Back to homepage

Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde, april 1996



Door de bomen het bos blijven zien:
een theoretisch perspectief

F. A. Bais
Instituur voor Theoretische Fysica
Universiteit van Amsterdam


    ``A major advance might best be defined as one that was not foreseen''
    Victor Weisskopf

    1 Futurologica

    Millennia

    We staan op de drempel van een nieuw millennium en worden geacht de maat van de toekomst te nemen. Eerst een terugblik. In het voorchristelijk millennium werd in Griekenland met logisch denken en kritische analyse het fundament voor de wetenschappelijke methode gelegd. Het daaropvolgende millennnium stond in het teken van religieuze expansie maar ook van wetenschappelijke verstarring en verloedering. Het afgelopen millennium daarentegen, voegde het grote belang van waarneming en experiment toe, zodat met de vruchtbare spiraal van theorie en experiment de wetenschap tot een versnelde ontwikkeling kon komen. Nu de grote sprong voorwaarts. Over duizend jaar hebben we een overkoepelende theorie die een gedetailleerd begrip van de evolutie geeft. Die niet alleen de kloof tussen dode en levende materie overbrugt, maar ook de kloof tussen materie en geest. Het concept van de menselijke ziel heeft schipbreuk geleden, en de mens heeft zijn eigen lot in handen genomen. Het tijdperk van de wetenschap is defintief daar. Maar de kerken - welke dat dan ook moge zijn - zijn voller dan ooit. Mede omdat,`` The ultimate statement about the origin of the universe turned out to be of the undecidable type in the Gödel sense''. De ongekende mogelijkheden die de wetenschap verschaft, leiden tot steeds zwaardere ethische dilemmas. Aangezien kennis geen garantie tot rationeel handelen inhoudt, is de kans op escalerende conflicten verre van verstreken en balanceert het mensdom nog immer aan de rand van een afgrond. ''Invriezen en emigreren naar het andere einde van de melkweg'', is mijn advies. Bohr zei het al,`` voorspellen is moeilijk, vooral als het om de toekomst gaat''.

    Centennia

    `Coarse graining' op een schaal van eeuwen, levert een niet minder boeiend beeld op. Wat het meest opvalt is de versneld toenemende samenhang in de beschrijving van de ons omringende natuur. Newton bracht de hemelse en ondermaanse mechanica met zijn universele bewegingswetten onder één noemer. Macroscopische verschijnselen werden herleid tot de onderliggende microscopische wetten, zoals in het expliciete verband tussen warmte en moleculaire beweging. Maxwell verklaarde electrische en magnetische verschijnselen, maar ook licht als manifestatie van het electromagnetische veld. Darwin schiep met zijn evolutie theorie een groots verband tussen alle vormen van leven. Deze eeuw bracht eerst de speciale relativiteitstheorie van Einstein (als machtige brug tussen de theorieën van Maxwell en Newton) maar ook diens gravitatie theorie waarmee de notie van een dynamisch heelal ontontkoombaar werd. De ontdekking van de quantummechanica verschafte ons toegang tot de microscopische wereld. Tenslotte werd met de quantumveldentheorie de brug tussen speciale relativiteit en quantummechanica geslagen, een ontwikkeling die culmineerde in het standaardmodel voor de subnucleaire wereld van quarks, leptons en ijkdeeltjes.

    De quantumladder - waaraan overigens de nodige sporten ontbreken - voert ons van de elementaire deeltjes via atomen en moleculen naar de structurele rijkdom van de gecondenseerde materie, maar ook tot die van de moleculaire biologie. De quantumladder als structurele hierarchie, maar ook als tijdpad van de evolutie: van quark tot zelfreproducerend organisme.

    Ieder keerpunt veroorzaakte een hevige filosofische schokgolf. De aarde niet plat, en niet in het centrum van de kosmos. Een heelal dat uitdijt. Gelijktijdigheid een relatief begrip. De onzekerheidsrelaties die van God een dobbelaar maken. Aap en mens als naaste buren op de evolutionaire ladder. De natuurwetenschap heeft zich, behalve als aanjager van technologie, ook met dit wereldbeeld onsterfelijk gemaakt.

    Decennia

    ``En nu?'' vraagt men mij. ``Vooral doorgaan'', zeg ik. Of pakken zich donkere wolken boven de natuurwetenschap samen en is er iets dat ons een halt toeroept? Hebben we met de ontmythologisering van het wereldbeeld, de dreiging van technologische rampen en de vervreemding en ontheemding die de technologisering in de wereld teweeg heeft gebracht, het krediet van onze medemens verspeeld?

