Kwantumfysica: too hot to handle?

Kwantumfysica. Een intimiderend woord? Een ontzagwekkend woord. Daar brand je als niet-expert je vingers niet aan. Er is een hooggeleerd polemiekje ontstaan over de rechtmatigheid van uitspraken buiten het eigen vakgebied, het eigen specialisme. Onzin natuurlijk, zolang er maar geen onzin verkocht wordt (het polemiekje ontstond tussen bestsellerauteurs) en zolang er maar niet gejat wordt. Meningen over kwantumfysica, zo de eerste polemist, laat iedereen wel graag aan de experts over. Hoe zou dat komen?

De conceptuele stap van onze alledaagse werkelijkheid naar de wereld waar de wetten van de kwantummechanica gelden is erg groot. De grondleggers van de kwantummechanica (Bohr, Heisenberg, Schrödinger) hebben deze stap in de jaren twintig van de twintigste eeuw gezet. Bijna honderd jaar geleden en niemand heeft ook maar iets op de kwantumtheorie kunnen afdingen: de moderne natuurkunde is helemaal gebaseerd op de inzichten die door de grondleggers ontwikkeld zijn. In de klassieke natuurkunde, dus die van vóór de kwantummechanica beschrijven we de baan van een bewegend object door aan te geven op welk moment het op welke plek is. Zo kunnen we bijvoorbeeld precies voorspellen op welk moment de maan zich waar bevindt in haar baan om de aarde. We kennen de kracht tussen aarde en maan (de zwaartekracht), en met behulp van Newtons ‘kracht is massa maal versnelling’ kunnen we de zogenaamde bewegingsvergelijking opstellen, die lossen we op en we hebben de baan.

We zouden dezelfde redenering kunnen volgen om het waterstofatoom te beschrijven, De aarde vervangen we door een proton, de maan door een elektron, de zwaartekracht door de elektrische kracht en klaar. Dit blijkt echter van geen kant te werken. Het elektron cirkelt op een afstand van 10^-10 meter rond het proton, wordt dus op zijn cirkelbaan voortdurend ‘de bocht om getrokken’. Dat gebeurt natuurlijk door de elektrische kracht, die zorgt voor een ‘middelpunt zoekende’ versnelling die tot een cirkelbaan leidt. Maar we weten dat versnelde elektrische ladingen straling uitzenden. En als we uitrekenen hoeveel stralingsenergie een elektron op een cirkelbaan van 10^-10 meter uitzendt dan blijkt dat zo’n elektron binnen een mum van tijd al zijn energie kwijt is, stil komt te staan en op het proton valt. In contrast met de werkelijkheid: waterstof is stabiel. De bewegingsvergelijking van de kwantummechanica heeft niet als oplossing een precieze baan van het elektron, maar voorspelt waar het elektron op welk moment is met welke waarschijnlijkheid. De waarschijnlijkheid dat het elektron op het proton valt is nul. Het ‘klassieke’ probleem van hierboven wordt in de kwantummechanica automatisch omzeild. De meest waarschijnlijke banen liggen op wel bepaalde afstanden. Hoe verder verwijderd van het proton hoe groter de energie van het elektron. Het energieverschil tussen twee banen komt overeen met een energiekwantum, de banen liggen op ‘gekwantiseerde’ afstand. Niet elke baan is mogelijk. Vandaar de naam kwantummechanica (of kwantumfysica).

De oplossing van de bewegingsvergelijking (in de kwantummechanica heet deze Schrödingervergelijking) is een zogenaamde golffunctie. In plaats van de klassieke baan (plaats als functie van de tijd) vinden we een golf: een amplitude (‘golfhoogte’) als functie van plaats en tijd. De amplitude is een maat voor de waarschijnlijkheid dat, in ons voorbeeld, het elektron zich op een bepaalde tijd op een bepaalde plek bevindt. Dit golfkarakter van deeltjes is radicaal verschillend van het klassieke beeld van materiële objecten. Radicaal verschillend, maar wel ermee te verzoenen. De golflengte is omgekeerd evenredig met de impuls – massa maal snelheid - van het deeltje. Voor het elektron in waterstof is de golflengte van de zelfde orde van grootte als de straal van de baan: dit is het domein van de kwantummechanica. De golflengte van Uw auto is verwaarloosbaar in vergelijking met de afstand naar uw werk: het klassieke domein.

Maar goed: de kwantummechanica beschrijft deeltjes als goven, kent aan plaats en tijd van een deeltje een waarschijnlijkheid toe. Een heel eenvoudig experiment om het golfkarakter aan te tonen is het zogenaamde twee-spletenexperiment. Als een bundel elektronen op een absorberende plaat valt met twee doorlatende spleten (of gaatjes) dicht bij elkaar, op een afstand vergelijkbaar met de golflengte van de elektronen, weten we niet door welk gaatje een individueel elektron passeert. Uit beide gaatjes breidt zich een ‘elektrongolf’ uit, golven versterken en verzwakken elkaar (interfereren) en er ontstaat een karakteristiek interferentiepatroon (strepen of ringen) op een fotografische plaat die als detector dient.

