Delta Institute for Theoretical Physics

Page 1

Van snaar tot universum

van de makers van


inhoud

De Nederlandse school Theoretisch natuurkundige, wat is dat toch een leuke baan! Je kunt rekenen aan de oerknal of aan quantumcomputers, aan zwarte gaten of aan supergeleiders, aan elementaire deeltjes of aan emergente fenomenen van triljarden deeltjes. Wat ons bindt, is de taal van de wiskunde, die we gebruiken om de natuur te begrijpen en voorspellen. De connectie met het experiment is natuurlijk heel belangrijk - want meten is weten. Maar toch, niets is zo praktisch als een goede theorie! Nederland heeft al meer dan een eeuw een ijzersterke traditie in de theoretische natuurkunde, met tal van Nobelprijswinnaars en wetenschappers van wereldwijde faam. Men kan tot op heden terecht ­spreken van de ‘Nederlandse school’. Geen wonder dat het Delta Institute for Theoretical Physics (Delta ITP) al in de eerste call van de prestigieuze NWO-Zwaartekrachtvoorstellen tien jaar geleden werd gehonoreerd en opgestart. Delta ITP brengt theoretische natuurkundigen van de universiteiten van Amsterdam, Leiden en Utrecht samen in één groot consortium, met als doel grote natuurkundige vraagstukken op te lossen en impact te hebben op de samenleving. Als Delta ITP trokken we gezamenlijk ook nieuwe stafleden aan, en tal van jonge AIO’s en postdocs van over heel de wereld. Grote uitdagingen werden geformuleerd en onderverdeeld in de drie grote thema’s van Delta ITP: cosmological matter, quantum matter en topological matter. Wat we rond die thema’s zoal h ­ ebben bereikt, kunt u lezen in dit tijdschrift, met tal van mooie interviews met Delta ITP’ers, terugblikken en vooruitblikken. De afgelopen tien jaren waren een prachtige periode voor het Delta ITP. We maken ons nu klaar voor een nieuw decennium vol mooie samenwerkingen en hopelijk nieuwe spannende ontdekkingen!

Stefan Vandoren

hoogleraar theoretische ­natuurkunde en hoofd van het departement natuurkunde aan de Universiteit Utrecht, en lid van de Raad van Toezicht van Delta ITP

04

MAAIKE PUTMAN

06

BOB BRONSHOFF

Interviews 06 Teamsport Coördinator Jan Pieter van der Schaar reageert op elf steekwoorden. 12 Gebroederlijk Theoretici Erik en Herman Verlinde in gesprek. 14 Nieuwe oogst Vier jonge talenten geven hun kijk op zaken. 24 Samen sterk Elisa Chisari, Alessandra S ­ ilvestri en Samaya Nissanke bundelen hun krachten. 28 Pionier Cristiane de Morais Smith over haar weg naar de natuurkunde.

2 | New Scientist | Special Delta ITP

20

Features 20 Vreemd spul Delta ITP probeert meer licht te schijnen op quantummaterie, ­topologische materie en donkere materie. 32 Megaproefjes Vijf grote experimenten, gezien door de ogen van vijf theoretisch natuurkundigen.


COLOFON Deze special is gemaakt door de redactie van New Scientist in opdracht van het Delta Institute for Theoretical Physics Jan Pieter van der Schaar (coördinator), Jacqueline de Vree (communicatiemanager), Anne-Marieke Crommentuijn (ondersteuning) Raad van Bestuur Erik Verlinde (voor­ zitter), Carlo Beenakker, Cristiane de Morais Smith

28

BRAM BELLONI

Van snaar tot universum

van de makers van

RÖNTGEN: NASA/CXC/CFA/M.MARKEVITCH, OPTISCH/LENSING MAP: NASA/STSCI, MAGELLAN/U.ARIZONA/D.CLOWE, LENSING MAP: ESO WFI

AFBEELDING COVER: MANSFIELD & DIEMER BEWERKING: PASCAL TIEMAN

Uitgever Veen Media B.V. Hoofdredactie Ans Hekkenberg Eindredactie Jean-Paul Keulen Aan dit nummer werkten mee Bram Belloni, Bob Bronshoff, Yannick Fritschy, Marleen Hoebe, Jim Jansen, Peter de Jong, Eline Kraaijenvanger, Marcel Levi, Maaike Putman, Dorine Schenk, Wouter Schreuder, Pascal Tieman, Dennis Vaendel, Marcel Vonk, Sebastiaan van de Water, Bruno van ­Wa­yenburg Basisontwerp Sanna Terpstra (Twin Media bv) Vormgeving Donna van Kessel (Twin Media bv) CONTACT NEW SCIENTIST Mail redactie@newscientist.nl (voor ­pers­berichten), info@newscientist.nl ­(uitsluitend voor vragen aan redactie), klantenservice@newscientist.nl Tel +31-(0)85-6202600 Adres (post en bezoek) Oostenburgervoorstraat 166, 1018 MR Amsterdam Brandmanager Thijs van der Post (thijs@newscientist.nl) Marketing en sales Alex Sieval (alex@newscientist.nl) CONTACT DELTA ITP Mail info@d-itp.nl Website www.d-itp.nl Druk Habo DaCosta bv ISSN 2214-7403 De uitgever is niet aansprakelijk voor schade als gevolg van druk- en zetfouten.

In beeld 04 Ingezoomd Koenraad Schalm over de rol en het succes van Delta ITP. 10 Infographic Welke universiteiten maken deel uit van Delta ITP? En wat hebben die voor elkaar weten te krijgen? 18 Reuzenschouders ­ Theo­retici borduren voort op het werk van Albert Einstein, Stephen Hawking en Richard ­Feynman. 26 Fysische graffiti In Leiden en Utrecht prijken legendarische formules op muren.

Opinie 30 Valse tegenstelling Over fundamentele wetenschap bestaan volgens NWO-voorzitter Marcel Levi een boel misverstanden. 31 Geen telefoonspelletjes Houd de weg tussen wetenschapper en publiek kort, betoogt theoretisch natuurkundige Marcel Vonk.

En verder...

COPYRIGHT Niets uit deze uitgave mag op enigerlei wijze worden overgenomen of in een geautomatiseerd gegevensbestand worden opgenomen zonder schriftelijke toestemming van de uitgever. De uitgever heeft ernaar gestreefd de auteursrechten van de illustraties volgens de wettelijke bepalingen te regelen. Zij die menen nog zekere rechten te kunnen doen gelden, kunnen zich wenden tot de uitgever.

09 Onvermoeibaar Gerard ’t Hooft bindt de strijd aan met oneindigheden. 17 Bruggenbouwer ­ Alejandra Castro probeert de zwaartekracht en de quantummechanica aan elkaar te koppelen. 23 Magische wereld Carlo Beenakker over qubits en het programmeren van quantumcomputers. 35 Leestips De beste boeken over natuurkunde met een Delta ITP-tintje.

Special Delta ITP | New Scientist | 3


INGEZOOMD

MAAIKE PUTMAN

Een brug naar het front Het Delta Institute for Theoretical Physics – Delta ITP – brengt ­theoretisch natuurkundigen van de Universiteit van Amsterdam, Universiteit Leiden en Utrecht Universiteit samen. De Leidse snaartheoreticus Koenraad Schalm ziet hoe die samenwerking zijn vruchten afwerpt. ‘Door de enorme successen die de natuurkunde in de twintigste eeuw heeft geboekt, ligt het niveau waarop onderzoek plaatsvindt vaak een flink stuk boven het niveau waar je als natuurkundestudent eindigt. Een belangrijk onderdeel van Delta ITP is het geven van gezamenlijke vakken aan de ­studenten van alle drie de universiteiten. Die vakken slaan de brug tussen de collegebanken en de research frontier. Die frontier wordt niet van bovenaf aangestuurd. De onderzoeksvragen in een fundamenteel wetenschappelijk instituut komen van onderzoekers zelf. Waar je als instituut op drijft, is het creëren van een omgeving waarin de interessante vragen gesteld kunnen ­worden. Dat is het échte succes van Delta ITP. Waar ik trots op ben, is dat we als klein land tot de wereldtop behoren doordat we een omgeving hebben gecreëerd waarin het makkelijk is samen te werken. Een voorbeeld van zo’n samenwerking vormen de zogeheten triangle meetings: op een specifiek onderwerp gerichte bijeenkomsten tussen de drie instituten. ­Tijdens die ­bijeenkomsten is er veel tijd om vrijelijk te discussiëren met ­vakgenoten. Dat is waar de ideeën ontstaan. Theoretische natuurkunde is niet à la Einstein op je zolderkamertje zitten; het is juist een heel sociaal vak. Alleen bij het uitwerken van ­ideeën zit je even op dat zolderkamertje. Hoe de toekomst van Delta ITP eruitziet? Verdere uitbreiding sluit ik niet uit, hoewel de geografie van Nederland dan wel een punt is. De kracht van Delta ITP zit hem onder meer in fysieke meetings en doordat Utrecht, Amsterdam en Leiden zo dicht bij elkaar liggen, hebben we die kunnen verwezenlijken. Toch zijn de triangle meetings zo’n succes dat collega’s uit Groningen en ­Leuven er ook aan deelnemen.’ Tekst: Wouter Schreuder



interview


‘Theoretische natuurkunde is een ­teamsport’ Snaartheoreticus en kosmoloog Jan Pieter van der Schaar is ­coördinator van het Delta Institute for Theoretical ­Physics. Aan de hand van elf steekwoorden vertelt hij over zijn ­wortels, werk en ­wensdromen.

Tekst: Jim Jansen Foto’s: Bob Bronshoff

tegenovergestelde van Heerenveen. Daar wilde ik veel meer over weten.’ Delta ITP

Natuurkunde

‘Op de lagere school las ik voor het eerst iets over sterrenkunde. Ik weet niet meer precies waar dat over ging, maar ik raakte er in elk geval door geïnteresseerd in astronomie. Een paar jaar later bouwde ik mijn eigen telescoop. Daarna wilde ik natuurlijk ook sterrenkunde gaan studeren en in Groningen is die opleiding gecombineerd met natuurkunde. Uiteindelijk vond ik dat laatste vakgebied veel leuker, ook omdat ik geïnteresseerd was in het theoretische aspect. Ik ben gepromoveerd in de snaartheorie; heel abstract en formeel. Toen ik na mijn promotie naar het buitenland ging, ben ik me met kosmologie gaan bezighouden. Zo kwam ik toch een beetje terug bij de astronomie.’ Dromen (1)

‘Toen ik jong was, wilde ik proftennisser worden, maar dat is niet gelukt. Ik kwam uit Heerenveen, een Fries dorp dat men een stad noemt. Dat kleine vond ik vervelend worden en het heelal was zo ongeveer het

‘We bewaken de eenheid van de theoretische fysica. In Nederland hebben we een lange traditie in deze tak van wetenschap en we zijn er ook heel goed in. Dat heeft te maken met een combinatie van creatief en solide. Het Delta Institute for Theoretical Physics – Delta ITP – staat eigenlijk los van de financiering die we in 2012 voor het ­instituut hebben gekregen. Al veel langer bestond het idee dat de universiteiten van Leiden, Utrecht en Amsterdam op dit vlak veel meer zouden moeten samenwerken. Theoretische fysica lijkt een eenzaam beroep doordat het vakgebied vaak in het nieuws komt als een persoon een belangrijke prijs heeft gewonnen. Maar vergis je niet. Het is een teamsport en je kunt alleen vooruitgang boeken als er een collectief fundament is gezet. Uitwisseling en samenwerking zijn superbelangrijk.’ Zwaartekrachtbeurs

‘We kregen 18 miljoen euro; een prachtig bedrag. We hoefden geen dure apparatuur

aan te schaffen en hebben nauwelijks iets uitgegeven aan overhead, dus al dat geld is naar het onderzoek gegaan, vaak in de vorm van nieuwe onderzoekers. Tijdelijk en vast. Diepte-­investeringen in mensen, dus in ­kennis. Zonder die beurs was ons dat niet gelukt.’ Steden

‘Amsterdam is een vrij nieuwe speler binnen de theoretische natuurkunde; Sander Bais en Robbert Dijkgraaf hebben een periode van groei ingeluid. In twintig jaar is het ­Instituut voor Theoretische Fysica van de Universiteit van Amsterdam de grootste en misschien wel beste groep van Europa geworden. Hier zijn we goed in de snaar­ theorie en quantummaterie. Utrecht kun je zien als het huis van Gerard ’t Hooft; een historische plek waar de focus ligt op de ­fundamentele vragen. Utrecht was van oudsher een beetje formeel georiënteerd qua theoretische fysica, maar inmiddels houden de onderzoekers daar zich ook bezig met kosmologie, gravitatiegolven en duur­ zame materialen. Leiden heeft het Instituut-Lorentz voor Theoretische Fysica, waar Albert Einstein regelmatig te gast was als Special Delta ITP | New Scientist | 7


interview

‘In zekere zin treed ik in de ­voetsporen van Stephen Hawking’

­ ijzonder hoogleraar. Moet ik dan nog meer b zeggen? Leiden is anders dan de andere ­steden; daar is er een natuurlijke samenwerking van de theoretische fysica met de astronomie en de experimentele natuurkunde.’ Samen sterker

‘Delta ITP is een manier om ons als collectief sterker te profileren en ik denk dat het ons is gelukt te laten zien dat het instituut meer is dan zomaar een samen­werking tussen drie steden. Internationaal hebben we onszelf op de kaart gezet, mede door uitzonderlijke ­fellowships in het leven te roepen. Dat zijn

CV

driejarige projecten voor heel goede mensen; postdocs die we extra geld hebben gegeven waarmee ze mochten doen wat ze wilden. Je kon niet solliciteren; wij deden de selectie. Uiteindelijk hebben we twaalf mensen aan ons verbonden. Die mogen zich nu Delta Fellows noemen. Terugkijkend zijn ze allemaal heel succesvol geworden. Dat is niet alleen leuk, ik ben er oprecht trots op.’

