Artikel gepubliceerd in Eos, 11 (2009) 137 als "Is de LHC weggegooid geld?".

Deze optimistische visie op het jongste speelgoed van de hoge-energiefysica belooft veel, maar doet tegelijk vragen rijzen. De LHC kost drie miljard euro en beoogt geen onmiddelijke technologische toepassingen maar enkel onze kennis van de deeltjesfysica te verdiepen. Hoe valt een investering in fundamenteel onderzoek van zulke omvang te rechtvaardigen? Staan hoog-energiefysici niet bekend om hun bandeloze optimisme als het op hun eigen kunnen aankomt? Stephen Hawking schatte de kans op 50% dat we binnen 20 jaar een volledige theorie van alles zouden vinden. Ondertussen zijn bijna dertig jaar verstreken. Fysici roepen wel vaker dat ze er bijna zijn, dat ze die ene knop nog moeten indrukken om de steen der wijzen te vinden. Dus waarom hechten we nog belang aan hun beloftes? 

Daar is alle reden voor. 

Wetenschapshistorici en wetenschapsfilosofen hebben al lang aangetoond dat de ontwikkeling van de wetenschap niet rechtlijnig is. Toen de Pythagoreeërs in de 6^e eeuw v.Chr. de grondslagen van de getallenleer en de meetkunde legden, waren zij op zoek naar de harmonie van het heelal. Hun interesse lag niet in de overheersing van de natuur door middel van kennis, maar in de kennis zelf. Kennis van de wiskunde zou het wezen van dingen blootleggen. De Pythagoreeërs hadden zich werkelijk nooit een voorstelling kunnen maken van de macht die wiskunde hun erfgenamen zou verschaffen. Toch hebben we deze macht aan hun wetenschap te danken, die schijnbaar nutteloos en grotendeels obscuur was. 

Een van de baanbrekende nieuwe technologieën is de quantum cryptografie. Het is nooit bewezen, maar zo goed als zeker dat alle klassieke coderingsmethodes te kraken zijn. Dat geldt bijvoorbeeld voor de encryptie van de informatie op uw bankpas en van het password van uw e-mailaccount. Als er een  quantumcomputer gebouwd wordt die aanzienlijk efficiënter kan rekenen dan de huidige computers, dan kunnen banken de veiligheid van privacygevoelige informatie niet langer garanderen. Quantum crypto-codes daarentegen zijn fundamenteel onkraakbaar.  

Quantum cryptografie is revolutionair, maar ze vindt haar oorsprong begin twinstigste eeuw. In de jaren ‘20 financierde de grootindustrieel Ernst Solvay de naar hem vernoemde Solvay Conferenties. Deze bijeenkomsten vormden de bakermat voor een langdurige discussie tussen Einstein en Bohr, die uitmondde in het welbekende EPR gedachte-experiment. Het ging daarbij om de fundamentele vraag of de beschrijving van de natuur door de quantummechanica volledig is. Op dit experiment is de quantum cryptografie gebaseerd. Als we een kosten-baten analyse hadden gemaakt, dan zou de discussie als geldverslindend academisch tijdverdrijf zijn bestempeld. Zij was zonder twijfel academisch. Niemand had het toen over “cryptografie”. Pas nu, tachtig jaar na dato, komen de immense praktische mogelijkheden ervan aan het licht.  

Nu leven wij in een kennismaatschappij, maar welke positie neemt kennis daarbinnen nu werkelijk in? Wetenschap staat onder steeds meer politieke druk om het ‘beoogd maatschappelijk nut’ bij voorbaat te bewijzen. Als politici zich blindstaren op de toepassingen, dreigt fundamenteel onderzoek er bekaaid af te komen. Maar de toepassingen van wetenschappelijk onderzoek zijn nooit geheel te voorspellen. De belangrijkste ontdekkingen ontstaan vaak in een plotselinge flits van creativiteit of bij toeval: door serendipiteit. Dat proces kan niet volledig worden beheerst, en is niet samen te vatten in een businessplan. Daarom moet fundamenteel onderzoek haar onafhankelijkheid bewaren. Onberekenbaarheid en onbeheersbaarheid zijn een gruwel voor managers en bureaucraten, maar zijn essentieel voor hoe de wetenschap werkt. De maatschappij moet de flexibiliteit opbrengen om dat niet uit het oog te verliezen, om een duurzame kenniseconomie te blijven. Het dichtdraaien van de geldkraan voor fundamenteel onderzoek zonder direct nut, leidt op langere termijn tot het uitblijven van de belangrijkste technische toepassingen. Dit betekent een erosie van onze “kenniseconomie”. 

Wat dat betreft zullen de opkomende economieën zoals die van India en China het in de toekomst wellicht beter doen. Deze ontwakende reuzen zijn bezig met een enorme inhaalslag, en leren snel. Hun enorme bevolking vormt een talentenpoel waaruit jaarlijks honderdduizenden ingenieurs en wetenschappers worden klaargestoomd.  

Projecten als de LHC zijn wezenlijk voor de vooruitgang van de wetenschap in de nabije en verre toekomst. Wanneer wij verzanden in een oneindige tunnelvisie, verliezen wij onze aangeboren nieuwsgierigheid, de verwondering waar onze cultuur, én onze wetenschap, op is gebaseerd. 

Geschreven in Algemeen , Opinie | 5 Reacties | Vaste link | Afdrukken

Artikel afkomstig uit Kritisch denkerslexicon 41 (november 2008), "Stephen Hawking" door S. de Haro.

Stephens vader, Frank Hawking, onderzoekt medische ziektes in Afrika en brengt doorgaans de winters door in tropische landen. Stephen dankt zijn interesse voor wetenschap grotendeels aan hem. Zijn moeder, Isobel, is een leesgierige vrouw die economie, filosofie en politiek heeft gestudeerd. Boeken nemen een belangrijke plaats in het leven én het meubilair van de familie Hawking in, en die belangstelling zal in de latere jaren van Stephen ook haar vruchten afwerpen.Vanaf 1950 wonen de Hawkings in St. Albans, een oude stad ten noorden van Londen. Op school behaalt Stephen slechts middelmatige resultaten, al staat hij wel bekend om zijn bijzondere intelligentie en interesse voor wetenschap en techniek. In kleine vriendenkring komt zijn creativiteit tot uiting in het bedenken van ingenieuze bordenspellen.

