Kijk om je heen en je kunt niet anders concluderen dan dat de wereld bestaat uit drie dimensies: voor/achter, links/rechts en boven/beneden, simpel gezegd. En dan heb je nog de tijd als vierde dimensie en is het verhaal wel compleet, toch?
Niet volgens de Amerikaanse theoretisch natuurkundige prof.dr. Lisa Randall. Volgens haar bevat ons universum extra dimensies; misschien wel oneindig groot, maar onzichtbaar voor ons. Met dit theoretisch model verwierf ze in één klap internationale faam. En uit het feit dat ze sindsdien één van de meest geciteerde natuurkundigen is, blijkt wel dat men haar zeer serieus neemt.
Wie is Lisa Randall?
Lisa Randall is één van de meest invloedrijke theoretici binnen de natuurkunde ter wereld. Aan de Harvard Universiteit houdt ze zich bezig met deeltjesfysica en kosmologie, ofwel de ‘fundamentele bouwstenen van de materie en de krachten daartussen’, zoals ze het zelf verwoord. Ze richt zich met name op natuurkunde die ‘verder gaat’ dan het Standaardmodel, zoals donkere materie, supersymmetrie en – meest bekend – extra dimensies. Ze was de eerste vrouw die als professor in de theoretische natuurkunde werd aangesteld op MIT en Harvard. Ze heeft talloze prijzen en erkenningen gekregen en behoorde volgens Time Magazine in 2007 tot ’s werelds 100 meest invloedrijke personen. Randall verschijnt regelmatig in de media en schreef twee populair-wetenschappelijke boeken over haar theorieën. Onlangs bracht ze een e-book uit over de ontdekking van het Higgsdeeltje.
Lokaal 3D-eiland
Het concept van meerdere, verborgen dimensies stamt al uit de jaren twintig van de vorige eeuw. De Duitse natuurkundige Theodor Kaluza deed een poging Maxwells wetten van elektromagnetisme te verenigen met de algemene relativiteitstheorie van Einstein. Hij voegde daartoe een vijfde dimensie in, waarna de Zweedse natuurkundige Oskar Klein berekende dat deze zo klein moet zijn opgerold, dat we deze niet kunnen zien.
Het idee van Kaluza en Klein bleef lang onaangeroerd op de plank liggen, tot in de jaren tachtig met de opkomst van supersymmetrie en snaartheorie het concept van extra dimensies nieuw leven werd ingeblazen. Lang bleef het beeld van extra dimensies er een van ultrakleine, opgerolde ruimtes. Totdat Randall, samen met collega Raman Sundrum, een revolutionair model presenteerde waaruit bleek dat extra dimensies ook oneindig groot, doch onzichtbaar kunnen zijn. Tot grote opwinding van natuurkundigen hield hun model de natuurwetten van onze driedimensionale wereld in stand, ondanks de aanwezigheid van extra dimensies.
Kort daarna kwam het duo tot een nog intrigerendere conclusie, namelijk dat het universum op bepaalde plaatsen drie dimensies kan hebben, terwijl andere plaatsen meerdere dimensies bevatten. Wij zouden dus op een lokaal ‘3D-eiland’ kunnen leven binnen een hogerdimensionaal universum.
Dat zijn ideeën die voor de gewone sterveling moeilijk te bevatten zijn. Randall is de eerste om dat toe te geven als Kennislink haar spreekt tijdens een wetenschappelijk congres in Dublin. “Ik snap dat zulke ideeën in eerste instantie vrij esoterisch of magisch kunnen overkomen, en weinig te maken lijken te hebben met de werkelijkheid. Maar theorie gaat altijd samen met experimenten, en die interactie heeft geleid tot het beeld dat we tegenwoordig hebben van de natuur.”
Waarom hogere dimensies?
Hogere dimensies moeten we dus serieus nemen, maar even voor ons begrip: wat moeten we ons daarbij voorstellen? “Daar kun je je niets bij voorstellen”, is het resolute antwoord van Randall. “Er bestaan wel analogieën over hoe een verborgen dimensie kan bestaan, maar je kunt ze niet afbeelden.” Overigens ziet Randall dat niet als een probleem. “Ik hoef niet te weten hoe een hogerdimensionaal object eruit ziet, alleen óf het kan bestaan.”
De reden om extra dimensies te overwegen is dat ze een oplossing bieden voor het zogeheten ‘hierarchy problem’, simpel gezegd het raadsel waarom de zwaartekracht zo zwak is vergeleken met de andere fundamentele krachten, de elektromagnetische kracht en de sterke en zwakke kernkrachten. Ook al voelt de zwaartekracht niet zwak – zeker als je een hoge berg opfietst – zijn invloed is relatief klein als je je realiseert dat een kleine magneet een paperclip kan optillen ondanks dat de hele aarde er aan trekt.
“Volgens ons model kan de zwaartekracht zich verspreiden over meerdere dimensies. Omdat het zich voornamelijk in andere, verborgen dimensies bevindt, is de kracht bij ons zo zwak”, legt Randall uit. Zijn verborgen dimensies de beste oplossing voor dit probleem? “Ik weet niet of het de beste verklaring is, er zijn er niet zoveel. Zo heb je bijvoorbeeld ook nog supersymmetrie, waar experimenten nu naar zoeken. Uiteindelijk hoef ik niet te bepalen welke beter is, we weten het pas als we het in experimenten zien.”