    Alom wordt de noodklok geluid, vooral relatief dichtbij huis. Schweber sprak onlangs in een artikel in Physics Today van een ``Crisis in Physical Theory'', terwijl C.N. Yang op zijn beurt in Scientific American de uitdrukking `` We are in big trouble'' bezigde. Moeten we inderdaad de quantumladder naar steeds kleinere structuren maar niet meer verder afdalen, omdat die kennis niets meer toevoegt aan de vragen die de maatschappij ons nu stelt. Of zoals P.W. Anderson dat zo krachtig verwoordde: ``In fact, the more elementary particle physicists tell us about the nature of fundamental laws, the less relevance they seem to have to the very real problems of the rest of science, much less to those of society.'' Is dit pessimisme van onze kampioenen een bewijs van naderend onheil of slechts de uitdrukking van een tanende creativiteit, en verwarren zij de neergang van hun eigen rol met het stervensuur van `hun' wetenschap?

    Is de tijd van grote ideeën in de theoretische fysica inderdaad voorbij en is deze verworden tot een volwassen of zelfs bejaarde wetenschap waarin nog slechts plaats is voor kruideniers, vakkenvullers en postzegelverzamelers? Heeft de ivoren kip zijn laatste gouden ei gelegd? Of is het probleem in feite, zoals Schweber opmerkte, dat ``Modern research is conducted within a society whose dominant conception of rationality follows the doctrine of instrumentalism: Truth is valued less than usefulness''.

    Bovenstaande uitspraken geven uiting aan een gerechtvaardigde bezorgdheid op de korte en middellange termijn, maar niet meer dan dat. Het is toch niet zo dat het amerikaanse begrotingstekort anno 1994 een maat is voor de relevantie van een nieuwe natuurwet of de inzichten die quantumgravitatie voor ons in petto heeft. Net zo min als een pauselijke ban in de 17de eeuw van invloed is geweest op de betekenis van Galileo's woorden.

    Wetenschap vereist geduld, lange adem en een volle portemonnee (hoewel voor theorie....). Aan die voorwaarde kan niet altijd voldaan worden, maar het kennen van de ultieme waarheid blijft een belangrijke drijfveer voor het menselijk handelen op de lange termijn. De rijkste naties in de wereld zullen uiteindelijk alle wegen die de wetenschap biedt bewandelen. Zij zullen de quantumladder afdalen naar het mysterie van de kleinste afstandsschalen en de ladder op klimmen naar het hart van de levenswetenschappen. En zij zullen met steeds krachtiger instrumentarium de raadsels van de kosmos proberen te ontrafelen.

    2 Het onoplosbaar model

    Hierarchieën

    De allesomvattende theorie, die niemand kent en waar niemand op zit te wachten, is vanzelfsprekend en compleet, met vermoedelijk niet meer dan één parameter. Het is een wolf in schaapskleren. In al zijn elegantie en eenvoud blijkt hij volstrekt onoplosbaar. De ruimte van oplossingen is zo immens dat zelfs de grootste geest er terstond in zou verdwalen. Ons aanknopingspunt is dat we `de oplossingen' al zoekende naar deze ultieme theorie reeds zijn tegen gekomen. Inderdaad, alle bestaande theorieën liggen in die oplossingsruimte besloten. Deze heeft een hierarchische structuur, waarbij op toenemende afstandsschalen karakteristieke verschijnselen optreden die een manifestatie zijn van nieuwe vrijheidsgraden. Elk niveau heeft zijn eigen autonome effectieve theorie in termen van (collectieve) vrijheidsgraden en effectieve parameters die de generieke eigenschappen van de onderliggende theorie reflecteren, zoals het bestaan van symmetrieën (of juist de breking daarvan) en de daarmee samenhangende behoudswetten. Dit leidt tot het begrip `universaliteit', de idee dat de microscopische details weinig invloed hebben op de vorm van de resulterende macroscopische theorie. Het blijft wel zo dat de onderliggende theorie antwoord kan geven op vragen die je op het macroscopische niveau niet geacht wordt te stellen omdat ze daar niet te beantwoorden zijn, het zijn de zogenaamde `waarom' vragen naar de intrinsieke eigenschappen van de macroscopische vrijheidsgraden die je beschrijft (denk bijvoorbeeld aan grootheden als temperatuur, massa, lading, spin, statistiek, isospin).

