Calabi-Yau manifold: een voorgestelde structuur van extra ruimtedimensies in de snaartheorie. vchal/Shutterstock
Toen ik aan mijn studie natuurkunde begon (zo’n 20 jaar geleden), was “Wat is de theorie van alles?” een vraag die ik vaak hoorde. Het werd gebruikt als een label voor hoe theoretische natuurkundigen probeerden een dieper begrip te ontwikkelen van de elementaire bouwstenen van ons universum en de krachten die hun dynamiek bepalen.
Maar is het een goede vraag? Is het nuttig om wetenschappers te leiden naar de ontdekkingen die ons begrip naar het volgende niveau zullen brengen? Goede wetenschap berust tenslotte op het stellen van goede vragen. Of is het gewoon “wishful thinking”?
De vraag “Wat is de theorie van alles?” herinnert ons eraan dat goede wetenschap niet hoeft te beginnen met de beste vragen. Laat me uitleggen wat ik bedoel.
Stel dat we een spel spelen. Ik heb een stapel kaarten, en op elke kaart staat de naam en een foto van een ander dier. Ik kies een kaart, en het is jouw taak om vragen te stellen om erachter te komen welk dier ik heb gekozen. Om een goede vraag te kunnen stellen, moet je natuurlijk eerst iets over dieren weten.
De eerste keer dat je speelt, weet je misschien niet welke dieren er in het spel zitten, en is je eerste vraag: “Leeft het in de zee?”. Mijn antwoord is “Nee,” en het spel gaat verder. Dan is het jouw beurt om een kaart te kiezen. Je kijkt zorgvuldig door de stapel om je keuze te maken, en je realiseert je dat er alleen landdieren op staan. “Leeft het in de zee?” leek een goede vraag om mee te beginnen, maar dat was het niet.
We wisselen elkaar af, en hoe meer we spelen, hoe sneller we er achter lijken te komen welke kaart is gekozen. Waarom? We zijn beter geworden in het stellen van goede vragen.
De rol die vragen spelen in wetenschappelijk onderzoek is vergelijkbaar. We beginnen met een bepaald begripsniveau, en we stellen vragen op basis van dat begripsniveau om te proberen het te verbeteren. Naarmate ons begrip toeneemt, verfijnen we onze vragen en krijgen we meer inzichtelijke antwoorden.
Bij dit artikel hoort een podcastserie genaamd Great Mysteries of Physics, waarin de grootste mysteries waar natuurkundigen vandaag de dag mee te maken hebben aan het licht komen – en de radicale voorstellen om ze op te lossen worden besproken.
Zo wordt vooruitgang geboekt. Hetzelfde geldt voor de vraag “Wat is de theorie van alles?”: de goedheid van een wetenschappelijke vraag is niet onveranderlijk.
Waarom een ’theorie van alles’?
Het Standaard Model van de deeltjesfysica, een van de pijlers van de moderne wetenschap, is een succes van het reductionisme – het idee dat dingen verklaard kunnen worden door ze in kleinere delen op te splitsen.
Het model, dat is geschreven in een wiskundige taal die kwantumveldentheorie wordt genoemd, beschrijft hoe elementaire deeltjes zich bewegen en met elkaar in wisselwerking staan. Het verklaart de aard van drie van de vier bekende fundamentele krachten: elektromagnetisme, en de zwakke en sterke krachten die processen op subatomaire schaal beheersen. De zwaartekracht, de vierde kracht, is er niet in opgenomen.
Het model houdt rekening met de kwantummechanica, die de probabilistische aard van de dynamiek van subatomaire deeltjes beschrijft, en Einsteins speciale relativiteitstheorie, die beschrijft wat er gebeurt als relatieve snelheden dicht bij de lichtsnelheid liggen – geen geringe prestatie.
De aanname bij de vraag “Wat is de theorie van alles?” is dat het Standaard Model ooit ingebed zal blijken te zijn in een grotere structuur (met meer elementaire ingrediënten) die ons een verenigde verklaring geeft van de fundamentele krachten, inclusief de zwaartekracht. De zwaartekracht is in feite de uiteindelijke focus van deze vraag.
Maar de vraag “Wat is de theorie van alles?” geeft weinig houvast over hoe zo’n theorie van alles eruit zou kunnen zien. We hebben betere vragen nodig.
Nu zijn er goede redenen om te verwachten dat zo’n verenigde verklaring van de fundamentele krachten zou kunnen bestaan: het Standaard Model bevat het beroemde Higgs mechanisme, waaruit het Higgs boson voortkomt. Het verklaart waarom fundamentele deeltjes die bekend staan als de W- en Z-bosonen, die de zwakke kracht overbrengen, een massa krijgen. Het verklaart ook waarom het foton, dat de elektromagnetische kracht overbrengt, dat niet doet.
