Theoretisch natuurkundige Gerard ’t Hooft won dit jaar de Breakthrough Prize voor zijn talloze bijdragen aan de fysica. Een gesprek over de toekomst van de deeltjesfysica, zijn ongenoegen met de quantummechanica en de wetenschappelijke en culturele weerslag van zijn meest provocatieve ideeën. ‘Voor mij staat zelfs de quantummechanica te ver af van de rede.’
Beeld: Weergave van het gedachte-experiment Schrödingers kat.
In de eregalerij van de moderne natuurkunde kunnen weinigen tippen aan het discrete gezag van Gerard ’t Hooft. De Nederlandse theoretisch natuurkundige en hoogleraar aan de Universiteit Utrecht is inmiddels met emeritaat, maar vijf decennia lang heeft hij ons nieuwe inzichten geschonken over de fundamentele krachten die de werkelijkheid in elkaar verweven. Zijn werk staat bekend om zijn mathematische precisie en diepgaande natuurkundige inzichten, en is bekroond met een Nobelprijs, een Wolfprijs, een Franklin-medaille en nog een hele reeks andere prestigieuze prijzen.
Daar is er in april nog eentje bijgekomen, en wel de meest lucratieve in de hele wetenschap: een Special Breakthrough Prize in Fundamental Physics, goed voor drie miljoen dollar, als erkenning voor de talloze bijdragen die van ’t Hooft gedurende zijn lange carrière heeft geleverd aan de natuurkunde.
Zijn meest gevierde ontdekking, die hem en zijn toenmalig promotor, wijlen Martinus Veltman, in 1999 de Nobelprijs voor Natuurkunde opleverde, toonde hoe niet-abelse ijktheorieën te begrijpen vallen, de complexe wiskundige raamwerken die beschrijven hoe elementaire deeltjes op elkaar inwerken. ’t Hooft en Veltman bewezen dat die theorieën “gerenormaliseerd” kunnen worden, wat betekent dat oneindige grootheden die in berekeningen opduiken en lastig te verklaren vallen, op een consistente en nauwkeurige manier kunnen worden getemd. Die ontdekking zou de loop van de wetenschapsgeschiedenis veranderen, en legde de basis voor het standaardmodel, het heersende paradigma van de deeltjesfysica.
Behalve die krachttoer heeft ’t Hooft nog tal van andere doorbraken op zijn palmares. De lijst is te lang — en de onderwerpen veelal te technisch — om ze hier allemaal uit de doeken te doen. We houden nog even halt bij een van zijn meest opmerkelijkste stellingen: het holografisch principe. Volgens dat idee, dat hij uitdacht in de jaren 1990, laat alle informatie binnen een driedimensionaal ruimtelijk volume zich beschrijven op een omringend tweedimensionaal oppervlak — een beetje zoals een hologram. Het principe staat sindsdien centraal in heel wat pogingen om de quantummechanica te verzoenen met Einsteins algemene relativiteitstheorie in een alomvattende theorie van de quantumzwaartekracht.
Het lijkt erop dat u nu zo goed als alle grote natuurkundeprijzen heeft gewonnen.
‘Er ontbreken er nog een paar! Maar ja, ik heb er aardig wat gewonnen. Het baart me een beetje zorgen dat de meeste prijzen voor hetzelfde waren. Je krijgt prijs na prijs voor iets wat al erkend is. Maar goed, de Breakthrough Foundation heeft een overzicht gemaakt van het werk waarvoor ze me deze prijs hebben gegeven, en daarin staat praktisch alles wat ik heb gedaan.’
Klopt, het staat er allemaal! Maar u heeft al zo veel prijzen gewonnen, is het dan nog steeds spannend om een nieuwe te ontvangen?
‘Het voelt telkens nieuw en anders. Het hoogtepunt was de Nobelprijs. Die is heel bijzonder, want hij wordt elk jaar maar aan een paar enkelingen uitgereikt. Maar dit is ook erg bijzonder.’
Uw werk uit de jaren zeventig met Martinus Veltman is deels zo gevierd vanwege het belang ervan voor het standaardmodel. Geen enkele andere wetenschappelijke theorie is zo grondig getest en zo succesvol. Maar in sommige opzichten is het standaardmodel ook berucht geworden, want er lijkt geen duidelijk pad meer naar nieuwe doorbraken. Baart dat u zorgen?
