De opgerolde ruimte

OP CARTOON NETWORK is iedere middag de tekenfilm Dexters Laboratory te zien. Wonderkind Dexter houdt zich in zijn geheime lab bezig met nucleair onderzoek, genetische manipulatie en megalomanie. De experimenten lopen steevast op niets uit - Dexters zusje Dee Dee weet op een intuïtieve, speelse, meisjesachtige manier alles te verpesten wat er aan Dexters analytische brein ontspruit.

In een van de beste afleveringen komt Dexter een cartoonversie tegen van Stephen Hawking. Een genie die in een wetenschappelijke piramide woont, en rondzweeft in een vliegende stoel. ‘Your brain is a creative computer’, zingt hij met zijn nasale synthetische stem.
Stephen Hawking is het huidige levende symbool van genialiteit, zoals Einstein dat was in de jaren vijftig en zestig. Hawking is zelfs in een aflevering van Star Trek te zien, waar hij op het holodeck een spelletje poker speelt met Newton en Einstein. Hoewel het zeker te verdedigen is dat Hawking de grootste natuurkundige is van deze tijd, is hij niet helemaal te vergelijken met Newton of Einstein. Zijn werk op het gebied van de zwarte gaten (objecten met een zo grote dichtheid dat in hun buurt zelfs licht niet kan ontsnappen) vormt een belangrijke mijlpaal in de moderne natuurkunde, maar één ding ontbreekt er nog. Hawking presenteerde nooit een nieuwe fundamentele theorie, die het wereldbeeld revolutionair veranderde, zoals Newtons mechanica en Einsteins relativiteit dat wél deden. Hawking is wel op zoek naar zo'n 'theorie van alles’, evenals de andere scherpe geesten die in de eerste week van juli de zogeheten Spinoza-meeting in Utrecht bezochten.
EEN WEEK LANG was de internationale groep van heilige-graalridders bij elkaar in Utrecht. Wetenschappelijke nomaden zijn het, die veel op reis zijn, en een jargon spreken van gebroken Engels. Mensen die gewend zijn om tienen te halen. Voornamelijk mannen tussen de twintig en veertig. In de koffiepauzes wordt ieder vogelvrij stukje papier door de natuurkundigen gebruikt om elkaar deelgenoot te maken van diepere gedachten. Met pen of potlood tekenen ze er mysterieuze geometrische structuren op.
De natuurkunde bevindt zich in een opwindende, bijna religieuze, fase. De betrekkelijk nieuwe membraantheorie (zie kader) lijkt openingen te bieden naar een mogelijke 'theorie van alles’. We zouden aan de vooravond staan van een nieuwe natuurkundige revolutie.
En daarbij hoort natuurlijk een generatieconflict. 'De jongeren weten soms de namen van sommige elementaire deeltjes helemaal niet meer’, grinnikt Gerard ’t Hooft. 'Ze halen ook weleens deeltjes door elkaar. Zoiets is voor ons ouderen onvoorstelbaar.’ Zelf heeft ’t Hooft hoogst persoonlijk meegeholpen met het in kaart brengen van de elementaire deeltjes.
De elementaire deeltjes zijn blijkbaar 'uit’ bij de jonge fysici. De toekomst is aan de membraantjes, lusjes en geometrische theorieën. Kenmerkend is de voordracht van Juan Maldacena, een wonderkind uit Argentinië. Maldacena is pas 29 jaar oud en nu al professor aan de Harvard Universiteit in Cambridge, Massachussets. Zachtjes pratend ontvouwt hij zijn ideeën.
Hij begint links boven aan het zwarte bord en eindigt rechts onder. Het zijn geen gedetailleerde berekeningen maar vage schetsen van een dieper liggend idee. De wetenschapper werkt met een bizar fantasiemodel voor het universum, een soort vijfdimensionale ruimtetijdbal. In deze 'Anti de Sitter-ruimte’ krijgt hij het voor elkaar om een soort zwarte gaten op een quantummechanische manier te beschrijven.
Dat is nieuw. Stephen Hawking, die helemaal vooraan zit, heeft ooit beweerd dat dat onmogelijk is. Na Maldacena’s uiteenzetting ontspint zich dan ook een discussie tussen de oudere en de jongere garde. Aan de ene kant zwaargewichten als ’t Hooft en Hawking, en aan de andere kant Maldacena en consorten.
Veel opmerkingen worden ingeleid met frases als: 'As far as I know…’ of 'Correct me if I’m wrong, but…’ Daarna een onbegrijpelijke zin.
SOMS WACHT MEN geduldig op een antwoord of opmerking van Hawking. Door drukjes op een enkele knop kan Hawking woorden uitzoeken, die onderin op het beeld van zijn computerscherm een zin vormen. Deze wordt vervolgens uitgesproken door een spraaksynthesizer. Hawking haalt 15 woorden per minuut, waar 150 normaal is. Terwijl de meester met zijn ene knop een nieuwe gedachte construeert, wachten de theoreten gespannen tot de synthetische stem begint te orakelen. Zwijgend kijkt Hawking dan vanuit zijn hi-tech rolstoel de zaal in, terwijl de computer spreekt: 'Consider someone shoots particles from infinity to the centre of the universe where they form a black hole…’ Er volgt een ondoorgrondelijk betoog.
