Het grote doel van de snaartheorie is het beschrijven van de meest exotische stukjes van de natuur die we kunnen verzinnen: microscopisch kleine maar heel erg snelle of zware voorwerpen. Die situaties komen niet vaak voor, en de grote aandacht voor snaartheorie lijkt dan misschien ook wat vreemd. Maar als je bedenkt dat de geboorte van het heelal – de Big Bang – een prachtig voorbeeld moet zijn geweest van een oneindig klein verschijnsel met een onvoorstelbaar grote massa, dan is het niet meer moeilijk in te denken dat een theorie die dat kan beschrijven nuttig zou zijn.
Theoretische natuurkundigen en praktisch ingestelde wiskundigen buigen zich al jaren over de snaartheorie, en komen steeds weer met grotere en uitgebreidere voorspellingen: tientallen extra dimensies, piepkleine zwarte gaten, en noem maar op. Maar hoe langer ze daarmee bezig zijn, hoe meer kritiek ze moeten verduren. Hun theorie steekt wiskundig dan wel prachtig in elkaar – maar waar blijven de experimenten, en het bewijs?
Koperroest
Promovendus Mihailo Cubrovic en zijn begeleiders Koenraad Schalm en Jan Zaanen zijn er nu in geslaagd om met behulp van snaartheorie een natuurkundig probleem op te lossen. Ze lieten de theorie daarvoor los op een stukje koperroest – een bijzondere toestand van materiaal, waarin elektronen zich eigenaardig gedragen. De gedragingen die we op basis van de kwantumfysica (de natuurkunde die zich met de kleinste deeltjes bezighoudt) voorspellen, zijn ook op grote schaal te zien. We noemen dit een kwantumkritische toestand, en daar snappen we nog niet alles van. Zo lijkt het bijvoorbeeld nauwelijks uit te maken in wat voor soort kristalstructuur de atomen (en dus de elektronen) zich bevinden – iets wat normaal gesproken heel belangrijk is voor het elektronisch gedrag van een vaste stof.
De wetenschappers gebruikten een wiskundig hoogstandje uit de snaartheorie om meer te weten te komen over de kwantumkritische toestand van een metaal. De AdS/CFT-correspondentie (Anti-de Sitter/conformal field theory) beschrijft deze kwantummechanische elektronenwereld als een wereld die veel meer lijkt op de onze: het is een klassieke wereld die in de greep is van zwaartekracht en lichtstralen, met een vreemde ’anti de Sitter‘ kromming (genoemd naar de Leidse fysicus de Sitter), terwijl het nodig blijkt dat zich in het middelpunt van deze wereld een elektrisch geladen zwart gat bevindt. Met die machinerie berekenden de Leidse onderzoekers dat de vibraties van zo’n zwart gat tot een collectieve ordening van elektronen leiden: precies het gedrag in de kwantumkritische toestand.
Deze ontdekking kan heel belangrijk gaan worden als de vermoedens kloppen dat de kwantumkritische toestand ten grondslag ligt aan hoge-temperatuur supergeleiding. Die supergeleidingstoestand geldt als een van de grootste raadsels in de moderne natuurkunde, en degene die een verklaring ervoor vindt kan alvast plaats vrijmaken op zijn nachtkastje voor een Nobelprijs. Maar zelfs als het niet daartoe leidt mogen de Leidse wetenschappers trots zijn: de prachtige wiskunde van de snaartheorie heeft dankzij hen voor het eerst zijn nut bewezen.
Bron: String Theory, Quantum Phase Transitions, and the Emergent Fermi Liquid, Mihailo Cubrovic, Jan Zaanen, en Koenraad Schalm, Science, 25 juni 2009