‘Nee, helemaal niet. Het is niet meer dan natuurlijk dat we geen eindeloze stroom aan nieuwe wetenschappelijke ontdekkingen en inzichten kunnen hebben. Er zullen altijd periodes zijn, zoals nu voor de deeltjesfysica, wanneer het rustiger lijkt.’
‘De laatste paar eeuwen zijn er lange periodes geweest waarin er weinig leek te gebeuren. James Clerk Maxwell bracht in de 19de eeuw elektriciteit en magnetisme samen, en rond het jaar 1900 deed Max Planck de eerste waarnemingen over de quantumtheorie van straling. Maar er gebeurde natuurlijk wel heel wat in de statistische natuurkunde en andere fundamentele takken van de wetenschap. En zowel toen als nu is er gestage vooruitgang in die domeinen. Kijk maar naar de astronomie: daar gebeuren voortdurend fantastische dingen. Hetzelfde kan gezegd van de biofysica en de geneeskunde, waarin bijna elke dag ontdekkingen worden gedaan.’
‘In mijn vakgebied lijkt het inderdaad wel alsof er niks gebeurt. Maar dat is niet zo. Er gebeurt heel wat, zij het op een bescheidener schaal.’
Bent u optimistisch dat we opnieuw grote ontdekkingen zullen zien in de deeltjesfysica?
‘Dat is een goeie vraag, want het lijkt alsof we er niks aan kunnen verhelpen. Als het formaat, de kracht en de kost van machines moet vertienvoudigen of zelfs nog meer om nieuwe doorbraken te krijgen, dan zullen we inderdaad niet veel verder komen. Maar de geschiedenis van de wetenschap illustreert dat de vooruitgang in dat geval gewoon andere richtingen zal uitgaan. Dan denk ik niet alleen aan precisieverbeteringen, maar ook aan compleet andere sporen — de kosmologie bijvoorbeeld, en de zwartegatenfysica.’
‘Erwin Schrödinger stelde de juiste vragen — je weet wel: de kat kan dood zijn, of leven. Kan ze in superpositie zijn? Onzin!’
Mijn advies voor de nieuwe generaties wetenschappers: breek er je kop niet over, want de echte reden waarom er niks nieuws komt is dat iedereen op dezelfde manier denkt!
Dat vind ik een beetje verwonderlijk, en teleurstellend. Ook de manier waarop ze nu theorieën naar voren brengen lijkt me niet te werken. Er komen heel wat theorieën over quantumzwaartekracht, statistische natuurkunde, het heelal en kosmologie, maar die zijn niet echt “nieuw” wat hun basisstructuur betreft.’
‘Ikzelf word helaas ouder, en er komen niet langer elke week briljante nieuwe ideeën in me op. Maar in principe kun je ook door een niet-conventionele bril kijken naar de quantummechanica, kosmologie, biologie. Mensen denken niet vernieuwend genoeg, vind ik.’
Kunt u een voorbeeld van geven van dat vernieuwend denken?
‘Zeker. Ik ben van mening dat alles veel logischer en directer zou moeten. Veel mensen die publiceren over quantummechanica willen er graag een zweem van geheimzinnigheid over laten hangen, alsof het iets vreemds, bijna religieus, is. Dat vind ik onzin. Quantummechanica is gebaseerd op een wiskundige methode gebruikt om doodgewone natuurkundige effecten te beschrijven. De fysieke wereld is naar mijn mening heel gewoon, en compleet klassiek. Maar in die klassieke wereld zijn er nog veel te veel dingen die we niet weten. Er zijn gewoon stappen die we missen op het pad naar een dieper begrip.’
Wat voor stappen zijn dat?
‘Stappen die voortbouwen op het feit dat alles gewoon rechttoe, rechtaan in elkaar zit. Het probleem is dat de wereld nog steeds ingewikkeld lijkt. Daardoor zitten we in deze situatie.’