‘Iedere theoretisch natuurkundige refereert vroeg of laat aan Einstein. Bij Delta ITP ­hebben we de nadruk gelegd op onderwerpen die passen bij de drie instituten. Hier in Amsterdam doen we bijvoorbeeld veel met de snaartheorie en dat gaat in de kern om één ding: we willen weten wat de quantumversie is van de algemene relativiteitstheorie. Dat is een directe erfenis van Einstein.’

‘Ik heb een vreemde loopbaan achter de rug en ben een beetje van alle markten thuis. Dat vond ik een tijdje lang belemmerend, maar dingen gaan zoals ze gaan. In 2005 ben ik in Amsterdam beland, waar ik door Robbert Dijkgraaf ben aangenomen. Ik kwam bij wiskunde terecht, waar ik eigenlijk niets te zoeken had. Vervolgens accepteerde ik een onderwijsbaan aan het Amsterdam University College. Een jaar later begon Delta ITP en Jan de Boer belde met de vraag of ik daar belangstelling voor had. In het begin was het pionieren. Het hielp dat ik me goed kon inleven in de wereld van de onderzoekers; iets wat een ‘gewone’ manager zeker niet had gekund. Doordat we best veel geld beschikbaar hadden, voelde ik me af en toe wel een beetje Sinterklaas.’

Onderzoek

Dromen (2)

‘Mijn onderzoek richt zich op de vraag hoe het heelal is ontstaan en de relatie met snaartheorie. Als theorie van quantumzwaartekracht zou snaartheorie een belangrijke rol moeten spelen in het extreem vroege heelal. Ontwikkelingen op het gebied van zwarte gaten houd ik ook scherp in de gaten omdat ze een brug kunnen slaan naar het ontstaan van het heelal. In zekere zin treed ik in de voetsporen van Stephen Hawking.’

‘Je hebt kleine en grote dromen. Op onderzoeksgebied zou ik heel graag de de Sitter-ruimtetijd beter willen begrijpen. Willem de Sitter was een Nederlandse astronoom en wiskundige die in Groningen en Leiden heeft gewerkt. Hij was de eerste die een oplossing vond van de algemene relativiteitstheorie met een positieve kosmologische constante. Deze de Sitter-oplossing beschrijft een versneld uitdijend heelal dat waarschijnlijk eigenschappen heeft die lijken op die van een zwart gat, met een kosmologische horizon die hawkingstraling uitzendt. Als we begrijpen hoe dit in snaartheorie werkt, dan verwacht ik veel te leren over het ­ontstaan van het heelal. Daarnaast droom ik ervan om de wereld over te zeilen. Dat heeft niets met mijn werk te maken; het lijkt me gewoon heel leuk.’

Einstein

Jan Pieter van der Schaar (1972) studeerde in 1996 af in de theoretische natuurkunde aan de Rijksuniversiteit Groningen en promoveerde in 2000 aan diezelfde universiteit. Na een postdocpositie aan de Universiteit van Michigan, een fellowship op CERN en een jaar als postdoc aan de Columbia-universiteit in New York maakt hij sinds 2005 deel uit van het Instituut voor Theoretische Fysica van de Universiteit van Amsterdam. Sinds 2013 coördineert hij het Delta Institute for Theoretical Physics. Zijn onderzoek richt zich op het grensvlak van de kosmologie en de snaartheorie. Hij is een van de leidende wetenschappers in het nationale kosmologieprogramma.

8 | New Scientist | Special Delta ITP

Manager

Nieuwsgierigheid

‘Ik doe geen onderzoek omdat het nuttige toepassingen heeft, maar om mijn eigen nieuwsgierigheid te bevredigen. Diezelfde nieuwsgierigheid dreef mensen als Einstein en Newton. Van de toepassingen van hun werk maken we anno 2022 gretig gebruik. Misschien doen mensen dat over honderd jaar ook met mijn bevindingen.’


KROONJUWEEL

BRAM BELLONI

‘De natuur weet niet wat oneindig is’ ‘Toen ik aan mijn proefschrift werkte, waren er veel grote vragen in de natuurkunde over elementaire deeltjes en de krachten die daartussen werken’, vertelt Gerard ’t Hooft, hoogleraar theoretische natuurkunde aan de Universiteit Utrecht. ‘Het was een mooie tijd; iedere paar jaar was er een ontdekking die alles op zijn kop zette.’ Met zijn promotor Martinus Veltman werkte ’t Hooft destijds aan de regels van een van de krachten: de zwakke kernkracht. ‘Als je daaraan rekende, dan convergeerden de berekeningen niet goed; uitkomsten waren vaak oneindigheden. Maar de natuur weet niet wat oneindig is, dus dat betekende dat er iets niet klopte.’ Met Veltman vond hij een oplossing, die het tweetal in 1999 de Nobelprijs voor de natuurkunde opleverde. Inmiddels worden elementaire deeltjes en hun onderlinge krachten goed beschreven door het standaardmodel

van de deeltjesfysica. ‘Maar we weten dat dit niet het hele verhaal is. De quantummechanica, waar het standaardmodel op gebaseerd is, werkt namelijk niet goed als je haar combineert met de zwaartekracht. Je krijgt dan weer oneindig­ heden.’ Dit probleem stak in de jaren zeventig de kop op. ‘Destijds dachten we dat we dit ook wel in een jaar of tien zouden oplossen. Zo was het immers gegaan bij de deeltjesfysica. Maar inmiddels zijn we vijftig jaar verder.’ ‘Sommigen denken dat we er nooit achter komen. Dat geloof ik niet. Kijk maar naar de geschiedenis van ons vak. Als we goed de koppen bij elkaar steken, krijgen we de foute ideeën wel uit ons ­systeem. Zou het duizenden jaren duren voordat we de juiste werkwijze gevonden hebben? Laat dat zo zijn, we geven niet op. Over duizend jaar kom ik terug met de antwoorden.’ Tekst: Dorine Schenk Special Delta ITP | New Scientist | 9


inzicht

Van het allerkleinste tot het allergrootste

Het Delta Institute for Theoretical Physics Of het nu gaat om elementaire deeltjes, zwarte gaten of (quantum)materie, de theoretische natuurkunde probeert de volledige natuur te doorgronden. Waaruit b ­ estaat een zwart gat? En hoe verander je ­eigenschappen van materialen? In navolging van natuur­kundige grootheden als Albert Einstein en Stephen Hawking probeert het Delta ITP-­ consortium de meest fundamentele vragen van ons bestaan te beantwoorden.

Universiteit van Amsterdam

Het Instituut-Lorentz voor ­ heoretische Fysica in Leiden T is één van de oudste natuurkundige instituten in Nederland en heeft een indruk­wekkende staat van dienst. De volle breedte van de natuurkunde wordt bestudeerd, met boegbeelden als quantumwetenschapper Carlo Beenakker, kosmoloog Ana Achúcarro en supergeleiding-expert Jan Zaanen. Het nabijgelegen Lorentz Center is de plek bij uitstek voor het organiseren van workshops en conferenties.

GRENZELOZE ONDERWERPEN

De unieke samenwerkingen tussen de drie deelnemende instituten versterken de eenheid van de theoretische natuurkunde. De belangrijkste onderzoeksthema’s – kosmologie, materie en snaren – zijn immers zijden van dezelfde driehoek. Binnen het Delta ITP-consortium vervagen de grenzen tussen de natuurkundige disciplines, om samen in het midden uit te komen.

Universiteit Leiden

ACTIVITEITEN DELTA ITP PhD- en postdoctorale onderzoeksprojecten (41) Delta Fellowships (12) Gastonderzoekers (ruim 100) Symposia, conferenties en workshops (ruim 100) Onderwijsprogramma Advanced Topics (17) SNAREN 10 | New Scientist | Special Delta ITP


TEKST: ELINE KRAAIJENVANGER ILLUSTRATIES: PASCAL TIEMAN

Het Instituut voor Theoretische Fysica in Amsterdam heeft in korte tijd veel aanzien verworven in Europa. De afdeling staat historisch gezien bekend om haar baanbrekende onderzoek r­ ondom snaartheorie en quantummaterie. Met hulp van Delta ITP heeft de afdeling zich ­kunnen uitbreiden in de volle breedte van de t­ heoretische natuurkunde, met grote namen als Erik Verlinde en ­Kareljan Schoutens, en aanstormende ­talenten als Miranda Cheng en Gianfranco Bertone.

50

VASTE STAFLEDEN

KOSMOLOGIE

Universiteit Utrecht

SNAREN

30% 30% MATERIE

40% Utrecht is het ­thuishonk van Nobelprijswinnaar Gerard ’t Hooft. Traditioneel richt het onderzoek zich hier op ­fundamentele vraagstukken, maar i­ nmiddels bestuderen wetenschappers ook onderwerpen als kosmologie en (duurzame) materialen. Naast boegbeelden Cristiane de Morais Smith en René van Roij timmert de nieuwe generatie – waaronder Rembert Duine en Tanja Hinderer – ­behoorlijk aan de weg. Vanuit Utrecht worden de Advanced Topics-onderwijs­programma’s georganiseerd.

120+

PHD’S EN POSTDOCTORALE ONDERZOEKERS ZO’N

60%

HEEFT EEN VIDI-, VICIOF ERC-BEURS Special Delta ITP | New Scientist | 11


dubbelinterview

‘Als ik mijn broer kan overtuigen, lukt het met de rest van de wereld ook wel’ Erik en Herman Verlinde over emergente zwaartekracht, de cycli van de theoretische natuurkunde, het toenemende aantal verbanden met andere vakgebieden en de stortvloed aan nieuwe waarnemingen. ‘Toen we begonnen, waren zwarte gaten iets heel abstracts. Nu zijn er echte observaties.’

Tekst: Bruno van Wayenburg

D

e tweelingbroers Verlinde zijn een begrip in de Nederlandse ­natuurkunde. Erik en Herman werden op 21 januari 1962 geboren in Woudenberg en deelden al vroeg hun interesse in het vak. Als studenten en later promovendi bij de Utrechtse hoog­ leraar Gerard ’t Hooft vormden ze een hecht clubje met Robbert Dijkgraaf – nu minister van Onderwijs, Cultuur en Wetenschap – dat zich al discussiërend op de snaartheorie stortte. Herman Verlinde is inmiddels hoogleraar aan de Princeton-universiteit in de Verenigde Staten. Erik Verlinde is hoogleraar aan de Universiteit van Amsterdam en voorzitter van de Raad van Bestuur van Delta ITP. In 2009 lanceerde hij een theorie over de zwaartekracht waarin thermodynamica, quantummechanica en zwaartekracht op een fundamentele manier verweven zijn: ‘emergente zwaartekracht’, gebaseerd op hun beider ideeën. 12 | New Scientist | Special Delta ITP

Jullie sparringpartner Robbert Dijkgraaf is als minister van Onderwijs, Cultuur en Wetenschap toegetreden tot het kabinet. Herman Verlinde: ‘Het ging heel snel natuurlijk, maar eigenlijk vond ik het wel een natuurlijke stap. Hij is iemand die de zaken waar het over gaat al van alle kanten gezien heeft. Ook was hij bijna klaar als directeur van het Institute for Advanced Study, hier in Princeton. En hij is altijd erg betrokken gebleven bij Nederland.’ Erik Verlinde: ‘Eigenlijk was ik niet verrast. Ik denk dat hij een enorm sterke kandidaat is voor zo’n positie en dat hij veel kan bijdragen. Ik had hem kort ervoor nog gemaild. Ik ben bezig met een onderzoek dat heel direct gerelateerd is aan matrixmodellen waar Robbert aan gewerkt heeft. Het zal nu wel lastig voor hem worden om daar nog een reactie op te geven.’ Herman: ‘Veel van de dingen die we met z’n drieën destijds hebben gedaan, staan nu weer centraal in het onderzoek naar de vraag hoe je quantummechanica moet ­combineren met de zwaartekracht. Dus ik denk dat het hem best zou interesseren.’ Erik: ‘Die matrixmodellen zijn een model voor

wat we emergente zwaartekracht noemen. Sinds een eeuw wordt de zwaartekracht door Einstein ongeveer zo beschreven: massa’s vervormen de ruimtetijd, waardoor objecten richting zware objecten bewegen. Dat nemen we waar als zwaartekracht. Emergente zwaartekracht houdt in dat die kromme ruimtetijd op zijn beurt weer wordt verklaard door een diepere, microscopische quantumwereld. Daarin speelt quantumverstrengeling een rol, de bijzondere koppeling op afstand die quantummechanische deeltjes met elkaar verbindt, en die ook een hoofdrol speelt in quantumcomputers.’ De emergente zwaartekrachttheorie die Erik in 2009 naar buiten bracht, deed nogal wat stof opwaaien, en haalde zelfs de New York Times. Hoe is het daarmee? Erik: ‘Die theorie borduurde voort op eerdere

ideeën van Stephen Hawking en Gerard ’t Hooft, die toen een beetje op de achtergrond aan het raken waren. Zij zagen verbanden tussen zwarte gaten en thermodynamica. Zwarte gaten hebben een temperatuur en entropie, een soort maat voor wanorde. Ik heb toen als het ware een pijl omgedraaid:


