despinoza.nl

Op weg naar het ene 

Dirk van Delft (Uitg. Bert Bakker, 255 blz., prijs € 18,95. ISBN 90 351 3003 0)

Op het eind van het gesprek, als de quantumzwaartekracht en de toekomst van de deeltjesfysica achter de rug zijn, haalt Gerard ’t Hooft een stuk speelgoed tevoorschijn. Het is een groen bordje gemaakt van zeer krachtig magnetischmateriaal, met bijbehorend metalen tolletje. Met een beweging die oefening verraadt brengt de Utrechtse theoretisch natuurkundige, in 1999 winnaar van de Nobelprijs, het tolletje op het bordje aan het draaien, tilt het geheel op en laat het bordje voorzichtig zakken. En zie: het tolletje zweeft vrij in de lucht, de zwaartekracht is overwonnen, levitatie bestaat. Als een volleerd goochelaar trekt ’t Hooft een wetenschappelijk artikel onder het tolletje door – dat zich daar niets van aantrekt. “Toen een collega binnenkwam en ik vlug het bordje afdekte, keek hij stomverbaasd naar dat zwevende tolletje. Kijk, zei ik, die formules zijn zo krachtig dat ze antizwaartekracht opwekken.”

Als kind fantaseerde ’t Hooft al over antizwaartekracht. “Toen ik een jaar of tien was bouwde ik van papier een ruimteschip. Eenmaal geland rustte het toestel op stabiliteitsvinnen met kleine motoren die werkten op de antigravitatie die ik voor de gelegenheid had uitgevonden. Dolgraag had ik als kind al iets laten leviteren, maar ik wist niet hoe. Ik probeerde het met magneten, maar dat werkte niet. Dat extra element van dat draaiende tolletje is toen niet bij me opgekomen, nog afgezien van het feit dat de benodigde krachtige magnetische materialen nog niet beschikbaar waren.”

In zijn boek Planetenbiljart ( uitgeverij Bert Bakker) – over ‘sciencefiction en echte natuurkunde’ en bestemd voor een breed publiek – voert ’t Hooft zijn jeugdraket opnieuw ten tonele. Om te verzuchten dat hij als jongetje met fantasieën over reizen in de interstellaire ruimte geduchte rivalen had in de auteurs van sciencefictionboeken. Zij lieten hun ruimteschepen zonder blikken of blozen honderden keren sneller reizen dan het licht, zij voerden buitenaardse wezens op die zich met gedachten voedden en die met planeet en al pats-boem de superruimte betraden.

“Dat vond ik onrechtvaardig”, zegt ’t Hooft in zijn eenvoudige werkkamer in het Spinoza Instituut in de Utrechtse Uithof. “Zij gingen uit van natuurwetten die voor mij veel te ongeloofwaardig waren. Terwijl ik de echte natuurwetten gehoorzaamde en naar de mazen op zoek ging, maakten zij van een prachtvak een vormeloze brij. En dat terwijl de natuurwetten een heleboel ruimte openlaten om, zonder de werkelijkheid zoals we die kennen al te zeer geweld aan te doen, bijzonder leuke fantasieën te ontwikkelen. Gelukkig zijn er ook sfauteurs die dat heel goed doen.

Hausse

Toen hij in 1970 als promovendus zijn theoretisch natuurkundig onderzoek naar de kleinste bouwstenen van de materie begon, was het vakgebied geweldig in beweging. “Ik heb een fantastische hausse meegemaakt, die uitmondde in de ontdekking van het Standaardmodel. Dat zet de elementaire deeltjes, van elektronen tot quarks, netjes in een schema en beschrijft op verbluffend precieze wijze hun eigenschappen en interacties. Eindelijk hadden we een model dat niet de moeilijkheden vertoonde waaraan we zo gewend waren. We dachten: dat lukt nooit, een bruikbare deeltjestheorie leek iets onbereikbaars. En ineens vielen de puzzelstukjes op hun plaats.” Voor hun bijdragen aan dat Standaardmodel, te weten de wiskundige fundering van de zogeheten elektrozwakke wisselwerking in de natuur, ontvingen ’t Hooft en zijn leermeester Martinus Veltman in 1999 de Nobelprijs voor de natuurkunde.

