‘Met twee mensen heb je geen feestje’, begint Gia Dvali zijn uitleg. De Georgiër is hoogleraar in New York en München, maar dit jaar zit hij op de Lorentz-leerstoel van de Universiteit Leiden. ‘Een feestje wordt pas leuk als er meerdere mensen zijn. Elk van de mensen op zich is maar een beetje interessant. Eentje is kunstenaar, de ander maakt muziek, met iedereen valt wel een babbeltje te maken. Niet een van hen is leuk genoeg om je op het feestje te houden, maar als er maar genoeg mensen zijn, ga je van gesprek naar gesprek en kom je niet meer weg.’
Bij natuurkundige deeltjes, die geen last hebben van vermoeidheid of bier dat opraakt, is dat nog veel sterker zo. Als je maar genoeg deeltjes bij elkaar stopt ontstaat er wat natuurkundigen kritische verzadiging noemen. En zulke systemen doen iets speciaals – volgens de berekeningen van Dvali, althans.
Het bekendste voorbeeld van zo’n verzadigd systeem zijn zwarte gaten. Dvali benadert die als een portie enorm dicht op elkaar gepropte deeltjes die zachte gravitonen heten. In dat systeem ontstaan, zo rekenden hij en zijn collega Cesar Gomez uit, zogeheten Goldstone-bosonen, die hij omschrijft als ‘geluidsgolven, maar dan met een enorm lage frequentie.’
Walvissen
Dat betekent helaas niet dat je met een geavanceerde ruimte-microfoon zou kunnen luisteren hoe de zwarte gaten als kosmische walvissen naar elkaar zingen. De gaten zijn nou net zwart omdat zelfs licht niet snel genoeg gaat om eruit te kunnen ontsnappen, en dat geldt dus ook voor de Goldstone-bosonen. Ze bestaan misschien wel, maar je kunt ze niet meten. Zo blijft je theoretische natuurkunde wel erg theoretisch.
Volgens Dvali, echter, zijn zwarte gaten niet de enige natuurkundefeestjes in het heelal. Als je systeem maar genoeg deeltjes bevat, komen de bosonen vanzelf. Sterker nog: hij denkt dat er nog meer overeenkomsten met zwarte gaten zouden moeten zijn, bij de kritische verzadiging van zogeheten Bose-Einstein-condensaten.
Als u het tot hier in het stukje heeft gered, weet u waarschijnlijk al dat Albert Einstein een behoorlijk prominente natuurkundige was. Samen met de Indiër Satyendra Nath Bose – waar ook de ‘bosonen’ hierboven naar vernoemd zijn – ontwikkelde hij een statistische beschrijving van lichtdeeltjes en gasmoleculen. Uit die statistiek volgde dat er een unieke vorm van materie moest bestaan: als je een ijl gas maar hard genoeg afkoelt – we hebben het nu over minieme fracties van een graad boven het absolute nulpunt van -273,15°C – zijn de losse atomen niet meer van elkaar te onderscheiden en vormen ze als het ware één gezamenlijk superatoom met allerlei rare eigenschappen. Die overgang naar de rare materievorm is analoog aan de vorming van druppels uit waterdamp, vandaar dat het een ‘condensaat’ heet.
Het goede nieuws is dat zulke condensaten echt gemaakt kunnen worden. In 1995 lukte het voor het eerst, in 2001 werden de bijbehorende Nobelprijzen uitgerekend. Het slechte nieuws is dat het best wel moeilijk is, want meer dan 273 graden onder nul is echt ongenadig koud. Het maakt het ook heel lastig om aan die condensaten te meten, want als je er iets mee wilt gaan doen, worden ze al gauw te warm. ‘Niemand heeft ooit een Bose-Einstein-condensaat naar het kritisch verzadigingspunt gepusht’, weet Dvali ook wel. ‘Dat zouden heroïsche experimenten zijn. Zelfs de laagste temperaturen in laboratoria zijn mogelijk nog te hoog.’
Maar als iemand het zou doen, voorspellen de sommen van Dvali en zijn collega’s, dan zou je daar ook zulke Goldstone-bosonen moeten krijgen, én ook andere typische zwarte-gat-fysica als Hawkingstraling en Bekenstein-entropie. (Zie ook: De theorie van alles bestaat niet). Over die overeenkomsten tussen ogenschijnlijk heel verschillende dingen – unitariteit, noemt hij het – ging Dvali’s lezing van afgelopen woensdag.
Rafelig
Als het klopt, werkt het ook twee kanten op: dan kan je aan de hand van Bose-Einstein-condensaten iets zeggen over het gedrag van zwarte gaten. Sterrenkundigen kunnen vervolgens kijken of dat klopt. Zo zouden de metingen aan de Hawking-straling die zwarte gaten uitzenden een rafeliger patroon moeten opleveren dan je volgens eenvoudiger fysica verwacht, en zouden zwarte gaten aanzienlijk langer moeten meegaan.
Dvali hoopt dat zijn natuurkunde ook helpt begrijpen hoe zwarte gaten informatie opslaan. Een zwart gat geeft namelijk een keihard fysisch maximum aan hoeveel informatie je in een bepaalde hoeveelheid ruimte kan proppen. Als je zoveel informatie in een, zeg, kubieke centimeter hebt gestopt dat de boel instort tot een zwart gat, zit ’t echt vol: nog meer informatie erbij en je zwarte gat wordt groter.
‘U heeft liever gewoon een USB-stick, zegt u? Mijn punt is niet dat zwarte gaten ook echt effectief moeten zijn; who cares? Misschien is er een toepassing in quantum-computing. Voor mij is het hoofdzaak om de achterliggende natuurkunde te begrijpen.’
Nobelprijswinnaar Hendrik Antoon Lorentz (1853-1928) was de eerste hoogleraar theoretische natuurkunde van Nederland (zie ook: Eén man die alles kon). In nagedachtenis aan hem kent de Universiteit Leiden een Lorentz-instituut, een Lorentz-centrum, een Lorentz-zaal en, sinds 1955, een Lorentz-leerstoel, waar dit jaar de Georgiër Gia Dvali op zit. De positie is een gasthoogleraarschap voor een jaar, en wordt traditioneel uitgevoerd door zwaargewichten uit de theoretische natuurkunde: Nobelprijswinnaars, of grootheden als Sir Roger Penrose of quantumcomputerveteraan Seth Lloyd. De invulling van het hoogleraarschap staat vrij, maar de Lorentzprofessor moet spreken op een Ehrenfest-colloqium, een natuurkundige discussieavond die in 1912 werd ingesteld door Lorentz’ opvolger Paul Ehrenfest.