De kracht van de snaartheorie meer dan theorie

Nieuws | de redactie
25 juni 2009 | Theoretisch fysici uit Leiden en de Stichting FOM presenteren deze week in Science voor het eerst bewijs, dat de snaartheorie groot verschil kan maken in de 'echte' wereld. En dat op een heel verrassend, onverwacht gebied, bijvoorbeeld in stukjes metallische koperroest.

Snaartheorie richt zich traditioneel op quantum zwarte gaten en de oorsprong van de Big Bang. De laatste jaren ligt de theorie onder vuur omdat concrete voorspellingen voor experimenten achterwege blijven en de theorie daarmee niet van direct belang kan zijn voor het begrip van de wereld om ons heen. Mihailo Cubrovic, Koenraad Schalm en Jan Zaanen laten zien dat snaartheorie ook veel concreter haar invloed kan uitoefenen in ons dagelijks leven en bijvoorbeeld te vinden is in stukjes metallische koperroest. Cubrovic is een nieuw talent, dat drie maanden geleden uit Servië naar Leiden is gekomen. Hij kon direct na aankomst in een paar dagen verschillende technische problemen oplossen, waarna hij een wezenlijke rol speelt in het ontwikkelen van de theorie.

Uit experimenten blijkt dat elektronen in dit soort materialen wonderbaarlijke collectieve toestanden vormen die zich op identiek dezelfde quantummechanische wijze gedragen op zowel de microscopische als macroscopische schaal. Het meest bijzonder aan zo’n ‘quantumkritische’ toestand is dat het er nauwelijks toe doet in wat voor soort kristal deze elektronen zich bevinden. De onderzoekers tonen hiermee aan dat de uitgebreide wiskundige machinerie van de snaartheorie wel degelijk ingezet kan worden om de grote problemen in de quantum veel-deeltjes fysica aan te pakken. Dit is de eerste keer dat een berekening op basis van de snaartheorie met succes is toegepast ter verklaring van een niet eerder begrepen experimenteel fenomeen.

Het artikel in Science beschrijft hoe een aantal van de grote raadsels spelenderwijs wordt opgelost door de zogenaamde AdS/CFT correspondentie. Dit is op zijn beurt een absoluut wiskundig hoogtepunt van de snaartheorie, dat de essentie van de conceptuele absurditeit van de theorie op spectaculaire wijze belicht. De ‘quantumkritische’ toestanden werden ontdekt in het grootschalige experimentele onderzoek dat gemotiveerd was door de ontdekking van supergeleiding bij hoge temperaturen eind tachtiger jaren. Hoewel vaak wordt geloofd dat deze quantum kritikaliteit ten grondslag ligt aan hoge Tc temperatuur supergeleiding, is het door steeds geavanceerdere experimenten in toenemende mate duidelijk geworden dat de elektronen zich gedragen naar strenge fysische wetmatigheden die volstrekt niet te begrijpen zijn in termen van de bestaande quantumtheorie.

Volgens de AdS/CFT correspondentie is deze quantummechanische elektronenwereld diep van binnen 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. De onderzoekers laten letterlijk zien dat een berekening van hoe zwarte gaten vibreren als een elektron erin valt zich via dit snaartheoretisch woordenboek laat vertalen in een beschrijving van hoe elektronen zich collectief organiseren om met z’n allen in en uit de schaal-invariante quantumkritische toestand te bewegen. Hoewel deze Leidse ontdekking nog niet het mysterie van hoge Tc supergeleiding oplost, is het een grote doorbraak omdat het aantoont dat de wiskunde van de snaartheorie goed ingezet kan worden om grote problemen aan te pakken in de theoretische natuurkunde.

Dit werk is uitgevoerd door de FOM promovendus Mihailo Cubrovic, onder begeleiding van Koenraad Schalm en Jan Zaanen. Het is een hoogtepunt van de kruisbestuiving die hoort bij interdisciplinariteit. De Leidse hoogleraar Jan Zaanen is een bekende gecondenseerde materie fysicus die aanzienlijk invloed uitoefent in de wereld onder andere door zijn commentaren in Nature en Science. Hij kreeg de Spinozaprijs in 2006, en hij heeft een deel van deze middelen ingezet om beter thuis te raken in de snaartheorie. Koenraad Schalm, die de vader is van de snaartheoretische kant van het verhaal, is recentelijk aangesteld in Leiden, na een langdurig verblijf in Amerika waar hij onder andere een aantal jaren samengewerkt heeft met de befaamde Brian Greene, de auteur van het boek ‘The Elegant Universe’.


«
Schrijf je in voor onze nieuwsbrief
ScienceGuide is bij wet verplicht je toestemming te vragen voor het gebruik van cookies.
Lees hier over ons cookiebeleid en klik op OK om akkoord te gaan
OK