Op zoek naar de heilige graal
Renate Loll zoekt naar beweging in de allerallerallerkleinste deeltjes
Renate Loll (43) werkt nu vier jaar in Utrecht. In die tijd heeft ze zich ontpopt tot eminent wetenschapper en een enthousiast pleitbezorger voor meer vrouwen in de wetenschap. Ze kreeg drie miljoen euro uit Brussel voor een Europees netwerk en sleepte eind vorig jaar een vici-premie van 1,25 miljoen euro in de wacht. Geld genoeg om te blijven zoeken naar de heilige graal van de fysica.
Een vacuüm dat toch niet leeg is; de ruimtetijd die uit stukjes schuim bestaat; en ons driedimensionale universum dat een vierdimensionale is. De werkelijkheid die Renate Loll bestudeert, staat bol van de paradoxen en de contradicties. Op haar werkkamer in het Minnaertgebouw toont de Duitse alle begrip voor de verwarring bij haar interviewer. "Het is niet gemakkelijk om uit te leggen wat mijn onderzoek inhoudt. Heel kort gezegd ben ik op zoek naar de structuur van de ruimtetijd, maar om te kunnen begrijpen wat ik daarmee bedoel, moet u allereerst afstand doen van de common sense gedachte dat wij leven in een ruimte van drie dimensies, waarin een klok voor iedereen dezelfde tijd wegtikt. Voor ons dagelijks leven is dat een heel bruikbare veronderstelling, maar Einstein heeft ons precies honderd jaar geleden met zijn relativiteitstheorie duidelijk gemaakt dat er principieel geen scherp onderscheid bestaat tussen ruimte en tijd. Wat de één als een stukje tijd ziet, is voor de ander een stukje ruimte. In feite leven wij volgens Einstein in één vierdimensionale werkelijkheid: de ruimtetijd.
'U moet afstand doen van de common sense gedachte dat wij leven in een ruimte van drie dimensies, waarin een klok voor iedereen dezelfde tijd wegtikt'
"Stel nu dat we met een imaginaire microscoop die ruimtetijd onderzoeken. Je zou verwachten dat op zeer kleine schaal in de ruimtetijd, voorbij de laatste ons bekende deeltjes, geen materie meer aanwezig is. Tussen die elementaire deeltjes zou dan dus absolute leegte heersen. Maar de quantumtheorie, die in de jaren twintig is ontwikkeld om te verklaren wat er op die heel kleine schaal gebeurt, vertelt een heel ander verhaal. Volgens die theorie is het vacuüm in werkelijkheid een uitgestrekte 'zee', waarin constant deeltjes ontstaan en vergaan. Die zogeheten quantumfluctuaties spelen zich af op schalen die nog weer miljoenen malen kleiner zijn dan de omvang (10 tot de min 19de meter) van quarks, de kleinst bekende elementaire deeltjes. We hebben nog geen precies idee hoe ze zich gedragen, maar het lijkt erop dat ze op de zogeheten Planck schaal van 10 tot de min 35ste meter de ruimtetijd zelf beginnen te vervormen. Het zal niet eenvoudig zijn om daar experimenteel achter te komen. Onze deeltjesversnellers zullen nooit in staat zijn om ons te laten zien wat zich op zo kleine schaal afspeelt en de relativiteitstheorie spreekt zich niet uit over gebeurtenissen op die schaal."
In feite is de grote en nog onopgeloste paradox in de moderne natuurkunde dat er twee theorieën zijn, die allebei op uiterst elegante manier een deel van de fysische werkelijkheid beschrijven. Ze zijn echter op zulke verschillende uitgangspunten gebaseerd dat ze volstrekt onverenigbaar zijn. Al vele jaren zijn theoretici op zoek naar de heilige graal van de fysica, de zogeheten theorie van de quantumzwaartekracht (ook wel: quantumgravitatie) die deze paradox kan oplossen door het gedrag van de grote structuren in de kosmos (verklaard door de relativiteitstheorie) en dat van de kleinste deeltjes (verklaard door de quantumtheorie) onder één noemer te brengen.
Onder fysici heerst eenstemmigheid over het feit dat de sleutel voor zo'n theorie ligt in een adequate beschrijving van de structuur van de ruimtetijd, maar de oplossing wordt in verschillende richtingen gezocht. Veel collega's van Renate Loll denken dat de supersnarentheorie (zie kader) de grootste kanshebber is om de relativiteitstheorie met de quantumtheorie te verzoenen, maar zelf ziet zij meer heil in een aanpak die het niet nodig maakt om te veronderstellen dat er meer dan vier dimensies bestaan.
