Oproep: de staat van de fysica

En nu zijn het weer neutrino’s die het de met de natuurkunde lopen te prutsen. De quantumfysica zorgt telkens weer voor verrassingen en veel dichter tot een unified theory, een theorie van Alles, lijken we niet te komen.

Nog steeds zitten we met twee grote modellen die apart het grote en het kleine beschrijven: het Einstein-model (die nu dus weer onder vuur ligt van supersnelle neutrino’s) en de ongrijpbare quantumfysica. Er wordt al jaren druk gespeculeerd over de rol die snaren en, in het verlengde daarvan, branes, zouden kunnen spelen in het verenigen van de twee.

Wij zijn het overzicht kwijt. Daarom deze oproep aan u: wat is de staat van de fysica? Als je in korte tijd weet hoe ver onze natuurkundige kennis reikt en hoe ver of dicht we tegen een unificerende theorie aanzitten, wat moeten we dan kijken, lezen en luisteren?

We zijn op zoek naar bronnen die deze vraag kunnen beantwoorden: animaties, documentaires, goede artikelen, foto’s, noem maar op. Het materiaal moet duidelijk zijn voor niet-natuurkundigen. Vertel vooral ook waarom de bron zo goed is, waarom moeten we die docu zien of dat artikel lezen? Waar moeten we op letten?

De oogst (graag in de comments) wordt weer door ons verzameld en over de schutting van Vrij Nederland gekieperd. De redacteuren van Vrij Nederland maken er dan weer een mooi verhaal van voor u en ons (zie oogst van de vorige keer hier en hier) en dit keer ook voor de papieren versie van het weekblad.

  1. 1

    Ik doe er alvast eentje, die ik jullie niet wil onthouden.

    Theoretisch fysicus Lawrence Krauss geeft een geestige en indringende lezing over de staat van de natuurkundige kennis. De lezing is opgezet door evolutiebioloog en atheïst Richard Dawkins en dat zet de toon. De lezing gaat ondermeer over de vraag hoe het kan dat uit niets een heel universum is ontstaan (simpel: het energieniveau in het heelal is nul, er is net zoveel positieve als negatieve energie). Ook kijkt hij miljarden jaren vooruit naar een somberen toekomst waarin ons nageslacht eenzaam en onwetend in een leeg heelal woont.

    Het echte interessante aan de lezing is echter de context. Krauss vertelt vooral ook heel veel over hoe we weten wat we nu weten en wat de beperkingen daarvan zijn. Ook 25 jaar discussie over de snaartheorie komt langs en Kraus vat die mooi samen in een tweegesprek tussen twee mannetjes:

    Mannetje 1: Ik had net een fantastisch idee: stel dat alle materie en energie gemaakt is van kleine trillende ‘snaren’.

    Mannetje 2: Okay, wat zou dat impliceren?

    Mannetje 1: Weet ik veel…

    Vanaf 3:00 minuten:

  2. 2

    Lees ‘A Brief History Of Time’ van Hawking en stop met lezen wanneer hij over unificatie en stringtheorie e.d. begint te ouwehoeren. Een boek uit het einde van de jaren tachtig, maar wat daarna is gebeurd is vooral interessant voor ingewijden (de theoreten zelf). Er kan een keer wat moois uit al die theoriën met strings en knopen en dimensies en zo komen, maar niemand weet of dat gaat gebeuren, wanneer dat gaat gebeuren en hoe het er uit gaat zien. Er gebeurt vanalles naast elkaar, maar een echte richting gaat het nog niet op.

  3. 4

    Ik weet niet of er echt goede recente docu’s en boeken zijn hierover. Dat komt omdat er eigenlijk de laatste 30 jaar vrij weinig gebeurd is in de reductionistische, fundamentele natuurkunde (daarbuiten wel heel veel). Tuurlijk, dingen als neutrino-oscillaties en donkere materie zijn waanzinnig interessant, maar de grote-versnellerexperimenten en waarnemingen uit de ruimte hebben keer op keer het Standaardmodel bevestigd, en nog niets nieuws gebracht.