De kwantumfysica heeft inmiddels een onwrikbare experimentele basis. En er worden nog steeds nieuwe, fascinerende experimenten verzonnen. Met als summum, misschien, de kwantumcomputer. Daarin zijn de ‘nulletjes’ en ‘enen’, de bits, van gewone computers vervangen door quantumbits, die met een zekere waarschijnlijkheid nul of een zijn. Zo is het mogelijk meer informatie op te slaan en sneller te rekenen. Praktisch nog ver weg, in principe perfect mogelijk. Microsoft investeert in het onderzoek naar kwantumcomputers!

De kwantumfysica: niet in overeenstemming met onze intuïtie, wel met de werkelijkheid. Ontstaan uit door de menselijke nieuwsgierigheid gedreven onderzoek. Ontdekt door wetenschappers met uitzonderlijke talenten en uitzonderlijke verbeeldingskracht. Toepassingen van de kwantummechanica zijn overal: in computerprocessoren, in geheugenchips, in MRI apparaten, in digitale camera’s enzovoort enzovoort. En nieuwe toepassingen zullen zich blijven aandienen – van grafeen tot kwantumcomputers. 

Er is één vraag waar de kwantummechanica geen antwoord op geeft: waarom zit de wereld in elkaar zo als hij in elkaar zit? Waarom volgt de natuur de wetten van de kwantummechanica? Ruimte genoeg om te filosoferen!

Jos Engelen, 4 augustus 2011

Amerika feliciteert Nederland

Het heeft een bijna magische naam: het Higgs-boson. Het is de naam van een elementair deeltje. Een elementair deeltje dat ons voor problemen stelt.

En wat is het probleem? Niemand heeft dit deeltje ooit waargenomen. Het bestaan ervan is niet aangetoond. En daarin komt misschien heel binnenkort verandering! 47 jaar nadat Peter Higgs er voor het eerst over publiceerde. Tegelijkertijd met en onafhankelijk van Robert Brout en Francois Englert overigens.

Waarom duurt de zoektocht naar het Higgs-boson zo lang? En waarom is die zoektocht zo belangrijk? Hij duurt zo lang omdat de experimenten om dit deeltje aan te tonen ‘state of the art’ technologie vereisen die pas nu, een decennium na het begin van de 21^e eeuw beschikbaar is. En het is zo belangrijk omdat de verbazingwekkende theorie van elementaire deeltjes en velden, het Standaard Model, niet zonder dit ‘allerlaatste’ der elementaire deeltjes kan. Het Standaard Model, sommigen prefereren Standaard Theorie, heeft de stoet van onderzoekers die het ontwikkeld hebben de Nobelprijs opgeleverd. Het model staat als een huis. Alle natuurkunde die we kennen komt erin samen. Ook het Higgs-boson, dat we strikt genomen nog niet kennen. Er staat veel op het spel...

De natuurkundigen die met hartstocht en hardnekkigheid op zoek zijn naar het Higgs-boson zijn opgewonden. En in opperste staat van paraatheid. De deeltjesversneller die ‘de Higgs’ moet produceren en de experimentele opstellingen die ‘hem’ moeten detecteren zijn sinds een aantal maanden volop in bedrijf. De spanning stijgt. Het verzamelen van voldoende data (‘van voldoende statistiek’) kost tijd evenals de verwerking ervan. Maar een signaal van het Higgs-deeltje kan nu elk moment de kop opsteken.

De deeltjesversneller die dit mogelijk maakt heet Large Hadron Collider, ‘de LHC’ en is de parel aan de kroon van het Europese laboratorium voor deeltjesfysica CERN, gelegen op de Zwitsers-Franse grens bij Genève. De experimentele opstellingen dragen de namen ATLAS en CMS. Wie er niet eerder van gehoord heeft zal er binnenkort zeker van horen. Op 27 juli jongstleden sloot Nobelprijswinnaar David Gross – inderdaad, één van de onderzoekers uit de stoet – een natuurkundeconferentie in Grenoble af, waarin de eerste resultaten van de LHC gepresenteerd waren. Een Higgs-achtig signaaltje had de revue gepasseerd, zowel ATLAS en CMS hadden het. Statistisch gezien nog niet overtuigend genoeg voor een ontdekking. Maar opwinding alom. Ook bij David Gross, die, als Amerikaan ons Europeanen alvast feliciteerde met de doorbraak die de LHC, ATLAS en CMS aan het maken waren. Buitengewoon opmerkelijk was zijn felicitatie aan ‘the governments of Europe who persevered and prevailed’. De regeringen van Europa die hebben volgehouden en gezegevierd. Waar hij op duidt zijn de lidstaten van CERN, waaronder Nederland, die CERN financieren. Ze hebben volgehouden: in 1994 hebben ze het LHC project goedgekeurd en ze hebben zich aan hun woord gehouden, ze hebben dit grensverleggende project mogelijk gemaakt, niet omdat het gemakkelijk was, maar omdat het moeilijk was! En ze hebben gezegevierd: Europa is nu wereldleider op dit vakgebied. Amerika mag aanschuiven, graag zelfs, maar ‘wij’ maken de dienst uit! China mag natuurlijk ook aanschuiven en India en Brazilië. En dat willen en doen ze ook, allemaal.

