Volgende week verschijnt het derde nummer van De Nederlandse Boekengids van 2018. Wij publiceren voor: het artikel van Emiel Woutersen, over Stephen Hawking en de toename van populairwetenschappelijke boeken.

In dit nummer essays over onder andere president Trump, de generatie 'postmemory', onze door en door perverse aard, en Rusland toen en nu.

N.B. Neem nu een abonnement op de Nederlandse Boekengids!

Niet één vergelijking te veel

Schrijven over deeltjes, zwaartekracht en ruimtetijd

Op 14 maart 2018 overleed natuurkundige Stephen Hawking. Hij werd zesenzeventig jaar oud en leefde zo drieënvijftig jaar langer dan de artsen hem gaven toen hij de ALS-diagnose kreeg. In de dertig jaar tussen het verschijnen van zijn bestseller A Brief History of Time en het overlijden van Hawking heeft het aantal populairwetenschappelijke natuurkundeboeken (relatief) een enorme vlucht genomen. Zo verschenen er in Nederland afgelopen jaar zeker drie boeken over deeltjesfysica, astronomie en zwarte gaten voor het brede publiek. De auteurs van deze boeken proberen alle drie de soms verbijsterende ontwikkelingen in hun vakgebied met zo min mogelijk wiskunde en zonder jargon over te brengen. Maar in tegenstelling tot Hawking halen ze alles uit de kast om hun lezers bij de hand te nemen en de vertaling van de natuur aan te laten sluiten op het vocabulaire van de lezer.

‘De basisprincipes over het ontstaan en het lot van het universum kunnen zonder wiskunde worden uitgelegd aan mensen zonder wetenschappelijke opleiding. Dat heb ik geprobeerd in dit boek’, zo zei Stephen Hawking in het voorwoord van zijn boek A Brief History of Time. Onder natuurkundigen was Hawking voor de publicatie van deze bestseller al beroemd vanwege zijn bewijs dat zwarte gaten ‘Hawkingstraling’ uitzenden, en dus niet helemaal zwart zijn. Maar A Brief History of Time maakte de Britse natuurkundige in 1988 in één klap een wereldster. Nooit eerder nam een natuurkundeboek zoveel lezers mee in de zoektocht naar antwoorden op vragen die mensen zichzelf al duizenden jaren stellen. Hoe is het universum ontstaan en hoe zal het eindigen? Kan je teruggaan in de tijd? Is het universum oneindig, heeft een rand of, hoe tegenstrijdig dat ook mag klinken, geen van beide? In een eerste versie van zijn boek werden die antwoorden ondersteund door wiskundige formules, maar Hawkings redacteur wist hem ervan te overtuigen bijna alle vergelijkingen te schrappen, want ‘met elke vergelijking verlies je de helft van je lezers’. Hawking ging met tegenzin akkoord, op voorwaarde dat hij één vergelijking mocht laten staan: Einsteins onsterfelijke E=mc². Als die ene vergelijking hem al lezers heeft gekost, dan zullen het er niet veel zijn. Met meer dan tien miljoen verkochte exemplaren is A Brief History of Time het bestverkochte populairwetenschappelijke boek ooit.
Hoewel de persoon Hawking enorm tot de verbeelding spreekt – bijna helemaal verlamd door de zenuwziekte ALS, alleen in staat tot communiceren via een spraakcomputer die hij met zijn wang bediende – zou het onterecht zijn om het succes van A Brief History of Time toe te schrijven aan de tragiek van Hawkings persoonlijke leven. Als geen ander slaagde hij erin zulke gecompliceerde materie helder en aanstekelijk aan het grote publiek over te brengen.