    De open vragen zijn veelal theoretisch van aard, d.w.z. dat we er geen ‘mooi’ model voor hebben. Maar praktisch gezien kan het Standaardmodel vrijwel alle waarnemingen verklaren en voorspellen. De LHC zal ons veel leren: wel of geen Higgs is beide interessant. Verder is de onverenigbaarheid van quantum mechanica en zwaartekracht mogelijk geen probleem, als de één of de ander geen fundamenteel maar een zogenaamd emergent verschijnsel is. Bijvoorbeeld Gerard ’t Hooft werkt momenteel aan emergente quantum mechanica en Erik Verlinde aan emergente zwaartekracht, hoogst speculatief natuurlijk.

    Alle Brian Greenes van deze wereld moet je met een flinke korrel zout nemen. Snaartheorie is fantastisch in de letterlijke zin van het woord, maar heeft nog nul komma nul voorspellende of verklarende waarde, en heeft ook haar eigen problemen.

    Het is ook goed om buiten de deeltjesfysica te kijken. Er zijn nog elementaire onbeantwoorde vragen in de huis-tuin-en-keuken quantum mechanica, in bijzonder het “ineerstorten van de golffunctie”. In eigen land is men daartoe bezig een razend interessant voorstel van Roger Penrose te testen.

  4. 6

    Hmmm, ik zie wat je bedoelt. Het valt me op inderdaad dat als je naar docu’s ed zoekt dat er a) weinig overeenstemming is en b) dat alles erg speculatief is. Maar komt dat niet doordat op dit moment, totdat de LHC goed draait, de theoretische fysici het voor het zeggen hebben?

    Is er ook een goede docu over het vak natuurkunde zelf, over de vooruitgang, de verwarring, de richtingenstrijd? Er zijn natuurlijk altijd Scholen en doorbraken (denk aan Ed Witten)…

  5. 7

    Boek The Trouble with Physics van Lee Smolin legt in begrijpelijke taal uit waarom de afgelopen 30 jaar zo weinig is bereikt en hoe bizar de snaar-theorie is die in feite geen theorie is maar een concept, een hypothese.
    Verder uit 2002 de BBC doc Parallel Universes, geeft in begrijpelijke taal en beelden weer wat snaartheorie is, hoe we tot de conclusie gekomen zijn en wat het probleem met de theorie is.

    Wat ik heel mooi vond van Lee Smolin is dat hij stelt dat de theoretische natuurkunde nagenoeg heeft stilgestaan, maar dat de toegepaste natuurkunde dat absoluut niet heeft.

  6. 9

    Dat hangt ervan af wat je bedoelt met “voor het zeggen hebben”. Je kunt natuurlijk van alles bedenken, en dat is ook precies wat er gebeurd is, maar uiteindelijk kan alleen het experiment uitmaken hoe het werkelijk zit. Inderdaad wordt er bij gebrek aan empirische input ongebreideld doorgeploeterd, je kunt je afvragen hoe productief dat is.

  7. 13

    Ik kwam gisteren misschien wat negatief over. Teruglezend werd ik vooral gestuurd door de specifieke vraagstelling hier:

    “Als je in korte tijd [wilt weten] hoe ver onze natuurkundige kennis reikt en hoe ver of dicht we tegen een unificerende theorie aanzitten, wat moeten we dan kijken, lezen en luisteren?”

    “[…] bronnen die deze vraag kunnen beantwoorden: animaties, documentaires, goede artikelen, foto’s, noem maar op. Het materiaal moet duidelijk zijn voor niet-natuurkundigen.”

    Hier is een aantal problemen in te vinden. Ten eerste is de bekende natuurkunde al moeilijk snel uit te leggen, en de frontlinie van het onderzoek nog veel minder. Prachtige en diepe resultaten die al honderden jaren bestaan (wet van Gauss bijvoorbeeld), zijn onbekend bij het grote publiek. Uitleggen waarvoor Veltman en ’t Hooft nu eigenlijk de Nobelprijs hebben gekregen, kan aan een beta-VWOer wellicht in een uur of wat, maar niet in 10 minuten.

