Er komt een nog grotere deeltjesversneller in het CERN in Genève, want de huidige is niet in staat bewijsmateriaal te leveren voor de nieuwste fundamentele natuurkundige theorieën. Moeten we krachtigere deeltjesversnellers bouwen, of zijn die theorieën het probleem?
Hoe zit de werkelijkheid nu echt in elkaar? Met hun Standaardmodel van elementaire deeltjes komen natuurkundigen aardig in de buurt van het antwoord. Het werd een halve eeuw geleden ontwikkeld uit de kwantumfysica. Alles wat is, laat zich beschrijven aan de hand van 25 deeltjes, netjes verdeeld over 12 deeltjes waarmee je alle materie boetseert, 12 deeltjes voor het overbrengen van de natuurkrachten en dan nog een extra deeltje voor de zonderling in het verhaal, het higgsboson.
Heel wat van die 25 deeltjes waren nog niet ontdekt toen het model tot ontwikkeling kwam. Kun je nagaan welk gevoel van triomf zich van natuurkundigenmeester maakte toen het ene na het andere deeltje uit dat Standaardmodel ook echt opdook in het puin van botsingen in steeds krachtigere deeltjesversnellers. Met als sluitstuk de ontdekking in 2012 van het higgsdeeltje in het CERN, de Europese organisatie voor kernonderzoek in Genève. Het liet zich betrappen dankzij een bijzonder krachtige deeltjesversneller, de Large Hadron Collider. Deze LHC bevindt zich ondergronds, in een ringvormige tunnel met een omtrek van 27 kilometer, op de grens tussen Frankrijk en Zwitserland.
Alsof dit nog niet indrukwekkend genoeg is, doet het Standaardmodel ook kwantitatieve voorspellingen met een haast intimiderende precisie. Zo moet de waarde voor het afwijkende magnetisch moment van het elektron – een fysische eigenschap die er verder niet toe doet – volgens het model 0,001 159 652 181 64 bedragen. We meten 0,001 159 652 180 73! De extreme nauwkeurigheid waarmee het Standaardmodel het gedrag van de natuur beschrijft en voorspelt, speelt zich weliswaar af in het domein van de werkelijkheid waar zwaartekracht geen belangrijke rol speelt, zoals de interne werking van atomen en moleculen. Maar geen nood, want waar gravitatie wel de bovenhand neemt, hebben we dat andere paradepaardje van de hedendaagse natuurkunde, Einsteins relativiteitstheorie.
Dit artikel is exclusief voor abonnees
Brute feiten
Nog even een overkoepelend model uitwerken dat Einsteins theorie en het Standaardmodel verenigt en je hebt de ultieme Theorie van Alles. Maar wat begon als een leuke nieuwe uitdaging wil na enkele decennia hard werken nog steeds niet lukken. Best vervelend, als je beseft dat je beide toptheorieën soms echt tegelijk nodig hebt, zoals voor de beschrijving van zwarte gaten.
En dan moet het ergste nog komen. Niet minder dan 95 procent van de energie-inhoud van het heelal blijkt ons volstrekt onbekend te zijn. Er moet voor 68 procent een energievorm in de kosmos schuilen die het heelal steeds sneller laat uitzetten, tegen de gravitatie in. Daarnaast heb je 27 procent onbekend spul dat een handje helpt om sterrenstelsels bij elkaar te houden. Bij gebrek aan beter noemen we deze energiebronnen dan maar ‘donkere energie’ en ‘donkere materie’. Al onze kennis beperkt zich tot de resterende 5 procent.
We begrijpen ook niet waarom er überhaupt structuren hebben kunnen ontstaan in het heelal. Volgens onze theoretische inzichten zou er evenveel materie als antimaterie moeten bestaan. Bij het minste contact vernietigen ze elkaar, zodat er nooit stabiele atomen en moleculen hadden mogen ontstaan.
