Eén klap, twee theorieën

Zwaartekracht bestaat niet. Een vraagstuk voor de 21ste eeuw

Vincent Icke

Vincent Icke (1946) begint zijn Zwaartekracht bestaat niet in 1585. De Brugse ingenieur en wiskundige Simon Stevin staat op het punt geschiedenis te schrijven. Hij laat twee loden ballen met verschillend gewicht tegelijk van de toren van de Nieuwe Kerk in Delft naar beneden vallen. Zijn assistent staat beneden, met de rug gekeerd naar de toren, en hoort de ballen op een houten plaat neerkomen. Hij rapporteert: ‘Dat haer beyde gheluyden een selve clop schijnt te wesen.’ Er is dus slechts één klap te horen, beide ballen komen precies tegelijk op de grond aan. Met deze ene klap veegt Stevin dan ook de bijna tweeduizend jaar oude hypothese van Aristoteles van tafel, die stelt dat de zwaardere bal sneller zou moeten vallen. Vanuit onze huidige kijk op wetenschap is het natuurlijk verwonderlijk dat deze onjuiste veronderstelling zo lang heeft kunnen standhouden. Maar de proef van Stevin markeert dan ook precies een kantelmoment. Hier begint de moderne wetenschap of ook nog de ‘experimentele filosofie’, waarbij ‘feiten voorrang hebben op meningen en gezag, een principe dat sindsdien een helder baken voor de wereld is,’ aldus Icke.

Stevins experiment confronteert ons met twee theorieën voor de beschrijving van de natuur. Er is uiteraard de theorie van de zwaartekracht, die alle materie aantrekt, waarbij het een groot mysterie is waarom verschillende deeltjes, met verschillende karakteristieken als lading of gewicht, door de zwaartekracht toch allemaal eenzelfde versnelling krijgen. Concreet: waarom hoorde de bediende van Stevin één klap en niet twee? Een andere vraag is waarom er überhaupt een klap te horen valt. Waarom kan er zoiets bestaan als een loden bal en een houten plaat die tegen elkaar kunnen botsen en bij impact geluid maken? Of nog, meer algemeen: waarom kan materie bestaan? In de vorige eeuw – een gouden eeuw voor de natuurkunde – werden beide vragen op majestueuze wijze beantwoord. In 1914 formuleerde Albert Einstein zijn algemene relativiteitstheorie, die aantoont dat de zwaartekracht niet echt een ‘kracht’ is (vandaar de titel van het boek), maar een manifestatie van de kromming van ruimtetijd. Een ruimtetijd die voor alle deeltjes dezelfde is, wat verklaart waarom alle deeltjes eenzelfde versnelling ondervinden. Theoretisch en experimenteel werk van verschillende briljante natuurkundigen culmineert dan halverwege de jaren zeventig in het Standaarmodel voor de kwantummechanische beschrijving van de materie in termen van een kwantumveldentheorie. De schoonheid zit hem hier in de symmetrie, die de eigenschappen van de elementaire deeltjes en hun mogelijke interacties nagenoeg volledig bepaalt.

Zoals Icke zelf stelt, is Zwaartekracht bestaat niet een Klein Boekje – het is inderdaad slechts een honderdtal bladzijden dik – over een Grote Vraag voor de eenentwintigste eeuw. De Vraag, terecht met een hoofdletter, is hoe de zwaartekrachttheorie en de kwantumtheorie in elkaar passen – inderdaad een van de grote problemen waarvoor de hedendaagse natuurkunde staat. We verwachten hier veel van: zo’n beschrijving zou ons niet minder dan een fysisch begrip van de oerknal en dus van de oorsprong van het heelal moeten geven. De unificatie van de zwaartekracht en kwantummechanica was al vele malen het onderwerp van populariserend werk. Denk maar aan A Brief History of Time (1995) van Stephen Hawking, met wereldwijd meer dan tien miljoen verkochte exemplaren een absolute bestseller. Hawking kreeg wel eens het verwijt dat het niet altijd duidelijk is waar de feiten stoppen en het speculeren begint. Icke maakt voor zijn boek een radicaal tegengestelde keuze en beperkt zich tot de ‘feiten’: de zwaartekrachttheorie van Einstein en het Standaardmodel, beide met duizelingwekkende precisie geverifieerd in tal van experimenten. Hierdoor vinden we in Zwaartekracht bestaat niet dus niets over de ontwikkelingen op dit gebied sinds de jaren zeventig. Volgens Icke is de karakteristieke eigenschap van de geniale onderzoeker niet zozeer zijn (of haar) nieuwsgierigheid, wel zijn opmerkzaamheid, zijn vermogen om te zien wat iedereen ziet, maar dan beter. Of met de woorden van Arthur Schopenhauer in een brief aan Charles Darwin: ‘Onze taak is niet: zien wat nog niemand ooit gezien heeft, maar: denken wat niemand ooit heeft gedacht, over dingen die iedereen ziet.’ Icke verwijt de huidige generatie theoretische fysici te weinig opmerkzaamheid en te veel wiskundige spielerei. In een voetnoot sneert hij zelfs dat volgens sommige van zijn collega’s in de zuivere wiskunde – Icke is zelf een astrofysicus – ‘deze theorieën’ ook vanuit wiskundig oogpunt niet zoveel voorstellen. Hier gaat Icke uit de bocht: recent theoretisch onderzoek op het kwantumgedrag van zwarte gaten, voortbouwend op de resultaten van onder anderen Hawking, suggereert belangrijke hints voor het samenspel van zwaartekracht en kwantummechanica en het is jammer dat deze de lezer onthouden worden. Uiteraard wordt er nog over gespeculeerd wat deze hints juist betekenen, maar dat is precies wat het wetenschappelijk proces zo boeiend maakt (‘Denken wat niemand ooit heeft gedacht’), en in de fysica vertalen deze gedachten zich nu eenmaal altijd naar al dan niet geavanceerde wiskunde.

