Snaartheorie toont voor het eerst fysische werkelijkheid
De snaartheorie ligt de laatste jaren onder vuur. De grote beloftes werden nog niet waargemaakt. Leidse theoretische fysici hebben nu voor het eerst de snaartheorie gebruikt om een natuurkundig fenomeen te beschrijven. Ze deden een vondst waarmee ze deze week in ‘Science’ staan.
Euforie
‘Wat is dit mooi, zo’n euforie heb ik nog nooit meegemaakt.’ Theoretisch natuurkundige Jan Zaanen steekt zijn enthousiasme niet onder stoelen of banken. Samen met Mihailo Cubrovic en Koenraad Schalm weet hij met de wiskunde van de snaartheorie een voorheen onbegrepen natuurkundig fenomeen te verklaren.
Hot issue
Elektronen kunnen een speciaal soort toestand vormen, een zogenoemde kwantum-kritische toestand, die een rol speelt bij hogetemperatuursupergeleiding. Supergeleiding bij hoge temperatuur is al jaren een ‘hot issue’ in de natuurkunde. Bij supergeleiding, ooit ontdekt door Heike Kamerlingh Onnes in Leiden, kunnen elektronen zonder enige weerstand door een materiaal zoeven. In eerste instantie leek dat alleen bij hele lage temperaturen dichtbij het absolute nulpunt te kunnen, maar er duiken steeds meer voorbeelden op waarbij het ook bij hogere temperaturen gebeurt. Tot nu toe is het echter niemand gelukt om hogetemperatuursupergeleiding te verklaren. Zaanen: ‘Men dacht altijd dat als je die kwantum-kritische toestand begrijpt, je ook hogetemperatuursupergeleiding kunt begrijpen. Maar ondanks dat de experimenten boekdelen spraken, hadden we geen flauw benul hoe je dit fenomeen kon beschrijven.’ De snaartheorie biedt nu uitkomst.
Theorie van alles
Het is de eerste keer dat een berekening op basis van de snaartheorie in Science staat, ondanks de grote bekendheid die de theorie heeft. ‘Over de snaartheorie is altijd veel gedoe’, vertelt Zaanen, die zich uit nieuwsgierigheid op eigen houtje in de theorie heeft verdiept. ‘De snaartheoreticus worden vaak gezien als een soort Einstein die een revolutionaire, allesomvattende theorie wil maken, een ‘theorie van alles’. Tien jaar geleden zeiden ze zelfs ‘geef ons twee weken en we vertellen waar de big bang vandaan komt’. Dat is, zoals we weten, niet gelukt en sindsdien is de theorie krakend een beetje tot stilstand gekomen. Het probleem van de snaartheorie was bovendien dat deze, ondanks de prachtige wiskunde, nooit in staat was een concreet verband te leggen met de fysische werkelijkheid – de wereld om ons heen.’
Kwantumsoepje
Maar nu lijkt Zaanen, samen met zijn collega’s Cubrovic en Schalm, hier verandering in te brengen door de snaartheorie toe te passen op een fenomeen dat natuurkundigen, waaronder Zaanen, al zo’n vijftien jaar niet konden verklaren: de kwantum-kritische toestand van elektronen. Deze bijzondere toestand doet zich voor in een materiaal vlak voordat het supergeleidend wordt bij hoge temperatuur. De kwantum-kritische toestand beschrijft Zaanen als een ‘kwantumsoepje’, waarbij de elektronen een collectief vormen dat onafhankelijk wordt van afstanden: op kleine kwantummechanische schaal of menselijke macroscopische schaal gedragen de elektronen zich precies hetzelfde.
Brug
Wegens Zaanens interesse in de snaartheorie werden hij en snaartheoreticus Koenraad Schalm na diens komst naar Leiden al gauw vrienden. Zaanen had een onopgelost probleem en Schalm was expert op het gebied van de snaartheorie. Hierdoor ‘bubbelde er wat’ en besloten ze samen te werken. Ze gebruikten het stukje wiskunde uit de snaartheorie dat de AdS/CFT correspondentie genoemd wordt. Hiermee kunnen situaties in een grote relativistische wereld vertaald worden naar een beschrijving op het minuscule kwantumfysische niveau. De correspondentie slaat als het ware een brug tussen deze twee uiteenlopende werelden. Door de correspondentie los te laten op de situatie waarbij een zwart gat vibreert als een elektron erin valt, vonden ze de beschrijving van elektronen die in en uit een kwantum-kritische toestand bewegen.
Puzzel
Het was, na dagen en nachten zwoegen, als een puzzel die in elkaar paste. ‘We hadden niet verwacht dat het zo goed zou werken’, vertelt Zaanen opgetogen. ‘De wiskunde paste precies, dat was wonderbaarlijk mooi. Toen we de berekeningen zagen konden we het eerst niet geloven, maar het klopte echt.’
Baken
Hoewel het mysterie van hogetemperatuursupergeleiding hiermee nog niet is opgelost, laat de vondst wel zien dat met de snaartheorie grote problemen in de natuurkunde kunnen worden aangepakt. En dit is het begin van meer, denkt Zaanen. ‘De AdS/CFT correspondentie vertelt nu dingen die ploeterende collega’s met de grootste moeite niet konden vinden. Er zijn hier nog vele spellen mee te spelen. Het is nog niet helemaal begrepen, maar ik zie het als een baken voor meer.’ Het feit dat Science heeft gekozen voor een versnelde publicatie van hun ontdekking is daar alleen maar een bevestiging van.
Fundamentals of Science is een van de 11 onderzoeksprofileringsgebieden van de Universiteit Leiden
Dit onderzoek is mede gefinancierd door Stichting FOM.
(29 juni 2009/Barry van der Meer)