Zelfs op het Standaardmodel valt nog wel wat aan te merken. Dat het zonder meer verbluffend is, staat nog steeds buiten kijf. Maar het bevat heel wat vrije parameters. Dat zijn getalletjes die onder meer de massa van het elektron en het higgsdeeltje aangeven en die we enkel met experimenten kunnen vastleggen.Daar houden natuurkundigen niet van. Je verwacht een sluitende verklaring voor de werking van de natuur, terwijl we bij deze parameters niet goed begrijpen waarom ze net die waarde aannemen en geen andere. Sterker zelfs: we kunnen narekenen dat je maar een heel klein tikje hoef te geven tegen zo’n parameterknop of je had nooit een kosmos met sterren, planeten en levende wezens gekregen.
Dit is het probleem van de ‘brute feiten’: je zit opgescheept met een aantal getalwaarden in je model die naar ons begrip net zo goed anders hadden kunnen zijn. De meest solide en sluitende theorie over de structuur van de werkelijkheid laat ons achter zonder ultieme verklaring. De dingen zijn zoals ze zijn, omdat dat nu eenmaal zo is. Van een afknapper gesproken.
In zekere zin is dit probleem nog venijniger dan die 95 procent onbekende energievormen. Want daarvan kun je jezelf nog wijsmaken dat er vroeg of laat wel weer een bolleboos opstaat die ons op een doorbraak trakteert. Maar als je moet aanvaarden dat de zoektocht naar de waarheid (het beste beschrijvingsmodel van de werkelijkheid) niet samenvalt met die naar een theorie met het sterkste verklarende vermogen (een theorie zonder vrije parameters), klinkt dat behoorlijk onthutsend voor het wetenschappelijk project.
Dieper doordringen
Het hoeft geen betoog dat een beetje wetenschapper zich hier niet zonder slag of stoot bij neerlegt. Schuilt de oplossing niet in nog betere detectieapparatuur, waarmee we nog dieper tot de werkelijkheid kunnen doordringen? Dat is per slot van rekening het verhaal van de wetenschap. Eerst dachten we dat het atoom (letterlijk: ‘ondeelbaar’) het diepste niveau van de werkelijkheid aangaf. Onder impuls van steeds krachtigere experimentele opstellingen bleek het atoom uit nucleonen en elektronen te bestaan, de nucleonen uit protonen en neutronen en die op hun beurt weer uit quarks.
Wat als je de LHC nu eens vervangt door een nog veel krachtigere deeltjesversneller, die veel hogere botsingsenergieën haalt door deeltjes te versnellen op een ring met een omtrek van 100 in plaats van 27 kilometer? Ontsluit zich dan niet vanzelf een nog diepere laag van de werkelijkheid? De Raad van CERN ziet het alvast helemaal zitten. Op 19 juni 2020 zette die het licht op groen: voor de prijs van 21 miljard euro kunnen we over enkele decennia naar nog fundamentelere bouwstenen van de werkelijkheid zoeken.
Maar niet iedere wetenschapper ontkurkte die dag een fles champagne. Voor de Duitse theoretisch natuurkundige Sabine Hossenfelder is de wetenschap in zekere zin slachtoffer van het eigen succes. In de boomgaard van de fysica is het laaghangend fruit allang geplukt. Je stelt niet meer snel even een proefje op om een hypothese te testen. We zijn inmiddels zo diep doorgedrongen in de werkelijkheid dat er een kloof van vele jaren en dito miljarden euro gaapt tussen een theorie en de experimentele test ervan. Dat betekent dan ook dat je des te beter moet nadenken over je volgende stap; voor je het weet heb je miljarden vergooid aan een dwaalspoor.
Epistemische deugden
Want ja, de LHC in het CERN liet ons toch met honger achter. Natuurlijk was er de baanbrekende ontdekking van het higgsdeeltje. Maar afgezien daarvan? De gedroomde oplossing van natuurkundigen voor zowat alle boven vermelde grote openstaande problemen heet ‘supersymmetrie’. Elk deeltje uit het Standaardmodel zou een supersymmetrisch partnerdeeltje met welbepaalde eigenschappen moeten hebben. Sommige daarvan had je met de kracht van de LHC moeten vinden. Toch is het vooralsnog oorverdovend stil gebleven. Niemand begrijpt goed waarom.