Tweeling

Bij het populariseren van vrijwel al het wetenschappelijk onderzoek is een zekere vertaalslag nodig. Wat deze vertaling bij natuurkunde extra moeilijk maakt, is dat deze wetenschap de natuur niet met taal beschrijft maar met wiskunde. Wiskunde stelt een natuurkundige in staat om zijn of haar vondsten en voorspellingen precies en compact te formuleren, zonder de dubbelzinnigheid van gesproken taal. In een natuurkundig artikel is de tekst slechts bijzaak, en de lezer – bekend met de wiskundige termen – scant eerst de vergelijkingen. Maar wie de taal van de wiskunde niet spreekt, kan de redenering onmogelijk volgen en raakt al snel geïntimideerd door de Griekse letters en rare tekens.
Dit probleem verergert als uit die wiskunde blijkt dat de natuur soms helemaal niet werkt zoals we dat intuïtief zouden verwachten. Uit Einsteins algemene relativiteitstheorie blijkt bijvoorbeeld dat klokken langzamer tikken naarmate ze zich dichter bij een zwaar object bevinden. Dat gegeven vormt de basis voor een bekend gedachte-experiment binnen de fysica, de tweelingparadox: de ene helft van de tweeling woont op zeeniveau en de andere op een bergtop, verder weg van de zware aarde. De algemene relativiteitstheorie dicteert dat de eerste tweelinghelft minder snel oud wordt en uiteindelijk, wanneer ze elkaar weer ontmoeten, dus een klein beetje jonger zal zijn dan haar tweelingzus.
Hawking behandelt de tweelingparadox in A Brief History of Time. Althans, volgens hem is het helemaal geen paradox wanneer je het idee opgeeft dat er één absolute tijd bestaat. Ruimte en tijd vormen dan een dynamisch geheel, en dus verloopt de tijd anders op verschillende plekken. De klok gelijkzetten is strikt gesproken onmogelijk. Hoe het komt dat de ene klok langzamer tikt dan de andere, daar gaat Hawking niet op in. Als lezer heb je het maar te geloven.
Wie zo helder en kernachtig kan schrijven als Hawking, kan zich zo’n autoriteitsargument misschien permitteren, maar tegelijkertijd ben ik benieuwd hoeveel van die tien miljoen exemplaren van zijn boek daadwerkelijk zijn uitgelezen. Het boek is bedoeld voor het brede publiek, maar de vele abstracte concepten doen de gemiddelde lezer al snel duizelen. Meer dan een educatief boek is A Brief History of Time eigenlijk vooral een overzicht van de stand van de theoretische natuurkunde aan het eind van de jaren tachtig. Destijds was het boek revolutionair, aangezien er voor het brede publiek nauwelijks over wetenschap werd geschreven, maar tegenwoordig heeft outreach een veel centralere plek in de wetenschappelijke wereld. Was wetenschapscommunicatie vroeger iets wat onderzoekers er een beetje half bij deden, nu vertellen wetenschappers op primetime bij De Wereld Draait Door over hun ontdekkingen.

