De schoonheid van natuurkunde

Kan schoonheid wetenschappelijk onderzoek richting geven? Op 27 november organiseert FMF, de vereniging voor studenten (technische) wiskunde, (technische) natuurkunde, informatica en sterrenkunde van de Rijksuniversiteit Groningen, het symposium ‘Beautiful Science’. Hoogleraar theoretische natuurkunde Erik Bergshoeff is een van de sprekers.

‘Er schuilt een gevaar in mooie wetenschap’, zegt Bergshoeff. ‘Het kan je vooringenomen maken, zodat je op een bepaalde manier naar oplossingen gaat zoeken. Terwijl er geen enkele reden is om aan te nemen dat de natuurwetten mooi of elegant moeten zijn.’ Bergshoeff verontschuldigt zicht dat hij ruim een week voor het symposium nog niet precies weet wat hij gaat zeggen. Maar als hij eenmaal op gang is, wordt duidelijk dat de organisatie daar niet over in hoeft te zitten.

Subjectief

‘Eigenlijk is er geen goede definitie van schoonheid. De meeste definities die ik heb gevonden, vertalen het gewoon in een ander begrip. Uiteindelijk is het een subjectief iets, ‘beauty is in the eye of the beholder’, dat gezegde klopt gewoon.’ In zijn eigen vakgebied, de theoretische natuurkunde, wordt het begrip ‘schoonheid’ vaak gekoppeld aan eenvoud en elegantie.

‘De eerste wiskundige beschrijvingen van elektromagnetisme waren allemaal nogal lang en ingewikkeld. Tegenwoordig beslaat zo’n beschrijving amper twee regels.’ Het streven naar dit soort ‘eenheid in diversiteit’, een enkele formule die een veelheid van fenomenen verklaart, is een van de drijvende krachten in de theoretische natuurkunde.

‘Maar dat is een vorm van vooringenomenheid’, zegt Bergshoeff. ‘En wetenschappelijk onderzoek zou je zonder vooringenomenheid moeten doen.’ Aan de andere kant, niemand ontkomt er aan. ‘Als wetenschapper ben ik gevormd door mijn docenten en collega’s. Ik ben in de wetenschap terechtgekomen met een bepaald perspectief, dat is aangereikt door mijn voorgangers.’

Berg van Kennis

Hij gebruikt het beeld van een ‘berg van Kennis’ die de wetenschappers beklimmen. ‘Ik klim omhoog via bijvoorbeeld de westelijke flank van de berg, gewoon, omdat ik daar woon. Maar misschien is er wel een veel snellere, elegantere weg naar boven via de oostelijke flank.’

Toch is elegantie in bewijs iets dat door theoretisch natuurkundigen wordt gewaardeerd: ‘Neem symmetrie. Alleen omdat de natuurwetten symmetrisch zijn in vele opzichten zijn ze universeel geldig, of je nu op het noordelijk of zuidelijk halfrond woont, op aarde of op de maan, of enige andere plek in het universum.’ Symmetrie zorgt er ook voor dat wiskundige beschrijving veel eenvoudiger worden, zoals die van elektromagnetische krachten.

Maar met alleen elegantie of eenvoud ben je er niet, dat is geen bewijs dat een theorie juist is. ‘Neem de voorspelling die volgt uit Einsteins algemene relativiteitstheorie, dat licht kan worden afgebogen door een zware massa. De Britse sterrenkundige Arthur Eddington zette zich in om de relativiteitstheorie in zijn land te verspreiden en hij organiseerde in 1919 een expeditie naar een totale zonsverduistering om te bewijzen dat de theorie klopt.’

Tijdens zo’n verduistering is het mogelijk de invloed van de massa van de zon op passerend sterlicht te meten. ‘Eddington claimde dat hij met zijn metingen Einstein had bevestigd, dat haalde destijds alle kranten. Maar eigenlijk waren zijn metingen niet goed genoeg om dat te kunnen zeggen. Hij nam een enorm risico, alleen omdat hij geloofde dat de algemene relativiteitstheorie klopte.’

Als theoretisch natuurkundige kan Bergshoeff zijn eigen universum scheppen, daar is hij zich van bewust. Hoe verhoudt zo’n theoretisch universum zich tot de werkelijkheid? ‘Er is een concept dat ‘de onredelijke effectiviteit van de wiskunde in de natuurwetenschappen’ heet. Wiskunde is iets dat mensen hebben bedacht. En toch is het ongelooflijk geschikt om ons universum mee te beschrijven. Waarom is dat zo? We weten het niet.’ Maar er is een verschil tussen ‘zuivere wiskunde’ en theoretische natuurkunde. ‘In de natuurkunde is het uiteindelijk altijd het experiment dat bepaalt of je theorie klopt.’

Membranen

Gevraagd naar een moment van schoonheid in zijn eigen carrière gaat Bergshoeff terug naar 1986. Toen schreef hij samen met twee collega’s een artikel, waarin zij de zogeheten snaartheorie uitbreiddem. ‘Deze theorie beschrijft fundamentele deeltjes als eendimensionale trillende snaren. Wij ontdekten dat je de theorie kon veralgemeniseren door die deeltjes te beschrijven als tweedimensionale membranen.’

Dit resulteerde uiteindelijk in de M-theorie, een van de kandidaten om een ‘theorie van alles’ te worden, die er in slaagt om de theorie van kwantummechanica en die van de zwaartekracht te verenigen. Dat is de Heilige Graal van de natuurkunde. ‘Er zijn voorspellingen vanuit de snaartheorie die zijn te toetsen en ik verwacht dat dit in de niet al te verre toekomst zal gebeuren.’

Uiteindelijk zijn wetenschappers niet op zoek naar schoonheid, maar willen ze weten hoe het universum werkelijk in elkaar zit. ‘Maar ik distantieer mij van mensen die menen dat wetenschap De Waarheid over alles zal achterhalen. We klimmen alleen maar omhoog aan onze kant van de berg. En met elk antwoord dat we vinden, krijgen we er weer nieuwe vragen bij.’ Berghoeff vermoedt dat de wetenschap nooit alle antwoorden zal hebben.

Mysterie

‘Het is eigenlijk onvoorstelbaar dat we na kunnen denken over de oorsprong en werking van ons universum. Dit enorme universum waarvan wij een klein, onbetekenend hoekje bewonen, ziet er zo gestructureerd uit. Dat vervult mij met ontzag, het is bijna iets religieus. Dit mysterie is voor mij schoonheid.’

Maar voor Bergshoeff de wetenschapper zijn mysteries iets om te ontrafelen. ‘Mijn vooringenomenheid is dat ik denk dat we die mysteries nooit zullen oplossen. Maar dat weerhoudt mij er niet van om het toch te proberen. Gewoon, om te zien hoe ver ik kom. Al lijkt het mij erg saai worden wanneer we inderdaad alles begrijpen.’