LHC kan helpen
Kun je verborgen dimensies ooit aantonen? "Jazeker, men zoekt er zelfs naar in de Large Hadron Collider (LHC) ", zegt Randall. “Het gaat om zogeheten ‘Kaluza-Kleindeeltjes’ die door hogere dimensies reizen. Ze lijken op de deeltjes die we kennen, maar dan met een grotere massa. Als de LHC wordt geupgrade naar hogere energieën (mogelijk rond 2020, red.) wordt de kans groter dat we ze vinden. Misschien zijn ze te zwaar voor het bereik waarin de LHC kan kijken, daar maak ik me wel zorgen om. We zoeken daarom ook manieren om ze met indirect bewijs aan te tonen.”
Randall is erg enthousiast over de LHC-deeltjesversneller als instrument om nieuwe natuurkunde aan te tonen. Ze verwacht er veel van de komende jaren. Ze was dan ook zeer in haar nopjes toen begin juli de aankondiging werd gedaan dat het Higgsdeeltje zeer waarschijnlijk gevonden was. “Absoluut, en het is ook goed dat zo’n onderwerp groot in het nieuws kwam. Als mensen willen we graag vooruitgang, dat maakt ons optimistisch. En het feit dat het om een internationale samenwerking gaat is erg inspirerend.”
Higgs-ontdekking
Op het moment dat Kennislink haar spreekt legt ze de laatste hand aan een e-book dat de ontdekking van het Higgsdeeltje moet duiden. Iets wat overigens duidelijk merkbaar is in het gesprek. Ze maakt een gestresste indruk en houdt haar telefoon angstvallig in de gaten om regelmatig het gesprek te onderbreken voor een berichtje. “Het is een drukke periode met veel afspraken”, verontschuldigt ze zich om vervolgens, terwijl ze een bericht typt, over haar boek verder te praten. “In het e-book, genaamd Higgs Discovery: The Power of Empty Space ga ik in op wat de ontdekking betekent, wat het deeltje en het mechanisme erachter is en hoe de ontdekking tot stand kwam.”
Ontdekking? Is ze daar al van overtuigd? De wetenschappers van de LHC weten namelijk nog niet helemaal zeker wat ze precies voor nieuw deeltje ontdekt hebben. “Ja, daar ben ik van overtuigd”, zegt ze stellig. “We moeten inderdaad nog even afwachten wat ze precies voor Higgsdeeltje gevonden hebben. Maar zelfs als het een Standaardmodel-Higgs zou zijn (de simpelste vorm van een Higgsdeeltje, één die beschreven wordt door het Standaardmodel, red.), betwijfel ik of dat het hele verhaal is. Mochten de eigenschappen hiervan afwijken, zou dat natuurlijk een interessantere aanwijzing zijn. We weten niet wat het zal worden.”
Vindt ze het stiekem niet jammer dat het de Tevatron (de Amerikaanse deeltjesversneller van Fermilab) niet lukte het Higgsdeeltje als eerst te vinden? “Natuurlijk had ik graag gezien dat de Tevatron nog draaide, maar de LHC is een veel krachtigere machine. De Tevatron was een geweldige machine waarbij technologie is ontwikkeld die ook in de LHC gebruikt wordt. Maar ik maak me wel zorgen om de toekomst nu de versneller is gesloten. Wat gaan we doen op de lange termijn? Niets? In de VS ligt wel een plan om iets met deeltjesfysica bij Fermilab te gaan doen, maar dat is nog erg onzeker.”
Wetenschap populariseren
Haar e-book is in feite een aanvulling op een boek dat ze schreef in 2011, Knocking on Heavens Door, één van de twee populair-wetenschappelijke boeken die van haar hand verschenen over de natuurkunde die haar zo interesseert. Ook verschijnt ze regelmatig op radio en tv. Vindt Randall het belangrijk dat wetenschappers zo naar buiten treden? “Ja, als een aantal het doen. Ik vind niet dat iedereen dat moet doen, maar er is een verantwoordelijkheid binnen de gemeenschap om informatie naar buiten te brengen. Wetenschap is ingewikkeld en mensen begrijpen het niet tenzij iemand de moeite neemt om het uit te leggen.”
Zelf doet ze het vooral om het plezier dat ze heeft in het schrijven, niet om mensen over te halen ook de wetenschap in te gaan. “Dat is een leuke bijkomstigheid, maar ik heb zelf ook niet voor wetenschap gekozen omdat anderen dat deden. Ik vind het leuk om te doen, maar er zit ook een prijs aan, want je kunt minder wetenschap doen. Ik moet er heel hard voor werken.” Iets wat in het gesprek duidelijk zichtbaar was. Na afloop kan ze er niet snel genoeg weer mee door gaan. Haar eigen dimensie in.
Van de boeken van Lisa Randall zijn ooit Nederlandse vertalingen verschenen, maar die zijn nu vrijwel nergens meer te krijgen. De Engelstalige boeken, inclusief haar laatste e-book, zijn in Nederland wel verkrijgbaar, bijvoorbeeld bij Bol.com.