Het ontstaan van alles

Hoogleraar natuurkunde Renata Kallosh van Stanford University ontving op 13 juni een eredoctoraat van de Rijksuniversiteit Groningen. Een dag eerder sprak zij met Science Linx, samen met haar man, Andrie Linde, eveneens hoogleraar natuurkunde in Stanford. En ze gaven een Masterclass in fundamentele natuurkunde en kosmologie.

Een drukke dag begint in een privéruimte van het Prinsenhof Hotel. Kallosh en Linde zijn een dag eerder aangekomen vanuit de VS, maar lijken geen last te hebben van jetlag. Linde is ad rem, breekt vaak in met vergaande uitspraken, gelardeerd met humor en zelfspot. Kallosh spreekt meer afgemeten, in doordachte antwoorden.

Allebei zijn ze opgeleid in de voormalige Sovjet Unie, waar ze hun carrière in relatieve isolatie moesten vormgeven. Pas in 1988 kregen ze toestemming om te gaan werken bij CERN in Genève, waar ze een jonge wetenschapper ontmoetten: Eric Bergshoeff. Kallosh en Bergshoeff gingen er samen werken, en zijn dat blijven doen. Bergshoeff is inmiddels hoogleraar aan de RUG, waar hij is benoemd op de De Sitter leerstoel voor Theoretische Natuurkunde. Het was Bergshoeff die Kallosh nomineerde voor een eredoctoraat.

Het gesprek begint met een algemene vraag: waarom koos Kallosh voor een loopbaan in de natuurkunde? ‘Ik begon met een studie wiskunde’, antwoordt zij. ‘Maar ik wilde met mijn kennis graag de realiteit beschrijven, problemen in de echte wereld oplossen.’ Daarom richtte zij zich op de kosmologie, met speciale aandacht voor de wiskundige beschrijving van het ontstaan van het universum.

Kosmologie heeft nog een voordeel: je kunt het heelal als een groot experiment voor hoge-energie fysica gebruiken. ‘De energieniveaus in het vroege universum zijn vele malen hoger dan wat je kunt bereiken in de krachtigste deeltjesversnellers.’ In haar studie van de kosmologie gebruikt Kallosh de snaartheorie om deze hoogenergetische processen te begrijpen.

Snaartheorie is een vorm van natuurkunde die de bouwstenen van de materie niet beschouwt als deeltjes, maar als piepkleine snaartjes (of zelfs membranen) die trillen in meer dan de bekende drie dimensies. Wij zien maar drie ruimtelijke dimensies (plus de tijd), omdat de extra dimensies ‘opgerold’ zijn en dus niet waarneembaar.

De snaartheorie bestaat al lang, maar in de beginjaren was het moeilijk aan te tonen dat het meer was dan een interessante wiskundige uitvinding. Kallosh heeft inmiddels laten zien dat de theorie wel degelijk iets zegt over de werkelijkheid, en dat ze antwoorden oplevert over hoe de wereld in elkaar zit die niet met andere natuurkundige theorieën zijn te verkrijgen.

‘Toen kosmologen ontdekten dat de vacuümenergie niet gelijk is aan nul kon alleen de snaartheorie verklaren waarom dit zo was’, vertelt zij. ‘En toen donkere energie werd ontdekt, een kracht die er voor zorgt dat het universum versneld uitdijt, was de snaartheorie opnieuw nodig om dit te verklaren.’ Haar artikel over dit onderwerp (‘Andrei werkte er aan mee als raadgevend kosmoloog’) heeft een enorme impact gehad en is inmiddels ruim 2000 keer geciteerd.

Kallosh heeft ook gewerkt aan een theorie die haar man mede heeft ontwikkeld: inflatie. Dit beschrijft hoe het universum, een fractie van een seconde na het ontstaan, is opgeblazen van de grootte van een atoom tot die van een voetbal. Dit proces verklaart waarom het universum er overal ongeveer hetzelfde uitziet, maar er volgt ook uit dat het universum waarin wij leven maar één van de vele universums is die zijn ontstaan door inflatie, waarbij elk universum een eigen ‘bel’ vormt. Samen heten al die bellen het ‘multiversum’.

Alan Guth kwam als eerste met het idee van inflatie. ‘Hij had een prima idee, maar maakte een aantal fouten in de uitwerking’, zegt Linde. Sterker nog, Guth publiceerde kort na zijn eerste artikel over inflatie een tweede stuk, waarin hij stelde dat er geen verdere vooruitgang in de theorie van inflatie mogelijk was. ‘Gelukkig was de post naar de Sovjet Unie destijds nogal lang onderweg, dus toen ik dit artikel enkele maanden na publicatie eindelijk kon lezen, had ik zijn theorie al flink verbeterd!’ Linde zegt het met een brede grijns.

