Theoretisch natuurkundige Frank Wilczek grijpt terug op Lorentz
De wortels van gewicht
Het gewicht van bijna alles komt voort uit bijna niets, volgens Lorentzmedaillewinnaar Frank Wilczek. En de man die op zijn medaille prijkt kwam op het idee.Bruno van Wayenburg
Frank Wilczek maakt zich zorgen om zijn gewicht. En niet alleen om zijn eigen gewicht, maar ook om het gewicht van anderen, van dingen, van moleculen, atomen en de onderdelen daarvan. Van alles eigenlijk.
‘Waar komt massa vandaan?’, zo stelde de theoretisch natuurkundige van het Massachusetts Institute of Technology het voor een publiek van natuurkundigen.
Afgelopen vrijdag kreeg hij in Leiden de Lorentzmedaille uitgereikt, een vierjaarlijkse prijs van de Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen voor het puikje van de theoretische natuurkunde. Nobelprijswinnaars Max Planck en Wolfgang Pauli kregen hem, net als in 1986 de Nederlander Gerard ’t Hooft, die in 1999 in Zweden bekroond werd.
En ook over Wilczek wordt wel gefluisterd dat hij toch vroeg of laat ook eens een telefoontje uit Stockholm zal moeten krijgen, al is hij de dinsdag voor de medaille-uitreiking weer jammerlijk gepasseerd. Het werk van de Amerikaan legde de basis voor de huidige theorie van elementaire deeltjes, het standaardmodel, die het gedrag van alle bekende onderdelen van de materie behoorlijk precies verklaart.
In gigantische deeltjesversnellers zoals het CERN in Genève is het standaardmodel uitvoerig getest door met steeds grotere snelheden atomen, elektronen en andere minieme stukjes materie op elkaar te laten botsen. Totnogtoe kloppen de voorspellingen akelig goed met de waarnemingen. Maar dat betekent niet dat natuurkundigen zich geen vragen meer hoeven te stellen.
Zoals de vraag: waar komt massa vandaan? Hoe veel er ook aan voorspellingen uit het standaardmodel rolt, natuurkundigen ergeren zich eraan dat ze er nog altijd het een en ander in moeten stoppen. Zoals de getallen voor de massa’s van elementaire deeltjes. ‘Eigenlijk willen we de massa’s ook voorspellen’, zegt Wilczek, ‘je wilt nou eenmaal beginnen met zo weinig mogelijk, en alles verklaren met zo mooi mogelijke concepten. Je wilt het begrijpen.’
Achteraf vindt hij het een mooi gegeven dat Lorentz zich om deze vraag ook al druk maakte, zegt de natuurkundige na de ceremonie. Want de beroemde Leidse natuurkundige Hendrik Antoon Lorentz (1853-1928) was niet alleen de naamgever van het fraaie gouden plakkaat dat Wilczek in handen werd gestopt. De hele ceremonie was ook nog eens onderdeel van een symposium ter ere van de honderdjarige verjaardag van nog een andere Nobelprijs, degene die de natuurkundigen Lorentz en Pieter Zeeman in 1902 kregen
Zeeman, toen aan de Universiteit van Amsterdam, had namelijk in Leiden met een uiterst nauwkeurig experiment in 1896 het Zeeman-effect ontdekt, een subtiele verandering in het schijnsel van verhit keukenzout onder invloed van een magnetisch veld.
De beroemde theoretische natuurkundige Lorentz wist die ontdekking te verklaren met een beroep op een belangrijk nieuw idee in de natuurkunde: dat atomen samengesteld zijn uit een elektrisch positief geladen en een licht, negatief geladen onderdeel. Dat laatste onderdeel, beter bekend als het elektron, was de eerste van een ware vloedgolf van ‘elementaire deeltjes’, onderdelen van het ooit zo ondeelbaar geachte atoom.
Na het elektron volgde het proton, een deeltje met positieve elektrische lading en bestanddeel van de kern van atomen. Na een handjevol deeltjes in de jaren dertig, toen Lorentz al niet meer leefde, kwam er na de oorlog een ware lawine op gang toen natuurkundigen met steeds grotere snelheden atomen op elkaar gingen schieten in deeltjesversnellers.