    In hetzelfde straatje is het beste medium vooralsnog boeken, omdat je daarin de tijd en ruimte hebt voor het noodzakelijke uitweiden. Dit zou overtroffen kunnen worden door websites met een geschikt hyperlinksysteem, maar dat ben ik nog niet tegengekomen (Wikipedia en Hyperphysics zijn beginnetjes).

    Documentaires enz. over moderne natuurkunde moeten kennelijk spectaculair zijn, maar dat is precies niet waar je hier naar op zoek bent. Geen hype, alleen inhoud, met een beetje voorzichtige speculatie.

    Okee, toch weer vrij negatief, excuses. Om toch nog wat constructief te hebben, vind ik de optredens Neil deGrasse Tyson altijd erg geslaagd (ook wel bekend als Knowledgable Neil). Gaat vooral over sterrenkunde en ruimtevaart, maar de kosmologie sluit aan bij natuurkunde, deze bijvoorbeeld.

  8. 14

    Ha Baron, no offense taken…

    Al lezende en kijkend kwam ik gisteravond ook tot de conclusie dat mijn vraagstelling niet deugt en dat ik toch wel wat dingen door elkaar haal. Ik denk dat het al flink scheelt om ons te concentreren op de deeltjesfysica, dat is al meer dan genoeg, zonder meteen unificerende theorieen erbij te halen – hoewel dat toch de richting lijkt te zijn…

    Ik kwam overigens nog wel deze docu tegen met Brian Cox: een beetje knullig, maar wel duidelijk uitgelegd voor de leek. Het zijn alleen irritant korte filmpjes:

    Je kunt trouwens ook je eigen LHC besturen, http://www.lhc.ac.uk/The+Particle+Detectives/LHC_project.html

  9. 15

    In een breder kader, maar evenzogoed interessant voor de natuurkunde, is wanneer wetenschappers gaan twijfelen aan wat voorheen een zekerheidje was. Ik weet het: het is een filosofische meta-discussie, maar wel eentje met verschillende voorbeelden uit het verleden (Einstein, Copernicus, Darwin) en een actuele relevantie indien die metingen bij CERN blijken te kloppen.

    Sorry: ik heb zo eventjes geen linkjes of zo paraat.

  10. 17

    Als leuke terzijde: “Science of Discworld” door Terry Pratchett, Ian Stewart and Jack Cohen. Niet zo leuk als normale Pratchett-boeken, en niet zo diepgaand dat je het allemaal weet, maar wel een aantal nuttige inzichten, en 1 daarvan is dat een ‘theory of everything’ je niet noodzakelijkerwijs iets nuttigs te vertellen heeft. De uitleg daarover vind ik behoorlijk duidelijk.

  11. 19

    @15,18
    Ik maak me zelf nooit zo druk om wat wel en niet zeker is. Wat mij betreft zijn alle theorieën modellen die meer of minder goed werken in bepaalde of algemene omstandigheden. Een theorie die grondig getest is, zal altijd waarde behouden, maar is wel vatbaar voor verbetering.

    Zo is Newton zwaartekracht bijzonder nauwkeurig, je kan er zelfs het zonnestelsel mee uitrekenen. Echter, voor precisiemetingen is Einstein relativiteit beter. Meestal is een oude theorie een limietgeval van de nieuwe, zoals ook in dit voorbeeld.

    Wetenschappers vinden het geweldig als er een meting niet overeenkomt met het bestaande paradigma, dat betekent iets nieuws, iets onbekends. Maar het oude model gaat niet in de prullenbak, het blijft binnen zekere grenzen geldig, in ieder geval voor alles wat eerder bevestigd was.

  12. 20

    Ik proef dat je redelijk dichtbij de wetenschap sta. Ik heb die ervaring helaas niet, maar ik vind dat je onbewust toch iets interessants aansnijdt. Je zegt dat wetenschappers het geweldig vinden als een meting niet overeenkomt met het bestaande paradigma. Ik denk dan dat dit heel erg afhangt van hoe betrokken je bent bij de totstandkoming van het huidige paradigma (en mogelijk nog van allerlei andere factoren). Is iets bijvoorbeeld jouw eigen kindje of is het bijvoorbeeld het werk van Einstein?