Op zijn zeventiende krijgt hij een beurs en gaat hij naar Oxford om natuur- en scheikunde te studeren. In 1962, zijn laatste studiejaar, ontdekt hij dat hij moeite heeft om te roeien en alsmaar onhandiger wordt. Het jaar daarop begint hij aan zijn proefschrift in Cambridge en worden de symptomen duidelijker: ALS (Amyotrofische Laterale Sclerose) is een zeldzame zenuwziekte die in relatief korte tijd tot de dood van de patiënt door verlamming van de ademhalingsspieren leidt. Stephen zal de uitzondering blijken want vijfenveertig jaar na deze prognose vliegt hij nog overal heen om lezingen te verzorgen. Na een eerste inzinking keert hij naar zijn promotiewerk terug onder leiding van Dennis Sciama. Stephen wil de uitdijing van het heelal bestuderen, die impliceert dat er aan het begin van het heelal een oerknal moet hebben plaatsgehad. Deze theorie zal later door metingen worden bevestigd, maar is in deze tijd nog lang niet algemeen aanvaard en er vinden hevige debatten plaats tussen de aanhangers van de oerknaltheorie en degenen die postuleren dat het heelal in de loop der tijd onveranderlijk blijft. Stephen’s promotor is een felle voorstander van deze laatste theorie. De dapperheid – of koppigheid – waarmee Stephen zijn eigen ideeën tegenover gevestigde theorieën verdedigt is een karaktertrek die we vaker tegen zullen komen.

Zijn eerste doorbraak komt in 1965 als hij de wiskundige technieken die collega Roger Penrose voor zwarte gaten heeft ontwikkeld, weet toe te passen op de oerknal. Datzelfde jaar trouwt hij met Jane Wilde, met wie hij twee zonen en een dochter krijgt. Na zijn promotie blijft hij met een onderzoeksbeurs aan het Golville and Caius College te Cambridge onderzoek doen. Stephen kan zich steeds moeilijker bewegen en spreken, tot hij in 1969 permanent een rolstoel moet gaan gebruiken. Met inmiddels een zoon en een dochter en een echtgenoot die alle zorg vergt, zijn het voor Jane hectische jaren, waarin ze ook haar proefschrift probeert te schrijven. Het gezin heeft weinig geld en er zijn weinig faciliteiten voor het ondersteunen van Stephen’s ziekte. Jane en Stephen zetten zich dan ook in voor de maatschappelijke positie van gehandicapten.

Ondertussen werkt Stephen gestaag aan zijn onderzoek. Vanaf 1970 bestudeert hij de zwarte gaten en boekt hier een aantal baanbrekende resultaten. Het hoogtepunt is zijn ontdekking in 1973-1974 dat zwarte gaten toch niet helemaal zwart zijn, omdat ze volgens de kwantummechanica straling uitzenden. Kort daarop volgt een aanbod voor een gasthoogleraarschap op Caltech (California Institute of Technology), waar hem alle faciliteiten ter beschikking worden gesteld die zijn conditie vereist. Bij terugkomst in Cambridge het jaar daarop krijgt hij weer grotere erkenning en ook meer financiële mogelijkheden. In 1977 wordt Hawking professor en in 1979 krijgt hij de Lucasian leerstoel in de wiskunde, die zoals hij regelmatig pleegt te gedenken ook door Isaac Newton is bekleed. Pas in 1980 krijgt Stephen voor een deel van de tijd verpleegkundige hulp. Het jaar daarop houdt hij zijn inaugurele rede ‘Is het einde van de theoretische natuurkunde in zicht?’. Hij zorgt voor grote controverse met zijn boude stelling dat we de komende twintig jaar met een kans van vijftig procent een geünificeerde ‘theorie van alles’ – een theorie die alle natuurkunde kan verklaren – zullen vinden.Stephen wordt getroffen door periodes dat de symptomen van zijn ziekte verergeren en complicaties opleveren. In 1985 wordt hij tijdens een bezoek aan de deeltjesversneller CERN te Genève geveld door een longontsteking. Hij moet kunstmatige beademing krijgen en in slaap worden gebracht. Verder moet hij een tracheotomie ondergaan waardoor hij zijn spreekvermogen voorgoed kwijt raakt. Zijn arts stelt voor om alle levensvervangende functies stop te zetten, maar Jane wijst dit resoluut van de hand. Voortaan krijgt Stephen voortdurende verpleging thuis en een spraakcomputer die inmiddels wereldberoemd is geworden.Ondertussen wordt hij steeds meer een publieke persoonlijkheid. In 1988 verschijnt zijn populair wetenschappelijk boek A brief history of time, dat een absolute bestseller wordt.

In 1995 scheidt Stephen van zijn vrouw en trouwt met zijn verpleegster Elaine. Deze relatie duurt tot 2006.

In 1998 houdt Stephen een ‘Millennium Lezing’ in het Witte Huis, en in 2000 wordt een videoband van hem getoond op de Democratische Nationale Conferentie van Al Gore. Hij geeft steeds meer publieke lezingen en zet zich in voor goede doelen. In september 2009 gaat Hawking met emeritaat. Zijn jongste wens is om binnenkort de ruimte in te gaan. Om dit mogelijk te maken treft Virgin Galactic reeds voorbereidingen.