Herman Verlinde

Hoe zijn jullie in de natuurkunde ­terechtgekomen? Erik: ‘Herman en ik raakten als middelbare scholieren in de jaren zeventig enorm geErik Verlinde

motiveerd door de televisie-uitzending Sleutel tot het heelal, van wetenschapsschrijver Nigel Calder. We leenden boeken uit de bibliotheek, waar we heel veel over gediscussieerd hebben, ook met onze ­oudere broer. Die is helaas vijf jaar geleden overleden. Hij was meer geïnteresseerd in sterrenkunde, terwijl wij tweeën dit soort fundamentele vragen heel boeiend vonden om over te discussiëren.’ En daarmee zijn jullie ook nooit echt opgehouden. Herman: ‘Ja, we gaan straks ook weer verder,

na dit interview. Dan zien we wel hoelang we het met elkaar eens blijven, haha.’ Erik: ‘Vaak denk ik: als ik Herman kan ­overtuigen, lukt het met de rest van de ­wereld ook wel. Maar serieus: We hebben best geluk gehad met de mensen met wie we ­destijds in Utrecht promoveerden, zoals Robbert. We discussieerden eindeloos en publiceerden daar ook zelf over, wat heel ­ongebruikelijk was.’ Herman: ‘Vaak kwam één van ons met het oorspronkelijke idee en dan gingen de ­andere twee ermee aan de slag.’ Erik: ‘Het idee stond een beetje tussen ons in en we werkten het in een soort estafette met elkaar uit.’ Na jullie promotie vertrokken jullie naar de Princeton-universiteit, naar een van de topgroepen op het gebied van snaartheorie. Erik, wat bracht je in 2003 terug naar Nederland?

BOB BRONSHOFF

Erik: ‘Dat had persoonlijke redenen, maar er

was ook de visie dat wij in Nederland een goede snaartheoriegroep op konden zetten. Natuurkundige Sander Bais had de oorspronkelijke visie, maar ik heb me daar ook op gestort, met Robbert en Jan de Boer. ­Inmiddels is de groep enorm gegroeid, met veel bezoek en instroom van buitenlandse gasten. Ik denk dat de groep na Harvard en Princeton ergens in de top vijf zit op dit ­gebied.’ Herman: ‘In Europa is Amsterdam denk ik de bekendste snaartheoriegroep.’ Erik: ‘Het opzetten van Delta ITP was daarop eigenlijk een logisch vervolg. We zagen

RENÉ CLEMENT/ANP

niet de zwaartekracht is het fundamentele verschijnsel, die komt juist voort uit de microscopische quantumwereld. Hij is, zoals dat heet, emergent. Daarmee heb ik de ontwikkeling eigenlijk een duw willen geven. Je ziet nu dat andere mensen uiteindelijk ook overtuigd zijn en diezelfde kant op denken.’ Herman: ‘Dit veld doorloopt vaak cycli, van zoeken naar nieuwe invalshoeken naar het uitwerken van bepaalde vraagstukken die daaruit voorkomen.’ Erik: ‘Dit idee is ook al vier keer rond ­geweest, in verschillende vormen. Maar elke keer dat we het rondje maken, hebben we weer meer geleerd.’

­ estijds dat wij samen met Amsterdam, d Leiden en Utrecht een soort kern konden vormen om onderzoekslijnen te laten groeien en talent aan te trekken. Een ontwikkeling van de afgelopen tien jaar is verder dat er steeds meer verbanden zijn met andere vakgebieden, zoals quantuminformatie, kosmologie, maar ook bijvoorbeeld de levenswetenschappen. Tegelijkertijd hebben we voor het eerst echte waarnemingen van zwarte gaten: de detectie van zwaartekrachtgolven door LIGO en de foto van het zwarte gat in het sterrenstelsel M87. Toen wij begonnen, waren zwarte gaten iets heel abstracts; nu zijn er echte observaties. De vraag is natuurlijk altijd of de theorieën waar wij aan werken ook iets meetbaars kunnen voorspellen. Daarom zijn deze ­ontwikkelingen heel interessant: kunnen we verbanden leggen met mogelijke waarnemingen? Er komt nu zo veel informatie vrij, ook met allerlei nieuwe satellieten, zoals recent de James Webb-telescoop... Daar moeten we als theoretici op inspelen. Ik hoop en verwacht dat dat een enorme ­ommezwaai gaat geven.’ Special Delta ITP | New Scientist | 13


Frisse blikken op het heelal De een doet onderzoek naar zwarte gaten, de ander naar verre sterrenstelsels. Maar alle vier deze jonge onderzoekers hebben zich vol passie gestort op de geheimen van ons universum.

Tekst: Peter de Jong Foto’s: Bram Belloni

G

een van allen zijn ze gebonden aan hun eigen land. Tanja Hinderer is Duits, maar raakte tijdens haar studie al verzeild in de Verenigde Staten en kwam uiteindelijk via Potsdam, Nijmegen en Amsterdam in Utrecht terecht. De Spaanse Guadalupe Cañas Herrera is helemaal gesetteld in Leiden en geeft naast haar wetenschappelijke werk Zumba-les. En Evita Verheijden en Jaco de Swart zijn weliswaar Nederlanders met een sterke connectie met Amsterdam, toch verhuizen ze later dit jaar naar Amerika voor een nieuwe baan in de wetenschap. Wat het viertal ook bindt: stuk voor stuk geven ze aan dat hun onderzoek profijt heeft van het principe van Delta ITP: de uitwisseling van kennis tussen Amsterdam, Utrecht en Leiden. Samenwerken is het toverwoord, want waarom zou je wat je weet voor jezelf houden?

14 | New Scientist | Special Delta ITP

‘Snaartheoretici zijn goede borrelaars’ Evita Verheijden (1993) is een van de vrouwelijke whizzkids binnen Delta ITP. Ze is cum laude afgestudeerd in de theoretische natuurkunde aan de Universiteit van Amsterdam. Na het voltooien van haar proefschrift later dit jaar verhuist ze naar Harvard om daar te gaan werken voor het Black Hole Initiative. ‘Er gaan steeds meer vrouwen natuurkunde studeren: de instroom van vrouwelijke studenten is nu een op vijf’, vertelt ze. ‘Dat is heel positief. Alleen hoger op de academische ladder zit nog een bottle­ neck: maar 10 procent van de hoogleraren aan de Faculteit der Natuurwetenschappen, Wiskunde en Informatica van de ­Universiteit van Amsterdam is vrouw.’

Evita Verheijden


Binnen de vakgroep snaartheorie houdt ze zich bezig met zwarte gaten. Meer specifiek: kun je uit de hawkingstraling die ze produceren afleiden wat er in het zwarte gat is verdwenen? Ook is Verheijden op zoek naar de heilige graal van de theoretische natuurkunde: de Theorie van Alles. Ze is optimistisch: ‘Ik ga ervan uit dat we die tijdens mijn leven gaan vinden. Er is hernieuwde moed om de zaken op te ­pakken; steeds meer goede wetenschappers zijn ermee bezig.’ Een vooraanstaand snaartheoreticus, Robbert Dijkgraaf, kiest voor de politiek. ‘Hij is de juiste man op de juiste plek’, vindt Verheijden. ‘Hij heeft altijd gepleit voor meer aandacht en geld voor fundamenteel onderzoek. Als minister kan hij nu daadwerkelijk het verschil maken. Wat voor hem pleit, is dat hij ook heeft gestudeerd aan de Rietveld Academie. Kunst en wetenschap zijn een logische combinatie; voor beide moet je heel creatief zijn.’ Over Delta ITP: ‘Het is een heerlijke broedplaats binnen de theoretische natuurkunde. We hebben heel goede onderzoeksgroepen; je zou gek zijn als je daar geen gebruik van maakt. Daarnaast is het heel gezellig om mensen van andere universiteiten te leren kennen. Snaar­ theoretici zijn misschien wel nerdy, maar ook heel goede borrelaars.’

‘Ik wist het zeker: later zou ik natuurkundige worden’ De eerste kennismaking van de Madrileense Guadalupe Cañas Herrera (1993) met Nederland dateert van 2013. ‘Ik kwam hier een jaar studeren in het kader van het Erasmus-­uitwisselingsprogramma’, vertelt

Guadalupe Cañas Herrera

ze. ‘Een fantastisch initiatief. Later heb ik mijn ­master natuurkunde aan de Universiteit ­Leiden gedaan en deze zomer hoop ik daar te promoveren in de kosmologie.’ Nederlanders zijn lekker direct, vindt ze. ‘Ik ben inmiddels een halve Nederlander geworden. Mijn lieve ouders in Cantabrië moesten er zelfs een beetje aan wennen. In Spanje is het gebruikelijk om zaken meer met een omweg, wat tactischer, duidelijk te maken.’ ‘Als kind werd ik al betoverd door de experimenten met vacuüm en elektriciteit tijdens de publiekszaterdagen van de ­Universiteit van Cantabrië. Ik wist het zeker: later zou ik natuurkundige worden.

‘Delta ITP is een heerlijke broedplaats binnen de theoretische natuurkunde’

Ik ben nu als kosmoloog verbonden aan het Euclid-consortium, vernoemd naar de satelliet die naar verwachting in 2023 de ruimte in wordt geschoten. Euclid kijkt verder dan de Melkweg; hij gaat een ­miljoen sterrenstelsels fotograferen. Met al die data maken we een nieuwe catalogus van de ruimte. Zodat we nog meer te weten komen over de posities en de ­bewegingen van de sterrenstelsels, en de uitdijing van het heelal. Supercool.’ In haar vrije tijd luistert ze graag naar de muziek van Bach (‘hij is een meester!’). En is ze Zumba-lerares. Lachend: ‘Ik was als student nogal nerdy; ik was al moe na vijf minuten rennen. Dus toen ben ik aan Zumba gaan doen. Ik hou van muziek en dansen. Tijdens de lockdowns heb ik on­­line een opleiding gedaan en nu geef ik les.’ Tot slot: waar gaat het almaar uitdijende heelal eigenlijk naartoe? ‘Daar valt nog niets over te zeggen. Laten we eerst maar eens iets meer te weten komen over ­donkere energie. Misschien brengt Euclid ons een stapje dichterbij.’

‘Ik ben een beetje de ­huisfilosoof van Delta ITP’ Rockheld en wetenschapper ineen: het bestaat, in de persoon van Jaco de Swart (1989). Naast promovendus aan Delta ITP is hij bassist van de succesvolle hardrockband X-Raiders. ‘In de muziek kan ik mijn oerdrift bevredigen. Op het podium ga ik als een beest te keer; ik laat mezelf helemaal los.’ Dat weerhoudt hem er niet van om deze zomer voor twee jaar naar Boston te vertrekken, waar hij als postdoc gaat werken aan het MIT. ‘We vinden wel een oplossing met de band. Misschien kom ik een paar keer terug voor optredens’, is zijn nuchtere commentaar. Op school was De Swart naar eigen ­zeggen niet briljant, maar vooral nieuwsgierig. ‘Ik wilde weten hoe de natuur Special Delta ITP | New Scientist | 15


frisse blikken op het heelal

‘In de wetenschap is het belangrijk dat je ideeën uitwisselt; dat brengt nieuwe ­gedachten op gang’ logie in de jaren tachtig, toen de astrodeeltjesfysica ontstond. Of dat alles is? Nou, ik vind het ook leuk om over natuurkunde te vertellen. Ik ga een boek schrijven over de geschiedenis van donkere materie en ­binnenkort gaan we voor Het Klokhuis een aflevering opnemen die ook over dat ­mysterieuze spul gaat. Leuk!’

