Categorieën
Astronomie Blog

Overweeg het einde van de natuurkunde.

Heeft de natuurkunde de grenzen bereikt van wat we kunnen ontdekken – of beginnen de mogelijkheden nog maar net?

Bijdragende columnist op Quanta Magazine.

Robbert Dijkgraaf

Is de natuurkunde klaar? De 21ste eeuw wordt vaak het tijdperk van de biologie genoemd. Of kunstmatige intelligentie. Of een ander opkomend veld. Dit degradeert de natuurkunde naar de vorige eeuw – de gouden dagen waarin de revoluties van de relativiteitstheorie en de kwantummechanica de wereld schokten, en de ontdekkingen van elementaire deeltjes leidden tot een reeks Nobelprijzen. Tegenwoordig maken mensen zich zorgen over een ‘woestijnscenario’, waarin de komende decennia of nooit nieuwe deeltjes zullen worden gevonden.

Ik denk dat dit standpunt onjuist is, op ten minste drie verschillende manieren. Allereerst zijn de eerste twee decennia van deze eeuw voor een onderwerp dat vermoedelijk zijn hoogtepunt heeft gepasseerd behoorlijk succesvol geweest voor de natuurkunde. We zagen de ontdekking van het Higgs-deeltje in 2012, de detectie van zwaartekrachtgolven in 2015 (aangekondigd in 2016) en het eerste beeld van de waarnemingshorizon van een zwart gat in 2019. Alle drie waren zeldzame gevallen van wetenschappelijke megagebeurtenissen die op de voorpagina’s van kranten en tot de verbeelding van de wereld.

Maar, zou je kunnen zeggen, de zaden die tot deze ontdekkingen leidden, werden allemaal in de goede oude tijd geplant. Zwarte gaten en zwaartekrachtgolven zijn directe gevolgen van de vergelijkingen die Albert Einstein in 1915 ontdekte. Misschien heeft de natuurkunde geen originele ideeën meer?

Dat brengt ons bij het tweede argument. Recente vorderingen in de kosmologie stellen ons in staat om met een behoorlijke mate van zekerheid te stellen dat 95 procent van het universum ontbreekt. Deze ontbrekende delen bestaan ​​uit donkere materie en donkere energie, beide even mysterieuze vormen van nieuwe fysica. Zolang dergelijke mysteries blijven bestaan ​​- en er zijn er nog meer – zal het werk van de natuurkunde niet voltooid zijn. (Ik zou er ook aan kunnen toevoegen dat het begrijpen van 5 procent van een onderwerp op zich al een geweldige prestatie is.)

De derde reden waarom de verslagen van de dood van de natuurkunde sterk overdreven zijn, komt voort uit een meer fundamentele en categorische fout: het definiëren van vooruitgang in termen van het ontdekken van nieuwe deeltjes of krachten is een kortzichtige kijk op de natuurkunde. Het negeert een groot deel van de discipline en onderschat enorm wat we nog kunnen bereiken. In feite geloof ik dat wat we momenteel weten een absoluut verwaarloosbare fractie is van de fysica die er is, wachtend om onderzocht te worden.

Het doel van de natuurkunde is om op een precieze, wiskundige manier alle manifestaties van materie en energie in het universum te begrijpen – en we zijn nog maar net begonnen om deze oneindige mogelijkheden te verkennen. Beweren dat de natuurkunde klaar is, is vergelijkbaar met beweren dat de wiskunde eindigde na de introductie van natuurlijke getallen en elementaire rekenkunde, of dat de chemie voorbij was met de komst van het periodiek systeem. Als je de regels van het schaakspel leert, ben je nog geen grootmeester.

Voor een onderwerp dat vermoedelijk zijn hoogtepunt heeft gepasseerd, zijn de eerste twee decennia van deze eeuw behoorlijk succesvol geweest voor de natuurkunde.”

De waarheid is dat het rijk van de kleinste deeltjes niet de enige plek is waar je de fundamentele wetten van de fysica kunt vinden. Ze kunnen ook ‘tevoorschijn komen’ uit het collectieve gedrag van veel kiezers. Een eenvoudig voorbeeld zijn geluidsgolven, de gesynchroniseerde oscillaties van moleculen materie. Door de regels van de kwantumtheorie te gebruiken, kunnen deze golven zelf worden beschreven in termen van deeltjes. Deze “fononen” zijn elementaire pakketjes, of “quanta”, van geluid, en hun gedrag is vergelijkbaar met dat van fotonen, de quanta van licht. Dus, net als de fictieve baron Munchausen die zichzelf uit een moeras tilde door aan zijn eigen haar te trekken, is de natuurkunde zelfvoorzienend – het kan zichzelf gebruiken om nieuwe fundamentele inzichten te produceren, die vervolgens kunnen worden vastgelegd in rigoureuze wiskunde.