Geschreven in Algemeen , Stephen Hawking | 1 Reacties | Vaste link | Afdrukken

Edward Witten is hoogleraar aan het gerenommeerde Insitute for Advance Study te Princeton waar Einstein tot aan zijn dood onderzoek heeft verricht. Hij staat bekend om zijn vermogen om tamelijk esotherische branches van de wiskunde op fundamentele natuurkundige modellen van elementaire deeltjes weten toe te passen. Zo heeft hij in 1989 de theorie van elementaire deeltjes op zijn kop gezet door die aan de knopentheorie te koppelen, de tak van de wiskunde die ernaar streeft om knopen te klassificeren en elke mogelijke knoop met een uniek getal aan te duiden. Dit en andere wetenschappelijke prestaties bezorgden hem het jaar daarop de Fields Medal, de hoogste onderscheiding in de wiskunde. Twee jaar geleden verrastten Witten en de in Californië residerende jonge Russische professor Anton Kapustin de hoge-energiefysica weer met een preprint van maar liefst 225 pagina’s. Het gerucht deed al lang de ronde dat Witten met iets belangrijks bezig was, maar de details waren niet bekend.



Stel u leest morgen in de krant dat wetenschappers ontdekt hebben dat er een diep verband bestaat tussen de inhoud van de schilderijen die in het Rijksmuseum en in het Van Gogh Museum hangen. Dat wil zeggen dat elk schilderij in het Rijksmuseum een respectievelijk “spiegelbeeld” in het Van Gogh Museum heeft (en dat een aantal missende schilderijen na veel zoeken in de kelder is gevonden). Dat er dus op de Nachtwacht net zo veel personen staan als zonnebloemen op De Zonnebloemen van van Gogh; dat de verhouding tussen het aantal belichte en onbelichte personen precies overeenkomt met de verhouding tussen lichte en donkere zonnebloemen. Dat verder ook de ruimtelijke verdeling van de personages en het perspectief exact in verband staan tot die van de zonnebloemen, en dat ook computeralyse van beide schilderijen een verband aantoont tussen hun licht- en kleurverhoudingen. Dat deze verbanden ook paarsgewijs tussen alle andere schilderijen in het Rijksmueum en het Van Gogh Museum is aangetoond: tussen de Vrolijke Drinker van Frans Hals en van Gogh’s Zelfportret met Vilthoed, tussen het Melkmeisje van Vermeer en van Gogh’s Portret van Camille Roulin, etc. Puur toeval uitgesloten, zou u zich natuurlijk afvragen of van Gogh zich daarvan bewust is geweest. 

Dit (absurde) voorbeeld staat zeker niet ver van de radicaliteit van de verbanden die de wiskundige Robert Langlands in 1967 heeft vermoed. Nu veertig jaar sinds de eerste formulering van deze vermoedens beginnen wiskundigen vat te krijgen op de inhoud ervan. Het bewijs van de beroemde laatste stelling van Fermat bijvoorbeeld, is een onderdeel van deze vermoedens. En sinds vorig jaar zijn ook natuurkundigen daarin geïnteresseerd. Het Langlands-programma is een vergaand netwerk van connecties tussen wiskundige objecten die schijnbaar niets met elkaar te maken hebben maar die, zoals de schilderijen, elkaars “spiegelbeelden” zijn. Deze verbanden zijn in de laatste jaren niet alleen bevestigd maar zelfs uitgebreid en deels bewezen. Dit relatief jonge vakgebied is ondertussen tot een soort overkoepelend raamwerk voor een groot deel van de moderne wiskunde uitgegroeid. 

Om wat voor verbanden gaat het? En waarom zijn natuurkundigen daarin geïnteresseerd? Het onderdeel van het Langlandsprogramma dat de interesse wekt van natuurkundigen, is een toepassing van het onzekerheidsbeginsel van Heisenberg in de wiskunde. Volgens Heisenberg is het onmogelijk om tegelijkertijd de lokatie en de snelheid van een deeltje met grote nauwkeurigheid vast te stellen. Meten we de positie van een deeltje, dan zijn er sterke fluctuaties in zijn snelheid, en omgekeerd. De keerzijde van dit beginsel is dat de ruimtelijke positie de toestand van het deeltje volledig bepaalt. Plaatsbepaling van het deeltje geeft er een volledig beeld van, zonder dat we iets over de snelheid hoeven te weten – ja we kunnen zelfs de snelheid niet bepalen zonder de toestand van het deeltje te verstoren. Omgekeerd bepaalt de snelheid de fysische toestand van het deeltje volledig. Deze beschrijvingen, via plaats en snelheid, zijn gelijkwaardig, aldus Heisenberg. 

LANGLANDS-MACHINE
Maar nog even terug naar de schilderkunst. Stel dat diezelfde wetenschappers u hun apparaatje ter beschikking stellen, waarmee u de verbanden tussen de Nachtwacht en de Zonnebloemen zelf na kunt gaan. Daar de ontdekking nog erg nieuw is, en in afwachting van mogelijke geldschieters, heeft het apparaatje nog geen naam en wordt het voorlopig “L” genoemd (voor “Langlands-machine”). Het is een soort fototoestel dat je voor het schilderij kunt plaatsen. Als je door de lens kijkt dan zie je niet het schilderij zelf, maar zijn spiegelbeeld! Tenminste zo is u verteld. Vol spanning loopt u dus naar het Rijksmuseum en gaat u voor de Nachtwacht staan. Maar dan heeft u een probleem! Als u door de lens kijkt dan ziet u inderdaad een afbeelding van de Zonnebloemen, maar toch niet precies het beeld zoals het eruit zou zien als u op dat moment in het Van Gogh stond. De veranderingen in de belichting van de kamer door de ligging van zon op dat moment van de dag, de lange rijen toeristen die voor het schilderij staan en u wellicht het zicht zouden belemmeren... daarvan ziet u niets in uw apparaatje! U ziet alleen het kale spiegelbeeld dat “L” produceert! Sterker nog, wie weet of tijdens uw bezoek aan het Rijksmuseum het andere schilderij gestolen is! De enige manier om te controleren hoe het schilderij er nu daadwerkelijk uitziet is naar het Van Gogh Museum te lopen. Maar dan verliest u de Nachtwacht uit het zicht! U kunt slechts in één museum tegelijk aanwezig zijn! Toch hebben de wetenschappers een verband tussen beide voor u aangetoond! 