‘Lesgeven aan studenten houdt je scherp’

Jaco de Swart

werkt, maar ik stelde ook filosofische ­vragen, zoals ‘hoe zijn de discussies over de oerknal eigenlijk ontstaan?’. Daarom ben ik naast natuurkunde filosofie gaan studeren. Ik ben een beetje de huis­filosoof van Delta ITP’, zegt hij lachend. Met zijn promotieonderzoek over kosmologie slaat hij een brug tussen filosofie en natuurkunde. ‘Ik laat zien dat onze huidige manier van denken en doen over kosmologie is begonnen in de jaren zeventig, onder invloed van de Space Race tussen de VS en de Sovjet-Unie. Er is toen heel veel geld gestoken in de ontwikkeling van de ruimtevaart en nieuwe technologieën. Er ontstond een nieuwe conceptie over de materie in het heelal. Men concludeerde dat 85 procent van het heelal ‘kwijt’ was en daarmee was de donkere materie geboren.’ ‘Aan het MIT ga ik me straks bezighouden met de ontwikkelingen in de kosmo­ 16 | New Scientist | Special Delta ITP

De uit het Duitse Hofheim afkomstige Tanja Hinderer (1979) is universitair docent zwaartekrachtgolftheorie aan de Universiteit Utrecht. Een globetrotter, kun je wel zeggen. Al tijdens haar studie natuurkunde verkaste ze naar de Verenigde Staten, waar ze ook promoveerde en later werkte als postdoc aan universiteiten in Californië en Maryland. Via het Max Planck-instituut in Potsdam, de Radboud Universiteit Nijmegen en de Universiteit van Amsterdam belandde ze in Utrecht. ‘Ik ben nieuwsgierig en vind het leuk ­nieuwe plaatsen te leren kennen’, is haar nuchtere commentaar. ‘Als universitair docent doe ik niet alleen onderzoek, maar geef ik ook les aan studenten. Dat is heel verfrissend. Ze kunnen in hun onbevangenheid heel goede vragen stellen, dat houdt je scherp.’ ‘Zwarte gaten vond ik op school al mateloos interessant’, vertelt ze. ‘Het zijn geen normale objecten. Als je er iets ingooit, komt het nooit meer terug, zelfs licht niet. Ik bestudeer de zwaartekrachtgolven die zwarte gaten teweegbrengen wanneer ze op elkaar botsen of vlak langs elkaar ­bewegen. We kijken ook naar neutronensterren. Die bevatten een half miljoen keer

de massa van de aarde, maar zijn slechts circa 20 kilometer in doorsnee. Eén thee­ lepel neutronenster weegt meer dan de hele Mount Everest.’ Over Delta ITP: ‘In de wetenschap is het belangrijk dat je ideeën uitwisselt; dat brengt nieuwe gedachten op gang. Daarom is het goed dat de drie universiteiten die deel uitmaken van Delta ITP met elkaar samenwerken. Dat maakt ons alleen maar sterker in de zoektocht naar de antwoorden op de grote uitdagingen van de moderne natuurkunde.’ Tanja Hinderer


KROONJUWEEL

.

‘Zwaartekracht is als een slecht vriendje. Je houdt van hem, maar hij voldoet nooit aan je verwachtingen’, zegt ­Alejandra Castro, theoretisch natuurkundige aan de Universiteit van Amsterdam. Ze onderzoekt zwaartekracht op een fundamenteel niveau. Zo kijkt ze naar ideeën over quantumzwaartekracht, waarbij de quantum­ mechanica, die het gedrag van de allerkleinste deeltjes en licht beschrijft, wordt gecombineerd met de zwaartekrachtwetten van Einstein, die gaan over de bewegingen van grote objecten zoals vallende appels en om elkaar ­cirkelende sterren. ‘Einsteins algemene relativiteits­ theorie is een mooie en elegante manier om de zwaartekracht te beschrijven, maar deze theorie roept ook vragen op’, zegt Castro. ‘Een van de dingen waar we mee worstelen, is hoe we ons begrip van zwaartekracht kunnen toepassen op de quantumwereld. Een succesvolle manier om deze twee belangrijke takken van de natuurkunde te verenigen, is gebaseerd op het holografische principe.’ Volgens dit principe kun je alle informatie over een volume vinden in de randen ervan; in de schil eromheen. Het is net als een hologram een twee­dimensionale weergave van een driedimensionaal beeld. ‘Het idee is dat die schil begrepen kan worden met de quantummechanica en het volume met Einsteins relativiteitstheorie. De kracht van het holografische principe is dat het die twee verbindt.’ Wie quantumzwaartekracht onderzoekt, komt al snel zwarte gaten tegen. Deze objecten oefenen namelijk veel zwaartekracht uit in een kleine ruimte. Ze dwingen je zwaartekracht en quantum­mechanica samen te voegen. ‘Een van mijn doelen is een verband leggen tussen theoretische holografische ideeën en observaties van zwarte gaten door astronomen. Ik wil ­holo­grafie zien aan de hemel.’ Tekst: Dorine Schenk

BOB BRONSHOFF

‘Ik wil holografie zien aan de hemel’


inzicht

Op de schouders van reuzen Van het allerkleinste naar het allergrootste, of het nu gaat om het onvoorspelbare gedrag van deeltjes of om het hart van een zwart gat, de fysica probeert de volledige natuur te doorgronden. Grootheden zoals Albert Einstein, ­Stephen Hawking en Richard ­Feynman baanden de weg. Delta ITP-onderzoekers ­proberen nu te ontdekken welke uitzichten dat gebaande pad biedt, ze pionieren zelf ­verder waar de route ophoudt, en ze tekenen op welke ­bijzondere dingen ze onderweg tegenkomen.

RUIMTETIJD Toen Albert Einstein het toneel betrad, leek het alsof natuurkundigen de zwaartekracht al aardig in de smiezen hadden. Het is de kracht waarmee massa’s aan elkaar trekken. Zo trekt een zwart gat aan nabije sterren, trekt de zon aan de aarde, en trekt de aarde aan mensen die daardoor niet de ruimte in zweven. Maar weten hóe iets werkt, is niet ­hetzelfde als weten waaróm het zo werkt. Einstein bracht de zwaartekrachttheorie een grote stap verder door zich dat af te vragen. Hij besefte dat een massa de ruimtetijd om zich heen kromt. En alles wat door de ruimte beweegt, moet zich aan die kromming houden. Daardoor valt een ster in de buurt van een zwart gat onverbiddelijk naar ­binnen: de ster volgt het voorgeschreven pad van de kromme ruimtetijd om dit donkere monster. De aarde, op haar beurt, draait rondjes in de gekromde ruimtetijd van de zon. Een ruimtetijd die kan vervormen, opende een nieuw hoofdstuk in de ­kosmologie. Zo besefte Einstein dat de ruimte ook kan trillen wanneer twee zwarte gaten op elkaar klappen – een ­fenomeen dat hij zwaartekrachtgolven noemde. In 2015 zijn deze golven voor het eerst gemeten, precies honderd jaar nadat Einstein ze voorspelde.

18 | New Scientist | Special Delta ITP

‘Einstein heeft ons doen begrijpen dat ruimte en tijd vol leven zitten. Ze kunnen krommen, uitdijen, trillen’ - Robbert Dijkgraaf, snaartheoreet en minister van Onderwijs, Cultuur en Wetenschap


TEKST: ANS HEKKENBERG ILLUSTRATIES: PASCAL TIEMAN

‘Hawking heeft een – nog altijd mysterieuze – brug geslagen tussen de quantummechanica en de ruimtetijd van Einstein’ - snaartheoreticus Jan de Boer, Universiteit van Amsterdam -

RAND VAN DE REALITEIT Wat gebeurt er als je over de rand van een zwart gat glijdt? Je bent voor altijd verloren, zoveel mag duidelijk wezen. Zelfs licht kan niet ontsnappen aan de extreme kromming rondom deze kosmische grootheden. Maar betekent dat ook dat zwarte gaten niets dan oorverdovende stilte laten horen? Of kunnen we toch een signaal opvangen van deze spannende gebieden in de ruimtetijd? Stephen Hawking stelde deze vraag en kwam op het grootste inzicht van zijn carrière. Stel, je kijkt naar de grens van een zwart gat – precies op het punt dat het verschil betekent tussen opgeslokt

worden en ontsnappen. Daar kan, beredeneerde Hawking, een deeltje en een antideeltje ontstaan. Eén van de twee kan worden opgeslokt, terwijl de ander nét kan ontsnappen. De ­ontsnapte deeltjes – zogeheten ­hawkingstraling – zouden we moeten kunnen detecteren. Tot nu toe blijft het bij een theoretische voorspelling, Hawkingstraling is nog nooit gemeten. Maar de zoektocht is volop gaande. Met hawkingstraling komen we dichter bij een boodschap uit de ­onderbuik van een zwart gat dan ooit op een andere manier mogelijk zal zijn.

DEELTJESWERELD

‘Feynman verbond de ­fundamentele natuurkunde van het allerkleinste met baanbrekende toepassingen’ - Rembert Duine, hoogleraar nanofysica aan de Universiteit Utrecht -

Van het grootste naar het allerkleinste: de wereld van deeltjes is er een van onzekerheden. Zo kan een deeltje bijvoorbeeld op twee plekken tegelijkertijd zijn. Of kan het zowel linksom en rechtsom draaien. Pas wanneer je het deeltje bekijkt (ofwel: meet waar het is, of hoe het draait), belandt het in een van de mogelijkheden. Door deze fundamentele onzekerheid is de wereld op de kleinste schaal niet een van feiten, maar van waarschijnlijk­ heden. Welkom in het onzekere domein van de ­quantummechanica. Het pad naar het allerkleinste werd verkend door natuurkundigen als Wer-

ner Heisenberg, Erwin Schrödinger en Paul Dirac. Een nieuwe formulering van de quantummechanica kwam uit de koker van de Amerikaan Richard ­Feynman, die de theorie beroemd maakte met zijn observatie dat hij ‘­gerust durfde te beweren dat niemand de quantummechanica echt begrijpt’. De wereld van het allerkleinste biedt ongekende mogelijkheden, zag Feynman. Dat idee vereeuwigde hij met de gevleugelde woorden: ‘Er is volop ruimte onderaan.’ Door met atomen te bouwen, deeltjes te manipuleren en de quantumwetten te beteugelen, hopen natuurkundigen de wereld tot op zijn diepste fundament in de vingers te krijgen. Special Delta ITP | New Scientist | 19


Stof tot ­nadenken In het onderzoek van Delta ITP staan drie ­vreemde vormen van materie centraal: quantummaterie, ­topologische materie en donkere materie. Een beter begrip van deze mysterieuze materialen kan leiden tot een revolutie in de natuurkunde. Tekst: Yannick Fritschy

M

aterie. De natuurkunde draait om materie. De quantummechanica, de maxwellvergelijkingen, de ­relativiteitstheorie: de afgelopen eeuwen zijn er prachtige theorieën ontwikkeld om het gedrag van de materie om ons heen te beschrijven. 20 | New Scientist | Special Delta ITP

Toch zijn er nog heel wat vormen van materie die we niet goed doorgronden. Ze bevinden zich op het grensvlak van verschillende vakgebieden, zoals quantummaterie. Of ze zijn pas vrij recent ontdekt, zoals topologische materie. Of ze zijn zelfs nog nooit rechtstreeks waargenomen, zoals donkere materie. Deze drie mysterieuze materietypen staan centraal in het onderzoek van ­ Delta ITP. Wat is hierover de afgelopen tijd

ontdekt? En wat staat ons de komende jaren te wachten?

Quantummaterie Waar een roestig stukje koper al niet goed voor kan zijn. Eind jaren tachtig bleek dit materiaal, vermengd met lanthaan en barium, supergeleidend bij 35 graden boven het absolute nulpunt. Die zogenoemde kritische temperatuur lag een stuk hoger dan die van de supergeleiders die daarvoor bekend waren. Als natuurkundigen de temperatuur waarbij een materiaal supergeleidend wordt nog verder konden opkrikken, wellicht ­­helemaal tot kamer­temperatuur, zouden de toepassingen ­onbeperkt zijn. Maar hoe beter natuurkundigen de ­nieuwe supergeleiders bestudeerden, hoe meer dingen ze zagen die ze niet wiskundig ­konden verklaren. Nu, ruim dertig jaar later, kunnen ze dat nog steeds niet.