De felicitaties van David Gross gaan dus ook naar de Nederlandse regering en ik sluit me daar graag bij aan. De fysica van het Higgs-boson is óók een Nederlandse aangelegenheid. Via het werk van onze Nobelprijswinnaars Gerard ’t Hooft en Martinus Veltman steeg het Higgs-boson naar grote hoogte, via het werk van onze Nobelprijswinnaar Simon van der Meer verwierf CERN de prominentie die nodig was voor het LHC project. En de ‘high tech’ omgeving van CERN blijft uitgelezen kansen bieden voor ons bedrijfsleven.

Dat is wetenschapsbeleid par excellence: gebaseerd op volhouden en gericht op zegevieren. En gedreven door de dynamiek van de wetenschap zelf.

Nature's laws lay hid in night...

Onze aarde is lekker warm vanbinnen. De totale warmte die ze afgeeft aan de ruimte bedraagt 44 Terawatt. Alsof 440 miljard ouderwetse gloeilampen van 100 Watt voortdurend branden. Ongeveer 70 van die gloeilampen per persoon op aarde. Continu. Waar komt die warmte vandaan?

Uranium, Thorium, Kalium: elementen die in onze aarde voorkomen, sinds het ontstaan ervan, zijn radioactief. Ze vervallen spontaan in lichtere elementen en daarbij komt warmte vrij. Hoe weten we dat dit gebeurt? Door het te meten. De metingen zijn niet eenvoudig en technisch zijn de onderzoekers die hiermee bezig zijn pas een paar jaar zo ver dat deze metingen ook daadwerkelijk mogelijk zijn. Karakteristiek voor radioactief verval zijn de neutrino's die daarbij vrijkomen.

In Japan staat de KamLAND detector die neutrino’s detecteert. Duizend ton doorzichtige vloeistof, ‘bekeken’ door fotobuizen. De meeste voorbij schietende neutrino’s trekken zich niets van de detector aan, maar een enkel botst met de vloeistof. Daarbij komen karakteristieke lichtsignaaltjes vrij die door de fotobuizen geregistreerd worden. KamLAND is ontworpen voor het bestuderen van ‘neutrino oscillaties’ een verschijnsel dat een heel intrigerende kijk biedt voorbij de grenzen van het Standaard Model van elementaire deeltjes en hun wisselwerkingen. Maar KamLAND is ook bij uitstek geschikt om de ‘geoneutrino’s’ afkomstig van radioactief verval in aardkorst en mantel te meten. Zeer onlangs zijn de resultaten gepubliceerd van metingen die in de periode maart 2002 tot november 2009 gedaan werden. Wie neutrino’s bestudeert moet dus niet uit zijn op ‘quick wins’. Complexe en loeizware detectoren, complexe data-analyse, maar dan: unieke resultaten. Als we de gemeten neutrino-flux terugrekenen naar radioactiviteit in de aarde vinden we dat de helft van de aardwarmte, 22 Terawatt dus, is toe te schrijven aan radioactief verval. Dat is een fenomenaal inzicht: de helft van de aardwarmte verklaard! Aardwarmte die leidt tot aardbevingen en tsunami’s. Maar ook: de helft van de aardwarmte nog niet verklaard. Zou het de ‘restwarmte’ zijn van het ontstaan van de aarde? Om stil van te worden...

Dit nodigt uit tot verder lezen, tot meer willen weten. Het artikel dat hier bedoeld wordt werd gepubliceerd in Nature Geoscience. Online gezet op 17 juli 2011. Online, maar niet zomaar beschikbaar. Twee-en-dertig, 32, dollar moet het kosten. Natuurlijk, publiceren en beschikbaar maken van informatie kost geld. Dus ook als de onderzoeksresultaten met publieke financiering verkregen zijn, moet de toegevoegde waarde van het publiceren betaald worden.

Een veel beter verdienmodel dan dat van Nature zou zijn ‘auteur betaalt’ voor ‘open toegankelijkheid’  (Author pays, Open Access). Een beter model voor de toegankelijkheid van de resultaten, maar niet voor de winstgevendheid van Nature natuurlijk.