Wat Kapustin en Witten ontdekten is het volgende. De wiskundige “spiegelbeelden” uit het Langlandsprogramma zijn niets dan elektrische en magnetische velden. Als je de toestand van elektrisch geladen deeltjes vaststelt, dan voorspelt “L” dat er allerlei spiegelbeelden van die deeltjes bestaan, die niet elektrisch maar magnetisch zijn geladen, en wat hun lading en eigenschappen zijn. Bovendien verhouden elektrisch en magnetisch zich met elkaar zoals  plaats en snelheid bij Heisenberg: er is een verband tussen beide maar je kunt ze niet allebei tegelijk meten. Kijk je door “L” naar het elektrische veld (de Nachtwacht), dan zie je het magnetische spiegelbeeld (de Zonnebloemen), waar je op dat moment toch geen directe toegang toe hebt. “L” laat deze verbanden voor het eerst precies zien. Een soort Heisenbergbeginsel voor elektromagnetisme! 

Het was Maxwell die in de 19e eeuw elektriciteit en magnetisme in de theorie van het elektromagnetisme onder één noemer bracht. Het menselijk lichaam wordt door de elektrische aantrekkingskracht tussen atomen bij elkaar gehouden. Aan de andere kant berust de werking van een kompas op het noordwaarts gericht-zijn van het magnetische veld van de aarde. Deze schijnbaar verschillende fenomenen, werden door Maxwell met één enkel beginsel verklaard. Elektromagnetisme heeft een grote mate van symmetrie. Alle fysische verschijnselen blijven er hetzelfde uitzien als we alle elektrische velden in het heelal door magnetische velden vervangen, en omgekeerd. Onder deze verwisseling blijven de natuurwetten namelijk ongewijzigd. Deze symmetrie is precies wat “L” doet. Voor ieder elektrisch schilderij bestaat er ook een magnetisch spiegelbeeld. Langlands symmetrie geeft bovendien extra informatie, het vertelt namelijk hoe de ladingen aan elkaar gerelateerd worden.  

Uitgaand van het bestaan van deze symmetrie zou je kunnen denken dat leven op basis van magnetisch geladen deeltjes ook mogelijk moet zijn. Toch is dit niet wat de elektromagnetische symmetrie impliceert. Hoe groter de elektrische lading van een deeltje, des te kleiner de magnetische lading van diens spiegelbeeld, en omgekeerd. Het leven zou er dus heel anders uitzien in de spiegel, omdat elektrische en magnetische krachten in grootte niet gelijk zijn. “L” werkt als een spiegel, maar wel een kromme spiegel: het magnetische beeld is veel zwaarder dan het elektrische origineel. Precies dit is wat elektromagnetische dualiteit interessant en “L” tot een machtig apparaat maakt, een soort vergrootglas. Het stelt fysici voor het eerst in staat om de elektromagnetische eigenschappen van elementaire deeltjes helemaal in kaart te brengen. Als we erin slagen om die moeilijke wiskunde te temmen, dan kunnen we ook sterk interagerende magnetische velden beschrijven! 

Het is op zijn minst een opmerkelijke ontdekking van Kapustin en Witten te noemen, dat de begrippen die de natuurkunde hanteert overeenkomen met wat veel wiskundigen als het belangrijkste probleem van de huidige wiskunde beschouwen. Het in een andere taal herformuleren van een probleem helpt dikwijls om tot nieuwe inzichten te komen. Het feit dat je het Langlands programma in natuurkundige termen kunt vertalen, suggereert dat fysische intuïtie een belangrijke rol kan spelen bij het vinden van een wiskundig bewijs. Dit is al het geval in het recente bewijs, door de wiskundigen Beilinson en Drinfeld, van een van vermoedens van het Langlands programma. Hun werk berust sterk op begrippen die uit de fysica komen.  

Elektromagnetische dualiteit raakt de kern van elementaire-deeltjestheorieën, juist omdat zij een beschrijving van de hoogst-wisselwerkende fase van deeltjes mogelijk maakt. Als wiskundigen ons de instrumenten leveren om deze vertaalslag te maken dan hebben we een kans om voor het eerst de kern van de theorie te vatten! Het zou te kort door de bocht zijn om deze ontwikkelingen als abstracte onzin af te doen. Maar de theorie staat natuurlijk nog in haar kinderschoenen en de toekomst zal uitwijzen wie er van deze revolutie wijzer zullen worden.

Geschreven in Algemeen , Wiskunde | 2 Reacties | Vaste link | Afdrukken

Artikel gepubliceerd in Scientific American 1 (2009) 40 (Nederlandstalig).

Snaartheorie is hot. Dat blijkt uit de hoeveelheid boeken en artikelen die erover geschreven wordt. Zelfs wetenschapsfilosofen proberen vat op deze theorie te krijgen. Richard Dawid, verbonden aan de Universiteit van Wenen, schreef onlangs een filosofische beoordeling van snaartheorie (On the Conflicting Assessments of the Current Status of String Theory). Zijn artikel verschijnt in het volgende nummer van het toonaangevende Amerikaanse tijdschrift Philosophy of Science.

Wat maakt een filosofisch debat over snaartheorie nodig? Volgens Dawid kampt de snaartheorie met de volgende problemen:

1) Er zijn geen experimentele aanwijzingen voor het bestaan van snaren. Zulke aanwijzingen kunnen volgens Dawid ook niet in de nabije toekomst verwacht worden.
2) Snaartheorie is nog steeds een onvolledige theorie zonder een duidelijke strategie voor experimentele toetsing.
3) Snaartheorie beschrijft een multi-universum van mogelijke werelden en voorspelt niet op een eenduidige manier hoe onze wereld in elkaar zit. Zij mist dus de voorspellende kracht die nodig is om de natuurwetten eenduidig te bepalen.