Een bal in een blok piepschuim

De huidige generatie auteurs van populairwetenschappelijke boeken gebruikt veel metaforen en analogieën om de abstracte natuurkunde dichter bij de lezer te brengen. In De melodie van de natuur legt deeltjesfysicus Ivo van Vulpen, universitair hoofddocent aan de UvA en verbonden aan het Nationaal instituut voor subatomaire fysica Nikhef, bijvoorbeeld uit hoe een calorimeter werkt. Een calorimeter meet de energie van de deeltjes die wegvliegen na een botsing in een deeltjesversneller. Dat doet het apparaat door te meten hoelang het duurt voordat dat deeltje in een zwaar materiaal tot stilstand komt. Van Vulpen vergelijkt het met het gooien van een ijzeren bal in een groot blok piepschuim. Gooi je zachtjes, dan dringt de bal maar een paar centimeter door in het piepschuim, terwijl de bal met meer kracht zo een meter diep in het piepschuim kan komen. Hoe meer energie, hoe verder het deeltje dus moet reizen voordat het tot stilstand komt.
De uitleg over de calorimeter is typerend voor de manier waarop Van Vulpen over zijn vakgebied schrijft. In een vlotte, alledaagse stijl neemt hij de lezer mee in de wereld van de deeltjesfysica. Het mag dan zo zijn dat niet iedereen de wiskundige taal van die wereld spreekt, een probleem is dat niet. Hij vergelijkt het met bladmuziek: veel mensen lezen geen noten, maar dat hindert niet wanneer ze een boek over muziek lezen.
Van Vulpen beschrijft de natuur als een wenteltrap: de lezer betreedt met elke trede omlaag de wereld op een kleinere schaal. Met de ontdekking van het atoom legde de Nieuw-Zeelandse natuurkundige Ernest Rutherford honderd jaar geleden de basis voor de deeltjesfysica. Die atomen zouden later ‘gekraakt’ worden in protonen en neutronen, met onder meer kernenergie en atoombommen als toepassingen. Door die protonen en neutronen in deeltjesversnellers kapot te schieten ontdekten onderzoekers in de jaren zeventig nog kleinere deeltjes. Al die deeltjes, onderverdeeld in klassen en families, vormen samen het Standaardmodel, de legodoos waaruit alle bekende materie is opgebouwd. Het sluitstuk van dat Standaardmodel is het Higgsdeeltje. Al in 1964 voorspelde de Britse theoreticus Peter Higgs het bestaan van dit mysterieuze deeltje dat andere deeltjes hun massa moest geven, maar pas in 2012 werd het in de Zwitserse deeltjesversneller van CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) waargenomen. Die ontdekking vormt de apotheose van De melodie van de natuur en is de laagst bekende trede van de wenteltrap.
Die laagste trede is ver verwijderd van de herkenbare wereld, en om de lezer erbij te houden gebruikt Van Vulpen veel analogieën. Waakhonden aan een ketting of sociale normen bij voetbalwedstrijden, de verwijzingen worden steeds creatiever. Een wisselwerking waarbij deeltjes allebei van karakter veranderen, wordt vergeleken met een wereld waarin iedereen óf arm óf rijk is, en op hetzelfde moment hun portemonnee overgooit. Maar op het moment dat de lezer zich eerst een kunstmatige wereld moet voorstellen, loopt deze analogie spaak. Hier had Van Vulpen wellicht beter naar Hawkings spaarzaamheid kunnen kijken en had een ‘zo zit het nu eenmaal’ volstaan.
Van Vulpen lijkt sowieso wat huiverig om de aandacht van de lezer te verliezen. Hij blikt veel vooruit naar wat er komen gaat en vat geregeld samen wat hij al heeft verteld. Tussenkopjes van verschillende formaten vertellen elke twee bladzijden wat er gebeurt. Het boek blijft daarmee overzichtelijk, maar ook wat schools en een lopend verhaal komt niet goed tot stand. Dat is zonde en bovendien onnodig omdat Van Vulpens overduidelijke enthousiasme aanstekelijk is. De fysicus is zelf nauw betrokken bij CERN en vertelt met veel detail hoe de versneller werkt door het samenspel van talloze kleinere machines, meetapparatuur en duizenden wetenschappers van over de hele wereld. Zijn liefde voor het duizelingwekkende experiment spat van de pagina’s.