Geconfronteerd met het oneindige aantal fysieke systemen die we zouden kunnen fabriceren uit de momenteel bekende fundamentele delen van het universum, begin ik me een omgekeerde kijk op de fysica voor te stellen. In plaats van een natuurverschijnsel te bestuderen en vervolgens een natuurwet te ontdekken, zou men eerst een nieuwe wet kunnen ontwerpen en vervolgens een systeem kunnen reverse-engineeren dat daadwerkelijk de verschijnselen vertoont die door de wet worden beschreven. De natuurkunde is bijvoorbeeld veel verder gegaan dan de eenvoudige fasen van materie van middelbare schoolcursussen – vast, vloeibaar, gas. Veel potentiële ‘exotische’ fasen, mogelijk gemaakt door de bizarre gevolgen van de kwantummechanica, zijn gecatalogiseerd in theoretische verkenningen, en we kunnen deze mogelijkheden nu in het lab gaan realiseren met speciaal ontworpen materialen.

Dit alles maakt deel uit van een veel grotere verschuiving in de reikwijdte van de wetenschap, van het bestuderen van wat is naar wat zou kunnen zijn. In de 20e eeuw zochten wetenschappers naar de bouwstenen van de werkelijkheid: de moleculen, atomen en elementaire deeltjes waaruit alle materie is gemaakt; de cellen, eiwitten en genen die leven mogelijk maken; de bits, algoritmen en netwerken die de basis vormen van informatie en intelligentie, zowel menselijk als kunstmatig. In plaats daarvan zullen we deze eeuw beginnen met het verkennen van alles wat er met deze bouwstenen gemaakt kan worden.

Ik geloof dat wat we momenteel weten een absoluut verwaarloosbare fractie is van de fysica die er is, wachtend om onderzocht te worden.

Ik geloof dat wat we momenteel weten een absoluut verwaarloosbare fractie is van de fysica die er is, wachtend om onderzocht te worden.”

Zelfs met 14 miljard jaar van een uitdijend universum en bijna 4 miljard jaar van leven op aarde, heeft de natuur slechts het kleinste deel van alle mogelijke ontwerpen onderzocht. Zoals de bioloog Richard Dawkins graag opmerkt, zijn wij mensen – samen met elk ander organisme dat ooit heeft geleefd – allemaal de gelukkige winnaars van een kosmische loterij. Uit een verbijsterend aantal mogelijke genetische blauwdrukken werden onze codes bij toeval gekozen om als levend prototype te worden gerealiseerd. Hetzelfde geldt voor alle vormen van materie om ons heen. De natuurlijke processen op aarde en in het universum hebben slechts een klein deel van het volledige menu van moleculen en vormen van materie voortgebracht, en bijgevolg van de overeenkomstige natuurkundige wetten die ze zullen moeten gehoorzamen.

Maar dit is nu allemaal aan het veranderen. Het tergend langzame ontdekkingsproces van de natuur, aangedreven door kosmologische en biologische evolutie op tijdschalen van miljoenen en miljarden jaren, wordt in het laboratorium tot halsbrekende snelheden versneld. Zulk werk kan in eerste instantie aanvoelen als ‘kunstmatige’ wetenschap. Maar een genetisch ontworpen bacterie is op geen enkele manier minder echt, of minder het bestuderen waard dan een die in het wild wordt aangetroffen. Evenmin zijn de nieuwe één- en tweedimensionale materialen die de curiositeiten van de kwantumtheorie vertonen. Dergelijke nieuwe technologieën ‘bevrijden’ eerder effectief de kwantummechanica uit de grenzen van atomen en moleculen en brengen deze naar de macroscopische schaal van het dagelijks leven. Op een gegeven moment zullen we elk item op het menu van de realiteit kunnen bestellen.

Wetenschap heeft betrekking op alle verschijnselen, ook de verschijnselen die in onze laboratoria en in ons hoofd ontstaan. Zodra we ons volledig bewust zijn van deze grotere reikwijdte, ontstaat er een ander beeld van de onderzoeksonderneming. Nu, eindelijk, verlaat het schip van de wetenschap de veilige binnenwateren die door de natuur zijn uitgesleten, en gaat op weg naar de open oceaan, een dappere nieuwe wereld verkennen met “kunstmatige” materialen, organismen, hersenen en misschien zelfs een betere versie van onszelf.

Dus mijn optimistische kijk op de natuurkunde geldt evenzeer voor alle andere takken van de wetenschap: het avontuur is nog maar net begonnen.

VERWANT:


  1. De subtiele kunst van het wiskundige vermoeden
  2. Er zijn geen natuurkundige wetten. Er is alleen het landschap.
  3. Wat geen nieuwe deeltjes betekenen voor de natuurkunde

Gepubliceerd op: Quantum Magazine

Geef een reactie

Vul je gegevens in of klik op een icoon om in te loggen.

WordPress.com logo

Je reageert onder je WordPress.com account. Log uit /  Bijwerken )

Google photo

Je reageert onder je Google account. Log uit /  Bijwerken )

Twitter-afbeelding

Je reageert onder je Twitter account. Log uit /  Bijwerken )

Facebook foto

Je reageert onder je Facebook account. Log uit /  Bijwerken )

Verbinden met %s

Deze site gebruikt Akismet om spam te bestrijden. Ontdek hoe de data van je reactie verwerkt wordt.