Dawids hoofdstelling is dat de controverse tussen de voorstanders van snaartheorie en haar critici als een “paradigmatische breuk” gezien kan worden. Een paradigma is volgens de beroemde wetenschapsfilosoof Thomas Kuhn een geheel van opvattingen die bepalen wat een goede theorie is. Iedere wetenschapper werkt in het kader van een paradigma, een stel criteria waar de wetenschap zich aan kan meten. Aan de hand van deze criteria kan hij zijn resultaten beoordelen. Kenmerkend voor paradigma’s zijn volgens Kuhn niet alleen zuiver interne factoren zoals het belang van het experiment of wiskundige overwegingen. Even belangrijk zijn de metafysische commitments (filosofische aannames) en waarden die bij het wereldbeeld van een theorie horen. Wetenschappers zijn niet altijd even duidelijk over deze aannames. Zo is bijvoorbeeld de aanname dat beweging deterministisch moet zijn, een metafysisch commitment van de Newtonse mechanica; ook het belang dat gehecht wordt aan de nauwkeurigheid van een voorspelling houdt een waardeoordeel in over de rol van kwantificeerbaarheid in de wetenschap.

Wetenschap gaat sprongsgewijs vooruit en een wetenschappelijke revolutie komt volgens Kuhn pas tot stand als het heersende paradigma plaats maakt voor een nieuw. Het volstaat niet dat de nieuwe theorie objectief succesvoller is dan de vorige (bijvoorbeeld, dat zij meer experimenten kan verklaren); het nieuwe paradigma moet daadwerkelijk door een nieuwe generatie wetenschappers aangenomen worden. Daarom is een wetenschappelijke revolutie volgens Kuhn deels een sociaal en psychologisch proces.

Dawid spreekt van een paradigma-breuk binnen de snaartheorie; deze zou inmiddels het “klassieke wetenschappelijke paradigma” (wat dit ook mag zijn) door een nieuw, eigen paradigma hebben vervangen, waarbij voornamelijk de theoretische consistentie van de theorie van belang is en niet haar experimentele toetsbaarheid.

Critici Roger Penrose en Lee Smolin verwijten de snaartheoreten al zo’n 34 jaar bezig te zijn zonder dat de theorie ook maar de schijn heeft van af zijn: “Van een theorie wordt verwacht dat zij binnen een redelijk termijn een volledige status van voltooing bereikt”. Anders verspilt men zijn tijd. In Dawid’s eigen bewoordingen: “34 jaar nadat ze voor het eerst als een fundamentele theorie voor alle wisselwerkingen werd voorgesteld, heeft snaartheorie nog geen van deze doelen bereikt”. Volgens Smolin zou snaartheorie haar eigen succescriteria zodanig ontwikkelen dat zij altijd als winnaar uit de bus komt.

Het artikel van Dawid bespreekt een belangrijk probleem en streeft naar volledigheid: hij behandelt een brede scala van argumenten die voor of tegen snaartheorie zijn gebruikt. Maar hij neemt stelling tégen de snaartheorie en dat kleurt zijn weergave van de argumenten.

Volgens Dawid worden de boven aangehaalde moeilijkheden “allemaal volledig door snaartheoreten aanvaard”. Nu zijn supersnaren inderdaad nog nooit gezien. Maar de mening dat “het niet verwacht kan worden dat aanwijzingen [voor het bestaan van snaren] binnen afzienbare tijd gevonden zullen worden”, wordt beslist niet door het geheel van snaartheoreten gedeeld. Dawid probeert deze mening met een andere opvatting van hem te staven: dat snaren pas bij een energie gevonden worden die we in de nabije toekomst niet zullen kunnen bereiken. Maar geen van die beweringen is juist. Supersymmetrie moet volgens sommige modellen al in de LHC gevonden worden (zie mijn vorige artikel over de LHC). Surft u bijvoorbeeld eens naar de website van CERN, waar het zoeken naar experimentele bevestiging van snaartheorie wordt genoemd als een belangrijke motivatie voor het onderzoek op de LHC.  Dawid maakt geen duidelijk onderscheid tussen directe en indirecte aanwijzingen voor het bestaan van snaren. Dat “het niet verwacht kan worden dat aanwijzingen binnen afzienbare tijd gevonden zullen worden” is dan ook geheel Dawid’s eigen speculatie en niet representatief voor de heersende opvatting in het vakgebied. Jammer dat het artikel sterk op deze uitgangspunten berust, want de rest van zijn analyse wordt er flink door geschaad.

Snaartheorie wordt wel degelijk in de deeltjesfysica toegepast, onder meer bij experimenten op de RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) in Brookhaven. Snaartheorie slaagde er bijvoorbeeld als enige in te verklaren hoe hoog-energetische bundels van quarks, die verwacht worden bij de vuurbal die ontstaat uit de botsing van twee goudkernen, uit konden blijven. Een dergelijke toepassing van snaartheorie berust op het holografische beginsel. Snaartheorie is vanwege deze bruikbaarheid in de natuurkunde van elementaire deeltjes al een tijd de sterkste stuwende kracht achter deze experimenten. Het standpunt dat snaartheorie geen verbinding heeft met het experiment, is volledig achterhaald.

Maar er is nog iets fundamentelers mis met Dawids beeld. Een wetenschapsfilosofische analyse van een theorie kan zich niet beperken tot het bestuderen van die theorie op zichzelf, maar moet, om een volledig beeld te geven, de theorie in de context van het desdetreffende vakgebied plaatsen. Snaartheorie behoort tot het vakgebied van de quantumgravitatie, want zij probeert de quantummechanica en de relativiteitstheorie met elkaar te verenigen. Om de snaartheorie te kunnen beoordelen moet men het geheel van de quantumgravitatie in kaart brengen. De drie belangrijkste kritiekpunten van Dawid (de afwezigheid van experimentele toetsing, het onafgewerkte karakter van de theorie en het gebrek aan voorspellende kracht) zijn geen bijzonderheden van de snaartheorie: het zijn gemeenschappelijke problemen van alle quantumgravitatietheorieën die wij op dit moment kennen. Het verschil is wèl dat snaartheorie tot nu toe meer successen heeft geboekt dan haar concurrenten. Dit laat zien dat de methodologie van Dawid belangrijke zaken over het hoofd ziet.