    Onderzoekers zijn natuurlijk ook mensen en lijden dan ook aan allerlei emoties en vertrouwen ook op piketpaaltjes in de wetenschap. Een onderzoeker zal ook last hebben van ‘path dependency’ en bij conflicterende gegevens is misschien niet zozeer de nieuwsgierigheid als wel de weerzin voor het nieuwe dat de overhand kan krijgen.

    Om nog maar even een voorbeeldje te geven: door alle discussies over het klimaat inclusief alle onzin die de media in wordt gespuwd, kan je ook het verschijnsel krijgen dat wetenschappers mogelijk eerder geneigd zijn om alternatieve theorieën strenger te beoordelen dan heersende theorieën.

    Wanneer je hebt over serieuze paradigmshifts zoals die bij de Copernicaanse revolutie, dan zie je – zoals Thomas Kuhn natuurlijk uitvoerig heeft betoogd – dat je op een gegeven moment wereldbeelden kan hebben die elkaar uitsluiten en voor elk wereldbeeld is er bewijs om de theorie erachter te staven. Hoe ga je dan om met het bewijs? In dat soort situaties is wetenschap, en dan niet het onderzoek zelf, maar eerder de interpretatie van gegevens en het trekken van conclusies, misschien wel doordrenkt van meta-rationale overwegingen (ik gooi er maar even een term in die mij passend lijkt).

    Maar jezus, ik begin nu wel erg vervelend te worden.

  13. 21

    Baron E: ik meen dat de periheliumverschuiving van Mercurius niet (geheel) door Newtoniaanse theorie kan worden verklaard. Ook pertubaties vereisen geavanceerdere theorieen.

  14. 23

    Tuurlijk is dat zo. Maar wat ik wil zeggen is: de relativiteitstheorie heeft zich meer dan bewezen. Iedereen die het bestudeert vindt het prachtig, de meetkundige verbanden die de zwaartekracht verklaren, hoe had je dat kunnen bevroeden?

    Welke aanpassing er nu nog bovenop komt, doet helemaal niets daaraan af. Hetzelfde geldt voor quantummechanica, quantumveldentheorie enzovoorts. Maar in principe gaat er inderdaad wel een generatie overheen.

  15. 24

    Oct 1 2011
    Een artikel uit de toekomst!

    terzijde:
    the likely explanation is that the neutrinos are taking a short-cut through one of the extra dimensions which string theory postulates
    is de gebruikelijke bullshit. Zo ook in de New Scientist.

  16. 29

    Kent u de film Pi? Dat gebeurt er als je probeert alles te vatten in een enkele formule, alles probeert te zeggen in één zin, in één woord, één letter. Totdat je niets meer te zeggen hebt.

    De wereld hangt aan elkaar van angst en vertrouwen, van chaos en orde. Voor elke tegenstelling heb je toch tenminste twee begrippen nodig.

    1 + 1 = 3. Of 4, maar dan heb je een tweeling.

  17. 30

    Dat is nogal wat, omdat er dan eigenlijk eerst de problemen met het Standaardmodel uitgelegd moeten worden. Maar daarvoor verwijs ik naar Wikipedia.

    Deze problemen zijn veelal theoretisch van aard; zo bevat het Standaardmodel iets van 30 vrije parameters, die nu via metingen vastgesteld worden. Je kunt je wel voorstellen dat het bevredigender zou zijn als de theorie die waarden zou afleiden en voorspellen uit een hoger principe. De unificatie van de drie fundamentele krachten—electromagnetisch, zwakke en sterke kernkracht—heet “Grand Unified Theory” en dat is een doel op zich.

    Unificatie met ook nog zwaartekracht is natuurlijk helemaal prachtig, Einstein besteedde er, vooralsnog tevergeefs, het laatste deel van zijn leven aan. Op dit gebied zijn er inderdaad verschillende scholen.