De Bullet Cluster bestaat uit twee botsende sterrenstelsels waarbij gewone en donkere materie duidelijk gescheiden zijn. RÖNTGEN: NASA/CXC/CFA/M.MARKEVITCH, OPTISCH/LENSING MAP: NASA/STSCI, MAGELLAN/U.ARIZONA/D.CLOWE, LENSING MAP: ESO WFI

moedelijk nog wél met elkaar verstrengeld. Er lijkt daarmee sprake van een geheel ­nieuwe klasse van materialen, stelt fysicus Jan Zaanen van de Universiteit Leiden. Hij noemt het quantum supreme matter. Om deze materie in formules te vangen, moet je de quantumwetten die de individuele deeltjes beheersen ook kunnen toepassen op macroschaal. Maar dan worden de berekeningen veel te complex. Die zou je alleen kunnen uitvoeren als je een computer hebt die zélf met verstrengelde deeltjes rekent, oftewel een quantumcomputer. Maar die is nog lang niet zover. Gelukkig is er hulp uit onverwachte hoek: de snaartheorie. Eind jaren negentig ontdekten snaartheoretici een link tussen de veldtheorieën die in de quantummechanica

Momenteel vindt er een stille revolutie plaats op weg naar een wiskundig raamwerk van de ­quantummechanica Het probleem is dat het geheel meer is dan de som der delen. Het gedrag van de individuele deeltjes in supergeleidende materialen is te beschrijven met de quantummechanica. Uit die theorie volgt bijvoorbeeld dat deeltjes verstrengeld kunnen zijn. Dat betekent dat hun eigenschappen onlos­makelijk met elkaar verbonden zijn. Maar hoe meer deeltjes je hebt, hoe groter de complexiteit van die verstrengelingen wordt. Al gauw is die niet meer bij te benen. Nu is dat bij alle materialen het geval. Maar bij de meeste materialen die we kennen, hoef je je niet druk te maken om de ­verstrengeling van de individuele deeltjes. Bij grote hoeveelheden vallen dergelijke quantumeigenschappen namelijk weg. De laatste jaren begint eindelijk duidelijk te worden waarom de warme supergeleiders zo moeilijk te beschrijven zijn: in zulke materialen zijn de individuele deeltjes ver-

worden gebruikt en Einsteins algemene ­relativiteitstheorie. Nu is dat niet de meest voor de hand liggende link: de veldtheorieën staan in verband met een zogeheten Anti-de Sitter-ruimte. Oftewel: een ruimte met een extra dimensie en een kromming die volledig afwijkt van de ruimte waarin wij leven. Maar ondanks deze vreemde eigenschappen bleek de AdS/CFT-correspondentie (Anti-de Sitter/Conformal Field Theory) zo’n tien jaar geleden ook van toepassing op quantum­ materie. Dankzij AdS/CFT kun je de eigenschappen van quantummaterie onderzoeken zonder de materie zelf te bestuderen. In plaats daarvan bestudeer je verschijnselen in de corresponderende Anti-de Sitter-ruimte. ‘Je gebruikt dan postmoderne zwarte gaten om materie te beschrijven’, zegt Zaanen. Volgens Zaanen vindt er momenteel een ‘stille revolutie’ plaats op weg naar een wis-

kundig raamwerk van quantummaterie. Maar om die revolutie te voltooien, zijn quantumonderzoekers wel genoodzaakt zich meer te verdiepen in snaartheorie. Daarnaast is het aan experimentalisten om aan te tonen dat quantum supreme matter inderdaad een nieuwe klasse van materie is. En hopelijk kunnen quantumcomputers in de nabije toekomst het gedrag van dergelijke materie simuleren. Te midden van al die disciplines ziet Zaanen zichzelf als een bruggenbouwer. ‘Ik doe aan fysica uit hedonisme – mijn brein wordt door niets anders zo vermaakt’, zegt hij. ‘Ik ben dan ook uiterst promiscue: ik werk graag met experimentalisten, programmeurs en snaartheoretici.’

Topologische materie Mogelijk komt het onderzoek naar quantummaterie binnenkort in een stroomversnelling dankzij ander onderzoek van Delta ITP, gericht op de quantumcomputer. Deze computer moet bepaalde berekeningen veel sneller kunnen uitvoeren dan gewone computers. Dat komt doordat het apparaat gebruikmaakt van de eigenschappen van quantumdeeltjes. De quantum bits of qubits waarmee zo’n quantumcomputer rekent, kunnen niet alleen een waarde van 0 of 1 aannemen, zoals traditionale bits, maar ook alles ertussenin. Bovendien kunnen die qubits elkaar dankzij verstrengeling op afstand rechtstreeks beïnvloeden. De quantumcomputerbelofte is alleen lastig in te lossen. Er zijn verschillende ­materialen die dienst kunnen doen als qubit, maar die zijn allemaal erg gevoelig voor verstoringen van buitenaf. Er hoeft maar iets te gebeuren, of de qubits verliezen de quantum­eigenschappen waarop hun ­berekeningen gebaseerd zijn. Om dit probleem op te lossen, wenden natuurkundigen zich tot een type materie dat we pas sinds begin deze eeuw een beetje begrijpen: topologische materialen. De bekendste daarvan zijn topologische isola­ toren. Dat zijn materialen die aan de binnenkant geen stroom geleiden, maar aan de buitenkant wel. Het mooie is: die stroom­ geleiding aan de buitenkant is volstrekt niet Special Delta ITP | New Scientist | 21


stof tot nadenken

Aantekeningen van Georg Bednorz, die in 1987 samen met Alex Müller de Nobelprijs voor de natuurkunde kreeg voor de ontdekking van hogetemperatuursupergeleiding. ANP

gevoelig voor verstoringen. ‘Het is alsof je een knoop in een touw legt in plaats van een lus’, zegt natuurkundige Kareljan Schoutens van de Universiteit van Amsterdam. ‘De elektronen vormen een soort quantumknoop. Die is niet snel kapot te krijgen.’ Dankzij die robuustheid zijn topologische materialen de gedroomde bouwsteen voor de quantumcomputer. Maar de praktijk is weerbarstig. Hoewel er vooruitgang is geboekt, onder andere door het instituut QuTech in Delft, is het nog niet gelukt dit soort qubits in het lab te maken. ‘Van andere qubits is de fysica bekender. Hiervoor moeten we eerst een nieuw natuurverschijnsel verkennen’, zegt Schoutens. De belofte van robuustheid is echter zo groot dat het onderzoek volgens hem uiteindelijk wel zijn vruchten zal afwerpen. De vraag is alleen wanneer. ‘Daarover verschillen de meningen’, zegt Schoutens. ‘Als theoreticus vind ik dat moeilijk te zeggen. Ik begrijp precies hoe het zou moeten werken, maar het blijkt moeilijk te realiseren.’

Donkere materie Het blijkt dus lastig om nieuwe vormen van materie te doorgronden. Maar wat als je de te onderzoeken materie niet eens in handen hebt? En eigenlijk geen idee hebt waar hij uit bestaat? Dat is de situatie waarin kosmologen zich nu bevinden. Het standaardmodel van de kosmologie bevat namelijk een aan22 | New Scientist | Special Delta ITP

‘Ik denk dat donkere materie bestaat uit een deeltje dat we ­binnen vijf à tien jaar zullen vinden’ tal onverklaarbare elementen, waaronder donkere materie. Donkere materie is een onbekende vorm van materie die onder andere de beweging van sterrenstelsels beïnvloedt. De meeste natuurkundigen zijn ervan overtuigd dat het spul bestaat, maar het is nog nooit waargenomen – niet rechtstreeks en ook niet door het te maken met deeltjesversnellers. ‘Het probleem is eigenlijk alleen maar groter geworden’, zegt kosmoloog Daniel Baumann van de Universiteit van Amsterdam. ‘Tien jaar geleden dachten we allemaal dat WIMPs de oplossing waren.’ Dat zijn weakly interacting massive particles, oftewel zware deeltjes die nauwelijks interacties aangaan met andere deeltjes. Maar WIMPs zijn nooit gevonden, terwijl veel experimenten ze, als ze bestaan, wel hadden kunnen meten. En dus kijken onderzoekers nu verder. De voorgestelde oplossingen variëren van extreem lichte deeltjes tot zwarte gaten die

vlak na de oerknal zijn ontstaan. En dan zijn er ook nog natuurkundigen die denken dat donkere materie helemaal niet bestaat en dat we in plaats daarvan onze zwaartekrachttheorie moeten aanpassen. ‘We weten dus eigenlijk niets’, zegt Baumann. De hoop is nu vooral gevestigd op zwak koppelende deeltjes. Dat zijn hypothetische deeltjes met een vergelijkbare massa als de deeltjes die we kennen. Ze zouden heel ­weinig op andere deeltjes reageren, wat ­verklaart dat we ze ondanks hun mondaine massa nog nooit hebben gezien. ‘Via zwaarte­krachtgolven kunnen we zoeken naar sporen van dit soort deeltjes’, zegt ­Baumann. Hij verwacht dat donkere materie ondanks alle onzekerheid binnen vijf à tien jaar gevonden wordt. ‘Dat roep ik al tien jaar, maar toch. Ik denk dat het gewoon een deeltje is dat we zullen vinden.’

Snaartheorie De afgelopen jaren is er al met al een hoop nieuwe kennis vergaard over materie, maar zijn er ook een hoop nieuwe problemen ­bijgekomen. Wat nu als je één theorie hebt die al die problemen in één klap oplost? Jarenlang was snaartheorie zo’n gedroomde ‘theorie van alles’. Inmiddels lijkt het erop dat de theorie, hoewel ze zich steeds verder ontwikkelt, die hooggespannen verwachtingen niet kan waarmaken. ‘Toen ik vijftien jaar geleden mijn promotieonderzoek deed, dacht ik dat we met snaartheorie verder waren dan we nu zijn’, zegt Baumann. ‘Snaartheorie is vooral succesvol bij hoge energieën. Bij de lage energieën die we om ons heen zien, schiet de beschrijving helaas tekort.’ Toch ziet Baumann snaartheorie nog steeds als de way to go. ‘Er is geen goed alternatief. Andere theorieën zijn zelfs niet goed gedefinieerd bij hoge energieën.’ Of het nu via snaartheorie gaat of niet: het ultieme doel van natuurkunde blijft het ­vinden van één spelregelboekje waarin het gedrag van alles om ons heen staat beschreven. En met hun onderzoek naar vreemde vormen van materie zetten de Delta ITP’ers geruisloos stapjes richting dat ultieme doel – geduldig wachtend op die ene doorbraak die alles verheldert.


KROONJUWEEL

‘­ De ontwikkeling van telraam naar computer lijkt een grote stap. Maar ze rekenen op dezelfde manier; een computer is alleen sneller’, zegt Carlo Beenakker, hoogleraar theoretische natuurkunde aan de Universiteit ­Leiden. ‘De laatste tien jaar wordt er gewerkt aan een techniek die wel op een radicaal andere manier rekent: de quantumcomputer. Die rekent met qubits.’ In tegenstelling tot bits van een gewone computer, die nul of één zijn, zijn qubits een combinatie van nul en één. Dankzij de quantum­ eigenschappen van de qubits zijn bepaalde berekeningen veel sneller uit te voeren. Maar daardoor moet je ze wel compleet anders programmeren dan een gewone computer. ‘Ik doe zowel onderzoek naar het programmeren van quantumcomputers als het maken van qubits’, vertelt Beenakker. ‘Als theoretisch natuurkundige maak ik de qubits niet zelf; ik verzin en voorspel manieren om ze te maken. Delftse onderzoekers, waarmee ik samenwerk, maken ze.’ ‘Qua programmeren is het nu de vraag: wie vindt de killer app voor de quantumcomputer? Niemand had in de jaren vijftig gedacht dat het bij de computer het wereldwijde web – het www – zou worden. Ik ga die killer app niet vinden, maar ik heb me omringd met mensen die daar ideeën over hebben en bijvoorbeeld kijken naar de combinatie van kunstmatige intelligentie en quantum.’ Beenakker, die pas later in zijn loopbaan met quantumonderzoek begon, is enthousiast over het vak­ gebied: ‘Je kunt er met je intuïtie niet bij. Daardoor is het een compleet andere, magische wereld waarin je op ontdekkingstocht kunt. Je bent daarbij afhankelijk van de wiskunde om niet op een dwaalspoor te komen.’ Tekst: Dorine Schenk Special Delta ITP | New Scientist | 23

BRAM BELLONI

‘Quantum is een ­magische wereld ­ waarin je op ­ontdekkingstocht kunt’


‘We kunnen elkaar op veel manieren helpen’ Binnen Delta ITP kunnen wetenschappers hun ­krachten bundelen om een stapje dichter bij de ­ontrafeling van de grote mysteries van het ­ universum te komen. Zo werken Elisa Chisari, Alessandra ­Silvestri en Samaya Nissanke samen aan vraagstukken over zwaartekrachtgolven en de uitdijing van het heelal. Tekst: Marleen Hoebe Foto’s: Bob Bronshoff

ELISA CHISARI Kosmoloog en universitair docent aan de Universiteit Utrecht ‘De projecten van Alessandra, Samaya en mij bevinden zich nog in de beginfase. Met Alessandra ben ik een project gestart waar we aan werken met Tomislav Prokopec, 24 | New Scientist | Special Delta ITP

kosmoloog aan de Universiteit Utrecht. Het doel van dit project is om de uitdijing van het heelal te onderzoeken aan de hand van een quantummodel dat Tomislav heeft ­opgesteld. Samaya en ik zijn met een groep Nederlandse wetenschappers betrokken bij het tienjarige internationale onderzoek Legacy Survey of Space and Time. Dat zal

plaatsvinden op het Vera C. Rubin-observatorium in Chili, dat nu nog in aanbouw is. Met dit onderzoek hopen we de eigenschappen te vinden van de mysterieuze kracht die de versnelde uitdijing van het heelal aandrijft. Een wetenschappelijk artikel is tegenwoordig zelden het werk van één auteur. Voor een goed onderzoek is niet alleen een origineel idee nodig. De gereedschappen om het onderzoek verder te brengen, zijn ook belangrijk. Terwijl we met elkaar ­praten, kunnen we op ideeën komen. En door onze expertisegebieden te combineren, zijn we in staat om die ideeën op weg te helpen. Daarnaast helpen we elkaar op verschillende manieren. We stellen elkaar bijvoorbeeld vragen over onze projecten om zeker te zijn van de robuustheid van onze resultaten. Verder zie ik Alessandra en Samaya als rolmodellen die me op weg kunnen helpen in de Nederlandse academische wereld. Twee jaar geleden kwam ik in Utrecht terecht, net voor de pandemie. Met hun hulp, en dankzij Delta ITP en de contacten die ik eerder had opgedaan aan de Universiteit Leiden, was ik in staat om goed ingebed te raken in het wetenschappelijke landschap van Nederland. Samenwerken met verschillende onderzoeksinstituten heeft verrijkende aspecten. Ten eerste stimuleren discussies tussen instituten het bedenken van nieuwe ideeën die vaak uitmonden in wetenschappelijke projecten. Onze maandelijkse theoretische kosmologiebijeenkomsten en andere seminars zorgen ervoor dat we op de hoogte blijven van wat ieder van ons doet. Maar het menselijke aspect speelt ook een rol: het is enorm waardevol dat ik mijn nieuwsgierigheid voor het heelal kan delen met iemand. Het geeft me het gevoel dat ik deel uitmaak van een grotere onderneming.’


in persoonlijke discussies kunnen we ­elkaar adviseren over veel aspecten van ons werk; ook over de moeilijkheden die we tegenkomen als jonge moeders die hun wetenschappelijke carrière in evenwicht proberen te houden met hun gezinsleven. Ik zal nooit de steun vergeten die ik kreeg van Samaya toen ik de Vidi-beurs van de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek aanvroeg.’