Nature staat voor kwaliteit. We willen er allemaal graag in publiceren. In Nature zelf, in Nature Physics, Nature Materials, Nature Nanotechnology, Nature Photonics, Nature Chemistry, Nature Climate Change, Nature Geoscience, Nature Biotechnology, Nature Chemical Biology, Nature Genetics, Nature Immunology, Nature Medicine, Nature Neuroscience, etcetera, etcetera.

Nature publiceert artikelen van hoge kwaliteit, ‘peer review’, de kritische beoordeling door experts staat daar garant voor. Maar Nature verdient ook aan advertenties. Nature publiceert ook ‘editorials’. Nieuws. Gezichtspunten. Nature is tevens een krant en een opinieblad. Het is heel onbevredigend dat het publiceren van wetenschappelijke artikelen gemengd wordt met allerlei andere informatie die, op de een of andere manier geheel ‘onverdiend’ ook status ontleent aan de kwaliteit van de onderzoeksartikelen. Deze wirwar deugt niet, maar als betalende abonnee maken we ons medeschuldig aan het in standhouden ervan.

Er zijn grote verschillen, maar er zijn ook onrustig makende overeenkomsten: de macht van Murdoch en de onaantastbare positie van Nature. Kwaliteitsbewaking en kwaliteitscontrole, daar gaat het om. Transparantie. Objectiviteit. Waken voor belangenverstrengeling. Zodra we als abonnees daar niet meer kritisch op letten bepalen anderen wat goed voor ons is. Als Nature zich blijft richten op het vergroten van zijn imperium vanuit zijn vesting van beslotenheid zal het, vroeger of later, News of the World achterna gaan. News of the World verscheen voor het eerst in 1843, Nature in 1869.

Groeien met quarks

Het is spannend in Genève. Een uniek apparaat van Europese makelij, ‘de krachtigste deeltjesversneller ter wereld’, omringd door experimentele opstellingen waarvoor deeltjesdetectoren ontwikkeld zijn die de nieuwe ‘state of the art’ voor dergelijke detectoren definiëren, maakt het mogelijk de grenzen te verleggen van wat we weten en kunnen. Wat is massa? Ontstaat die door het Higgs deeltje? Kunnen we dat deeltje ontdekken? Dat zijn een paar van de vragen waar we de komende jaren (maanden?) antwoord op hopen te krijgen.

Maar waar is dit goed voor? Wat hebben we eraan? Waarom zouden we investeren in dit soort projecten? Kan het niet een beetje minder? Kunnen we niet even wachten tot de economie weer wat is aangesterkt?

Laat ik U meenemen op een reisje door de tijd. Een kort reisje, een half mensenleven lang.

Waterstof is het meest voorkomende element in het heelal. Ook het eenvoudigste: het bestaat uit een proton waar een elektron zijn baantjes om draait. Ooit werd gedacht dat het proton, net als het elektron een ‘elementair deeltje’ is. Zonder interne structuur, een ‘puntdeeltje’. Volgens de huidige stand van de experimenten is het elektron, meer dan 100 jaar geleden ontdekt, inderdaad een puntdeeltje, een echt elementair deeltje. Het proton is wat complexer. In 1964 postuleerden Gell-Mann en Zweig dat het proton bestaat uit drie bouwstenen die ‘quarks’ gedoopt werden. Die quarks kwamen voor in drie soorten. Zo kunnen dus op 3x3x3 = 27 manieren - drie quarks, drie soorten - deeltjes als het proton worden samengesteld. Niemand nam de quarks echt serieus als werkelijk bestaande deeltjes. Er was nog nooit een quark waargenomen. Bovendien hadden quarks rare eigenschappen: de elektrische lading, bijvoorbeeld, was een fractie 1/3 of 2/3 van de ‘elementairlading’, de lading van het elektron. Maar de 27 deeltjes die dit quarkmodel voorspelt komen wel degelijk voor in de natuur. Ze kunnen met behulp van deeltjesversnellers gemaakt en bestudeerd worden. De quarks werden beschouwd als een trucje om het spectrum van protonachtige deeltjes (ook wel baryonen, ‘zware deeltjes’ genoemd) te kunnen ordenen.

