De theorie van alles bestaat niet

De natuurkundige bijsluiter bij een blockbuster

Scène uit The Theory of Everything, waarin acteur Eddie Redmayne de rol van Stephen Hawking vertolkt.

Oscarkandidaat The Theory of Everything vertelt vooral over het huwelijk van de Britse wetenschapper Stephen Hawking. Maar hoe zit het met zijn natuurkunde? Leidse kenners en kennisen leggen het uit. ‘Het is jennen, uitdagen, branie.’

In 2013 benaderde de wetenschapsstichting Research America zo’n duizend Amerikanen met de vraag of ze een levende wetenschapper konden noemen. Zeventig procent van hen kon dat niet. De mensen die er wel eentje konden noemen, waren vrij unaniem: meer dan veertig procent noemde natuurkundige Stephen Hawking. De nummer twee, astrofysicus Neil Tyson, haalde een zevende daarvan.

Hawking is een levende legende. Dat dankt hij aan zijn wetenschappelijke werk, en aan zijn populair-wetenschappelijke boek A Brief History of Time (1988). Hij dankt het misschien nog wel meer aan zijn cultstatus: de briljante geest in dat door de zenuwziekte ALS verwoeste lichaam. Zijn lezing in Utrecht vorig jaar was binnen een minuut uitverkocht. Hij had gastoptredens in The Simpsons, Star Trek en The Big Bang Theory. Zijn stem is te horen op albums van Pink Floyd en Turbonegro. Hij is vriendjes met de X-men, en hielp indirect Batman om een superschurk te verslaan. En nu is er de biopic The Theory of Everything.

De recensies zijn lovend, en de film gaat volgende maand bij de Oscar-uitreikingen vrijwel zeker met de mooiste prijzen naar huis. ‘Het is een spectaculair goede film’, vertelt theoretisch sterrenkundige prof.dr. Vincent Icke.

‘Na mijn promotie in Leiden werkte ik in Cambridge aan vrijwel hetzelfde instituut. Hij zat bij theoretische fysica en toegepaste wiskunde, en ik bij sterrenkunde. Die twee waren in de jaren zeventig dief en diefjesmaat. Toen ik Steve leerde kennen, kon hij nog lopen. Naarmate het slechter met hem ging, gingen zijn collega’s om hem heen staan. Zijn vrouw bracht hem met de auto naar zijn werk, de technici ontwikkelden een schrijfmachine. Ook ik heb dingen voor Steve gekopieerd en opgeschreven. Dat doe je voor een collega, ook als hij mindere gaven zou hebben gehad.

‘Cambridge was toen een club van slimme jongetjes - meisjes waren er niet – die allemaal dachten dat ze de sleutel tot het heelal in handen hadden. Die beruchte laatste zin van A Brief History of Time, over dat we de gedachten van God zullen kennen als de theorie van alles er is, moet je in dat licht zien. Het is jennen, uitdagen, branie. Hij behoorde in de jaren zeventig tot de wetenschappelijke top dertig, veertig van de wereld. Dan ben je echt retegoed. Sinds zijn achteruitgang heeft hij niet meer op dat niveau gepubliceerd. Wetenschap is topsport, en als je niet in topconditie bent, heb je vette pech.’

Even een stapje terug. Want de recensenten zijn dan wel lovend over The Theory of Everything, ze klagen ook dat Hawkings natuurkunde nauwelijks aan bod komt. Hoe zit het daarmee?

Allereerst de titel: die theorie van alles, waarnaar de film is vernoemd, bestaat nog niet. Het is niet eens honderd procent zeker of hij wel kan bestaan, maar natuurkundigen hopen van wel. Op dit moment hebben ze twee grote theorieën: de quantummechanica en de algemene relativiteitstheorie van Einstein. Die eerste gaat over hoe subatomaire deeltjes als elektronen zich gedragen, en laat de zwaartekracht buiten beschouwing. De tweede gaat juist over grote dingen, en beschrijft zwaartekracht als de kromming van ruimte-tijd onder invloed van massa.

Die twee theorieën zijn geweldig nuttig. Hun experimentele voorspellingen komen uit; TomToms en smartphones zouden niet werken als ze dat niet deden. Maar ze passen niet goed in elkaar – de wiskunde slaat op hol als je ze in elkaar invult, net zoals een rekenmachine weigert te delen door nul. Ze sluiten ook niet naadloos op elkaar aan: er is een overgangsgebied van klein naar groot waarin onduidelijk is welke theorie wat doet. In het piepjonge, kleine universum van fracties van een seconde na de Oerknal moeten de twee hand in hand hebben gelopen, en dat kunnen ze niet volgens ons huidige begrip.

Wat Hawking en veel van zijn collega’s hopen, is dat er ooit een natuurkundige theorie komt die klein en groot, nagenoeg gewichtloos en zwaar aan elkaar knoopt. En hun blik richt zich daarbij telkens op zwarte gaten. Dat zijn gruwelijk zware Einstein-dingen, maar Hawking kon er iets quantummechanisch mee.