"Ik probeer een model op te stellen dat zowel op de quantumschaal als op grotere schaal een realistische beschrijving geeft van de structuur van de ruimtetijd. Nu is op de allerkleinste schaal sprake van zulke hoge energie fluctuaties, dat de ruimtetijd daar waarschijnlijk in hoge mate gekromd is. Maar dat is alleen denkbaar als we aannemen dat zij daar extreem vervormd is of zelfs in ontelbaar veel brokstukken zogeheten quantumschuim uiteen gescheurd. Het grote probleem is echter dat er geen theorie is die kan verklaren hoe de optelsom van al die microscopisch kleine brokstukken quantumschuim in de macrowereld een mooie continue en ook nog vierdimensionale werkelijkheid oplevert. Alle pogingen om zo'n theorie op te stellen zijn tot nu toe gestrand. Soms leverde die optelsom een tweedimensionale wereld op, dan weer kwam er een wereld uit met oneindig veel dimensies.
'Ik kan me nog goed herinneren hoe het voelde toen we die uitkomst zagen verschijnen. Dat was een magisch moment'
"Jaren geleden kreeg ik voor het eerst het idee dat het probleem misschien zat in het feit dat veel theoretici uit het oog waren verloren dat er ook op die heel kleine schalen sprake moet zijn van causaliteit, van gevolgen die voortvloeien uit oorzaken. Ik heb dat toen als absolute voorwaarde aan mijn berekeningen gesteld. Vervolgens ben ik jaren bezig geweest om met een Deense en een Poolse collega alle consequenties van die gedachte door te rekenen. En met succes, want vorig jaar hebben wij in een artikel laten zien dat computersimulaties op basis van minuscule stukjes vierdimensionaal quantumschuim onder de voorwaarde van causaliteit inderdaad een realistisch vierdimensionaal heelal opleveren. Ik kan me nog goed herinneren hoe het voelde toen we die uitkomst zagen verschijnen. Dat was een magisch moment."
Het artikel van Loll en haar collega's is wereldwijd ontvangen als een doorbraak op weg naar een beter begrip van de structuur van de ruimtetijd. Of het ook uitzicht biedt op de langverbeide theorie van de quantumzwaartekracht, is voor velen nog een vraag. Duidelijk is al wel dat de leiding van het Utrechtse Spinoza Instituut met haar aanstelling een goede zaak heeft gedaan. Waarom heeft een Duitse onderzoeker een aanstelling aan een van de gerenommeerde Max Planck Instituten in haar geboorteland eigenlijk verruild voor een positie als universitair hoofddocent in Utrecht?
Loll: "Ik ben in eerste instantie naar Utrecht gekomen, omdat ik hier een vaste aanstelling kon krijgen en wellicht op termijn hoogleraar kon worden. Maar ik heb zeker ook voor Utrecht gekozen vanwege de reputatie van dit instituut en vanwege Gerard 't Hooft. Niet dat ik nauw met hem samenwerk, want Gerard werkt met niemand samen. Zijn wonderbaarlijke kracht is zijn volstrekt individuele stand alone manier van denken. Hij is superkritisch en uiteraard zijn we het lang niet altijd eens over het probleem van de quantumgravitatie, maar wat ik heel bijzonder vind is dat hij niet alleen naar colloquia en seminars gaat, maar ook naar praatjes van masterstudenten en daar met hen in discussie gaat. Noem mij maar eens een andere Nobelprijswinnaar die dat doet dat. Gerard maakt echt deel uit van the spirit of the place. Dat maakt het extra motiverend om hier te werken."
'Niet alleen is de gedachte hier bijna afwezig dat meisjes wel eens goed in de exacte wetenschappen zouden kunnen zijn. Nog erger vind ik dat zelfs het besef ontbreekt dat er sprake is van een probleem'
In de vier jaar sinds haar aanstelling in Utrecht ontpopte Renate Loll zich niet alleen als eminent wetenschapper, maar ook als een enthousiast pleitbezorger voor meer vrouwen in de wetenschap. "De positie van vrouwen ligt me na aan het hart. In de bètahoek vind ik de situatie in Nederland zonder meer schokkend. In Duitsland staan de zaken er al vrij beroerd voor, maar hier is het nog erger. Niet alleen is de gedachte hier bijna afwezig dat meisjes wel eens goed in de exacte wetenschappen zouden kunnen zijn. Nog erger vind ik dat zelfs het besef ontbreekt dat er sprake is van een probleem. Mijn mannelijke collega's zijn me heel dierbaar, en het is ook niet zo dat ze tegen vrouwen zijn, maar ze hebben geen idee hoe mannelijk het systeem is waarin zij functioneren en hoezeer dat veel vrouwen benadeelt."
Als coördinator van het zogeheten Enrage (European Network of Random Geometries)-netwerk van de Europese Unie heeft Renate Loll inmiddels een manier gevonden om vrouwelijke wetenschappers een steuntje in de rug te geven, vertelt zij. "Het gaat om een netwerk van wetenschappers die op verschillende terreinen dezelfde soort geometrische technieken gebruiken als ik doe in mijn onderzoek naar quantumgravitatie. Eén van de doelstellingen van dat netwerk is om de participatie van vrouwen in de exacte wetenschap te bevorderen. Je kunt verschillend over Europa denken, maar de Europese Unie heeft een zeer verlicht idee over vrouwen in de wetenschap. Men is in Brussel vooruitstrevender dan in welke van de lidstaten ook.
