‘Tijd en ruimte zijn geen finale kennis’

Goed nieuws voor zowat iedereen: ook mensen met een Nobelprijs op zak bijten de tanden stuk op digitale paswoorden. “Quel problème!”, jammert François Englert (ULB) na vier uur debat over de ware aard van het universum en elementaire deeltjes. Dat daarover nog veel onbekend is, baart hem zorgen. Maar bepaalde aardse hoofdbrekens blijken de professor theoretische fysica, die in 2013 de hoogste wetenschappelijke onderscheiding kreeg voor de theoretische ontdekking van het elementaire deeltje ‘H’ (het Brout-Englert-Higgs-deeltje, red.), pas echt wanhopig te maken.

“Mijn ULB-paswoord werkt niet”, klinkt het moedeloos tegen Jean-Marie Frère (69), die het huis van de beroemde natuurkundige net wilde verlaten. Waarop Frère, voormalig student van Englert, sakkerend naar diens werkkamer terugbeent. Frère was tot voor kort ook professor fysica aan de ULB en werkte voor het CERN, de Europese organisatie voor nucleair onderzoek. Sinds Englerts Nobelprijs assisteert hij hem vaak, onder andere om journalisten snelcursussen deeltjesfysica te geven. “Want er is bijna permanent nieuws over hoe bizar de werkelijkheid is.” Ook nu. 

Fysica schopte het recent zelfs tot clickbait toen onderzoekers meldden dat bepaalde elementaire deeltjes zich anders gedragen dan de theorie voorspelt. Elementaire deeltjes zijn de kleinste bouwstenen waaruit onze werkelijkheid bestaat. Die theorie is vandaag het ‘standaardmodel’. Daarin voegden fysici alle bekende deeltjes en hun onderlinge interacties samen. Het model past op een koffiekop, das of T-shirt.

Maar Fermilab, het deeltjesinstituut in Chicago, ziet nu gedrag van ‘muonen’, specifieke zware deeltjes, dat afwijkt van de theorie. Een experiment in het CERN wijst ook op ‘ongewoon’ deeltjesgedrag. ‘De werkelijkheid is helemaal anders dan gedacht’,  viel te lezen. “Ik danste door de kamer van enthousiasme”, getuigde de Nederlandse deeltjesfysicus Tristan du Pree.

Gingen jullie ook aan het dansen?

François Englert: “Daar ben ik wat oud voor. (lacht) Ook deel ik het enthousiasme maar deels. Want er zijn meer gegevens nodig om van een ontdekking te spreken. Het betekent ook niet dat we het standaardmodel moeten weggooien. Dat model kan men uitbreiden. En we wisten dat er een probleem is, namelijk bepaalde verschillen tussen deeltjes die we niet kunnen verklaren. Nu observeert men dat wellicht. Maar wat betekent het? Hoe komt het? Pas als we dat inzien, spring ik uit mijn stoel.”

Jean-Marie Frère: “We weten dat het standaardmodel zal moeten worden aangevuld. Er is wellicht een groter verband dat we nu nog niet zien. Iedereen zoekt naar die ‘nieuwe fysica’. Maar er zijn nu geen aanwijzingen van waar de aanknopingspunten zitten. Als experimenten dan afwijkingen tonen, stort iedereen zich daarop. Want het kan een begin zijn van completer inzicht in hoe de werkelijkheid fundamenteel ineenzit, hoe ze is ontstaan en door welke wetmatigheden ze precies wordt gestuurd en geregeerd.”

Wij leken hebben de indruk dat we dat ongeveer wel al wisten? 

(gelach) Frère: “Nee, zeg. Alleen al de donkere materie is een enorm vraagteken. De ‘gewone’ materie, zoals deze tafel, maakt maar 15 procent uit van het heelal. Al de rest is iets totaal anders dat geen licht uitstraalt of absorbeert en dat niet bestaat uit de normale deeltjes van ons alledaagse bestaan. Meer weten we daarover nog niet.”

Hoe kijkt u naar de rebelse muonen?

Frère: “Ik acht die observaties vooralsnog niet sensationeel, maar als ze worden bevestigd zijn ze wel belangwekkend, want te groot om weg te wuiven. Ze kunnen wijzen op fouten in de metingen. Dat wordt gecheckt. Of misschien zitten er fouten in de theoretische berekeningen. Ook dat gaat men na. Die berekeningen zijn erg complex en er zijn speciale computers voor geconstrueerd. Sommige aspecten ervan beheersen we ook niet zo goed. Of mogelijk ziet men afwijkingen omdat de theorie geen rekening houdt met deeltjes die we nog niet kennen. Dat willen we, want dan zouden we op weg zijn naar de ontdekking van een nieuw deeltje en dat is een handvat voor nieuwe fysica.”