Zelfs met een degelijke natuurkundige achtergrond voel je je hier als een kind van drie dat een gesprek van volwassenen probeert te volgen. Je vangt wel termen op waarvan je de inhoud min of meer kent, zoals 'membrane’, 'black hole’, 'infinity’ en 'entropy’, maar de grotere lijnen ontgaan je volkomen.
Maldacena lijkt in elk geval bij iedere opmerking een krachtig weerwoord te formuleren. Hij wordt niet geïmponeerd door de aanwezigheid van Stephen Hawking. Hij is er aan gewend, want ze maken inmiddels beiden deel uit van hetzelfde rondreizende genieëncircus. Maldacena vertelt later: 'Bij de eerste lezing die ik buiten Amerika gaf, was hij ook al aanwezig. Dat was wel grappig. Hij is een sterke persoonlijkheid, en staat erg open voor nieuwe ideeën.’
Misschien komt een man als Maldacena met de doorbraak waar de natuurkunde al jaren op wacht. Misschien wordt hij ooit getekend in cartoons en stripboeken, en misschien mag hij ooit met recht op het holodeck van de Enterprise aanschuiven bij Newton en Einstein.
'Nou, dat weet ik niet hoor’, lacht hij bescheiden. 'Ik geloof dat ik misschien een klein stapje gezet heb.’
De membraantheorie
Het is een fascinerende tijd voor theoretisch natuurkundigen. De steen der wijzen van de moderne natuurkunde, de 'theorie van alles’, de TOE (Theory of Everything) lijkt steeds dichterbij te komen. 'Er is vijftig procent kans dat we binnen twintig jaar de theorie van alles hebben ontdekt’, zei Stephen Hawking aan het eind van zijn openbare Spinoza-lezing afgelopen zaterdag 4 juli.
Goed, gaf Hawking toe, dat had hij in 1980 ook al gezegd. Het verschil met twintig jaar geleden is echter dat zich nu een serieuze kandidaat heeft aangediend: de membraantheorie.
In de membraan- of superstringtheorie wordt het beeld van elementaire deeltjes losgelaten. Wat deeltjes lijken, zijn eigenlijk kleine lusjes of membraantjes, die 'miljard miljard miljard’ keer kleiner zijn dan het kleinste object dat het menselijke oog kan zien. De verschillende bewegingen en vibraties van deze membraantjes zorgen ervoor dat het geheel zich voordoet als een deeltje met een omvang en een massa. Precies zoals bij een trommelvel de frequentie en de aard van de trilling de uiteindelijke klank bepaalt. Materie valt dus in zekere zin te beschouwen als het 'geluid’ dat trillende membraantjes maken.
Althans, dit is de theorie. Membranen en strings zijn nog nooit gezien, en zullen ook voorlopig niet 'gezien’ worden. Curieus is verder dat de theorie alleen opgaat bij elf dimensies: tien ruimtedimensies en één tijdsdimensie. Dit is in tegenspraak met onze dagelijkse ervaring dat er drie ruimtedimensies zijn. De theoretici hebben hiervoor de volgende verklaring. Ze stellen dat de zes overige ruimtedimensies zo klein zijn opgerold dat we ze niet meer kunnen zien. Dat moet je je voorstellen als een mier die over een pijp loopt: hij kan in de lengterichting heen en weer lopen, en hij kan in de dwarsrichting rondjes om de pijp lopen. De mier kan dus tweedimensionaal bewegen. Als echter de diameter van de pijp steeds kleiner wordt, kan de mier uiteindelijk nog slechts in de lengterichting heen en weer lopen, en ervaart hij de pijp, die nog steeds een tweedimensionaal oppervlak heeft, als eendimensionaal.
'De theorie is heel erg wiskundig en zweverig’, zegt Gerard ’t Hooft. 'Er kunnen geen experimenten mee gedaan worden. Daarom stuitte de theorie lange tijd op veel weerstand.’ ’t Hooft, die als sceptisch bekend staat, krijgt echter langzaam maar zeker vertrouwen in de nieuwlichterij. 'Steeds meer mensen beginnen te geloven dat de membraantheorie een gedeelte van de oplossing zal zijn.’
Met behulp van de trillende membranen zijn namelijk niet alleen objecten te construeren die op elementaire deeltjes lijken, maar ook objecten die zich gedragen als zwarte gaten. En dit is een belangrijke doorbraak, aangezien de natuurkunde van de elementaire deeltjes wordt beschreven door de quantummechanica, en de wereld van de zwarte gaten door de algemene relativiteitstheorie. Het koppelen van deze twee bouwwerken van de twintigste eeuw wordt gezien als de grote intellectuele uitdaging van de eenentwintigste eeuw.
Of de membraantheorie werkelijk de aanzet tot de 'theorie van alles’ zal zijn, valt nog te bezien. ’t Hooft: 'Ik denk dat het een model is dat stand zal houden, maar het zal mij niet verbazen als de werkelijkheid weer ingewikkelder zal blijken te zijn.’