    Een tamelijk unieke uitzondering is de kosmische kortsluiting - namelijk dat het begrijpen van de fysica op de allerkeleinste afstandsschalen ons toegang verschaft tot de Oerknal en dat die op zijn beurt alles zegt over de structuur van het heelal op de allergrootste afstands schalen. Omgekeerd is het zo dat kosmologische data belangrijke voorwaarden oplegt aan de elementaire deeltjes fysica, m.b.t. fase overgangen, donkere materie of neutrino massa's.

    Onoplosbaarheid

    Realistische modellen zijn meestal maar in beperkte mate exact oplosbaar met analytische methoden. Het klassieke probleem van drie graviterende deeltjes bijvoorbeeld is al onoplosbaar en vertoont reeds (deterministisch) chaotisch gedrag. Wat te denken van macroscopische objecten die opgebouwd zijn uit grote aantallen atomen. Gelukkig zijn we vaak juist niet geinteresseerd in het preciese gedrag van de individuele vrijheids graden. We moeten middelen over de mogelijke toestanden van de individuele vrijheidsgraden, of anders gezegd we moeten integreren over de klassieke dan wel quantummechanische faseruimte, een ruimte die in veel gevallen oneindig dimensionaal is. Zo gauw er interacties in het spel komen is het uitvoeren van dit soort integralen meestal alleen in een (asymptotische) storingsreeks mogelijk, en daarmee staan we machteloos tegenover de meeste collectieve verschijnselen.

    Op theoretisch niveau doet zich de belangrijke omstandigheid voor dat effectieve theorieën die op totaal verschillende niveaus betrekking hebben, grote mathematische gelijkenissen kunnen vertonen. Het credo `zeg het met formules', maakt een bloeiende uitwisseling van methoden en technieken mogelijk en een vruchtbare kruisbestuiving van verschillende deelgebieden in de theoretische natuurkunde is het gevolg. Voorbeelden te over: de renormalisatiegroep, symmetrie breking, topologische defecten, random matrix modellen, padintegralen en roostermodellen. Het kan gebeuren dat de snaartheorie die pretendeert de meest fundamentele fysica te beschrijven, aanleiding kan zijn tot de ontwikkeling van de conforme veldentheorie, die op zijn beurt weer gebruikt kan worden in de theorie van de kritieke verschijnselen, de theorie van onzuiverheden of de theorie van solitonen.

    Soms leren we veel van het bestuderen van modellen voor extreme en wellicht niet bepaald fysische waarden van de parameters. We spelen met de dimensie (b.v. als continue variabele), we laten de temperatuur of het aantal soorten deeltjes naar oneindig gaan. We kiezen parameters complex, of juist gelijk aan nul. We bestuderen geïdealiseerde en geamputeerde modellen. We vervangen onderliggende modellen door exact oplosbare modellen in dezelfde universaliteitsklasse. De opbrengst van deze manipulaties kan een briljante `ansatz' zijn die ons weer vat geeft op een realistische systeem

    Simulatie

    De simulatietechniek, waar m.b.v. van steeds krachtiger rekentuig de meest gecompliceerde modellen met brute kracht kunnen worden doorgerekend, stelt het gebrek aan `oplossend vermogen' van de theoretische fysica regelmatig op pijnlijke manier aan de kaak. Waar de computer eerst nog de gewaardeerde bemiddelaar was tussen experiment en theorie, lijkt zij steeds meer de theorie te verdringen naar een rijk van kostbare en exotische geneugten. De vraag van de overbodigheid van de theoretische natuurkunde dient zich aan als nimmer te voren. Immers, van de schaalverkleining (of vergroting) en de toename van rekensnelheid zijn de grenzen nog lang niet bereikt, vooral als we ons bij deze futuristische bezinning voorstellen dat optische elementen ( ruimtelijke informatie opslag in combinatie met de lichtsnelheid) tot de mogelijkheden behoren. En wat als het fenomeen `quantumcomputer' ook nog op onze weg komt? Het is alsof de te modelleren fysische systemen van een bewustzijn worden voorzien, dat in staat is antwoord te geven op alle mogelijke vragen betreffende de toestand waarin dat systeem zich bevindt.