Lopen jullie theoretici niet gewoon minder warm voor experimenten?

Englert: “Toch wel. Ze zijn belangrijk om theorie te testen. Toen men in het CERN met de deeltjesversneller Large Hadron Collider (LHC) het H-deeltje dat ik samen met mijn vriend en collega Robert Brout in 1964 in een paper beschreef zocht, was dat erg spannend. Ik was opgelucht toen het terecht was. Het is een eenvoudige en elegante verklaring (voor de vraag waarom deeltjes massa krijgen, red.) en daar hou ik van.

“Ik ben ook onder de indruk van de recente ontdekkingen in de kosmologie, zoals de nauwkeurige metingen van de kosmische achtergrondstraling door de Planck-satelliet. Die bevestigen wat Max Planck begin twintigste eeuw voorspelde op basis van experimenten met een oven. En ze bieden ons erg waardevolle informatie over het begin van het universum. Via die weg kan er misschien iets nieuws gevonden worden dat helpt om onze fundamentele vragen op te lossen.”

Waarom hecht u aan elegantie?

Englert: “Ik hoop op een meer eenvoudige orde die alles verklaart. Ik ga het niet meer meemaken, maar ik weiger te aanvaarden dat de werkelijkheid volslagen bizar zou zijn. En ik ben ervan overtuigd dat een eenvoudige verklaring alleen kan als de essentie ervan niet te complex is. Als de sleutelelementen al erg ingewikkeld zijn, is een fundamenteel inzicht in de wetten die het allergrootste en het allerkleinste beheersen onwaarschijnlijk.”

Wat zijn de grootste vraagtekens nu?

Englert (zorgelijk): “Er zijn veel problemen. We kunnen de donkere materie nog niet waarnemen als deeltje en we weten niet hoe de kwantummechanica (de wetten van het allerkleinste, red.) aansluiten bij de zwaartekracht (de wetten van het allergrootste, red.). Dat de algemene relativiteit (de theorie van de zwaartekracht, red.) en de kwantummechanica niet compatibel blijken, wil zeggen dat minstens één van beide niet voldoende juist is. Zelf ben ik er zeker van dat de algemene relativiteit geen fundament is. Tijd en ruimte zijn geen finale noties.”

Pardon?

(gaat onverstoorbaar verder) “Op een dag zullen we wat hier en nu gebeurt op een andere manier beschrijven die meer diepgaand vervat wat tijd en ruimte eigenlijk echt zijn. Er zit nog iets achter het gordijn dat licht kan werpen op hoe alle nu bekende puzzelstukken samenhoren.”

Jullie zoeken een theorie van alles?

Frère: “Eigenlijk wel. Maar we hebben liever niet dat u dat zo noemt omdat het doet denken aan de snaartheorie. Die is problematisch. In de jaren negentig heeft die een heel deel van ons vakgebied ingepalmd, maar er is niets bewezen.”

Englert: “Je moest er echt in geloven om een academische positie of fondsen te krijgen. Wij kregen studenten die alleen dat wilden bestuderen. ‘Wij zullen alles aantonen’, zeiden ze.”

Dat klinkt een beetje religieus.

Englert: “Het verschil is dat de snaartheorie stoelt op wetenschap en dat er aanvankelijk terechte hoop was dat men haar zou aantonen. Het was een eerlijke, verdienstelijke poging. Maar als er dan geen snippertje bevestiging komt, mag je je daar niet aan vastklampen. Dat is wel gebeurd. Er waren rijke Russen die een prijs van 2,5 miljoen euro uitreikten aan wat wij de ‘snarenmaffia’ noemden. Dat heeft zeker in de VS het onderzoek aangetast.”

Frère: “Ik heb toen gegokt dat die theorie niets zou worden en dat heeft mijn zoektocht naar onderzoeksfondsen toen flink belemmerd.”

Waar gokt u nu op?

Frère: “Nu is er niet echt iets om op te gokken. Sinds het H-deeltje terecht is, is er geen leidend principe dat ons verder gidst. We weten welke vragen we willen beantwoorden. Zijn er bijvoorbeeld deeltjes die de donkere materie uitmaken? Dat zou het mysterie van die donkere materie ophelderen. Maar we weten niet waar we nu verder moeten zoeken.

“Het kan namelijk dat er deeltjes zijn die heel wat zouden verklaren, maar dat die op zo’n hoge energieniveaus bestaan dat wij ze niet kunnen waarnemen met de huidige deeltjesversnellers. Ik gok wel dat we via indirecte observaties iets kunnen leren. Door erg precieze metingen op lagere energieniveaus die de huidige machines wel aankunnen, kun je afleiden wat de begrenzingen en contouren zijn van vermoedelijke deeltjes.”