‘Je had het al over het standaardmodel, die geweldige ontdekking uit de vorige eeuw. Dat is een leerzaam voorbeeld, want het zit eigenlijk erg eenvoudig in elkaar, maar als je dieper graaft zie je dat er iets cruciaals ontbreekt. Het standaardmodel is gebaseerd op de quantummechanica, en de quantummechanica vertelt je wat er gebeurt bij de toenadering en verstrooiing van deeltjes. Maar ze kunnen zich op heel veel verschillende manieren verstrooien. Daar komt een groot aantal keuzes bij kijken, en het standaardmodel doet daar geen gegronde voorspelling over. Het geeft je alleen statistieken. Het standaardmodel is een fantastische statistische theorie, maar het vertelt je nooit met oneindige precisie welke keuze de natuur maakt. Het zegt je alleen welke verschillende mogelijkheden er zijn met een bepaalde waarschijnlijkheidsamplitude. Dat is de wereld zoals we die kennen. Dat is hoe we de natuurwetten formuleren. Maar dat is niet wat de natuurwetten eigenlijk zijn.’
‘De hiaat is dat we niet weten waarom een deeltje soms de ene kant opgaat, en soms de andere. Vlak voor de botsing kun je dat wel zeggen: ze raken elkaar onder een bepaalde hoek, en dan verstrooien ze ook onder een bepaalde hoek. Maar wat de theorie me vandaag niet kan vertellen is waar ik naar moet kijken om op voorhand te kunnen voorspellen hoe ze zich zullen verstrooien.’
‘Stel je voor dat je net zo nauwkeurig zou weten hoe dat zou verlopen als wanneer twee vleugelpiano’s zouden botsen. In principe kun je voor die piano’s precies voorspellen welke snaren elkaar zullen raken. Voor deeltjes worden zulke precieze voorspellingen te moeilijk geacht, dus dan wend je je tot de statistiek, om te besluiten dat de deeltjes in alle richtingen kunnen verstrooien. Meer kan er niet over gezegd. Maar als je precies weet wanneer en onder welke hoek ze elkaar zullen raken, dan kun je op voorhand voorspellen hoe ze zich zullen verstrooien. Dat zou ook in onze theorieën van elementaire deeltjes moeten staan, maar dat is niet zo.’
‘Ik geloof dat superpositie ook in de microscopische wereld onzin is’
‘Zo moeten we volgens mij gaan denken. Maar dan gaan mensen steigeren, omdat ze quantummechanica te mooi vinden om fout te zijn. Ik ben ervan overtuigd dat quantummechanica niet de juiste manier is om uiteindelijk te zeggen aan welke basiswetten objecten gehoorzamen wanneer ze met elkaar botsen.’
Bij mijn voorbereiding op dit interview vond ik een gesprek dat u had in 2013 met journalist George Musser. U had het onder meer over de natuurkundige John Bell, en wat zijn werk betekent voor de aard van de werkelijkheid. U beschouwde lokaliteit als ‘een essentieel ingrediënt voor elke eenvoudige, ultieme wet die het universum regeert.’ Het klinkt alsof er nog steeds zo over denkt.
‘Absoluut. Ik denk zelfs dat je de quantummechanica heel goed kunt begrijpen en uitleggen als je ervan uitgaat dat de wetten alleen lokale wetten zijn. Wat deeltjes doen als ze botsen wordt bepaald door de precieze plek waar ze zich bevinden bij die botsing. Alles wat elders in het heelal gebeurt doet er in principe niet toe. En mocht dat er toch toe doen, dan is er sprake van wat we niet-lokaliteit noemen. Maar niet-lokaliteit zou een ramp zijn voor de meest solide wetenschappelijke theorieën!’
‘Ik geloof niet dat niet-lokaliteit noodzakelijk is. We weten niet precies wat te doen wanneer twee deeltjes botsen omdat we niet weten of deeltjes eruitzien als vleugelpiano’s of als pure punten. Maar dan nog, ze kunnen geen pure punten zijn want die kunnen niks doen. Er zit iets in, en we zouden alle wetten daarrond moeten kunnen neerschrijven: Hoe kunnen die deeltjes met elkaar botsen? Waarom gaan ze soms hierheen, en soms daarheen? Waarom vertonen ze spin?’