Dat stemt tot nadenken. Is het in een dergelijk klimaat van twijfel verantwoord om de vlucht vooruit te kiezen en een nieuw miljardenproject uit de grond te stampen in Genève? Om achteraf vast te stellen dat je aan tunnelvisie leed? Misschien zijn we na alle successen het spoor naar het fundament van de natuur even bijster. Misschien drukken we daarom beter even de pauzeknop in. Alles eens grondig overdenken.
Zoals de wetenschappelijke methode die we momenteel hanteren. Volgens Hossenfelder laten wetenschappers zich te sterk leiden door hun obsessie met (wiskundige) schoonheid en elegantie. Het zijn eigenschappen van een theorie – ‘epistemische deugden’ in het jargon van de wetenschapsfilosofie – die je nastreeft, hoewel je dit strikt rationeel niet helemaal kunt verantwoorden. Waarom zou de natuur zo in elkaar moeten zitten dat wij de beschrijving ervan ‘mooi’ vinden?
In haar boek uit 2018 met de veelzeggende titel Lost in Math: How Beauty Leads Physics Astray stelt Hossenfelder dat dit geloof in schoonheid stilaan dogmatische trekjes begint te vertonen, waardoor het de wetenschappelijke objectiviteit in het gedrang brengt en wetenschappelijke vooruitgang belemmert. We blijven al decennialang bepaalde theorieën najagen, want we vinden ze ‘te mooi om niet waar te zijn’. De natuur zou wel gek zijn om er geen gebruik van te maken.
Op zich hoeft dit niet te verbazen. Omdat het experimenteel testen van theorieën pas vele jaren later volgt, ligt de nadruk onvermijdelijk veel meer op andere eigenschappen van de theorie dan hoe goed die spoort met de empirie. En beschouwingen over wiskundige symmetrie hebben best mooie successen opgeleverd in de afgelopen eeuw.
Empirie
Maar de slinger dreigt door te slaan; de stem van de empirie die ons tot de orde moet roepen, klinkt steeds zwakker. Wat te doen?
Wetenschappers moeten zich ten eerste bewust blijven van de cruciale rol van empirie in de wetenschappelijke methode. Ten tweede moeten ze zich bewust worden van hun (weliswaar onvermijdelijke) vooringenomenheid. Ze moeten beseffen dat onze notie van schoonheid in de wetenschapsgeschiedenis regelmatig een nieuwe betekenis kreeg, zodat de schoonheid van vandaag niet noodzakelijk een goede leidraad vormt om de theorieën van morgen te ontwikkelen. Hossenfelder wijst in de derde plaats ook op een sociologisch element: de combinatie van korte tijdelijke contracten voor wetenschappers en hoge publicatiedruk drijft jonge onderzoekers naar theorieën die tot de mainstream behoren. Je kunt er met grote waarschijnlijkheid nog kleine verbeterstapjes voor vinden die je loopbaan als onderzoeker redden.
Of ziet Hossenfelder het te zwart? Kosmoloog Dan Hooper maakt zich niet te veel zorgen. Wellicht liggen de antwoorden om de hoek op ons te wachten, stelt hij. Alsof we ons opnieuw in 1904 bevinden, het jaar voordat Einstein met vier publicaties een omwenteling in de fysica inluidde. Wat zullen we in dat geval straks lachen over de frustratie die nu overheerst. Het is voor Hooper alsof ons toekomstige zelf ons toefluistert: ‘Je moest eens weten hoe dichtbij je er toen was.’
Veel aanwijzingen voor zo’n doorbraak zijn er niet. De verbeten hoop erop laat in elk geval wel zien hoezeer de huidige fundamentele natuurkunde aan tunnelvisie lijdt. Toch zouden we nu meer dan ooit met een open geest naar alternatieven moeten zoeken.
Verdwaald in de werkelijkheid. De mens op zoek naar zijn plaats in de kosmos
Hans Plets
Sterck & de Vreese
276 blz. | € 25,95
Hans Plets
Hans Plets (1968) studeerde natuurkunde, sterrenkunde en filosofie aan de KULeuven. Hij verrichtte jarenlang wetenschappelijk onderzoek in astrofysica, meteorologie, klimaat en geofysica en luchtvaart. Momenteel is Plets CEO van een internationaal opleidingsbedrijf in de luchtvaart en is hij actief als wetenschapsjournalist
