In het nieuwe Pocket Science-boek Machtige krachten maakt Martijn van Calmthout een rondgang langs allerlei natuurkundige krachten en de wetenschappers die de geheimen ervan ontrafelden. Een voorproefje.

Het lijkt erop dat we het krachtenspel in het universum inmiddels behoorlijk hebben doorgrond. Er zijn vier funda­mentele krachten die de materie en zelfs ruimte en tijd beheersen. Dat zijn de twee kernkrachten, sterk en zwak, de elektromagnetische wisselwerking, en de zwaartekracht.

Alle andere krachten die we in de echte wereld meten en ervaren, zijn afgeleiden van dit beroemde viertal. Sommige daarvan zijn schijnkrachten, die ontstaan door onze eigen bewegingen, vooral als er versnellingen in het spel zijn. Andere krachten zijn grootschalige effecten van micro­scopische krachten, zoals wrijving en veerkracht.

Ideeën die de wereld veranderden
LEES OOK
Ideeën die de wereld veranderden

Maar zijn er echt maar vier fundamentele krachten? Is het helemaal uitgesloten dat we misschien nog iets over het hoofd zien? Een subtiele vijfde kracht? Of zelfs een aantal extra krachten?

Vraagstuk

Theoretisch is er geen enkele dwingende of logische reden dat er precies vier fundamentele krachten actief zijn in het universum. De kwestie is eigenlijk meer als de dronkaard die ’s nachts besluit zijn eerder op de avond verloren sleutels onder een lantaarnpaal te gaan zoeken omdat het daar tenminste licht is. De vier natuurkrachten zijn de krachten die ons in onze versnellerexperimenten en kosmische speur­tochten zijn opgevallen. Dat leverde heel veel op. Maar heel andere of veel grotere experimenten zouden misschien iets anders laten zien.

Als er meer dan vier fundamentele fysische krachten bestaan, zullen die hoe dan ook zwak zijn, of over heel korte afstanden actief. Zo zijn er theoretici die denken dat het higgsdeeltje in het standaardmodel een kracht draagt. Normaal gesproken wordt het higgsveld geen krachtveld genoemd, omdat het een scalair veld is, dat alleen een waarde aan een plaats in de ruimte geeft maar geen richting. Maar in de details van de higgsvergelijkingen is wel dege­lijk een zogenoemde yukawa-term, genoemd naar de Japanse theoretisch natuurkundige Hideki Yukawa, te vinden die als kracht kan worden opgevat. Een kracht die wordt overgebracht via virtuele higgsdeeltjes die heel even uit het vacuüm kunnen opduiken, omdat een lege ruimte volgens de quantumwetten nooit helemaal leeg is.

Grote wens

Berekeningen laten wel zien dat deze ‘kracht’ een reikwijdte zal hebben van 10-18 meter en een biljoen keer zwakker is dan de zwakke kernkracht. Dat is in alle modellen en experimenten verwaarloosbaar weinig en een goede reden dat het higgs­deeltje normaal niet als krachtdeeltje wordt opgevat. Zijn echte kracht ligt vooral heel ergens anders: massa geven aan alle elementaire deeltjes.

De speurtocht naar en speculaties over een eventuele vijfde natuurkracht staan haaks op een diep gekoesterde wens in de natuurkunde om één theorie voor alles te formuleren. Door het gebruik van quantumveldentheorie bleken de zwakke kernkracht en de elektromagnetische wisselwerking twee uitingen van de elektrozwakke wisselwerking. Die splitste ongeveer een miljoenste van een miljoenste van een seconde na de oerknal in twee componenten. De bijbehorende energie, uitgedrukt in een temperatuur, was een miljoen miljard graden Celcius. De huidige versneller op CERN is een factor tienduizend te zwak om dat rechtstreeks te meten. Maar op papier waren de zwakke kernkracht en de elektro­magnetische kracht ooit hetzelfde.

Buiten bereik

Theoretici doen al tientallen jaren pogingen om ook de sterke kernkracht en de elektrozwakke kracht bij elkaar te brengen in een zogenoemde Grand Unified Theory (GUT). Gelukt is dat nog niet. Op papier niet, maar al helemaal niet in een experiment. De energie waarop de elektrozwakke en de sterke wisselwerking versmelten moet ergens rond de miljard maal een miljard maal een miljard graden liggen, ver buiten het bereik van aardse experimenten. Zoiets was misschien tot 10–35 seconde na de oerknal aan de orde. Daarvoor waren er dan alleen de GUT-kracht en de zwaartekracht. Als die ook een gemeenschappelijke oorsprong hebben was dat bij nog eens zeker een miljoen maal meer energie, en een miljoen maal dichter bij de oerknal zelf. Omstandigheden die niet alleen experimenten, maar in feite elk voorstellingsvermogen te boven gaan.