‘We zouden zulke dingen als vaste wetten moeten kunnen formuleren, en we komen nog niet eens in de buurt. En daarom denk ik dat er nog doorbraken mogelijk moeten zijn — heel wat doorbraken! — die ons dichter brengen bij dat niveau van inzicht dat we voor deeltjes vandaag gewoonweg niet hebben, zelfs niet bij benadering.’
In mijn gesprekken met theoretisch natuurkundigen heb ik gemerkt dat hoe meer aanzien en expertise iemand heeft, hoe groter de kans is dat ze zeggen: ‘De echte uitdaging is niet om oude vragen te beantwoorden, maar om nieuwe, betere vragen te bedenken voor het probleem dat je wilt oplossen.’ Volgens mij komt dat doordat de verleiding groot is om optimistisch te zijn over wat we kunnen weten — het gevoel dat als we de “juiste” vragen stellen, er ook betekenisvolle antwoorden zullen komen. Denkt u echt dat het probleem is dat we niet de juiste vragen stellen? Of zou het kunnen dat de antwoorden, tegen onze hoop in, simpelweg buiten ons bereik liggen?
‘Wat je net zei, dat ze buiten ons bereik liggen, dat is precies wat mensen tien jaar en honderd jaar en duizend jaar geleden zeiden. En telkens weer werd hun ongelijk bewezen. We kunnen die vragen beantwoorden, maar het vergt wel heel veel wetenschap. Vóór Maxwell begreep niemand hoe elektrische en magnetische velden samenhangen. Ze dachten: “Oh, dit valt onmogelijk te achterhalen, want het is bizar!” Maar toen zei Maxwell: “Nee, je hebt gewoon deze ene term nodig, en dan valt het allemaal op zijn plaats.” En nu snappen we precies wat elektrische en magnetische interacties doen. We kunnen zulke vragen wél beantwoorden, maar je moet bij het begin beginnen, zoals ik al zei over de quantummechanica.’
‘Als je van bij het begin gelooft dat de quantummechanica een louter statistische theorie is, dan denk ik dat je verkeerd zit. En mensen weigeren het idee te laten vallen dat quantummechanica een vreemd soort bovennatuurlijk kenmerk is van deeltjes dat we nooit zullen begrijpen. Nee! We zullen het begrijpen, maar we moeten eerst een stap terugzetten. Dat is altijd al mijn boodschap geweest in de wetenschap: zet eerst een paar stappen achteruit. Misschien moet je zelfs veel verder teruglopen, helemaal terug naar af.’
‘Stel je voor: wat zouden je basiswetten kunnen zijn als er geen quantummechanica zou zijn? Om die vraag te beantwoorden moet je natuurlijk wel kunnen zeggen wat quantummechanica is.’
Wat is quantummechanica dan?
‘Quantummechanica is de mogelijkheid om superpositie (het gegeven dat een deeltje verschillende toestanden tegelijk kan hebben, red.) te overwegen. Meer is het niet. En ik betoog dat superpositie niet echt is. Als je goed kijkt, zijn de dingen nooit in superpositie. Erwin Schrödinger stelde de juiste vragen — je weet wel: de kat kan dood zijn, of leven. Kan ze in superpositie zijn? Onzin!’
‘Hij had helemaal gelijk. Mensen moeten ophouden met te beweren dat de kat tegelijk dood en levend kan zijn. Dat is complete onzin — maar op dat niveau lijkt dat het enige correcte antwoord om precies te zeggen waar het deeltje is, wat zijn snelheid en zijn spin is, enzovoort. Toch moeten er verschillende soorten variabelen zijn die evolueren in de tijd — variabelen met een integere of discrete waarde, om er maar een paar te noemen. Zo zou je een kat niet kunnen verplaatsen, of kunnen zeggen of ze dood is of leeft, tenzij je meer niet-lokale veranderingen zou aanbrengen. Er moeten manieren zijn om alle toestanden voor levende katten en dode katten te beschrijven, maar die toestanden zullen zich vermengen met toestanden die helemaal geen katten beschrijven.’
‘Het gebruik van superpositie is dus niet meer dan een trucje dat in eerste instantie werkt, maar dat niet raakt aan de toestanden die we willen begrijpen. We moeten die stap terugzetten.’