Experimenten die rond 1970 mogelijk werden lieten, eigenlijk tot ieders verrassing, zien dat quarks echt bestaan. Elektronen werden met heel hoge energie op protonen geschoten. Daarbij werden ze soms zo sterk afgebogen (‘verstrooid’) dat dit alleen maar te verklaren was door aan te nemen dat de lading van het proton niet uniform over het proton verdeeld was, maar geconcentreerd was op kleine pitten (‘punten’) in het proton. De quarks waren herontdekt, nu niet als handigheidjes maar als echte, tastbare objecten! Sindsdien is veel onderzoek aan de structuur van het proton en de eigenschappen van quarks gedaan, ook door mijzelf. We hebben fantastisch veel geleerd. Naast de drie quarks van Gell-Mann en Zweig bestaat het proton uit een ‘zee’ van paren van quarks en antiquarks. De quarks worden in het proton bijeen gehouden door een veld dat bestaat uit deeltjes die we gluonen noemen. Een proton bestaat voor ongeveer de helft uit quarks (en antiquarks) en voor de andere helft uit gluonen. Er is een theorie ontwikkeld van de wisselwerkingen tussen quarks en gluonen. Verrassende eigenschappen voorspelt deze theorie: naarmate quarks dichter bij elkaar komen wordt de kracht die ze op elkaar uitoefenen via het gluonveld kleiner, als je ze van elkaar verwijdert gaan ze juist steeds harder aan elkaar trekken! Echt bevrijden uit het proton kun je ze niet, daar zou een oneindige energie voor nodig zijn.

We kennen de structuur van het proton, 40 jaar na de experimentele ontdekking dat er ‘pitjes’ (quarks) in zitten, behoorlijk precies. Laat ik iets beter uitleggen wat ik hiermee bedoel. Stel je een proton voor dat heel snel van links naar rechts over dit scherm beweegt. Een kluitje quarks, antiquarks en gluonen dus. Samen dragen deze ‘partonen’ zoals we ze met een verzamelnaam noemen de impuls (‘de hoeveelheid van beweging’) van het proton. Welke fractie hiervan ze elk afzonderlijk dragen wordt beschreven door ‘parton-dichtheidsfuncties’ (PDF’s). Deze fractie duiden we aan met x, x loopt dus van 0 tot 1. Deze functies zijn gemeten en vrij nauwkeurig bekend. De meest recente, grensverleggende metingen zijn het afgelopen decennium uitgevoerd door experimenten bij de elektron-proton botsende-bundelversneller van het DESY laboratorium in Hamburg. De enige manier om deze PDF’s te kennen is door ze te meten, ze zijn niet te voorspellen of ‘uit te rekenen’. Dat is tenminste nog niemand gelukt, hoewel de onderliggende ‘theorie van quarks en gluonen’ wel bekend is. (Net zo min is begrepen waarom en hoe quarks en gluonen samen een proton vormen: degene die dat uit ‘first principles’ verklaart mag meteen naar Stockholm!) De metingen zijn intrigerend. Bijvoorbeeld: de dichtheid van gluonen in het proton stijgt heel sterk naarmate de fractie x kleiner wordt. Naarmate x kleiner wordt, worden de metingen lastiger: we zijn erin geslaagd tot een waarde 0.00001 (10^-5) te komen. Tot die waarde stijgt de gluondichtheid nog steeds door: je zou verwachten dat de gluonen elkaar bij een te grote dichtheid in de weg gaan zitten, maar daar is in de huidige metingen nog geen sprake van.

Dit verhaal begint, min of meer willekeurig, in 1964. Meer dan 4 decennia waren er gemoeid met onderzoek en vervolgonderzoek om van het quarkmodel tot diepe en gedetailleerde kennis over het proton te komen. Alom tegenwoordig, niet groter dan 10^-15 meter. En nog steeds is niet alles ‘gemeten en geweten’ over deze eenvoudigste der atoomkernen. Maar mijn betoog gaat niet alleen over het proton: het staat model voor alle wetenschappelijk onderzoek – goed onderzoek leidt tot kennis en tot nieuwe vragen en weer tot vervolgonderzoek etc. Dat is een stroom die niet onderbroken kan worden. Je kunt ook niet even aan de kant blijven staan. Onderbreken betekent contact verliezen, aan de kant staan betekent achterblijven.

Vandaag is de kennis van de structuur van het proton onmisbaar voor het begrijpen van de botsingen tussen protonen bij de Large Hadron Collider, de krachtigste versneller van dit moment en operationeel bij het Europese centrum voor hoge-energiefysica, CERN, in Genève. De protonbotsingen bij de LHC leiden tot enorm complexe eindtoestanden met veel deeltjes, dank zij de hoge energie. Deze energie is nodig in de jacht op nieuwe kennis: het Higgs deeltje en meer. Deze complexe eindtoestanden zijn alleen te analyseren met kennis over de interne structuur, de PDF’s, van het proton. Kennis die is opgebouwd voordat de LHC in bedrijf ging. Sterker nog: de opbouw ervan is begonnen lang voordat ook maar iemand had kunnen vermoeden dat er ooit een LHC zou zijn. Deze kennis zelf zal weer verder worden vermeerderd bij de LHC.