Kallosh en Linde werken regelmatig samen in dit soort projecten, maar hebben ieder een eigen aanpak. ‘Andrei werkt veel vanuit intuïtie’, zegt Kallosh. ‘Terwijl ik meer iemand ben die dingen zorgvuldig opbouwt.’ ‘En als ze dat doet, denk ik soms dat ze helemaal op het verkeerde spoor zit’, reageert Linde. ‘Maar vaak genoeg blijkt dat ik me daarin vergis.’ Hij noemt nog een eigenaardigheid van de manier waarop Kallosh werkt. ‘Ze krijgt een fax van iemand met ideeën, daar piekert daar de hele dag over en dan, ergens rond een uur of vijf ’s morgens, wordt ze wakker en heeft ze de oplossing in haar hoofd. Dus stapt ze uit bed, schrijft het op, komt terug en gaat weer slapen. Heel raar, vind ik dat.’

Allebei hebben ze al de nodige prijzen binnengehaald. Net voor hun komst naar Groningen ontving Linde nog de Kavli Prijs voor kosmologie. Maar ze teren niet op behaalde successen, ze hebben nog wel een verlanglijstje met zaken die ze willen weten. Kallosh: ‘Ik ben ontzettend benieuwd naar de intensiteit van zwaartekrachtgolven.’

Onlangs leek het erop dat deze golven in de ruimte-tijd waren gezien, maar er is inmiddels twijfel ontstaan over die resultaten. De komende jaren zullen verschillende experimenten uitsluitsel geven over de zwaartekrachtgolven. ‘En dat vertel ons iets over de energieniveaus in het vroege heelal.’

Linde heeft meer filosofische dromen. ‘We bestuderen de ontwikkeling van het universum, maar ik zou willen weten wat er daarvoor kwam, hoe het geboren is. En voor mij is dat nauw verbonden met vragen over leven en dood, niet alleen van het universum maar ook van ons. Je zou ons onderzoek van het universum kunnen vergelijken met een onderzoek van een huis, om daardoor iets van de bewoner te leren. En er is nog de vraag of het universum ook nog bestaat als er niemand in leeft. Zijn wij alleen maar passanten, of hebben we een grotere rol?’ Hij lacht weer. ‘Dat zijn meer metafysische dan fysische vragen, en ik verwacht niet dat we er veel vooruitgang in zullen boeken. Maar toch zijn het dit soort grote vragen die mij inspireren in mijn werk als natuurkundige.’

Wanneer we aanstalten maken om te vertrekken naar het Zernike complex, waar beide natuurkundigen een masterclass zullen geven, draait Kallosh zich nog even om en zegt nadrukkelijk: ‘Vergeet niet op te schrijven hoe geweldig wij de samenwerking vinden met de Universiteit van Groningen. Het is heel prettig om te werken met mensen als Eric Bergshoeff en Diederik Roest. En het is een grote eer om een eredoctoraat te mogen ontvangen.’

Lees meer over het eredoctoraat van Kallosh (en de overige eredoctores) op de website van de RUG.

Masterclass: in de schoolbanken

Een kleine groep jonge wetenschappers en een stuk of zes leerlingen uit de vijfde klas van het Praedinius gymnasium waren uitgenodigd om een Masterclass van twee uur te volgen. Andrei Linde vulde de meeste tijd, met een uitleg over de manier waarop zijn inflatie theorie helpt bij het begrijpen van het universum.

Renata Kallosh was kort aan het woord (zij zou die middag nog een speciaal college geven), zij vertelde daarin iets over nieuwe resultaten. Zij bouwt daarin voort op werk van de Groningse natuurkundige Diederik Roest, die in december 2013 een artikel publiceerde waarin hij op zijn beurt weer voortborduurt op een artikel van Kallosh uit 2003. ‘We zaten vast met dat stuk onderzoek’, legt Kallosh uit. ‘En het artikel van Roest en zijn groep liet ons zien hoe we weer verder konden komen. We hebben nu een artikel geschreven waarin we dat uitwerken, en dat zal over enkele dagen verschijnen.’

Maar hoe gaan de scholieren van het Praedinius om met al deze fundamentele natuurkunde? ‘Ik vond het echt leuk’, zegt Cas Versluijs. ‘Het is niet het soort natuurkunde dat we op school behandelen, maar ik had mijzelf al een beetje ingelezen.’

‘Ik ook’, zegt Leonora Verveld. ‘En het is bovendien heel cool om dit soort mensen te ontmoeten.’

Allebei denken zij er over om natuurkunde te gaan studeren, gecombineerd met sterrenkunde (Cas) of filosofie (Leonora). Waarom? ‘Om uit te vinden hoe alles in elkaar zit’, zegt Cas.

‘Het is zo tof dat het allemaal oneindig groot is’, vult Leonora aan.

‘Ja, en dat wij daar dus onderdeel van zijn’, zegt Cas. Maar ze moeten allebei erkennen dat de masterclass ze soms iets boven de pet ging.

Leonora : ‘Ik heb hier en daar het gevoel dat ik zo’n drie jaar achtergrondinformatie mis.’