CMS experiment in Cern.
wikipedia, CC BY-SA
Als gevolg daarvan gedragen elektromagnetisme en de zwakke kracht, die betrokken is bij de kernfusie die sterren aandrijft, zich verschillend bij lage energieën: de elektromagnetische kracht werkt over zeer grote afstanden, terwijl de zwakke kracht alleen over zeer korte afstanden werkt. Het Higgs-mechanisme verklaart ook waarom deze twee krachten zich bij hogere energieën gaan gedragen als één “elektrozwakke” kracht. Dit wordt elektrozwakke unificatie genoemd.
Nu, als elektromagnetisme en de zwakke kracht op deze manier samengaan, waarom dan niet alle krachten in het Standaard Model? Deze twee verenigen met de sterke kracht, de kracht die de bestanddelen van atoomkernen bij elkaar houdt, is het doel van grote verenigde theorieën. Theoretische ideeën zoals supersymmetrie, die een symmetrie veronderstelt tussen krachtdragers en materiedeeltjes, suggereren dat de sterkte van deze drie krachten bij voldoende hoge energieën tergend dicht bij elkaar zou kunnen komen.
En als de elektromagnetische, zwakke en sterke krachten verenigd blijken te zijn, waarom dan ook niet de zwaartekracht?
De zwaartekracht wordt beschreven door Einstein’s Algemene Relativiteitstheorie, die geldt op grote schalen of bij lage energieën. Maar als we een consistente kwantumtheorie van de zwaartekracht willen die op de kleinste schalen geldt, is de kwantumveldentheorie niet genoeg. We hebben wiskundige kaders nodig die zowel algemene relativiteit als kwantummechanica consequent kunnen integreren.
Het “alles” in een “theorie van alles” verwijst naar alle bekende natuurkrachten: elektromagnetisme, de zwakke kracht, de sterke kracht en de zwaartekracht (en ook nieuwe, hypothetische krachten) en de deeltjes waartussen ze werken. De “theorie” verwijst naar het bestaan van een gemeenschappelijk wiskundig kader dat al het “alles” beschrijft.
Eén zo’n gemeenschappelijk wiskundig kader is de snaartheorie, die veronderstelt dat de meest fundamentele bouwstenen van het universum kleine snaren zijn die trillen in extra ruimtelijke dimensies buiten de drie van onze alledaagse ervaring.
Betere vragen
Vragen zijn de leidraad voor wetenschappelijk onderzoek. De vraag “Wat is de theorie van alles?” speculeert slechts op een bestemming, maar geeft weinig richting.
Raamwerken als supersymmetrie en snaartheorie werden niet ontwikkeld om de vraag “Wat is de theorie van alles?” direct te beantwoorden. Zij werden gemotiveerd door betere vragen over wat een theorie van alle fundamentele krachten moet verklaren en hoe die eruit zou kunnen zien, vragen als: Waarom is er een enorme discrepantie tussen de energieschalen van het Standaardmodel en de kwantumzwaartekracht? Waarom lijken kwantummechanica en algemene relativiteit onverenigbaar?
Maar de “waaroms” die theoretische natuurkundigen stellen ontwikkelen zich naarmate ons begrip toeneemt, en de vragen die we nu stellen brengen ons zelfs dichter dan ooit bij een begrip van alle bekende natuurkrachten.
Deze nieuwe “waaroms” wijzen op opmerkelijke verbanden tussen zeer verschillende gebieden van de natuurkunde en de wiskunde: Waarom lijkt de fysica van hologrammen ons te helpen de zwaartekracht te begrijpen? Waarom lijkt dit verband te houden met de eigenschappen van grote verzamelingen willekeurige getallen? Waarom lijken de regels van kwantuminformatie de fysica van zwarte gaten te verklaren?
Maar dit is geen geval van “eruit met het oude en erin met het nieuwe”. In plaats daarvan zijn deze nieuwe vragen bereikt door voort te bouwen op wat geleerd is uit de ontwikkeling en bestudering van mogelijke “Theorieën van Alles”, zoals de snaartheorie.
En deze nieuwe vragen zijn goede vragen. Het spannende is dat het misschien nog steeds niet de beste vragen zijn, en dat het hebben van deze vragen als leidraad niet noodzakelijkerwijs betekent dat we weten waar we uitkomen. Dat is waar wetenschappelijke ontdekking over gaat.
U kunt naar Grote Mysteries van de Natuurkunde luisteren via een van de hierboven genoemde apps, onze RSS-feed, of hier vinden hoe u anders kunt luisteren. U kunt hier ook een transcriptie van de aflevering lezen.
Peter Millington is Senior Research Fellow in de Particle Theory Group aan de Universiteit van Manchester, UK, waar hij een UK Research and Innovation Future Leaders Fellowship en een Royal Society International Exchanges Grant heeft. Peter Millington is lid van het Institute of Physics, UK, en maakt deel uit van het Institute of Physics High Energy Particle Physics Group Committee.