Natuurkundigen zijn net mensen

Met net zoveel bezieling als Van Vulpen over CERN schrijft, portretteert wetenschapsjournalist Govert Schilling met Deining in de ruimtetijd een ander vierletterig experiment: LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Dit experiment, gebouwd in de Verenigde Staten, had tweeënhalf jaar geleden een primeur met de eerste meting van zwaartekrachtsgolven, honderd jaar nadat Einstein het bestaan ervan had voorspeld. LIGO is in zekere zin het tegenovergestelde van CERN: de Zwitserse deeltjesversneller probeert de kleinste afstandsschalen inzichtelijk te maken, terwijl LIGO juist speurt naar de sporen van de grootste gebeurtenissen in de natuur. De detector zoekt de gravitationele echo’s van botsingen tussen zware objecten als neutronensterren of zwarte gaten.
1,3 miljard jaar geleden botsten twee van die zwarte gaten op elkaar en smolten ze samen. Ondertussen, schrijft Schilling, zit op aarde ‘het zeewater barstensvol eencellige organismen. Het zal niet lang duren voordat het leven zijn weg vindt naar de nu nog dorre continenten.’ Het samensmelten van de zwarte gaten is zo’n heftig proces dat de ruimte eromheen wild wordt uitgerekt en samengeperst. Een schokgolf verspreidt zich door de ruimte als een ‘kosmische tsunami’. Die zwaartekrachtsgolf snelt al die tijd met de lichtsnelheid door de ruimte, en passeert onderweg een onbeduidend blauw planeetje. Daar had de mens net weer een detector voor zwaartekrachtsgolven aangezet en op 14 september 2015 werd de eerste ‘deining in de ruimtetijd’ gemeten.
Anders dan bijvoorbeeld lichtgolven bewegen zwaartekrachtsgolven zich niet door de ruimte voort, maar vervormen ze de ruimte zelf. Alles wordt achtereenvolgens een heel klein stukje uitgerekt en ingedrukt. Om die minieme vervormingen waar te nemen is – tegenstrijdig als het lijkt – een even kolossaal experiment nodig als de deeltjesversneller van CERN. In het geval van LIGO kaatsen in de Amerikaanse staat Louisiana laserstralen heen en weer door vier kilometer lange tunnels. Wanneer die afstand langer (of korter) wordt door een passerende zwaartekrachtsgolf, komt het laserlicht net een beetje later (of eerder) aan. Een speciale meettechniek, genaamd laserinterferometrie, kan dat tijdsverschil meten. Om zeker te weten dat een kleine aardbeving of een passerende vrachtwagen het gemeten verschil niet veroorzaakt, staat drieduizend kilometer verderop in de staat Washington een identiek instrument dat diezelfde zwaartekrachtsgolf moet meten.
Het gemeten signaal van september 2015 bracht aanzienlijke opwinding teweeg bij de natuurkundigen van LIGO. Tegelijk sloeg een deel van die opwinding om in paniek omdat de ontdekking moest worden stilgehouden totdat alle double checks waren gedaan. De gedetailleerde beschrijving van die consternatie is illustratief voor de reikwijdte van Deining in de ruimtetijd. In ruim 300 pagina’s geeft Schilling een bij tijd en wijle overcompleet beeld van het onderzoek naar zwaartekrachtsgolven en de moderne astronomie. Naast relativiteitstheorie, laserinterferometrie en de levensloop van sterren, behandelt Schilling ook de bestuurlijke perikelen bij het LIGO-experiment, academische conflicten tussen verschillende natuurkundigen en de training van de LIGO-wetenschappers die de persconferentie over de ontdekking verzorgden.
Schilling wijkt zo op een andere manier af van Hawking, en plaatst de natuurkunde in de wereld zoals de meeste mensen die kennen. Natuurkundigen zijn in Schillings verhaal net mensen en hun werk is ook weer niet zó vreemd. Om dit te illustreren zoomt hij veelvuldig in op de plekken waar het onderzoek plaatsvindt: van het Leidse museum Boerhaave naar een microgolftelescoop op Antarctica, en van de Europese raketlanceerbasis in Frans-Guyana naar een natuurkundeconferentie in Seattle. Tussendoor is het verhaal doorspekt met referenties naar muziek, sport en geschiedenis. Die maken het boek toegankelijk, maar ze leiden op een gegeven moment af van het verhaal dat Schilling wil vertellen. Zo nu en dan klinkt hij als de natuurkundeleraar die je net iets te enthousiast wil overtuigen dat zijn vak écht wel cool is. In De Wereld Draait Door, waar Schilling vaak te gast is, komt hij nog wel weg met een flauw grapje over Newton na een lezing over relativiteitstheorie, maar op papier wordt dit al gauw too much.