‘Het was een puinhoop’, zegt Wilczek, ‘Iedere keer als er een nieuw deeltje opdook, moest je alle eigenschappen weer uitzoeken, er was geen patroon.’ Pas aan het eind van de jaren zestig kwam er enige lijn in. Natuurkundigen bedachten quarks, nog weer ‘elementairder’ deeltjes waaruit de deeltjesdierentuin opgebouwd zou kunnen zijn. Quarks zouden elkaar moeten beïnvloeden door middel van een nieuwe natuurkracht, de zogenaamde sterke kracht. Het was alleen een beetje verontrustend dat de quarks zelf niet te vinden waren in experimenten.
Als eenentwintigjarige promovendus vond Wilczek daar begin jaren zeventig een verklaring voor: quarks waren ‘opgesloten’: hoe verder de quarks uit elkaar staan, hoe sterker ze elkaar aantrekken, zodat je ze nooit los kunt trekken. Klinkt simpel, maar de wiskundige theorie daarvoor getemd moest worden, de Yang-Mills-theorie, was dat zeker niet.
‘Mijn promotor en ik hoorden tot de weinigen die dat soort berekeningen konden doen. Het was allemaal behoorlijk technisch en complex, en we begrepen er eerst maar weinig van’, zegt Wilczek.
In vaktaal ging de nogal vaste relatie tussen quarks ‘asymptotische vrijheid’ heten, en experimenten bevestigden het verschijnsel in de loop van de jaren zeventig tot in de puntjes. ‘Eerlijk gezegd vond ik het niet heel bijzonder dat ons model zo schitterend klopte’, lacht de onderzoeker achteraf. ‘Ik wist niet beter. Natuurlijk wist ik dat grote ontdekkingen zeldzaam zijn, maar ik wist nog niets van de frustratie als dingen niet werken.’
Pas later kreeg hij ook een meer intuïtief begrip van wat de berekeningen nou eigenlijk betekenden. De toenemende aantrekkende kracht die de quarks bindt is eigenlijk een gevolg van het borrelende vacuüm, een wezenlijk ingrediënt van het standaardmodel, waarin zelfs het niets substantie heeft. Volgens de theorie is het vacuüm een bruisende zee van deeltjes die maar een fractie van een moment kunnen bestaan.
Maar in dat korte ‘moment van glorie’, zoals Wilczek het graag noemt, kunnen ze wel langer, echt bestaande deeltjes beïnvloeden.
Die beïnvloeding leidt tot de asymptotische vrijheid, maar ook, bleek later, naar het verschijnsel ‘massa’. De quarks moeten zich als het ware door de vacuümzee heenploegen, waardoor ze een zekere traagheid oplopen. Natuurkundigen noemen dat massa, andere mensen noemen het gewicht.
Die massa is zelfs te berekenen, liet Wilczek tijdens zijn voordracht zien. Zware computers hebben zich op een uitgeklede versie van het standaardmodel gestort en voorspelden met redelijke nauwkeurigheid een groot deel van de massa’s van hele reeksen van deeltjes die samengesteld zijn uit quarks, waaronder het proton. ‘We hebben hiermee 95 procent van de massa eigenlijk uit het niets verklaard’, zegt de medaillewinnaar. ‘Voor de overige vijf procent moeten we een ander mechanisme inroepen, dat nog niet helemaal bewezen is’, zegt hij enigszins spijtig. Maar toch: bijna negenhonderdvijftig gram van iedere kilo die Wilczek, of wie dan ook weegt, rolt rechtstreeks uit deze berekeningen.
‘De connectie met Lorentz’, zegt hij, ‘is dat hij eigenlijk op dezelfde manier de massa van het elektron probeerde te verklaren.’ Lorentz kende geen quarks, geen borrelend vacuüm, en geen asymptotische vrijheid, maar had wel een grondig begrip van de theorie van elektrische en magnetische velden. ‘Dat soort velden hebben een zekere traagheid, en Lorentz was de eerste die probeerde de massa van het elektron te verklaren uit het feit dat het geladen elektron een veld met zich mee moet slepen.’
Daarmee was Lorentz zijn tijd ver vooruit, vindt de Amerikaan, die de Leidenaar nog altijd ondergewaardeerd vindt. ‘Tot dan toe was massa, vanaf de tijd van Newton, gewoon een gegeven, een basaal concept dat je niet kon uitleggen met behulp van iets simpelers.’
Dat Lorentz er niet in slaagde om de massa van het elektron te verklaren, is overigens geen schande, vindt zijn wetenschappelijke nakomeling: ‘De massa van het elektron en een reeks verwante deeltjes zijn eigenlijk nog een mysterie. Ik heb in de hele theoretische natuurkunde nog geen idee voorbij zien komen dat ook maar in de buurt komt van een verklaring.’Bruno van Wayenburg