Zwarte gaten zijn plaatsen waar de zwaartekracht zo krachtig is, dat ze alle andere natuurkrachten overheerst. Ben je eenmaal voorbij de event horizon van een zwart gat, dan is er geen ontsnappen meer aan. Zelfs licht gaat niet snel genoeg om er weg te komen, en sneller dan dat kan niet. Einsteins relativiteitstheorie voorspelde al dat zwarte gaten moesten bestaan, al waren ze in de jaren zeventig nog niet waargenomen.

Samen met zijn mentor Roger Penrose – twee jaar geleden nog gasthoogleraar in Leiden – ontwikkelde Hawking het zogeheten No Hair Theorem: zwarte gaten zijn kaal. Ze kunnen maar drie eigenschappen hebben: een massa, een draaiïngsimpuls en een elektrische lading. Verder niks. Daarnaast rekende Hawking voor dat zwarte gaten wel degelijk straling kunnen uitzenden, soort van.

Kort door de bocht: het vacuüm van het universum is niet niets, maar bevat zogeheten vacu­ümenergie. Daaruit kunnen – geholpen door de zwaartekracht van het gat – paren van deeltjes ontstaan: een deeltje en een anti-deeltje. Normaal gesproken verdwijnen die weer snel, als het ware tegen elkaar weggestreept. Maar als het vlakbij de event horizon gebeurt, valt de ene in het zwarte gat en de andere niet. Die vliegt weg, en dat is de Hawking-straling. Omdat de energie om de deeltjes te vormen, deels afkomstig is uit het zwarte gat, wordt het zwarte gat daar lichter van.

Hawking heeft een systeem bedacht, waardoor hij met behulp van quantummechanica kon uitrekenen dat die straling moest bestaan. ‘Dat was heel erg knap’, aldus Icke. ‘Maar wat me wel dwarszit: hij heeft het niet van zichzelf.’

Icke: ‘Het kwam precies overeen met wat natuurkundige Jacob Bekenstein al vermoedde, op grond van een betrekkelijk eenvoudige gedachtegang. Hawking heeft briljant rekenwerk gedaan, maar wat mij betreft heeft hij nooit voldoende credit gegeven aan Bekenstein voor de imaginaire stap die aan zijn werk vooraf ging.’ Máár, benadrukt Icke: ‘Hawking is een authentieke held, die de dreiging van de dood op manhaftige wijze tegemoet trad. Op deze manier leven komt voort uit een onoverwinnelijk verlangen om het universum te begrijpen.’

Ook theoretisch natuurkundige prof. Jan Zaanen heeft grote lof. ‘Hij heeft dingen neergelegd die er echt toe doen, en die relevant zijn voor mijn huidige werk.’ Zaanen beschrijft het gedrag van elektronen in bepaalde metaalverbindingen met behulp van een specifiek stukje snaartheorie, waarin ook zwarte gaten voorkomen, en won daarmee de Spinozapremie. ‘In 2010 gaf ik een praatje in Cambridge’, vertelt hij. ‘Ineens zwiepten de deuren open, en werd Hawking naar binnen gereden. Heel interessant: elke keer als mijn praatje bij een theoretisch natuurkundige climax kwam, begon zijn verpleegster te giechelen. Het was alsof ze een telepathische band met Hawking had.’

‘Die hele generatie wetenschappers vindt het geweldig wat wij nu aan het doen zijn. Het theoretisch onderzoek naar zwarte gaten was na de jaren zeventig op z’n gat geland; er gebeurde vrij weinig. Sinds de eeuwwisseling zit het weer in een versnelling, mede dankzij de ideeën van de Nederlandse Nobelprijswinnaar Gerard ’t Hooft. Als je die toepast in de snaartheorie, wordt de Hawking-straling ineens veel spannender: het bestaat uit allerlei nieuwe vormen van materie, en zwarte gaten worden juist extreem harig.’

Tenminste: in theorie. ‘Wat we uitrekenen, lijkt sprekend op wat andere natuurkundigen zien. Of het ook hetzelfde is, laat zich moeilijker bewijzen. We hebben veel feiten, maar we begrijpen weinig. We hebben echter goede hoop dat de snaartheorie de uitleg aan het leveren is. Volgens mijn gevoel is dit soort onderzoek waar het aan het gebeuren is, nu. Maar of dat ook klopt, is misschien pas over honderd jaar duidelijk.’

Bart Braun

The Theory of Everything draait in het Kijkhuis.

Voorpagina

Achtergrond

Michiel de Uitbuiter

Joris Hanse walgt van de ‘geschiedvervalsing’ in de film Michiel de Ruyter …

Wetenschap

Studentenleven

Nieuws

Toch geen stufi-uitweg

Vorige week berichtte Mare nog over een manier om onder het leenstelsel uit te komen. …

Rubrieken

English page

The fear of others

What does the War on Terror have in common with a sixty-year-old play about witches? …