    Het is op dit punt van groot belang om op te merken dat er wel een strategie (algoritme) voorhanden moet zijn om het probleem binnen een redelijke tijd te kunnen kraken. Voor veel problemen zijn zulke strategieën niet bekend. Zulke problemen bestaan in elk vakgebied en zeker ook in de fysica. Het gaat bijvoorbeeld om wanordelijke systemen, modellen met locale toestandsvariabelen (velden of spins) die lukrake, niet-lokale wisselwerkingen hebben, zoals bijvoorbeeld (spin) glazen. De energie of actie als functionaal van de configuratie is dan zeer grillig en bevat zeer vele locale minima en maxima. Het vinden van een absoluut extrememum is dan zeer moeilijk en de grondtoestand is als het ware onvindbaar. Er is een proliferatie van metastabiele configuraties waar het systeem eindeloos in kan blijven steken. Veel vragen betreffende de statica zoals het fase diagram en aard van de overgangen zijn onbeantwoord. Veel van dit soort optimaliserings problemen is van het `NP-volledig' type, een klasse van combinatorische complexiteit waarvoor bewezen kan worden dat de CPU tijd nodig voor het bepalen van de oplossing exponentieel groeit met het aantal toestandsvariabelen.

    Daarom denk ik dat theorie, simulatie en experiment elkaar ook in de toekomst op essentiële wijze zullen blijven aanvullen. Een prachtige 'menage à trois'. Simulatie is de meest flexibele toetssteen die een theoreticus zich maar kan wensen. De toekomst voor de theorie ligt nog steeds in de verklarende kwaliteit en de interpretatieve mogelijkheden die zij biedt, vaak op grond van vereenvoudigde modellen, die (exact) oplosbaar zijn. Ze moet op grond daarvan het relevante begrippenkader en de universele metaforen genereren. De stille hoop is dat elk complex systeem een verborgen eenvoud bezit die zichtbaar wordt door er op de juiste manier naar te kijken. Omdat simulaties van fysische systemen veel gemeen hebben met simulaties van systemen uit andere quantitatieve wetenschaps of toepassings gebieden, ligt hier ook een waardevolle mogelijkheid voor de theoretisch fysicus om een potentieel isolement te doorbreken. Om zijn conceptuele bagage ook in de belendende percelen van wetenschap & samenleving aan de man te brengen. Extra vereisten zijn behalve enige zendingsdrang, creativiteit, openheid en de wil te communiceren. Sucesvolle voorbeelden zijn Tinbergen (pionier op het gebied van quantitatieve methoden in de economie) of Veltman (of Wolfram) (pionier op het gebied van de symbolische manipulatie) of Ginsparg ( die nu met zijn Archives (Bulletinboards) een revolutie op het gebied van de wetenschappelijke uitgeverij teweeg brengt). De wildgroei van catastrofe theorie in de psychiatrie, of van chaos theorie op Wallstreet en van supergravitatie in de wereld van de Transcendente Meditatie, nemen we op de koop toe.

    Uitdagingen

    Ons vak staat nog bol van `longstanding problems' die een voortdurende intelectuele uitdaging vormen voor nieuwe generaties theoretici. Als we ons realiseren dat onze wiskundige collegas er de afgelopen decennia in slaagden om zowel het `vierkleuren probleem' op te lossen als de `laatste stelling van Fermat' te bewijzen, is alle hoop nog niet verloren. Dus, aan de slag met turbulentie, het 3-d Ising model, quark opsluiting, zwarte gaten, zware fermion systemen, quantumgravitatie, Hoge temperatuur supergeleiding, 1/f- ruis, donkere materie en het Hubbard model. En trouwens, waarom is de dimensionaliteit van de ruimtetijd gelijk aan vier, waarom is het aantal families van elementaire deeltjes gelijk aan drie, waarom is de hoogste in de natuur voorkomende waarde voor de spin gelijk aan twee, waarom is de verhouding van de electrische lading van het electron en proton (op een teken na) gelijk aan één en waarom is de cosmologische constante gelijk aan nul? Ga op weg, vrienden, de `waarom' vragen van nu, zijn immers de `hoe' vragen van morgen, en als je het antwoord onverhoopt niet kunt vinden, ben ik er zeker van dat het uitzicht onderweg zo mooi is dat je je reisplan bijtijds hebt bijgesteld. Weisskopf's citaat in de aanhef van dit artikel is daarbij een duidelijke aanmoediging.


Zie ook:

Een Theoretisch Verlanglijstje


F.A. Bais
Back to homepage