Maar waar is dit allemaal goed voor, wat hebben we aan kennis over de structuur van het proton? Wat hebben we eraan om te weten dat er een Higgs boson is? Het antwoord: waar grenzen van onze kennis bereikt worden willen we die grenzen verleggen – we willen wéten – is niet voor iedereen voldoende. Er is een uitgebreider antwoord mogelijk. Bij het onderzoek zijn studenten en jonge afgestudeerden betrokken. Die leren geweldig veel dat ook buiten het onderzoek, waar ze lang niet allemaal in blijven werken, van belang is. Ze leren met computers werken, programma’s schrijven in geavanceerde talen, statistische methodes gebruiken, microelektronica ontwerpen, projectmatig werken, etc. etc. Bedrijven worden betrokken bij het ontwikkelen van geavanceerde apparatuur, supergeleidende magneten, lichtdetecterende kristallen, supergevoelige sensoren, nieuwe database technieken, nieuwe computerarchitecturen etc. etc. Daarmee verdienen die bedrijven een beetje en leren ze een boel: ze verhogen hun profiel, innoveren, vinden nieuwe markten. Het verleggen van wat we ‘kennen’ vereist dat we verleggen wat we ‘kunnen’. Daarbij staat het ontwikkelen van ‘high tech systemen en materialen’ centraal.

Dus: ook – en niet in de laatste plaats -  nieuwsgierigheidsgedreven ‘vrij’ onderzoek is essentieel voor het in stand houden van een excellente kennisinfrastructuur zonder welke geen enkel land kan groeien.

Schuwe politici en het milieu

Zeer onlangs ging in Utrecht, op de Uithof, de derde milieu-Olympiade van start. Een olympiade is per definitie internationaal en dat was hier ook het geval: teams van scholieren uit 34 landen deden mee. Wat mij tijdens de openingsplechtigheid buitengewoon inspireerde en ontroerde was het beeld van de jonge mensen die als vertegenwoordigers van hun teams samen op het podium stonden. Stralend, prachtig uitgedost, divers, optimistisch, vol levenslust. Alle kleuren, alle gezindten, saamhorig. Precies de goede setting om de milieuproblematiek te lijf te gaan: om er over te praten (bewustwording) en om er iets aan te doen. En daar is onderzoek voor nodig. Daarom was het mij als voorzitter van de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek een genoegen een kleine toespraak te houden. Filmpjes die vertoond werden toonden bekenden van mij, o.a. Robbert Dijkgraaf en Ronald Plasterk, tijdens de opening van eerdere afleveringen van dit evenement. Ik had er goed aan gedaan de uitnodiging aan te nemen.

Bij het aanvaarden van de uitnodiging had ik natuurlijk even geïnformeerd naar de andere sprekers. O.a. drie kamerleden. Interessant om te horen wat zij te zeggen zouden hebben. Interessant om de gelegenheid te hebben even voor ‘het onderzoek’ te pleiten. Geen van drieën kwam opdagen.

Na afloop van de plechtigheid liep ik langs de ‘stands’ waar de talloze inzendingen (meer dan honderd) werden toegelicht door de inzenders zelf. Weer dat enthousiasme dat hoop geeft voor de toekomst.

Later op de dag besloot ik de kamerleden per e-mail te laten weten dat ze iets gemist hadden. Geen verwijtende e-mail maar een enthousiaste.

Kamerlid één (ik noem haar Juice): automatisch antwoord dat ze te veel e-mail kreeg om te antwoorden. Kamerlid twee (ik noem haar Terrier): begrafenis. Kamerlid drie (ik noem hem Vide) gaf een antwoord waarvan ik schrok. De organisatie was in handen van Turken met vermoede banden met dubieuze Turkse organisaties. Rabbijn Soetendorp was ook één van de openingssprekers realiseerde ik mij onmiddellijk. Als ik al ergens was ingetrapt, hij toch niet? Hoewel: op onnavolgbare wijze wist hij het debat over rituele slacht in zijn speech bij deze milieu-olympiade te verwerken...

Maar: is deze inhoudelijk beslist bonafide olympiade nu zo’n groot risico voor politici dat ze ervoor terugdeinzen hun verhaal te komen doen? En zich op de hoogte te komen stellen? En hun bijdrage te leveren aan het bonafide maken ervan, zou er al een luchtje aan zitten?

Ik ga het hen vragen.

Dobbelen met God?

Kun je in een paar volzinnen op begrijpelijke wijze uitleggen wat het Higgsdeeltje is, vroeg een wetenschapsjournalist me. Het is veelgevraagd, maar ‘begrijpelijk’ is natuurlijk niet erg scherp gedefinieerd. Dus ja, dat kan ik.

Zonder Higgsdeeltje lukt het niet om zinnige voorspellingen te doen over het gedrag van elementaire deeltjes. En mét het Higgsdeeltje wel. Er zijn niet zoveel elementaire deeltjes. De elementaire deeltjes die we kennen, dat wil zeggen: experimenteel hebben waargenomen, passen heel mooi in één sluitend kader, mits we aannemen dat het Higgsdeeltje, dat nog niet is waargenomen, ook bestaat. Het Higgsdeeltje is het enige ontbrekende elementaire deeltje. Daarom zijn we er zo hard naar op zoek.