    Ten eerste natuurlijk snaartheorie, die door haar aanhangers steevast “de beste kandidaat voor unificatie” wordt genoemd. Wiskundig is het machtig mooi, maar is nog helemaal geen voortgang in de link met werkelijke natuurkunde. Sterker nog, de problemen lijken zich op te stapelen, in het bijzonder met het “landschap” van mogelijke theorieën. Het blijkt dat er 10^500 ‘oplossingen voor de vergelijkingen van snaartheorie’ zijn, net zoals er twee oplossingen zijn voor de vergelijking x^2 = 1. Dan lijkt het alsof alles er wel uit kan komen, wat de voorspellende waarde teniet doet. De problemen worden uiteengezet in de hier reeds genoemde boeken The Trouble with Physics en Not Even Wrong. Of, zoals Gerard ’t Hooft eens zei: “I like string theory, but I don’t like the hype”.

    Een onderdeel van snaartheorie is supersymmetrie, waarin er van ieder bestaand deeltje een zgn. superpartner zou zijn. Het aantal elementaire deeltjes wordt dus vertweevoudigd, wat op zich minder elegant is. Maar wiskundig past dat juist heel mooi. Supersymmetrie lost een aantal problemen van het Standaardmodel op, en is een theorie op zich, onafhankelijk van snaartheorie. Geen enkele superpartner is tot op heden waargenomen.

    Naast snaartheorie zijn er ook nog “loop quantum gravity” (van o.m. Lee Smolin) en “causal dynamical triangulations”, die in Utrecht door Renate Loll bestudeerd wordt.

    Aan de andere kant zou het mogelijk kunnen zijn dat quantummechanica en zwaartekracht niet geünificeerd kunnen worden, omdat één van de twee geen fundementele theorie is. Zie mijn opmerking in #4.

  18. 33

    De neutrino meting heeft enorme aandacht gekregen in de media, maar physici zijn erg skeptisch over dit resultaat. Inclusief de mensen van OPERA zelf. En daar zijn hele goede redenen voor.

    Dit was een extreem gevoelig en ingewikkeld experiment, en een systematische meetfout in de orde van miljardsten van een seconde zou het kunnen verklaren. Daarnaast is de snelheid van neutrino’s al eens direct gemeten door waarneming aan een supernova: de neutrino’s kwamen nagenoeg precies tegelijk aan met het licht, en dat op een afstand van 168 miljoen lichtjaar.

    Tel daarbij op hoeveel bestaande en in een eeuw aan experimenten keer op keer bevestigde natuurkundige theorie overboord gezet zou moeten worden.. een minieme meetfout is toch echt waarschijnlijker. In wezen is dit bericht een dode mus en zijn andere bevindingen van de laatste jaren veel spannender – jammer dat de media aandacht juist hiernaar uitgaat.

    Goede uitleg over dit onderwerp is te vinden op verschillende blogs van natuurkundigen, b.v.:
    http://blogs.discovermagazine.com/badastronomy/2011/09/22/faster-than-light-travel-discovered-slow-down-folks/
    http://blogs.scientificamerican.com/life-unbounded/2011/09/23/superluminal-muon-neutrinos-dont-get-your-hopes-up/
    http://blogs.discovermagazine.com/cosmicvariance/2011/09/23/faster-than-light-neutrinos/#more-7481

  19. 34

    “De dans van de woeli – meesters”

    van Gary Zukav,is misschien wel iets op dit gebied ( een overzicht van de nieuwe fysica, op een niet wetenschappelijke manier uitgelegd,waaronder de relativiteits theorie,etc)

    Al meen ik dat een deelaspectje ( de mens) vanuit een deelaspect ( de aarde)
    Nooit het geheel kan overzien, noch meten./in kaart brengen; ” de kaart is niet
    het gebied’
    Wel is het streven daarna, goed voor ontwikkeling en innovatie…en wat die voortschrijdende kennis en evolutie ons brengt.
    Mits de tot dan/nu toe opgedaaande kennis/wetenschap,niet als vaststaande,onverandelijk, onheroepelijk gegeven,krampachtig, verdedigd moet worden.
    Maar als een puzzel, waarvan steeds nieuwe stukjes kennis wetenschap en inzichten; daar , weer bij geintegreerd kunnen worden;door voorgaande weer helemaal uit elkaar te halen…etc..( Dus niet lineair,opeenvolgend)

    Het blijft interessante stof…eindeloos…mysstiek, net als de rest van het heeelal;we nog niet bij in de buurt komen… as far as my eyes can see…