Tijd en ruimte gaan op de helling
Dirk van Delft

Nobelprijswinnaar David Gross formuleert 25 hoofdvragen van de fysica

Theoretische fysica moet de juiste vragen stellen. David Gross, Nobelprijswinnaar, bracht de gebieden in kaart waar de onwetendheid het meest wringt. ,,Het begrip tijd geef ik niet graag op.

,,Het belangrijkste resultaat van kennis is onwetendheid, zegt David Gross, hoogleraar natuurkunde aan de University of California en in 2004 (mede) winnaar van de Nobelprijs. ,,Hoe meer we weten, hoe meer we beseffen wat we niet weten, hoe meer vragen we kunnen opwerpen. Aan de theoretisch fysicus de taak de juiste vragen te stellen. Dat is het halve werk, zo niet meer.

Volgende week is Gross in Nederland voor de conferentie Under the Spell of Physics op Vlieland. Op dit Waddeneiland komt het weekend van 14 tot 16 juli een eminent gezelschap van theoretisch natuurkundigen bijeen om de zestigste verjaardag van Gerard t Hooft (Nobelprijs 1999) luister bij te zetten. Op 12 juli geeft Gross in Amsterdam een publiekslezing. Onder de titel The Future of Physics behandelt hij in de Aula van de Universiteit van Amsterdam 25 grote vragen waar de huidige natuurkunde mee worstelt.

Die vragen bestrijken een breed terrein. Wat is de oorsprong van het heelal? Wat is het wezen van de donkere energie die het heelal versneld doet uitdijen? Hoe zit het met de geldigheid van de algemene relativiteitstheorie en de quantumtheorie? Hoe elementair zijn ruimte en tijd? Naast diep fundamentele vragen stelt Gross de toepasbaarheid aan de orde van natuurkunde in andere vakgebieden, zoals cognitie, genomics en theoretische biologie. Kan de fysica helpen de gegevens op moleculair en celniveau te integreren tot een theorie van de biologie?

,,Veel biologen reageren tamelijk achterdochtig op de toegestoken hand van de fysica, zegt Gross over de telefoon. ,,Dat heeft te maken met cultuurverschillen, bijvoorbeeld geringere scholing in de wiskunde. Het opstellen van een fundamentele theorie van de biologie zou wel eens nieuwe wiskunde kunnen vereisen, net zoals dat bij het bouwen van een overkoepelende theorie van de natuurkunde nu het geval is.

De oorsprong van de 25 grote vragen is de conferentie The Future of Physics, die in oktober 2004 is gehouden op het Kavli Institute for Theoretical Physics in Santa Barbara (Californië). KITP-directeur David Gross inventariseerde bij die gelegenheid welke grote vragen de conferentiedeelnemers bezig hielden, om de respons - Wanneer zullen computers creatieve theoretisch fysici worden en hoe moeten we ze trainen?, wilde Frank Wilczek weten - tot een memorabele en onderhoudende slotvoordracht te verwerken.

Gross eigen specialisme is de snaartheorie, een overkoepelende beschrijving van Einsteins algemene relativiteitstheorie (een theorie van de zwaartekracht) en de quantumtheorie. ,,We hebben een wiskundige structuur ontdekt met klaarblijkelijk een eigen realiteit, zegt Gross. ,,Maar wat snaartheorie precies is, weten we niet. Volgens snaartheoretici als Ed Witten zijn ruimte en tijd gedoemd hun status als fundamenteel begrip te verliezen. ,,Er zijn aanwijzingen dat ruimte emergent is, dat het een illusie is die voortvloeit uit iets diepers en abstracters. Wat dat is, weten we niet. Met tijd zou hetzelfde kunnen spelen, al kan ik me dat moeilijk voorstellen. Tijd geef ik niet graag op.

Het antropisch principe, dat talloze parallelle heelallen veronderstelt zodat het geen wonder is dat er een heelal als het onze bestaat, met knoppen die precies op elkaar zijn afgestemd, is aan Gross niet besteed. ,,De multiversum-adepten geven veel te snel op. De geschiedenis van de fysica kent meer voorbeelden van onbegrijpelijke coïncidenties die later alsnog hun oorsprong bleken te hebben in een ordentelijke theorie. Ik hecht aan Einsteins idee van natuurwetten met constanten die volledig door de theorie zijn bepaald, ja die zelfs bij de geringste wijziging in waarde die theorie kapot zouden maken. Het antropisch principe geeft blijk van defaitisme en houdt jonge mensen weg van het vak.


Net als Gerard t Hooft deed David Gross zijn Nobelprijswinnende werk in de jaren zeventig. ,,De vragen van nu zijn minstens zo opwindend als toen, zegt hij, ,,maar de experimentele situatie verschilt hemelsbreed. Toen bulkten we van de gegevens uit deeltjesversnellers die ons theoretici de weg wezen. Nu zitten we juist te springen om de experimentele data die de Large Hadron Collider, de nieuwe deeltjesversneller in Genève, over een paar jaar moet gaan leveren.
Het probleem is dat de natuur eigen schaalgroottes dicteert. Op het fundamenteelste niveau liggen die ver buiten bereik van wat experimentatoren ooit kunnen bouwen. Dat is een groot probleem, voor de deeltjesfysica en voor de kosmologie. Zonder data is het voor theoretici lastiger werken.

Net als Einstein is t Hooft ervan overtuigd dat God niet dobbelt, dat op het diepste niveau de natuur deterministisch is. De waarschijnlijkheden waarmee de quantumtheorie werkt, zo verwacht de Utrechtse hoogleraar, verdwijnen zodra die theorie een plaats krijgt in een overkoepelende theorie van de quantumzwaartekracht.

Gross heeft weinig affiniteit met dat minderheidsstandpunt. ,,Binnen de snaartheorie voldoet de quantumtheorie, inclusief de kansen, uitstekend. Quantumtheorie staat als een huis. Natuurlijk zijn er aspecten waar fysici zich ongemakkelijk bij voelen en iedere nieuwe generatie begrijpt de theorie beter. Maar anders dan t Hooft denk ik dat de quantumtheorie nimmer zal terugvallen in determinisme. Het wordt alleen maar erger: nog vreemder, nog abstracter.

Info:

Aanmeldingen voor de publiekslezing van David Gross op 12 juli in Amsterdam: zie www.science.uva.nl

Foto-onderschrift:

Impressie van een zwart gat dat materie van een nabije ster naar zich toe trekt, naar binnen laat spiraliseren en verzwelgt. (Illustratie Nasa) David Gross (Foto KITP)