"In alle Europese programma's geldt aandacht voor de positie van vrouwen nadrukkelijk als beoordelingscriterium. Maar dacht je dat men zich daar wat van aantrok? Meestal komt het erop neer dat in een onderzoeksvoorstel van zestig pagina's ergens achterin staat: by the way, we hebben in ons netwerk ook iemand die op de vrouwen let. Volstrekt belachelijk. In mijn netwerk heb ik dat meer proberen te integreren. Van de dertien groepen in Enrage zijn er drie, waarin excellente vrouwen een prominente rol spelen. Alle drie heb ik een extra plaats voor een promovendus gegeven."
Ook zelf heeft Renate Loll de nodige obstakels moeten overwinnen. "Ik was zo'n meisje dat al jong radio's uit elkaar haalde om te zien hoe ze werkten, maar ik heb lang zitten nadenken wat ik op de universiteit zou gaan doen. Toen dacht ik: waarom begin je niet met natuurkunde, dat kan nooit kwaad. Mijn ouders vonden het prima, maar verder heb ik van mijn omgeving weinig steun gekregen, niet alleen tijdens mijn studie, maar ook daarna. Ik heb als vrouw echt moeten knokken om het in de wetenschap te redden. Dat ik pas op mijn 39e mijn eerste vaste baan heb gekregen, spreekt wat dat betreft boekdelen."
Supersnarentheorie
Volgens de supersnarentheorie zijn de meest elementaire deeltjes in het universum geen puntjes, maar een soort trillende elastiekjes, waarvan de trillingen zich aan ons voordoen als deeltjes, zoals elektronen en fotonen. Hoewel de theorie aanvankelijk een veelbelovende kandidaat leek om de tegenstelling tussen relativiteitstheorie en quantumtheorie te overbruggen, wordt steeds duidelijker dat zij op haar beurt weer voor nieuwe problemen zorgt. De meest serieuze complicatie is dat onze wereld volgens deze theorie - zonder dat we daar in het dagelijks leven iets van merken - deel uitmaakt van een universum van tien of meer dimensies. Mogelijkerwijs zweeft ons driedimensionale heelal door een hogere dimensie - op dezelfde manier waarop een vliegend tapijt van twee dimensies door de driedimensionale ruimte vliegt - gescheiden van een schaduwwereld, die misschien maar een paar tiende millimeter van ons verwijderd is, zoals Spinozawinnaar Robert Dijkgraaf het onlangs beeldend beschreef.
'De oplossing voor dit probleem komt waarschijnlijk uit een hoek van waaruit we hem totaal niet verwachten'
Hoewel Renate Loll omzichtig formuleert om geen collega's voor het hoofd te stoten, is duidelijk dat zij niet veel brood ziet in onderzoek in deze richting. "Oorspronkelijk zag de supersnarentheorie er heel simpel en daardoor heel aantrekkelijk uit, maar gaandeweg zijn er steeds meer complicaties opgetreden, waardoor ik het nu een nogal far-fetched theorie vind. Bovendien is heel onduidelijk of de snarenaanpak ergens toe zal leiden. Daarom geef ik de voorkeur aan mijn eigen aanpak. Die heeft inmiddels al wel concrete resultaten opgeleverd."
Net als Renate Loll is ook Nobelprijswinnaar Gerard 't Hooft niet overtuigd van het gelijk van de snaartheoretici. Maar of de aanpak van zijn Utrechtse collega wel de juiste is, is voor hem ook nog maar de vraag. "Renate heeft de afgelopen jaren duidelijk vooruitgang geboekt, maar zij is er nog lang niet. Het is zelfs de vraag of zij wat de quantumgravitatie betreft op de goede weg zit. Hoewel ik zelf de oplossing vooral zoek in de hoek van de zwarte gaten, vind ik dat de supersnarentheorie op dit moment nog steeds de beste kaarten in handen heeft. We zijn inmiddels helaas tegen een aantal vervelende obstakels aangelopen, maar desondanks is die aanpak nog steeds concreter en meer gestructureerd dan andere pogingen om de relativiteitstheorie en de quantumtheorie met elkaar te verzoenen. Maar dat wil niet zeggen dat Renate het niet bij het rechte eind kan hebben. Mijn filosofie is: laat iedereen maar aanmodderen. Zij moet vooral doorgaan met waar zij mee bezig is, want de oplossing voor dit probleem komt waarschijnlijk uit een hoek van waaruit we hem totaal niet verwachten."
Erik Hardeman
Verschenen op 13-10-2005 in Ublad 7 (37).