Om deze reden betwijfel ik dat Dawid’s gebruik van Kuhn’s begrip “paradigma” verhelderend werkt. Een paradigma is een nuttig begrip om te verklaren hoe een oude theorie, met de bijbehorende metafysische commitments en waarden, door een nieuwe theorie wordt vervangen. Maar het is verwarrend om de filosofische aannames van de snaartheorie te vergelijken met die in andere vakgebieden zonder analyse van de quantumgravitatie, de daar bekende theorieën en de daar geldende filosofische aannames. Snaartheorie staat niet op zichzelf, maar bestudeert verschijnselen als de verdamping van zwarte gaten, die door verschillende theorieën worden bestudeerd. Het is daarom eerst noodzakelijk om het snaartheoretische paradigma met de paradigma’s van andere theorieën binnen hetzelfde vakgebied te vergelijken. Mogelijkerwijs maakt de quantumgravitatie, door de extreem hoge energie die ervoor nodig is en de afwezigheid van experimentele toetsing tot nu toe, een nieuw paradigma nodig. Maar dat heeft dan niets te maken met de snaartheorie als specifieke theorie. Dawid beperkt zijn analyse tot de snaartheorie en daarom kan hij dit onderscheid niet maken: een methodologisch mankement.

Er is nog een reden waarom Dawid’s beschrijving in termen van paradigma’s verwarrend is. Snaartheoreten willen de theorie experimenteel geverifieëerd zien. Zolang men zulke projecten als de LHC bouwt, blijft het experiment een wezenlijke toetsteen van de wetenschap. Van een paradigmabreuk is dus geen sprake.

Dawid gaat ook op een aantal andere punten te kort door de bocht. Ik zal er nog één noemen. Het verschil tussen insiders en outsiders in de snaartheorie wordt zeer zwart-wit gepresenteerd. Aan het begin van zijn uiteenzetting lezen we: “String theorists retort that the convincing quality of string theory [...] reveals itself to the string theory expert only, which implies that most of the critics are just not competent to evaluate the situation”. Dat is een nogal generaliserende openingszin. Men krijgt de indruk dat snaartheoreten leden zijn van een gnostische secte waar inzicht slechts door inwijding komt. Terwijl het tegenovergestelde het geval is. Snaartheorie benadrukt juist haar successen en die kan iedereen begrijpen: haar toepasbaarheid bij de RHIC-experimenten, haar beschrijving van zwarte gaten, het feit dat snaren erin slagen quantummechanica en relativiteitstheorie met elkaar te verenigen... Dit zijn successen die geen andere theorie op haar CV heeft staan, en die de snaartheorie en de quantumgravitatie in het algemeen hun bestaansrecht geven.

Zolang de snaartheorie niet experimenteel getoetst is, blijft zij een theorie, een hypothese, een werkkader. Maar als vruchtbare theorie, die bovendien bruikbaar is bij experimenten, hoeft zij zich niet meer te bewijzen. De voornaamste taak voor de critici van de snaartheorie is om met een betere theorie voor de dag te komen.

(Foto’s: Morgan, Pichl)

Geschreven in Filosofie | 8 Reacties | Vaste link | Afdrukken

“Obi-Wan Kenobi, you are my only hope!” is de bekende bede in het gecodeerde noodsignaal dat Princess Leia via de robot R2-D2 weet uit te zenden. Als Luke Skywalker aan de robot rommelt, ontdekt hij de hologram van zijn tweelingzus.

Geschreven in Snaartheorie | 0 Reacties | Vaste link | Afdrukken

En waarom? Om het Higgs deeltje en de volledige lijst elementaire deeltjes te vinden. Om erachter te komen of er meer dan vier dimensies zijn. Om de aard van donkere materie te achterhalen. Omdat zo’n experiment een soort reageerbuis-oerknal is, een Big-Bang in the lab. Zijn dat geen dingen waar u ook in geïnteresseerd bent? Natuurlijk wel!

Komt er voldoende spin-off om die 3 miljard Euro te rechtvaardigen? Ja, die komt er. Die is er zelfs al. Maar daar zal ik u vandaag niet mee lastig vallen want de precieze aard van spin-off kun je niet voorspellen. Zoals niemand had kunnen voorspellen dat Berners-Lee in 1990 op CERN het world wide web zou bedenken en fundamentele begrippen als http, html, URL en een eenvoudige web-browser zou ontwikkelen; dat deeltjesversnellers in de geneeskunde gebruikt zouden kunnen worden.

U voelt het al op uw klompen aan: de technologische toepassingen zijn in dit geval van ondergeschikt belang. Kennis van de natuur is waar het op CERN in de eerste plaats om gaat. De vraag: hoe zit de wereld in elkaar, hoe is het allemaal ontstaan?

Kennis zonder onmiddelijke toepassingen is immers ook nuttig. Het is nuttig wanneer wij meer te weten komen over hoe atoomkernen in elkaar zitten want wij zijn zelf uit atomen samengesteld; wanneer we de vier natuurkrachten onderzoeken en leren temmen (of leren dat er situaties zijn waar dit juist niet kan!); wanneer wij de oerknal kunnen begrijpen en de latere ontwikkeling van het heelal kunnen achterhalen en als een film voor onze ogen af kunnen draaien.

Het Higgs-deeltje verwacht men op CERN in een vroeg stadium al te kunnen vinden. Het Higgs is het sluitstuk van het standaardmodel van elementaire deeltjes en het enige deeltje dat nog niet gevonden is. Het vult de hele ruimte: alle andere deeltjes varen in een zee van Higgs-deeltjes. Dit is ook wat het Higgs-deeltje (of Higgs boson) zo’n fundamentele rol binnen het standaardmodel geeft. Zonder het Higgs deeltje zouden alle andere deeltjes massaloos zijn en met de lichtsnelheid door het heelal heen vliegen. Door de interactie met het Higgs deeltje krijgen de andere deeltjes massa en remmen ze af. Dit heet het Higgs-mechanisme.