Dat moet u me even uitleggen. Als superpositie een illusie is in die zin dat het een zuiver wiskundig concept is dat niet gestoeld is op de fysieke realiteit, hoe valt dat dan te rijmen met het aanhoudende succes van quantuminformatiewetenschap en quantumcomputing? Het lijkt toch dat superpositie een fysiek fenomeen is dat gebruikt kan worden om bijvoorbeeld dingen te doen die op de klassieke manier niet lukken?
‘Volgens mij is quantumtechnologie gewoon wat je krijgt als je uitgaat van de realiteit van systemen in superpositie. Wat ik daarmee bedoel? We weten dat superpositie in de macroscopische wereld onzin is. Dat staat vast. En ik geloof dat het ook in de microscopische wereld onzin is, ook al lijkt het alsof we daarnaast niks anders hebben om atomen te begrijpen. Wat mensen in de quantumtechnologie waarschijnlijk niet beseffen, is dat ze precies het tegenovergestelde doen van wat ze denken te doen. Ze denken dat ze quantummechanica begrijpen. Wat ze volgens mij zouden moeten doen, is proberen de quantummechanica uit de beschrijving te halen, en meer fundamentele vrijheidsgraden gebruiken, zoals die discrete toestanden die ik al noemde.’
‘We moeten de quantummechanica ontwarren, om te kijken wat er onder het oppervlak gebeurt’
‘Ze stellen niet de juiste vragen, en daardoor zien de dingen er steeds ingewikkelder uit — steeds meer quantummechanisch — terwijl ze in werkelijkheid niet zo geïnterpreteerd zouden mogen worden.’
Hadden we het niet net over hoe vooraanstaande theoretici graag zeggen dat we niet de juiste vragen stellen?
‘Laat me dit zeggen: ja, ze doen de juiste experimenten. Ja, ze proberen de juiste dingen te maken. En ja, hun quantumcomputers zijn mogelijk ongezien krachtig voor bepaalde toepassingen omdat ze “quantummechanica” begrijpen. Daarmee bedoel ik dat ze begrijpen hoe die microscopische systemen zich werkelijk gedragen, tot in de details, omdat die kennis voortkomt uit het bestuderen van de quantumwereld. Ja, we weten hoe kleine objecten op elkaar inwerken. Maar ons probleem is dat we op dit moment alleen statistische voorspellingen kunnen doen. Zodra een quantumcomputer je statistische verdelingen geeft in plaats van correcte antwoorden, is dat het eind van je “computer”. Voor de meeste toepassingen is hij nutteloos geworden.’
‘Voor de meeste dingen wil je een computer zo gebruiken dat je superpositie vermijdt — precies omdat je een scherp antwoord wilt krijgen. Je wilt bijvoorbeeld een geheime code ontcijferen. Dan wil je als antwoord: “Dit is wat het betekent, en niet dat!” En laat ons dat antwoord niet gelijkstellen aan een superpositie van die twee mogelijkheden — nogmaals, dat is onzin.’
‘Wat ik wil zeggen, is dat we de quantummechanica als het ware moeten ontwarren, om te kijken wat er onder het oppervlak gebeurt. En zolang de quantumtechnologen dat niet doen, denk ik niet dat ze echt veel vooruitgang zullen boeken. Quantumcomputers maken bijvoorbeeld altijd fouten, en hun ontwerpers en operatoren proberen die te corrigeren. Als je die fouten probeert te corrigeren, dan vertelt dat mij dat je naar meer fundamentele vrijheidsgraden wilt gaan die nooit enige fout in zich dragen omdat ze exact zijn — ze zijn gewoon klassiek. Maar het is blijkbaar bijzonder moeilijk om dat te beseffen.’
U lijkt te zeggen dat we in een uurwerkuniversum moeten leven, waarin de dingen zuiver deterministisch moeten zijn op een zeer fundamenteel niveau, en er dus bijzonder weinig ruimte is voor eender welke quasi-mystieke speculatie. Een van de gevolgen daarvan is dat het mysterie tot op zekere hoogte verdwijnt. En u had het erover hoe we koppig vasthouden aan een bijna religieuze benadering van non-determinisme. Misschien helpt die houding om iets onuitsprekelijks te bewaren over alles wat we ervaren in de wereld, in plaats van te moeten geloven dat alles geweten kan zijn als we maar de juiste vergelijkingen invullen. Waar ligt volgens u nog het mysterie?