Horizon

Van Vulpen en Schilling doen hun uiterste best een verhaal om de natuurkunde heen te vertellen. Na het lezen van hun boeken weet je niet alleen meer over de natuurkunde, maar ook over natuurkundigen en de manier waarop zij onderzoek doen. Hun aanpak past bij de hedendaagse wens van de wetenschap om dichter bij de samenleving te staan. Toch verscheen er vorig jaar ook een populairwetenschappelijk natuurkundeboek dat alleen over de natuurkunde zelf gaat.
In Zwarte gaten: gevangen in de ruimtetijd beschrijft Marcel Vonk, theoretisch natuurkundige en postdoctoraal onderzoeker aan de UvA, de raadselachtige objecten die ook het hoofdthema van Hawkings werk vormden. Vonk bouwt zijn boek op dezelfde manier op als A Brief History of Time. Wat zwarte gaten precies zijn, kan immers niet begrepen worden zonder kwantummechanica en speciale en algemene relativiteitstheorie in het achterhoofd. Als een ster opgebrand is, zal hij ineenstorten door zijn eigen zwaartekracht, legt Vonk uit. In een klein stuk ruimte hoopt zich dan heel veel materie op, die daardoor een enorme zwaartekracht op de omgeving uitoefent. Zoveel, dat zelfs licht niet snel genoeg beweegt om er vandaan te komen: een zwart gat. ‘Zwaartekrachtsgevangenissen’ noemt Vonk ze, met als gevangenismuur de zogenaamde waarnemingshorizon. Alles wat voorbij die horizon valt, zal niet kunnen ontsnappen en onomkeerbaar ten prooi vallen aan het zwarte gat.
Zwarte gaten sluit goed aan op A Brief History of Time. In de laatste hoofdstukken van zijn boek bespreekt Hawking de theorieën die ingaan op het ontstaan van het heelal. Uiteindelijk bleken die ideeën nauwelijks toepasbaar en kunnen ze geschaard worden onder de vele doodlopende paden die de wetenschapsgeschiedenis rijk is. Maar sinds de publicatie van A Brief History of Time zijn natuurkundigen blijven worstelen met die mysterieuze onomkeerbaarheid van zwarte gaten, en Vonk bespreekt in zijn laatste hoofdstukken de hedendaagse theorieën. Centraal staat de door Hawking opgeworpen ‘informatieparadox’. Theoretisch onderzoek lijkt te voorspellen dat alle informatie over een voorwerp verloren gaat wanneer het in een zwart gat valt, maar dat schendt allerlei natuurkundige wetten over oorzaak en gevolg. Vonk bespreekt verschillende exotisch klinkende uitwegen over de aard van zwarte gaten (firewalls, fuzzballs) uit die paradox. Ongetwijfeld zal ook een deel van die ideeën uiteindelijk in de vergetelheid belanden, maar de hedendaagse ideeën maken Zwarte gaten ook interessant voor een lezer die al iets meer is ingevoerd in het onderwerp.
Onderzoek naar zwarte gaten is grotendeels theoretisch van aard, we kunnen ze immers niet waarnemen met telescopen of detectoren. Vonk legt als theoreticus dan ook de nadruk op gedachte-experimenten, terwijl Schilling en Van Vulpen veel uitwijden over de werking van radiotelescopen en deeltjesversnellers. Maar in tegenstelling tot Hawking gaat Vonk analogieën niet uit de weg. De manier waarop hij zwaartekracht in de algemene relativiteitstheorie beschrijft is bijvoorbeeld mooi gevonden: een zwaar hemellichaam zuigt als het ware de ruimte naar binnen. Een persoon in vrije val wordt dus naar de aarde gezogen alsof diegene op een loopband stilstaat. Dit gaat steeds sneller naarmate hij of zij de aarde nadert. Vonk trekt de analogie door naar zwarte gaten door te stellen dat de loopband daar zo snel beweegt dat zelfs een lichtstraal hem niet bij kan houden.
De auteur houdt zijn lezers bij de les met het geduld van een onderwijzer: ‘Klinkt vaag? Laten we de basisideeën stap voor stap bekijken.’ Hij vermijdt formules in zijn uitleg, maar gaat in een aantal losstaande kaders wel verder in op de wiskundige achtergrond. Wat opvalt aan Zwarte gaten is de vormgeving: het boek is gedrukt op luxe fotopapier en bijna elke twee pagina’s zijn voorzien van afbeeldingen of diagrammen. Dit geeft Vonks boek de uitstraling van een schoolboek en maakt het voor de complete leek wellicht wat te droog. Maar de lezer die al wat interesse voor zwarte gaten heeft, zal het snel uit hebben.
De natuurkunde is volop in beweging: de afgelopen jaren kenden zowel experimenteel als theoretisch grote doorbraken. Het is een zegen voor het vakgebied dat Vonk, Schilling en Van Vulpen hun lezers mee willen nemen in deze ontdekkingen. Niet vanuit de ivoren toren zoals Hawking, maar begripvol voor de soms onbegrijpelijke aspecten van hun vak. Ze zoeken daarin allemaal een balans tussen populair en wetenschappelijk schrijven. Op hun eigen manier leren ze hun lezers meer dan die waarschijnlijk uit A Brief History Time hadden opgestoken. Al zullen ze Hawking op één punt nooit evenaren: die tien miljoen verkochte exemplaren.

© 2018 Emiel Woutersen