SAMAYA NISSANKE Astrofysicus en universitair ­hoofddocent aan de Universiteit van Amsterdam

ALESSANDRA SILVESTRI Kosmoloog en universitair hoofddocent aan de Universiteit Leiden ‘Samaya en ik werkten aan een project waarin we onderzochten wat we kunnen leren over ons universum aan de hand van zwaartekrachtgolven. Met een subsidie van Delta ITP konden we gezamenlijk een postdoconderzoeker aannemen en dit ­onderzoek starten. Dat was het begin van een vruchtbare samenwerking tussen onze twee onderzoeksgroepen die ook goede onderzoekers uit het buitenland aantrok. We publiceerden al verschillende artikelen samen, maar zijn daar nog niet mee klaar. Onze samenwerking duurt ondertussen al langer dan het oorspronkelijk gefinancierde project. Voor het project dat ik onlangs met Elisa ben gestart, hebben we met hulp van Delta ITP ook een veelbelovende jonge wetenschapper in dienst kunnen nemen. Door onze verschillende expertises te bundelen, kunnen we de heel uitdagende vragen die we tegenkomen in de kosmo­ logie – en meer in het algemeen in de ­natuur- en sterrenkunde – aanpakken. We kunnen elkaar op veel manieren helpen. Via gezamenlijke groepsbijeenkomsten ­leren we bijvoorbeeld van elkaars stijl. En

‘De natuurkunde-instituten in Utrecht en Leiden richten zich beide op onderzoeksgebieden waar wij in Amsterdam mee ­bezig zijn. Daardoor is het niet alleen een genoegen om samenwerkingen aan te gaan, het is ook cruciaal. Zo zijn we in staat om nieuwe ideeën en methodes te ontwikkelen en voor kruisbestuiving te zorgen. Voor mij persoonlijk zijn onze samenwerkingen belangrijk omdat ik zoveel heb geleerd van Alessandra en Elisa, zowel op wetenschappelijk als op persoonlijk gebied. Hun expertise vult die van mij aan en geeft nieuwe perspectieven en inzichten. Bovendien is het plezierig om met hen samen te werken; ze zijn inspirerend en behoren tot de nieuwe generatie ­leiders van hun vakgebied. Het zijn ­geweldige personen. Dat kun je zien aan hun ­onderzoeksgroepen en het plezier dat ze hebben in natuurkunde. Ik denk dat het altijd een voordeel is om collega’s te hebben die je ondersteunen. Het is een voorrecht om deel uit te

maken van de academische wereld. Tegelijkertijd kan dat ook zwaar en uitdagend zijn. Ik ging ervan uit dat als ik eenmaal was ­aangenomen voor een tenure track (een loopbaantraject dat leidt naar een ­vaste aanstelling – red.) veel uitdagingen zouden verdwijnen. Maar ik krijg te maken met een nieuwe reeks uitdagingen. Voor mij – iemand die moeder werd op een kritiek punt in haar carrière – heeft het zoveel geholpen om met vrouwen te werken die in vergelijkbare loopbaanfases zitten en waar je je ei bij kwijt kunt. Achteraf gezien waren de eerste twee jaar van het moederschap een strijd en is die tijd in een waas voorbijgegaan. Maar het was ook geweldig, en het betekende heel veel voor mij om deze ervaringen te delen met Alessandra.’

‘Door onze expertises te bundelen, kunnen we de uitdagende ­vragen uit de ­kosmo­logie aanpakken’ Special Delta ITP | New Scientist | 25


Natuurkunde in het wild Wie nietsvermoedend door Leiden of Utrecht kuiert, kan zomaar een ­natuurkundige­ formule tegen het lijf lopen. Sinds 2015 prijken er op verschillende gebouwen ­enorme schilderingen die elk een fysisch concept uitbeelden. De snelheid van de zon om het centrum van de Melkweg zoals berekend door sterrenkundige Jan Oort bijvoorbeeld (linksboven), of het dopplereffect: de manier waarop de frequentie van een toon verandert wanneer een geluidsbron voorbij racet (rechts). N ­ atuurkundigen Sense Jan van der Molen en Ivo van Vulpen zetten het project op touw in Leiden, onder het mom van ‘hoe meer bèta in de wereld, hoe beter’. Het initiatief is in 2019 succesvol overgenomen in Utrecht.

INSTITUUT-LORENTZ, UNIVERSITEIT LEIDEN

INSTITUUT-LORENTZ, UNIVERSITEIT LEIDEN

Tekst: Ans Hekkenberg

JAAP AUGUSTINUS


JAAP AUGUSTINUS


Voorbij de muur achter de sterren Cristiane de Morais Smith is een geboren pionier. Geflankeerd door haar papegaai Yara verkent ze de grenzen van de ­werkelijkheid. Waarbij de penseelstreken van Picasso haar natuurkundehart dieper raken dan de ­formules van Newton. 28 | New Scientist | Special Delta ITP

Tekst: Sebastiaan van de Water Foto: Bram Belloni

G

een harde feiten, maar open ­mysteries kreeg Cristiane de ­Morais Smith vroeger cadeau van haar o ­ uders. Ze herinnert zich een avond, toen ze nog een jong meisje was en haar vader haar mee naar buiten nam. Hij wees omhoog, naar de schitterende ­sterrenhemel die hun dorp Paraguaçu Paulista elke nacht nog kleiner liet lijken dan het al was. ‘Cristiane, wat denk jij dat er achter die sterren ligt?’ vroeg hij haar. ‘Ik denk… meer sterren, papai.’ ‘En daarachter?’ ‘Nog meer sterren.’ ‘En achter die


sterren dan?’ ‘Misschien… een grote muur?’ ‘Ah. En voorbij die grote muur achter de sterren?’ Zwijgend bleven vader en dochter dan ­omhoog staren. Zulke momenten sterkten de overtuiging van het Braziliaanse dorpsmeisje om de nogal groot uitgevallen vleugels van haar nieuwsgierigheid niet verborgen te houden, maar royaal uit te slaan. Een onbegrensd heelal verdient een onbegrensde ontdekkingslust, vindt ze nog steeds. Die vleugels klapte ze dan ook nooit meer in.

Op de badkamervloer De concrete lokroep van de natuurkunde hoorde ze pas jaren later, op haar dertiende. Een leraar schotelde haar klas een lastige opgave voor: bereken de ­versnelling van objecten die zonder ­wrijving langs een helling naar beneden glijden. Inderdaad: het beroemde experiment van Galileo. De leraar genoot ­ervan zijn klas te laten worstelen met dit probleem, om ze daarna te verrassen met het contra-intuïtieve inzicht dat massa geen i­ nvloed heeft op de ­versnelling. De Morais Smith ziet het tafereel nog voor zich: ‘Hij kwam bij mijn tafel kijken en plots schreeuwde hij het uit van blijdschap. Alle leerlingen keken verbijsterd op, want we kenden hem als een heel ­ingetogen man. Hij bleek in de wolken omdat ik de goede vergelijkingen al had opgeschreven. Ik vroeg hem of ik meer van dit soort leuke puzzels mocht ­oplossen. “Dan moet je natuurkundige ­worden”, reageerde hij.’ Vanaf dat moment stond haar lots­ bestemming vast. Maar de weg erheen leek lange tijd geblokkeerd. ‘Het Braziliaanse schoolsysteem is pervers’, verzucht De Morais Smith. ‘Wie aan de universiteit wil studeren, moet slagen voor extreem moeilijke toelatingsexamens. Alleen ­leerlingen van dure privéscholen maken kans. Maar ik wilde heel, heel graag.’ Ze wist wat haar te doen stond. ‘Ik ­kende geen grenzen meer. Zolang mijn lichaam het niet opgaf, ging ik door met

‘Alle verschijnselen op de grens van het ­onbekende en het ­anderwereldse trekken me aan’ leren.’ Zestien uur per dag. Maandenlang. Vaak lag ze ’s nachts met haar studieboeken op de koude badkamervloer, strijdend tegen de slaap om haar dromen levend te houden.

Vreemd gedrag ‘Als er nog geen pad bestaat, dan maak ik er zelf wel een.’ Met die instelling landde De Morais Smith als jonge twintiger in Zwitserland, voor een PhD in de theoretische natuurkunde. Lang had ze gefantaseerd over Europa. Hoe anders zou het ­leven daar zijn? Daar kwam ze snel genoeg achter. ‘Voor mijn eerste symposium riep mijn professor mij bij zich en zei: “Jij bent een vrouw. Dus tijdens je presentatie wil ik niet dat je glimlacht; dat leidt de wetenschappers hier af. Ik wil dat je je sober kleedt en serieus gedraagt. Ingetogen. Gewoon als een man.” Als je zoiets tegen een Braziliaanse vrouw zegt, is het alsof je haar bestaansrecht ontkent. Ik reageerde door te zeggen dat ik nooit zou stoppen met glimlachen. Mijn glimlach is mijn bondgenoot, op goede en slechte momenten. Hij accepteerde mijn standpunt. Of waarschijnlijk dacht hij: “Laat maar, ze komt van ver en snapt niet hoe het hier werkt.” Later ­hebben andere vrouwen in de natuurkunde mij verteld dat mijn ‘vreemde’ gedrag hen ook meer ruimte gaf om zich vrijer te gedragen. Dus het was toch ergens goed voor!’

Perfecte expressie Tegenwoordig is De Morais Smith prijswinnend hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit Utrecht. Haar onderzoek laat

zich lastig samenvatten. Vanuit haar ­middeleeuwse woning aan de Oudegracht, waar haar amazonepapegaai Yara voor een Braziliaans tintje zorgt, denkt ze na over het raadsel van het menselijke ­bewustzijn. In haar lab speelt ze met de mogelijkheden van het wondermateriaal grafeen. Ze analyseert het curieuze gedrag van atomen bij extreem lage temperaturen. ­Achter haar bureau berekent ze welke niet-­bestaande materialen we moeten ­uitvinden om het quantumtijdperk tot ­volle wasdom te laten komen. ‘Toch is er wel een rode draad in mijn onderzoek, denk ik. Alle verschijnselen die zich op de grens van het onbekende en het ander­ wereldse bevinden, trekken me aan. ­Bestaande processen efficiënter maken, daar voel ik weinig voor. Ik droom over nieuwe paden naar niet-verkende en onbegrepen delen van onze werkelijkheid.’ Veelzeggend is dat de ‘misvormde’ ­penseelstreken van Pablo Picasso haar meer inspireren dan de formules van Newton. ‘Neem de vrouw die Picasso ­afbeeldt met een oog midden op haar voorhoofd. Helemaal verkeerd, nietwaar? Totdat je beseft dat die vrouw zijn geliefde was. En dat als je je geliefde van heel dichtbij ziet, gezicht tegen gezicht, ze ­vanuit dat perspectief een oog lijkt te ­hebben op haar voorhoofd. De perfecte expressie van het natuurkundige concept dat alle perspectieven even reëel zijn. Is dat niet briljant?’