‘Er zijn nog heel wat mysteries die ons probleem bijzonder moeilijk maken. En dat deterministische universum waar we het over hebben is iets wat alleen ten volle begrepen kan worden door iemand met een veel grotere geest, een veel groter brein dan ik, want die moet alle mogelijkheden in overweging nemen. En zodra je één verkeerde aanname doet, beland je weer in die quantummechanische situatie van superpositie.
‘Als wij wetenschappers een spoor van mysteries achterlaten, zijn we niet goed bezig’
‘Een eenvoudigere vraag is: kun je de quantummechanica formuleren zonder een superpositie-principe? Mijn antwoord daarop is ja. In een van mijn laatste artikels op arXiv heb ik een simpel modelletje geschreven — te simpel om bruikbaar te zijn in de echte wereld. Maar dat model is gewoon een klok met een slinger die zeer georganiseerd beweegt, en die een wiel aandrijft dat de tijd toont, met wijzers voor de minuten en seconden. Uit de slinger kun je afleiden op hoe laat de wijzers moeten staan. En die wijzers zijn deterministisch. Ze geven met oneindige precisie een tijdstip aan. De slinger is eigenlijk een quantumslinger: we kunnen er quantumvergelijkingen voor schrijven.’
‘Ik heb het verband gevonden met de wiskunde van die slinger en de wiskunde van de wijzers. Onthoud goed dat dat wijzers volledig klassiek zijn, en de slinger is volledig quantummechanisch. Maar ze zijn met elkaar verbonden — het is één machine.
Ik heb erg weinig reacties gekregen op mijn model. Ik had gedacht dat mensen zouden zeggen: “Oh ja, natuurlijk, nu weten we hoe we verder moeten!” Maar ze zeiden: “Oké, daar is ’t Hooft met alweer een knettergek idee. Goed voor hem; wij gaan ons eigen ding doen.”’
In de vroege jaren 1990 stelde u het holografische principe voor. Vermoedelijk zijn er door dat idee mensen — vooral niet-wetenschappers, stel ik me voor — die echt geloven dat de kosmos zich in een zwart gat bevindt, of dat het allemaal een soort simulatie is in een hoger-dimensionale computer. Het idee achter die “simulatiehypothese” is dat misschien niets “echt” is behalve informatie zelf. Al de rest is misschien gewoon een projectie van patronen van nullen en enen, gecodeerd op de buitengrens van het waarneembare universum. Vandaag hoor je de rijkste man ter wereld in een populaire podcast in alle ernst suggereren dat “we hoogst waarschijnlijk” allemaal slechts avatars zijn in een soort game op kosmische schaal. Wat vindt u daarvan?
‘Misschien had ik het nooit moeten hebben over het holografische principe, want inderdaad, bij sommige mensen slaat de fantasie op hol. Ze koppelen het idee aan bovennatuurlijke kenmerken en slecht gedefinieerde dimensionaliteit, allemaal onzin, gewoon om mysterieus te klinken. Dat zit me echt niet lekker. De natuurwetten moet je niet ingewikkelder formuleren dan strikt noodzakelijk. Je moet het zo eenvoudig mogelijk houden. We moeten proberen niet bovennatuurlijk te zijn. Als wij wetenschappers een spoor van mysteries achterlaten, zijn we niet goed bezig.’
‘Ik ben een beetje bang dat het holografisch principe een uitnodiging is geweest voor mensen om mysterieuzer te zijn, ik wil compleet het tegenovergestelde. Ik wil dat mensen proberen om superrationeel te zijn. Voor mij staat zelfs de quantummechanica al te ver af van de rede. En als je de quantummechanica herformuleert om de Hilbert-ruimte (een soort vectorruimte die oneindige dimensies toestaat, red.) te behandelen als iets wat je gebruikt voor praktische doeleinden in plaats van dat het een fundamentele eigenschap is van de natuur, dan heb je dit soort holografie zelfs niet eens meer nodig. We moeten de dingen preciezer proberen te formuleren, om te voorkomen dat publieke misverstanden de wetenschap tot een puinhoop herleiden.’