Het Higgs-mechanisme is het sluitstuk van de deeltjesfysica. In de klassieke natuurkunde van Newton was massa geen probleem; maar in de quantummechanica van deeltjes kunnen bepaalde deeltjes geen massa hebben zonder een symmetrie te schenden en daarmee de hele theorie onbruikbaar te maken. Om dit wiskundig goed te kunnen doen is het Higgs deeltje nodig.

Er zijn nagenoeg geen andere mechanismen bekend om deeltjes massa te geven die zo goed werken als het Higgs-mechanisme. Toch is het Higgs deeltje nog nooit gevonden. Als het ook nooit gevonden wordt dan ligt er een grote uitdaging voor de theoretische natuurkunde.

In mei begint CERN de eerste proefexperimenten te draaien. Vanaf de zomer worden de eerste bundels protonen tegen elkaar afgeschoten, en tegen het eind van het jaar mogen we de eerste data en meetresultaten verwachten.

Ter afsluiting een quote van Gandalf: “He who breaks a thing to find out what it is has left the path of wisdom”. Wat Gandalf waarschijnlijk niet wist is dat je door dat te doen fundamentele vragen over het heelal kunt beantwoorden.

(Foto's: shotleyshort, xamad)

Geschreven in Algemeen | 3 Reacties | Vaste link | Afdrukken

Stephen Hawking is inmiddels een icoon geworden. Iedereen kent de glimlachende wetenschapper in de rolstoel die aan de zeldzame zenuwziekte ALS lijdt; die moeizaam door middel van een spraakcomputer met de buitenwereld communiceert maar intussen allerlei geniale theorieën bedenkt die hij in wiskundige symbolen uitdrukt: de zwarte gaten-expert, ook bekend van de Simpsons en van zijn uitspraken over de Big Bang en het bestaan van God.

Een vraag die men vaak hoort is of hij werkelijk zo geniaal is als men denkt, of dat hij zijn populariteit toch grotendeels aan zijn media-aandacht te danken heeft. Ook vraagt men regelmatig wat zijn belangrijkste bijdrage aan de natuurkunde en aan de wetenschapsfilosofie eigenlijk is geweest. Ik heb in de kelder een artikel geplaatst waarin ik deze vragen beantwoord.


De eerste aanwijzingen dat er met de gezondheid van de jonge Stephen iets mis was, verschenen vroeg. Na een roemloze afronding van de middelbare school examens kreeg hij op zijn zeventiende een beurs en ging naar Oxford om natuur- en scheikunde te studeren. In 1962, zijn laatste studiejaar, ontdekte hij dat hij moeite had om te roeien en alsmaar onhandiger werd. Het jaar daarop begon hij aan zijn proefschrift in Cambridge en werden de symptomen duidelijker: ALS (Amyotrofische Laterale Sclerose) is een zeldzame zenuwziekte die in relatief korte tijd tot de dood van de patiënt door verlamming van de ademhalingsspieren leidt. Stephen zal de uitzondering blijken want 45 jaar na deze prognose vliegt hij nog overal heen om lezingen te verzorgen.

Stephen werd getroffen door periodes dat de symptomen van zijn ziekte verergerden. In 1985 werdt hij tijdens een bezoek aan de deeltjesversneller CERN te Genève geveld door een longontsteking. Hij moest kunstmatige beademing krijgen en in slaap worden gebracht. Verder moest hij een tracheotomie ondergaan waardoor hij zijn spreekvermogen voorgoed kwijt raakte. Zijn arts stelde voor om alle levensvervangende functies stop te zetten, maar Jane wees dit resoluut van de hand. Voortaan zou Stephen voortdurende verpleging thuis krijgen en een spraakcomputer die inmiddels wereldberoemd is geworden.

Ondertussen werd hij steeds meer een publieke persoonlijkheid. In 1988 verscheen zijn populair wetenschappelijk boek A Brief History Of Time, dat een absolute bestseller werd.

Net als Einstein een icoon van de algemene relativiteitstheorie is, is Stephen Hawking een icoon geworden van de quantum gravitatie, het moeilijkste en meest extreme vakgebied van de theoretische natuurkunde. Deze publieke aandacht is niet onterecht omdat begrippen als “baby universe”, “wormhole”, “wave function of the universe”, “information loss” en oerknal singulariteit, al zijn ze niet alle van hem afkomstig, door hem ontwikkeld zijn en dankzij hem sterk tot de verbeelding zijn gaan spreken. Ik zal deze begrippen in toekomstige berichten uitleggen. Hawking beheerst als geen ander de kunst om een wetenschappelijke ontdekking zodanig te formuleren dat ook de ruime implicaties ervan duidelijk zijn, en dit met een vleugje Britse humor. De publiciteit voor hem is zo groot dat hij optredeedt in Star Trek, waar hij met Newton, Einstein, en Commander Data pokert... en wint; bij The Simpsons, en voor een opname voor Pink Floyd’s Keep Talking. In zijn controversiële Millennium Lecture op 6 maart 1998 in het Witte Huis verweet hij de Clinton administratie kortzichtigheid omdat ze de bouw van een nieuwe deeltjesversneller hadden afgeblazen: “At the risk of causing embarrassment, I have to say I think this was a very short sighted decision. I hope that the US, and other governments will do better in the next millennium.” Bij deze gelegenheid en elders pleitte Hawking voor de noodzaak van de genetische verbetering van de mens, “if it is to deal with the increasingly complex world around it and meet new challenges like space travel”. Hawking staat bekend om zijn politiek incorrecte uitspraken en voorkeur voor provocatie en gok. Het is dan ook de vraag hoe serieus deze uitspraak genomen dient te worden. Lenny Susskind, hoogleraar op Stanford University en zelf een charismatische persoonlijkheid, beschrijft Stephen ooit als “By far the most stubborn and enfuriating person in the universe”.