Het zijn vooral de grote vragen die ’t Hooft aantrekken. Zoals de zoektocht naar een theorie van de quantumgravitatie. Die moet een brug slaan tussen de twee pijlers waar de moderne natuurkunde op steunt: algemene relativiteitstheorie en quantumtheorie. De eerste beschrijft de macrostructuren in de kosmos, de tweede heeft als domein de microwereld van atomen en elementaire deeltjes. Beide theorieën zijn buitengewoon succesvol, maar omdat ze hemelsbreed verschillen in hun wiskundige structuur zijn ze met geen mogelijkheid onder één noemer te brengen. Het zoeken is naar een overkoepelende theorie.

“Met het bouwen van die theorie van quantumzwaartekracht is van alles aan de hand”, zegt ’t Hooft. “Het vervelende is dat je heel theoretisch bezig bent, het is niet zo als in de jaren zeventig bij de ontwikkeling van het Standaardmodel, toen experimenten ons de weg wezen. Bij quantumzwaartekracht kun je geweldig de mist ingaan zonder dat iemand je op de vingers tikt. Negentig procent van het onderzoek is totale luchtfietserij. Welke tien procent wél deugt, weten we niet. Laat iedereen dus vooral zijn gang gaan.”

Professor

De liefde voor exacte vakken openbaarde zich al vroeg bij Gerard ’t Hooft. “Als kind vond ik het heerlijk om over de natuurwetten na te denken. Die waren tenminste eenvoudig, zonder poespas. De wetten van de biologie en van de samenleving vond ik onbegrijpelijk, veel te ingewikkeld. Toen de meester op school vroeg wat ik wilde worden, antwoordde ik: ‘iemand die alles weet’. Eigenlijk had ik ‘professor’ willen zeggen, maar dat woord was ik even kwijt.”

’t Hooft groeide op in Den Haag. Zijn vader had scheepsbouwkunde in Delft gestudeerd en werkte als onderdirecteur bij een scheepsbouwmaatschappij waar de grote passagierschepen werden gebouwd van de Holland Amerika Lijn. Zijn technische belangstelling was aan Gerard niet besteed. “Mijn vader hoopte me te verrassen met dikke boeken over hoe auto’s in elkaar zitten of hoe technische apparaten werken. Als jongen hoorde ik toch te weten hoe een automotor werkt! En ik vond dat nooit leuk. Ik zei: dat hééft iemand al uitgevonden, ik wil iets nieuws toevoegen.

Die neiging heb ik nog. Ik heb net op mijn computer een nieuw tekenprogramma geïnstalleerd – die artistieke belangstelling heb ik van mijn moeder – en dan is mijn eerste reactie: kan ik er iets mee dat niet in het boekje staat?” Natuurkunde zit in de familie bij ’t Hooft. Zijn oudoom Frits Zernike, hoogleraar in Groningen, kreeg in 1953 de Nobelprijs voor de uitvinding van de fasecontrastmicroscoop. En oom Nico van Kampen is emeritus hoogleraar theoretische natuurkunde in Utrecht. “In hem had ik een uitstekende leermeester”, zegt ’t Hooft. “Als hij bij ons thuis kwam, sprong ik als een vlo op hem af, zo gretig was ik. Mijn oom kwam met zaken die me geweldig intrigeerden.

Toen ik een jaar of tien was, zag ik hem op een papiertje algebraïsche berekeningen maken. Hoe kun je nu letters bij elkaar optellen, vroeg ik, wat betekent eigenlijk a + b = c? Het antwoord was dat a alles mocht zijn, en b en c ook. Diepzinning, daar moest ik meer van weten. Toen haalde hij een luciferdoosje uit zijn zak en zei dat a × b niet hetzelfde hoefde te zijn als b × a. Hoe kan dat nou, zei ik, 2 × 5 is toch hetzelfde als 5 × 2? Waarop hij zijn bewering illustreerde aan de hand van draaiingen van dat doosje,waarbij de volgorde verschil uitmaakte. Prachtig vond ik dat, al snapte ik er weinig van.”

Toen ’t Hooft in 1968 als Utrechtse student zijn afstudeerscriptie schreef, was dat onder supervisie van Martinus Veltman, pas benoemd als hoogleraar in de deeltjesfysica. De deeltjestheorie werd in die tijd geplaagd door uitkomsten die de waarde ‘oneindig’ aannamen. “Veltman had in de bestaande theorieën een probleem gesignaleerd”, zegt ’t Hooft, “en hij had het, achteraf gezien, als enige correct omschreven.” Al snel zag ’t Hooft in dat het handig was om de ruimte en de tijd in stukjes te snijden. “Die zijn normaal gesproken continu en als je in ieder punt wat laat gebeuren, krijg je een oneindig aantal variabelen. In mijn aanpak verspringen deeltjes van punt naar punt. Dat verlost je van de oneindigheden en achteraf neem je zoveel punten dat je praktisch weer een continuüm hebt.”