Harmonische zone Als lid van de Raad van Bestuur van Delta ITP ziet De Morais Smith een belangrijke missie voor zich. ‘Veel briljante studenten verlaten de academische wereld. ­Waarom? Omdat hun innerlijke ont­ dekkingslust wordt overschaduwd door steeds fellere competitie en steeds meer bureaucratie. Via Delta ITP kunnen we een harmonische zone creëren, waarin we onze nieuwsgierigheid kunnen volgen, waar die ons ook heen leidt.” Voorbij de muur achter de s­ terren, als het even kan. Special Delta ITP | New Scientist | 29


columns

Column Marcel Levi

Een fundamenteel verschil

D

elta ITP bestaat tien jaar en dat is een felicitatie waard. Ik denk dat je zonder enige twijfel kunt zeggen dat dit Amsterdams-Leids-Utrechtse Zwaartekrachtconsortium een voorbeeld is van Nederlandse wetenschap op zijn best. En dan ook nog eens op het superingewikkelde gebied van donkere materie, oerknal en quantumfysica. Je kunt je bijna niet nóg ­fundamentelere wetenschap voorstellen. Nu bestaan er over fundamentele wetenschap een boel misverstanden. Zo wordt vaak een tegenstelling met toegepast onderzoek geponeerd. Ik denk dat dit beeld niet helemaal klopt. Zowel fundamentele als ­toegepaste wetenschap hebben tot doel de grens tussen wat we niet weten en wat we wel weten telkens een stukje op te schuiven. Bij toegepaste wetenschap is dat meestal omdat er bijvoorbeeld een directe maatschappelijke vraag opgelost moet worden. Bij fundamentele wetenschap ontbreekt zo’n vraag weliswaar, maar dat betekent niet dat het beantwoorden van fundamentele wetenschap op den duur niet zal leiden tot oplossingen van grote problemen in

30 | New Scientist | Special Delta ITP

de wereld. Alleen gebeurt dat waarschijnlijk heel veel jaren later, met meer onzekerheid en zonder beloftes vooraf. En met meer verrassingen, omdat ook antwoorden worden gevonden op vragen die nog helemaal niet waren gesteld. Fundamentele en toegepaste wetenschap zijn onderdeel van hetzelfde continuüm waarbij kennis uiteindelijk leidt tot het oplossen van vragen waar de wereld beter van wordt, of het nu gaat om energie, klimaat, gezondheid of welzijn. Verder hoor je vaak dat er in Nederland steeds minder budget is voor fundamentele wetenschap. Dat klopt ook niet echt. De budgetten voor fundamentele wetenschap zijn ongeveer gelijk gebleven in afgelopen jaren. En zelfs in een aantal nieuwe impulsen voor de wetenschap met een toegepaste insteek, zoals het Nationaal Groeifonds (van het ministerie van Economische Zaken en Klimaat en het ministerie van Financiën – red.), is gelukkig ruimte voor basale wetenschap. Wel is het zo dat de budgetten voor ­fundamentele wetenschap onvoldoende zijn meegegroeid met die voor toegepast onderzoek. De balans is dus uit het lood geraakt en het is belangrijk die met de nieuwe impulsen voor wetenschap en kennis de komende tien jaar weer te herstellen. Als je in Nederland tegenwoordig iets groots of meeslepends wilt doen, dan

wordt daar vaak het woord ‘delta’ aan verbonden, misschien wel geïnspireerd op onze prachtige Deltawerken. Zo hebben we bijvoorbeeld inmiddels een Deltaplan Dementie, een Quantum Delta, een Deltaplan Bio­ diversiteitshersel en een Medical Delta. Wat is er eigenlijk delta aan Delta ITP? De website suggereert een k­ eurige driehoek die Amsterdam, Leiden en Utrecht met elkaar verbindt maar dat is – voor natuurkundigen – toch een tikje onprecies. Een exacte driehoek zou eerder uitkomen in

Diemen, ­Alphen aan den Rijn en ­Maartensdijk. Ook ont­beren zowel Amsterdam, ­Leiden en Utrecht een riviermonding die aanspraak kan maken op de omschrijving delta. Maar wellicht slaat delta op de Griekse letter die vaak wordt gebruikt om ­‘verschil’ aan te duiden, en dat is wel goed te volgen. Delta ITP maakt het verschil tussen wat we eerder nog niet wisten en inmiddels wel weten en daarmee is het instituut een fascinerend en succesvol voorbeeld van excellent fundamentele wetenschap.

Fundamentele en toegepaste wetenschap zijn onderdeel van hetzelfde continuüm

Marcel Levi is internist, hoogleraar geneeskunde en voorzitter van de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO).

JEROEN OERLEMANS/NWO

NWO-voorzitter Marcel Levi helpt een aantal misverstanden rond fundamentele en toegepaste wetenschap uit de weg.


Column Marcel Vonk

Hoe details in een zwart gat verdwijnen

Impressie van een zwart gat. Maar kloppen populaire omschrijvingen van dit soort objecten wel? NASA/JPL-CALTECH

W

at is een zwart gat? Het is niet de makkelijkste vraag die je een natuurkundige kunt ­stellen. Gelukkig zijn er ­diverse standaardantwoorden voorhanden. ‘Een plek in het heelal waar de ontsnappingssnelheid groter is dan de lichtsnelheid’, bijvoorbeeld. Niet de spannendste verwoording, maar wel een die de lading goed dekt. Hoewel… Het onderliggende idee van de vergelijking tussen lichtsnelheid en ontsnappingssnelheid is dat niets sneller kan gaan dan het licht. Aan een zwart gat kan dus helemaal níéts ontsnappen. Maar volgt dat wel uit bovenstaande oneliner? Niet echt. Als ik op het zo omschreven zwarte gat een hoge toren bouw en daarop klim, kan ik dan niet vanaf die plek met minder zwaartekracht toch ontsnappen? Als

ik vanaf mijn zwarte gat een raket lanceer – die dus terugvalt – kan ik dan vanaf het hoogste punt een nieuwe raket lanceren, en zo doorgaan tot er iets ontsnapt? Allerlei uitwegen lijken mogelijk, maar toch kun je aan een écht zwart gat niet ontsnappen. Om dat goed te begrijpen, heb je de algemene relativiteitstheorie nodig. Pas als je beseft dat een zwart gat ruimte naar binnen zuigt met meer dan de lichtsnelheid en dat dat niet in tegenspraak is met Einsteins ­snelheidslimiet (die gaat immers over bewegen dóór

Houd de weg van de wetenschapper naar het publiek kort

de ruimte, niet over bewegen ván de ruimte), zie je in dat je nooit zult ontsnappen, hoe hard je ook tegen de ruimtestroom in zwemt. Het bovenstaande is een voorbeeld van een probleem waar je als wetenschapper regelmatig tegenaan loopt. Het is niet eenvoudig je werk aan een breed publiek uit te leggen zonder dat er kleine onjuistheden in sluipen. Bij zwarte gaten vallen de gevolgen van een rammelende ­uitleg misschien nog mee, maar als je onderzoek doet naar de verspreiding van virussen of naar de economische gevolgen van immigratie kan er van alles misgaan als het publieke beeld niet goed ­aansluit bij je onderzoeks­ resultaten. Voor het eerlijk communiceren van wetenschap zijn twee dingen van belang. Ten eerste: houd de weg van de

wetenschapper naar het publiek kort. Als een wetenschapper zijn of haar verhaal vertelt aan een communicatiemedewerker die een persbericht schrijft dat door een journalist wordt gelezen die een stuk schrijft dat door een redacteur wordt bewerkt voor het de lezer bereikt, zijn er al vier plaatsen in de telefoonketen waar informatie verloren kan gaan. Laat wetenschappers die een goed verhaal kunnen vertellen dus vooral ook zelf aan het woord. Tegen die wetenschappers zou ik willen zeggen: wees eerlijk. Vertel je verhaal, maar leg ook uit waar je benaderingen gebruikt. Zo voorkomen we dat de belangrijke details van de wetenschap op weg naar het publiek in een zwart gat verdwijnen.

Marcel Vonk is mathematisch ­fysicus aan de Universiteit van Amsterdam en vanuit Delta ITP hoofdredacteur van quantumuniverse.nl, een populair­ wetenschappelijke site over natuur­ kunde. Daarnaast verzorgt hij de wetenschaps­popularisatie van het ­Institute of Physics van de Universiteit van Amsterdam en schreef hij verschil­ lende boeken over natuurkunde.

Special Delta ITP | New Scientist | 31


Zonder theorie geen experiment (en andersom) Een stoffige ruimte met een goedgevulde ­boekenkast, een krijtbord en een ­koffiezet­apparaat. De stereotype werkomgeving van theoretisch ­natuurkundigen staat in schril contrast met die van hun ­experimentele collega’s, die werken met enorme, miljarden­ kostende apparaten. Toch kunnen ze niet ­zonder­e ­ lkaar. Een blik op vijf grote ­experimenten, door een theoretische bril. Tekst: Dennis Vaendel

CERN Hoe zou de deeltjesfysica er vandaag de dag uitzien als CERN nooit had bestaan? Wouter Waalewijn, theoretisch natuurkundige aan de Universiteit van Amsterdam, durft het niet precies te zeggen. ‘Maar waarschijnlijk zou ik dan nu in een ander vakgebied werken.’ Het instituut – een samenwerkingsverband tussen 23 landen, gevestigd in het Frans-Zwitserse grensgebied nabij Genève – voert experimenten uit die ook figuurlijk grensverleggend zijn. ‘Zowel de hoeveelheid meetgegevens die CERN levert als de kwaliteit ervan overtreffen die van andere experi-

32 | New Scientist | Special Delta ITP

menten op dit gebied’, zegt Waalewijn. ‘Zonder deze data kunnen we onze theorieën over elementaire deeltjes niet testen.’ Een bekend voorbeeld is de ontdekking van het higgsdeeltje in 2012, met CERNs grootste deeltjesversneller, de Large Hadron Collider. Het bestaan van dit elementaire deeltje was van cruciaal belang voor het standaardmodel, de theorie die alle bekende deeltjes beschrijft, en alle bekende krachten behalve de zwaartekracht. Deze theorie houdt echter geen stand zonder higgsdeeltje. Nu wil dat niet zeggen dat

deeltjesfysici sinds deze ontdekking achterover kunnen leunen. Het standaardmodel is nog niet ‘af’, zegt Waalewijn. ‘De afgelopen jaren zien we in metingen steeds meer aanwijzingen dat deeltjes zich niet exact gedragen zoals verwacht. De puzzelstukken van het standaardmodel passen nog niet helemaal in elkaar. Alleen is het onduidelijk waar we precies naar antwoorden moeten zoeken.’ Vandaar dat theoretici berekenen hoe het huidige standaardmodel zich in bepaalde situaties hoort te gedragen. ‘Met die informatie kun je op zoek naar afwij-

Een deeltjesbotsing in de Large Hadron Collider van CERN, zoals waargenomen met het experiment CMS. CERN

kingen. Als een meting anders is dan verwacht, vertelt dat je waar er misschien iets mis is.’ Daarnaast werken ze allerlei verschillende modellen uit. Kunnen er meerdere soorten higgsdeeltjes bestaan of misschien zelfs compleet nieuwe families van deeltjes? Gaan sommige deeltjes nog onbekende interacties aan met andere deeltjes of zichzelf? Hun bevindingen kunnen CERN-onderzoekers vertellen waar ze kunnen speuren naar nieuwe fysica.


‘Als het makkelijk was om de aard van donkere ­materie te ­achterhalen, zou mijn werk ook maar saai zijn’

Euclid Waar deeltjesfysici druk bezig zijn met het leggen van hun puzzel, moeten kosmologen eerst nog uitvinden hoe hun puzzelstukjes er precies uitzien. Het universum lijkt namelijk voor slechts een paar procent opgebouwd uit ‘normale’ materie, gemaakt van deeltjes uit het standaardmodel. De rest bestaat uit donkere materie en donkere energie, zo tonen theoretische modellen en indirecte waarnemingen aan. Maar waarvan deze mysterieuze goedjes gemaakt zijn, is nog in nevelen gehuld. Ruimtetelescoop Euclid, die in 2023 gelanceerd moet worden, gaat natuurkundigen helpen om meer licht op deze zaak te schijnen. Hoe? Door meer dan een miljard verre sterrenstelsels heel nauwkeurig in beeld te brengen. ‘De afbeeldingen van deze stelsels kunnen namelijk vervormd worden door donkere materie, die als een zogeheten zwaartekrachtslens werkt’, zegt Elisa Chisari (Universiteit Utrecht). Door de gemeten vervormingen van een gigantische hoeveelheid sterrenstelsels samen te voegen, willen astronomen een gedetailleerde kaart van de verdeling van donkere materie in het universum creëren. ‘Deze vergelijken we vervolgens met wat je verwacht te zien voor de verschillende verklaringen voor donkere materie, om te testen of die kunnen kloppen’, zegt Chisari. ‘Daarvoor zijn nauwkeurige theoretische modellen nodig. Want: hoe beter de metingen, des te preciezer je model moet zijn.’ Ook theorieën die donkere energie verklaren, kunnen met Euclid aan de tand gevoeld worden. Zo kan de telescoop meten hoe de ‘donkeremateriekaart’ van het universum veranderde van de oerknal tot nu. Dat vertelt iets over de uitdijing van het heelal, een proces dat donkere energie mogelijk versnelt. ‘Hiermee kunnen we onder meer de meest populaire beschrijving van de kosmos, het zogeheten Lambda-CDM-model, testen’, zegt Chisari. ‘Recente metingen hinten al op scheurtjes in dit model. Ik kijk dan ook uit naar wat observatoria als Euclid ons hierover gaan vertellen.’