Het genie gevangen in een lichaam dat niets kan, spreekt tot de verbeelding. Stanley Kubrick gebruikte dit reeds als centraal thema in Dr. Strangelove, or: How I learned to Love the Bomb. Toch geniet Stephen in zijn eigen wetenschappelijke kring niet het mateloze aanzien dat het grote publiek hem vaak toekent, waar hij met natuurkundigen als Newton en Einstein wordt vergeleken.


Hawking is ook een getalenteerd schrijver. A Brief History of Time wordt als bestseller opgenomen in het Guinness Book of Records. Veel critici verwijten het boek dat het wetenschappelijk onbegrijpbaar is. Maar het slaagt er wel in de grandeur van de wiskundige formules in woorden om te zetten en de grote vragen van de mensheid op eenvoudige manier te stellen. Aan het einde van A Brief History of Time schrijft hij bijvoorbeeld: “Zodra we een volledige theorie ontdekken zal deze na verloop van tijd voor iedereen begrijpelijk zijn, niet alleen voor een handjevol geleerden. Dan kunnen allen, filosofen, geleerden en gewone mensen, deelnemen aan de discussie over de vraag waarom wij en het heelal bestaan. Wanneer we het antwoord op die vraag kennen is dat de bekroning van het menselijk verstand – want dan kennen we de geest van God”. Stephen wil dat natuurkunde een bijdrage levert aan het beantwoorden van de grote vragen van de mensheid.

Natuurkunde is voor Hawking geen een ivoren toren, een plek waar geniale ontdekkingen worden gedaan wiens belang òf puur academisch is, òf zich slechts in termen van technologische vernieuwingen uitdrukt. Integendeel. Hawking is een popularisator die zich realiseert dat de wetenschap een stem heeft die hoorbaar moet zijn in de maatschappelijke en filosofische debatten. Dat zij een bijdrage kan en moet leveren aan discussies over politiek beleid en maatschappelijke vraagstukken.

Zijn jongste wens is om in 2009 de ruimte in te gaan. Om dit mogelijk te maken treft Virgin Galactic reeds voorbereidingen.

(Foto's: A&F foto's en Pingnews)

Geschreven in Stephen Hawking | 3 Reacties | Vaste link | Afdrukken

Nog geen jaar geleden kwam ik na een lang oponthoud in het buitenland terug naar Nederland. Ik heb gemerkt dat er heel veel veranderd is. Nederland is rijker geworden, de wegen zijn steeds drukker, we hebben het fenomeen politieke moord en het fenomeen Wilders. We schrijven pannenkoek in plaats van pannekoek maar de smaak is onveranderd. Van sommige veranderingen heb ik een duidelijke parallel in het buitenland gezien, van andere niet.

Er is een groeiende interesse voor wetenschap en een steeds merkbaardere invloed van diverse vormen van kunst in het dagelijks leven aanwezig. In Nederland rijzen wetenschapscafé’s in alle grote steden uit de grond, zijn musea drukker dan ooit en wil iedereen een van Gogh in de zitkamer hebben. Of desnoods een van Warhol’s portretten van Marylin, want die is een stuk knapper dan zo’n goudgele zonnebloem.



Daar komt nog bij dat de kennis van middelbare scholieren aan diepte heeft ingeboet en helaas niet evenredig veel aan breedte heeft gewonnen. Scholieren moeten nu een canon van minstens vijftig feiten uit de Nederlandse geschiedenis kennen, maar weten nog steeds niet waarom Spinoza en zijn tijdgenoot Leibniz van invloed zijn op het denken van nu. Ondanks deze leemtes is de behoefte aan kennismaking met wat wetenschap en cultuur te bieden hebben duidelijk merkbaar.

In mijn eigen vakgebied is dat zeker het geval. De theoretische natuurkunde in Nederland is om diverse redenen meer op de voorgrond komen te staan. Zij is weer twee Nobelprijswinnaars in de natuurkunde rijk: Gerard 't Hooft en Martinus Veltman. Robbert Dijkgraaf, de jongste president van de KNAW, is zelf theoretisch natuurkundige. Theoretisch natuurkundigen moeten vaker vragen beantwoorden als: “Wat is het maatschappelijk nut van uw onderzoek?”, “Waarom moet ik úw experiment en niet dat van uw buurman financiëren?” Of belangrijker nog: “Waarom is er al twintig jaar nog geen experiment gedaan dat uw theorie bevestigt?” Dit heeft ons ertoe gedwongen meer over het hoe en het waarom van ons eigen vakgebied na te denken, en vaker naar de media toe te stappen. Met wisselend succes maar een positief netto saldo.

Maar daar zal ik een andere keer over spreken; wat nu van belang is, is dat ik sinds ik in Nederland terug ben regelmatig geconfronteerd word met vragen van leken, wat snaartheorie nou eigenlijk is; waarom natuurkundigen beweren dat er tien of zelfs elf dimensies zijn; of zwarte gaten nu werkelijk gevonden zijn in het centrum van ons eigen melkwegstelsel, en wat er in zo’n zwart gat dan eigenlijk gebeurt. Ook met vragen van het soort “Wat is dat met Heisenberg ook weer, en wat zei de quantummechanica ook al weer over het tegelijk zijn en niet-zijn van een deeltje?” Zoals een leraar van mij zei, er zijn geen domme vragen, alleen domme antwoorden.

Wat ik op de pagina's van deze salon zal schrijven is mijn eigen visie op zulke onderwerpen; ik zal proberen zo objectief mogelijk te zijn, maar kan niet de pretentie hebben dat ik alle vragen, zelfs die, die over mijn eigen vakgebied gaan, naar ieders tevredenheid zal beantwoorden. Ik zal wel mijn best doen.

(Afbeelding: MacEnsteph)

Geschreven in Algemeen | 0 Reacties | Vaste link | Afdrukken

Geschreven in Algemeen | 0 Reacties | Vaste link | Afdrukken