Higgsdeeltje

Er volgde een bijzondere, lang niet soepele maar uiteindelijk zeer succesrijke samenwerking tussen ’t Hooft en zijn promotor Veltman. Het knelpunt bleek te liggen in het zogeheten Higgsdeeltje, dat moest er beslist bij. “Na vele verhitte discussies waren we uitgekomen op een theorie die met de oneindigheden afrekende”, zegt ’t Hooft. “Maar daarmee waren we er nog niet. Het bepalen van de exacte fysische uitdrukking was nog een taaie opgave. Uiteindelijk bleek dat als we niet met de gewone vier dimensies rekenden, maar 3,999 invulde, de formules zich veel beter lieten hanteren. Eigenlijk kan dat natuurlijk helemaal niet, logisch gezien is een dimensie van 3,999 onzin. Maar het werkte.”

“Veltman en ik waren enthousiast over dit nieuwe inzicht: leuk, pragmatisch, als het werkt is het goed genoeg, en wat kan het ons schelen wat die 3,999 betekent. Het werd een intense samenwerking. Wat je ook van Veltman kunt zeggen, hij is een uitstekend rekenaar. Hele stukken behang kan hij volschrijven zonder één fout te maken. Hij ging aan de slag, stopte de zaken in zijn computer en het werkte prima, het succes was daar. Onze methode is overal in de deeltjesfysica in zwang geraakt, hij werkt als een geoliede machine.”

Op een ladenkast in zijn werkkamer bewaart ’t Hooft een buste van Albert Einstein. “Lang geleden gekregen van een van mijn fans. Einstein is een lichtend voorbeeld. Zie eens hoe ver de logica, als je zorgvuldig redeneert, je kan brengen. Einstein doorzag dingen die mij als jongeman intrigeerden, mij het idee gaven dat er in de natuurkunde nog altijd grote mysteries bestaan die om opheldering vragen. Tegelijk ventileerde hij in zijn latere leven ideeën die hij niet kon waarmaken.”

Net als Einstein is ’t Hooft ervan overtuigd dat ‘God niet dobbelt’, dat op het diepste niveau de natuur niet met kansen werkt, zoals in de huidige quantumtheorie het geval is, maar deterministisch is. “Ik heb helemaal geen hekel aan quantumtheorie”, zegt hij. “Integendeel, het is een fantastisch mooi bouwwerk en dat moet je zo min mogelijk bezoedelen. Wel ben ik ontevreden met de huidige interpretatie van de theorie. Zou je een beter idee hebben van wat quantumtheorie in wezen is, dan denk ik dat je op een deterministische theorie zou uitkomen.”

Doorbraakje

“Dat is geen abstracte wens, ik zie daarvoor een concreet argument in de wiskundige structuur van de quantumtheorie. Ik wil een inzichtelijke theorie van de zwaartekracht maken en denk dat de quantumtheorie daar zit ingebakken op een manier waar de meeste collega’s nu niet aan willen. Geeft niet, ik doe het op mijn manier, ik kan me veroorloven mijn eigen pad te gaan. Af en toe boek ik een doorbraakje, maar er is nog niets om met het experiment te vergelijken. Het zal me vast niet lukken om die ultieme theorie in één keer te vinden, maar wel wil ik een basis leggen.”

Gerard ’t Hooft acht zich “een buitenbeentje”. “Ik werk graag alleen en heb weinig promovendi. Dat is misschien minder efficiënt maar het ligt in mijn aard en het biedt grote vrijheden. Sinds ik begon is de deeltjesfysica sterk van karakter veranderd. Ik heb het gevoel dat ik er nu minder goed in pas. Dat zeg ik niet met spijt. Ik heb intuïtieve ideeën, naar mijn gevoel is dat mijn sterke kant, laat ik daar dus in doorgaan. Ik ben blij met alles wat ik de afgelopen periode heb kunnen doen, de toekomst is aan een nieuwe generatie.”