Wat is een ‘elementair deeltje’? Een deeltje zó klein dat het geen afmeting heeft, geen inwendige structuur, een ‘punt’. Een atoom is geen elementair deeltje. Een elektron, dat deel uitmaakt van een atoom, is wel een elementair deeltje. Een atoomkern, waar de elektronen omheen bewegen, bestaat uit protonen en neutronen. Maar dat zijn ook geen elementaire deeltjes. Ze bestaan uit quarks, en dat zijn wel elementaire deeltjes. Zes quarks, zes leptonen (waarvan het elektron er één is): ecce mundus! Dat is het. De krachtvelden die deze deeltjes verspreiden, en die zorgen voor de samenhang, de ‘structuur der materie’, komen hier nog bij. Deze krachtvelden zijn ook opgebouwd uit ‘kleinste hoeveelheden’, uit deeltjes, ook elementair. De elektrische en de magnetische kracht worden overgebracht door het foton. Dit is de kracht die elektronen bij atoomkernen houdt en die atomen tot moleculen maakt. En tot gassen, vloeistoffen of vaste stof. Radioactief verval wordt veroorzaakt door een kracht die onder de naam ‘zwakke kracht’ bekend is geworden en deze kracht wordt overgebracht door een deeltje dat in drie verschillende ladingstoestanden kan voorkomen: het W⁺ en het W^- deeltje en de neutrale variant die bekend is geworden onder de naam Z⁰ deeltje. En tenslotte: de kracht die atoomkernen bij elkaar houdt en die quarks tot protonen en neutronen bindt heet de sterke kracht en wordt overgebracht door het gluon.

De kracht tussen twee geladen deeltjes is omgekeerd evenredig met de afstand in het kwadraat. Een positief en een negatief deeltje, bijvoorbeeld, mogen dus niet willekeurig dicht bij elkaar komen. Dat zou ‘een oneindigheid’ introduceren en dat maakt een zinvolle beschrijving onmogelijk. Laten we dit illustreren met een concreet voorbeeld. Stel we laten een elektron (negatief) botsen met een anti-elektron (ook bekend onder de naam positron; positief). Als we snelheid en richting van elektron en positron vóór de botsing kennen dan kunnen we voorspellen wat snelheid en richting ná de botsing zijn. Maar dat kan alleen maar als we de ‘oneindigheden’ die samenhangen met de theoretische mogelijkheid dat de deeltjes elkaar willekeurig dicht kunnen naderen onder controle hebben. En dat kan! In het voorbeeld ‘springt’ het krachtdeeltje (een foton) van het elektron naar het positron: zó vindt de botsing, de wisselwerking plaats. En doordat er zo’n sprongetje plaatsvindt, plaats moet vinden om een wisselwerking mogelijk te maken, blijven de oneindigheden ons bespaard. Zo kunnen we zinnige, eenduidige berekeningen doen die met experimentele resultaten vergeleken kunnen worden. Berekeningen zijn gedaan, experimenten zijn uitgevoerd: fantastisch goede overeenstemming is gevonden! En toch is er een probleem. De W/Z deeltjes onderscheiden zich van het foton (en ook van het gluon) doordat ze massa hebben. Het foton heeft alleen energie en kan niet stilstaan (zie de relativiteitstheorie). W/Z deeltjes kunnen dat wel en als zij hun kracht overbrengen (bijvoorbeeld tussen elektron en positron in een botsing als hierboven geschetst) kunnen ze dat stilstaand doen. En dat is het begin van allerlei moeilijkheden die alsnog tot onhanteerbare oneindigheden leiden. En nu komt het Higgs-veld in beeld. Een heel bijzonder veld dat er voor zorgt dat we een theorie kunnen maken waarin de krachtdeeltjes aanvankelijk massaloos zijn (en ‘oneindigheden’ vermeden worden). Als we het veld toevoegen blijkt dit energie aan de W/Z deeltjes te geven die zich manifesteert als massa. Heel opmerkelijk: het Higgs-veld introduceert de wisselwerking die tot W/Z massa leidt op precies zo’n wijze dat de oneindigheden als gevolg van deze massa precies gecompenseerd worden door wisselwerkingen tussen W/Z deeltjes via het Higgs-veld. Ook het Higgs-veld komt in kleinste hoeveelheden: het Higgs-deeltje.