Er zijn vooral krachtiger machines nodig?

Frère: “Ook, maar het is complexer dan dat. Deeltjesversnellers zijn dure constructies. Men heeft liefst garantie op een vondst voor men eraan begint. De LHC is gebouwd om het H-deeltje te vinden en dat is gelukt. Nu staan we voor een theoretische leegte, dus wat moeten we bouwen? 

“De hoop is daarom dat indirecte observaties met de bestaande machines en de recente waarnemingen van afwijkend gedrag bij muonen ons nieuwe deeltjes aanwijzen. Zo kunnen we met meer zekerheid beslissen over welke nieuwe machines je best bouwt.”

Englert: “De vraag dringt zich op tot waar je het moet drijven. Je kunt geen machines maken die groter zijn dan het zonnestelsel. Telkens een iets sterkere machine bouwen zonder te weten wat je zoekt, is niet zo zinvol. Dat is innovatie en daar heb ik een hekel aan.”

Ingenieuze nieuwe machines zoals deeltjesversnellers hebben ons toch veel ontdekkingen gegeven, waaronder ‘uw’ H-deeltje en het standaardmodel. En die technologie heeft toch ook medische en industriële vooruitgang gebracht?

Englert: “Zeker, maar de industrie hanteert de term ‘innovatie’ gratuit in functie van hyperconsumentisme. Een product dat nu een paar gram lichter weegt, de iPhone nummer zoveel. Met nieuwe inzichten heeft dat niets te maken. Echt vernieuwende technologie, zoals de Planck-satelliet (die de kosmische achtergrondstraling observeerde, red.), maakt een grote sprong. Ze is gemaakt in functie van wat de wetenschap zoekt. Zij pusht de technologie tot haar limieten op zoek naar kennis. Pas daarna volgt de industrie.”

Frère: “De doorbraak die de genvaccins zijn, komt ook uit fundamenteel onderzoek en van start-ups, niet van de grote medische concerns. Die hebben meer interesse in de bestaande recepten in stand houden, zodat hun geldmachine blijft draaien.”

Hoeveel last hebben jullie van de pandemie?

Englert: “Ik voel mij wat opgesloten. De kinderen en kleinkinderen zag ik maanden niet en ik ben de gewoonte verloren om vrienden te bellen die je toch niet kan zien. Dat weegt.”

Frère: “Ik ben net met pensioen, maar doe nog aanwervingen voor onze vakgroep. Dat zit in het slop omdat niemand uit het buitenland kan komen. Ook ligt het wetenschappelijke gesprek stil. Er is Zoom, maar de terloopse discussies zijn weg. Maar net dan ontstaan vaak nieuwe inzichten. Wanneer je doelloos en zonder druk om iets zinnigs te moeten zeggen je nog onafgewerkte gedachten loslaat op een collega die passeert of met wie je rondhangt.”

Englert: “Zo hebben Robert en ik niet toevallig het H-deeltje ontdekt.”

Frère: “Wel positief is dat onderzoekers in andere velden hun eerste resultaten met iedereen delen voordat ze door het lange proces van peerreview gaan. Wij doen dat al decennia. Die ‘preprint’-websites verrijken het onderzoek.”

Heeft corona het grote publiek meer wetenschap bijgebracht?

Englert: “Dat durf ik niet te beweren, omdat je vooral een mix van wetenschap en politieke recepten ziet. Politici moeten beslissingen nemen terwijl de wetenschap nog niet afgewerkt is. Of ze nemen beslissingen die niet echt stroken met de wetenschap maar die de politiek beter passen.

Frère: “In het ene land moet je één meter, in het andere twee meter afstand houden. Nu eens zijn maskers niet nuttig, dan plots wel. Dat is geen wetenschap. En waarom is niet veel eerder aangegeven dat besmetting ook kan via klein virusdeeltjes die in de lucht zweven en die verder raken dan anderhalve meter? Wellicht omdat luchtverversing installeren duur is en omdat als je er met anderhalve meter afstand komt, winkelen en naar het werk gaan mogelijk blijven.”

Meer mensen dan ooit weten nu wel wat een exponentiële curve is.

Englert: “Ook daar zou ik niet zo zeker van zijn. Ik hoor op tv zeggen dat het ‘een snelle stijging’ is.”

Frère : “Het is essentieel dat media die basisbegrippen vatten. Ook het verschil tussen absolute en relatieve cijfers dringt precies niet altijd door. Er zullen meer snelcursussen nodig zijn.” (hilariteit)