Ruimtetelescoop Euclid moet meer licht gaan schijnen op donkere materie en dito energie. ESA/ATG MEDIALAB (RUIMTETELESCOOP); NASA/ ESA/CXC/C. MA, H. EBELING, E. BARRETT (UNIVERSITY OF HAWAII/IFA) E.A./STSCI (ACHTERGROND)

Detectors als ANTARES kunnen neutrino’s waarnemen die duiden op donkere materie. F.MONTANET/CNRS VOOR ANTARES

ANTARES Turen naar sterrenstelsels is niet de enige manier waarop natuurkundigen de ware aard van donkere materie proberen te achterhalen. Zo wagen deeltjesfysici onder andere een poging met grote, onderzeese neutrinodetectors zoals ANTARES in de Middellandse Zee. Sommige donkeremateriekandidaten, waaronder de onder natuurkundigen populaire WIMP (weakly interacting massive particle), kunnen volgens theoretische modellen namelijk elkaar annihileren of vervallen, waarbij heel energetische neutrino’s vrijkomen. Detectoren als ANTARES kunnen zulke neutrino’s waarnemen. Wanneer die uit de richting van de zon of het Melkwegcentrum blijken te komen, dan is dat een smoking gun voor het bestaan van deeltjes zoals WIMPs, zegt theoreticus Christoph Weniger (Universiteit van Amsterdam). ‘Dit zijn namelijk plekken waar zich mogelijk veel WIMPs bevinden.’ In de praktijk blijft het universum echter ijzig stil. Hoewel ANTARES al sinds 2008

actief is, heeft deze detector nog niet zulke neutrino’s aangetroffen. Toekomstige, gevoeligere detectoren – zoals KM3NeT, dat eveneens op de bodem van de Middellandse Zee verrijst – zijn mogelijk succesvoller. Nu wil het gebrek aan metingen niet ­zeggen dat het onderzoeksgebied stilstaat. Integendeel. ‘De afgelopen jaren hebben theoretici juist ontzettend veel vooruitgang geboekt’, zegt Weniger. ­‘Sommige kandidaatdeeltjes zijn afgevallen, b ­ ijvoorbeeld doordat berekeningen hebben aangetoond dat ze niet kunnen bestaan. Ook zijn er modellen ontwikkeld voor compleet nieuwe deeltjes, inclusief manieren waarop die op heterdaad kunnen worden betrapt. Dat geeft weer nieuwe richtingen waarin observationele onderzoekers kunnen z­ oeken.’ Ondertussen is het geduldig wachten en hopen op een daadwerkelijke detectie, verzucht Weniger. ‘Maar ach, als het makkelijk was om de aard van donkere materie te achterhalen, zou mijn werk ook maar saai zijn.’

Special Delta ITP | New Scientist | 33


vijf experimenten

Einstein Telescope Dat geduld een schone zaak is, weten natuurkundigen die zich bezighouden met zwaartekrachtgolven maar al te goed. Aan de hand van zijn algemene relativiteitstheorie voorspelde Albert ­Einstein al in 1916 het bestaan van deze rimpelingen in de ruimtetijd. Vervolgens duurde het nog een eeuw voordat natuurkundigen ze daadwerkelijk direct waarnamen. Een experimenteel huzarenstukje, waarbij ook theoretici een belangrijke rol speelden. ‘De signalen van zwaartekrachtgolven zijn heel zwak’, legt Tanja Hinderer (Universiteit Utrecht) uit. ‘Golven herkennen tussen alle meetruis én vervolgens bepalen hoe en waar ze zijn ontstaan, is volledig afhankelijk van theoretische modellen.’ Nu het mogelijk is om zwaartekrachtgolven te meten, is er een

compleet nieuw venster op het universum geopend. Zo onthulden observatoria als LIGO in de Verenigde Staten en Virgo in Italië, al tientallen botsingen van zwarte gaten. Toch is dit nog maar een begin. Een nieuwe generatie detectoren is in aantocht, waaronder de Einstein Telescope. Deze ondergrondse detector, die mogelijk gebouwd gaat worden in Zuid-Limburg, zal veel dieper in het heelal kijken en tien keer preciezere metingen doen dan LIGO en Virgo. Daarmee tilt hij het onderzoek naar een nóg hoger niveau, zegt Hinderer. ‘Er zullen veel meer waarnemingen zijn die de eigenschappen van samensmeltende zwarte gaten gedetailleerd blootleggen. Hiermee kunnen we heel nauwkeurig

Mogelijk wordt de Einstein Telescope, een enorme zwaartekrachtgolvendetector, gebouwd in Zuid-Limburg. MARCO KRAAN/NIKHEF

testen of deze kosmische botsingen zich gedragen zoals de algemene relativiteitstheorie voorschrijft. Mogelijke afwijkingen kunnen tot compleet nieuwe natuurkunde leiden.’ Bovendien kan de detector volledig onbekend terrein blootleggen. Zo is het mogelijk om net samengesmolten neutronensterren te bestuderen, waarin materie ongekend hoge dichtheden bereikt. ‘Verder is er een hele dierentuin aan exotische, compacte objecten waarvan theoretici ver-

moeden dat ze kunnen bestaan’, zegt Hinderer. ‘Denk aan bosonen­sterren, of sterren die volledig bestaan uit donkere materie of energie. De Einstein Telescope is zo gevoelig dat hij botsingen tussen dit soort vreemde, hypothetische objecten kan meten. Aan de hand van hun modellen zullen theoretici dan moeten verklaren wat er precies is waargenomen. Dit kan licht werpen op erg interessante fysica, van de aard van donkere materie tot quantumzwaartekracht.’

Aan het door de TU Delft en TNO opgerichte lab QuTech wordt toegewerkt naar de quantumcomputer en het quantuminternet. QUTECH

Quantumcomputer Gaten schieten in bestaande theorieën of compleet nieuwe fysica ontdekken: het is niet voor iedere theoreticus het hoofddoel. Sommige takken van de natuurkunde zijn misschien gewoon ‘af’, zegt Carlo Beenakker (Universiteit Leiden). Als voorbeeld noemt hij zijn eigen vakgebied, de quantummechanica, die het gedrag van deeltjes en energie op de allerkleinste schaal beschrijft. ‘Ik werk nog steeds met fysica die honderd jaar geleden is ontwikkeld.’

34 | New Scientist | Special Delta ITP

Wat de theoretisch natuurkundige dan wel doet? De theorie toepassen in nieuwe contexten, om technologische ontwikkelingen vooruit te helpen. ‘De quantummechanica blijkt toepassingen te hebben waarvan fysici een eeuw geleden met de oren zouden staan klapperen’, zegt Beenakker. Neem de quantumcomputer, die bepaalde berekeningen veel sneller kan uitvoeren dan gewone computers. Het principe hierachter werd in de jaren tachtig en

negentig al volledig door quantumfysici uitontwikkeld. Sinds kort worden in steeds meer laboratoria en bedrijven eerste, voorzichtige versies van dit rekenbeest gebouwd. Het winnende ontwerp is alleen nog niet bekend, zegt Beenakker. ‘Fysici werken aan verschillende soorten qubits. Dat zijn de quantumversies van bits, de informatiedragers waar computers gebruik van maken. Om erachter te komen welk type qubit het beste werkt, moeten theoretici opeens gaan programmeren. Dat werkt compleet anders dan voor een normale computer, doordat je rekening moet houden met de wetten van de quantumwereld.’ Zo wil je bijvoorbeeld zeker weten dat er geen foutjes in de berekeningen sluipen. Normaal gesproken doe je dat door de

waarde van bits te controleren. De kracht van een qubit is echter dat hij twee waardes tegelijk kan hebben. Tenminste: zolang je hem niet uitleest. Maar als dat niet mag, hoe controleer je zo’n qubit dan? ‘Theoretici moeten manieren vinden om hier omheen te werken; om te voorkomen dat de quantumcomputer steeds crasht’, zegt Been­ akker. Of de quantumcomputer de torenhoge verwachtingen uiteindelijk kan waarmaken? Beenakker is optimistisch. ‘Al moet wel nog blijken wat de uiteindelijke, grote toepassingen worden. Binnen de natuurkunde hebben de huidige quantumcomputers hun waarde overigens wel al bewezen. In veel vakgebieden leiden hun berekeningen tot prachtige theoretische resultaten.’


boeken

FYSISCH LEESVOER Ook in de boekhandel zijn de wetenschappers en onderwerpen van Delta ITP terug te vinden. Vijf hoogtepunten en een lijstje met verdere aanraders.

Denken is ­verrukkelijk

De race tegen de schildpad

E

en tragisch power­ koppel: zo mag je Paul Ehrenfest en Tania ­Afanassjewa wel om­ schrijven. Ehrenfest was een begenadigd docent, geliefd klankbord van Einstein en herkenner van jong talent. Afanas­ sjewa was een fysisch scherpslijper en vooruit­ strevend denker op het gebied van het wiskunde­onderwijs. Maar waar ­Afanassjewa als vrouw door de maat­ schappij werd onderge­ waardeerd, lukte het Ehrenfest niet zichzélf op waarde te schatten, zo laat deze dubbel­ biografie zien.

I

Auteur: Margriet van der Heijden Uitgeverij: Prometheus ISBN: 9789035141902 Prijs: € 39,99

Auteur: Marcel Vonk Uitgeverij: Unieboek |

n De race tegen de schildpad van mathe­ matisch fysicus Marcel Vonk staan gedachte­experimenten ­centraal, van Maxwells demon tot de kat van Schrödinger. New Scientist verkoos het boek in september 2020 tot boek van de maand en oordeelde dat Vonk als schrijver ‘niet onderdoet voor de ­grootste internationale namen uit de bèta­ boekenhoek, zoals Brian Greene, Carlo Rovelli, Lawrence Krauss en Stephen Hawking’.

Het Spectrum

ISBN: 9789000369843 Prijs: € 20,99 Prijs e-book: € 12,99

De sublieme eenvoud van relativiteit

Het ­aller­kleinste

De melodie van de natuur

V

olgens de speciale relativiteitstheorie kan niets sneller dan het licht reizen en tikt een snel bewegende klok langzamer dan een klok die stilstaat. Maar ­waarom is dat zo? In De ­sublieme eenvoud van relativiteit legt hoog­ leraar theoretische natuur­kunde Sander Bais met ­behulp van heldere diagrammen Albert Einsteins eerste grote wapenfeit uit aan een breed publiek.

N

adat Robbert ­Dijkgraaf in zijn tv-college Het aller­ kleinste de televisie­ kijkers had ingewijd in de deeltjesfysica en de quantummechanica, worden in dit boek de striplezers bediend. Jong talent Dirk Ridder maak­ te van Dijkgraafs uitleg een bijzondere en ­kleurrijke graphic novel, waarin het tweetal een fantasierijke reis maakt langs DNA, neutrino’s en meer.

I

Auteur: Sander Bais Uitgeverij: Amsterdam

Auteurs: Robbert Dijkgraaf en Dirk Ridder Uitgeverij: Veen Media ISBN: 9789085717188 Prijs: € 14,99

Auteur: Ivo van Vulpen Uitgeverij: Atlas Contact ISBN: 9789045036007 Prijs: € 17,99 Prijs e-book: € 9,99

University Press

ISBN: 9789462982789 Prijs: € 21,99

n De melodie van de natuur zoomt natuur­ kundige Ivo van Vulpen in op de bouwstenen van ons heelal. Een toegankelijke, vlot geschreven inleiding in het standaardmodel van de deeltjesfysica, met aandacht voor de zoektochten naar ­donkere materie, ­nieuwe natuurkrachten en extra dimensies.

Ook de moeite waard: In Fundamenteel presenteert de Amerikaanse Nobelprijswinnaar Frank Wilczek tien grondbeginselen van de natuurkunde, in Helgoland doet de Italiaanse natuurkundige Carlo Rovelli zijn kijk op de quantum­ fysica uit de doeken. Wie op zoek is naar een wat kritischere biografie van Stephen Hawking kan terecht bij Hawking Hawking door Charles Seife. Het Nederlandse natuurkunde­ kopstuk H ­ endrik Antoon Lorentz

kreeg recent zelfs twee goede ­biografieën: Lorentz Hendrik ­Antoon ­Lorentz, ­natuurkundige (1853-1928) van Anne Kox, en Lorentz van Frits Berends en Dirk van Delft. En in de reeks Pocket Science, uitgegeven door New Scientist, tackelen top­wetenschaps­ journalisten in circa honderd pagina’s onderwerpen als de ruimtetijd, snaartheorie, het einde van het heelal en multiversumtheorieën.