Een overzichtelijk wereldbeeld: zes quarks, zes leptonen (en hun anti-deeltjes) en drie velden bestaande uit foton, W/Z en gluonen. Overzichtelijk, maar beschreven door een knap ingewikkelde theorie (‘het Standaard Model’). Een theorie die klopt ‘tot ver achter de komma’ daar waar deze getoetst is, maar een theorie die niet zonder Higgs-deeltje kan. En dit deeltje hebben we nog niet kunnen aantonen, nog niet kunnen ‘maken’. En dat moet nu (binnen een jaar…) gaan gebeuren bij de Large Hadron Collider van CERN. En anders..? Het Standaard Model is gebouwd op een basis die gevormd wordt door de relativiteitstheorie en de kwantummechanica. Einstein had het niet zo op de kwantummechanica. De kwantummechanica voorspelt waarschijnlijkheden. Een botsing tussen twee deeltjes, bijvoorbeeld, leidt tot vele mogelijke eindtoestanden, elk met een eigen waarschijnlijkheid, optellend tot honderd procent natuurlijk. Dat is de enige zekerheid. Einstein hield hier niet van. God dobbelt niet. Toch heeft het er alle schijn van dat God wel dobbelt. De dobbelsteen heeft wel meer dan zes vlakken, maar we weten toch heel aardig hoe hij er uitziet. Als God ons een dobbelsteen heeft laten ontdekken waarvan één vlakje voor altijd een vraagteken zal bevatten, dan zijn we flink bij de neus genomen. En dat geloof ik niet!

Jos Engelen, 19-6-2011

Einstein in de politiek

Onmiddellijk volgend op het baanbrekende artikel waarin hij de relativiteitstheorie ontwikkelt publiceerde Einstein in 1905 het beroemdste resultaat van deze theorie. E=Mc², de bekendste formule aller tijden. Einstein formuleerde het zo: als een lichaam een energie L afgeeft in de vorm van straling, wordt de massa ervan L/c² kleiner. Dat is natuurlijk niet zo gemakkelijk te meten, want c, de lichtsnelheid, is erg groot. Maar aan het eind van het artikel staat: ‘Het is niet onmogelijk dat bij lichamen waarvan de energie-inhoud in hoge mate variabel is (bijv. van radiumzouten) de theorie succesvol getoetst kan worden’. Einstein refereert hier aan het toen net ontdekte (maar nog onbegrepen!) verschijnsel radioactiviteit. En hij had gelijk. Als een atoomkern ‘radioactief’ vervalt in twee lichtere atoomkernen dan wordt er ‘massa in energie omgezet’: de vervalproducten zijn samen lichter dan de oorspronkelijke kern en de ontbrekende massa is in energie omgezet.

Hierop is energieopwekking in kerncentrales gebaseerd. Het interessante hieraan is de energieschaal. Bij verbranding van fossiele brandstoffen spelen elektromagnetische overgangen van elektronen in banen rond atoomkernen een rol. De energie die hierbij vrijkomt is van de orde van grootte van elektronvolts (eV).

Typische energieën van overgangen in een atoomkern worden niet in eV maar MeV, een miljoen eV, gemeten. (Atoomkernen worden niet door de elektromagnetische maar door de ‘sterke’ wisselwerking bij elkaar gehouden). Dus de benodigde hoeveelheid ‘brandstof’ is navenant minder. En geen CO₂ uitstoot.

Duitsland heeft besloten zijn kerncentrales te sluiten. Dat is een opmerkelijke beslissing die de regering ‘uebernacht’ genomen lijkt te hebben. Het afbouwen van de kerncentrales zal leiden tot een verdwijnende behoefte aan technische en wetenschappelijke kennis op het gebied van kernenergie. Er zal geen technische en wetenschappelijk vernieuwing meer plaatsvinden op dit gebied. In Duitsland. Maar Duitsland is een belangrijk land in Europa en in de wereld. Wat zijn de gevolgen voor Europa?

Het energieverbruik zal wereldwijd aanzienlijk toenemen. (In Nederland gebruiken we ongeveer 6 promille van het totale wereldverbruik, terwijl we 2 promille van de wereldbevolking uitmaken. Wat we nu nog ‘opkomende landen’ noemen, zullen ‘hun’ deel willen). En de fossiele brandstoffen worden schaarser en zijn uiteindelijk uitgeput. Deze twee bewegingen, een groeiende behoefte en een dalende voorraad ‘klassieke’ energie moeten stemmen tot nadenken en tot zorgvuldigheid.

Kunnen we de toenemende energiebehoefte bijbenen met nieuwe technologie, wind, zon, water? Dat is lang niet zeker. Daarom is het van groot belang de kernenergieoptie open te houden. En open houden betekent ontwikkelen. En ontwikkelen betekent nieuwe centrales bouwen.

Voor Europese landen hoort de discussie over energiepolitiek en over de rol van kernenergie in Europees verband gevoerd te worden: georganiseerd door de Europese Unie. Het strategische belang is veel en veel te groot om het aan individuele lidstaten over te laten. Europa zonder kernenergie en kernenergiekennis en ‘de rest van de wereld’ daarin gespecialiseerd, dat is om meer dan een reden een zorgwekkend perspectief.

Welke politicus durft de discussie op Europees niveau op gang te trekken?

Jos Engelen