, om een volledig beeld te krijgen, de theorie in de context van het desdetreffende vakgebied plaatsen. Daar is het artikel van Dawid fundamenteel in gefaald. Snaartheorie is een theorie die de quantummechanica en de relativiteitstheorie met elkaar tracht te verenigen: het is een model voor het vakgebied dat quantumgravitatie heet. Om snaartheorie te kunnen beoordelen moet men met het geheel van de quantumgravitatie rekening houden, iets wat het artikel van Dawid volledig over het hoofd ziet. Want de drie belangrijkste kritiekpunten van Dawid (de afwezigheid van experimentele toetsing, het niet af zijn van de theorie, en dat snaartheorie de natuurwetten niet eenduidig kan voorspellen) zijn geen bijzonderheden van snaartheorie: het zijn gemeenschappelijke problemen van elke quantumgravitatietheorie die wij op dit moment kennen (het verschil is wèl dat snaartheorie tot nu toe meer successen heeft geboekt dan haar concurrenten). Dit laat zien dat de methodologie die Dawid hanteert niet het gehele probleem kan overzien.

Om deze reden betwijfel ik dat het gebruik van Kuhn’s begrip paradigma zoals Dawid dat doet verhelderend werkt. Een paradigma is een nuttig begrip om te verklaren hoe een oude theorie, met de bijbehorende metafysische commitments en waarden, door een nieuwe theorie wordt vervangen. Maar het is verwarrend om de filosofische aannames van snaartheorie te vergelijken met die in andere vakgebieden zonder eerst een analyse te maken van de quantumgravitatie, de daar bekende theorieën, en de daar geldende filosofische aannames. Snaartheorie staat niet op zichzelf, maar bestudeert verschijnselen die, zoals de verdamping van zwarte gaten, door verschillende theorieën worden bestudeerd. Het ligt daarom meer voor de hand om het snaartheoretische paradigma eerst met de paradigma’s van andere theorieën binnen hetzelfde vakgebied te vergelijken, voordat men gaat theoretischeren over paradigma-breuken met vakgebieden die niets te maken hebben met extreme energiesituaties zoals die in de quantumgravitatie aanwezig zijn. Ik zie hier een methodologisch probleem in Dawid’s analyse. Het zou best eens kunnen blijken dat de quantumgravitatie als geheel, en in het bijzonder door de afwezigheid van experimentele toetsing tot nu toe, een nieuw paradigma nodig maakt. Dat zou dan niets met de snaartheorie als specifieke theorie te maken hebben. Maar dat kun je vanuit het perspectief van één enkele theorie, zoals Dawid in zijn artikel probeert, niet zien.

Dawid gaat op een aantal andere punten wat kort door de bocht. Ik zal er nog één noemen. Het verschil tussen insiders en outsiders in de snaartheorie wordt zeer zwart-wit gepresenteerd. In zijn inleidende zinnen lezen we: “String theorists retort that the convincing quality of string theory [...] reveals itself to the string theory expert only, which implies that most of the critics are just not competent to evaluate the situation”. Dat is een nogal generaliserende openingszin. Men krijgt zo’n beetje het idee dat snaartheoreten gelovigen zijn van een gnostische secte waar men eerst ingewijd moet worden om de zinvolheid van de theorie in te kunnen inzien. Terwijl het tegenovergestelde het geval is: snaartheorie benadrukt juist haar eigen successen: de microscopische beschrijving van zwarte gaten, het holografisch beginsel, het feit dat snaren erin slagen quantummechanica en relativiteitstheorie met elkaar te verenigen,... Dit zijn successen die geen andere theorie op haar CV heeft staan, en geven de snaartheorie, en algemener de quantumgravitatie, zijn bestaansrecht. Deze successen kan iedereen begrijpen.

(Foto’s: Morgan, Pichl)

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)