We vinden in het boek dus geen stringtheorie of zwarte gaten. Wel krijgen we een boeiende uiteenzetting over de ontwikkeling van de zwaartekrachttheorie van Stevin tot Albert Einstein. Hier leren we Icke kennen als een man die niet alleen een natuurkundige maar ook een geschiedkundig missie heeft, iemand die de natuurkundigen van de lage landen hun verdiende plaats wil geven. Nee, het klopt dus niet dat Galileo Galilei de ballen van de toren van Pisa liet vallen, het was Stevin in Delft. En het werk van de Nederlander Christiaan Huygens was een cruciaal ingrediënt voor Isaac Newton bij het opschrijven van zijn wetten voor de mechanica en de zwaartekracht. Icke neemt ons mee in de geniale gedachteprocessen van deze zeventiende-eeuwse natuurkundigen. Zo herontdekken we samen met Huygens de verschillende wetmatigheden van snelheid en versnelling, waarbij het fascinerend is om te zien hoe ver men toen al geraakte met de beperkte wiskunde van die tijd. Dit past natuurlijk ook perfect in Ickes plaatje: eerst de opmerkzaamheid, dan pas de wiskunde.

Icke doorspekt zijn relaas van de evolutie van de wetenschap ook mooi met die van onze kijk op het karakter van deze wetenschap. Waar Galilei en Newton nog het absoluut axiomatische karakter van de natuurwetten aanhingen (‘Zoals in de natuur, zo ook in de wiskunde.’), heeft (alweer) Huygens een meer realistische kijk (‘Zoals in de natuur, zo ongeveer ook in de wiskunde.’). En inderdaad, elke natuurwet die we tot nu toe kennen heeft een beperkte geldigheid. De newtoniaanse zwaartekrachtwet werkt perfect voor de berekening van de banen van raketten en satellieten, maar faalt bij zeer grote snelheden. Einsteins theorie doet het beter, maar schiet tekort wanneer kwantummechanica belangrijk wordt. Wetenschap gaat vooruit door te bouwen op de vorige inzichten, ‘niet zoals de menselijke geschiedenis of moderne architectuur: neerslaan, verbranden, opblazen en pletten, en dan op puinhopen iets bouwen dat op geen enkele manier lijkt op wat er was,’ aldus Icke.

Hoewel ik niet per se alle gemaakte keuzes volg, geeft Zwaartekracht bestaat niet door zijn mix van wetenschapspopularisatie, geschiedenis en filosofie zeker een originele kijk op de stand van zaken van ons ‘fundamenteel’ begrip van de natuur. Icke hoopt dat ergens een opmerkzame jongen of meisje zal opstaan die of dat vanuit de huidige inzichten tot een nieuwe briljante vondst zal komen. Honderd bladzijden om inzichten te verwerven die eventueel kunnen leiden tot een begrip van de oorsprong van ons heelal, wie kan daaraan weerstaan?

Links

Amsterdam University Press, Amsterdam, 2014
ISBN 9789089646248
112p.

Geplaatst op 12/11/2014

Reacties

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *

Je reactie zal pas verschijnen na controle op spam. Dat kan een paar uren of dagen duren.