“Is hij een stipje of is hij een stipje? Als hij onder water is, wordt hij dan nat? Of krijgt het water hem in plaats daarvan? Niemand weet het.” -They Might Be Giants, “Particle Man”
We leren op school dat materie bestaat uit atomen en dat atomen zijn opgebouwd uit kleinere ingrediënten: protonen, neutronen en elektronen. Protonen en neutronen zijn gemaakt van quarks, maar elektronen zijn dat niet. Voor zover wij weten, zijn quarks en elektronen fundamentele deeltjes, niet opgebouwd uit iets kleiners.
Het is één ding om te zeggen dat alles uit deeltjes bestaat, maar wat is een deeltje? En wat betekent het om te zeggen dat een deeltje “fundamenteel” is? Waar zijn deeltjes van gemaakt, als ze niet zijn opgebouwd uit kleinere eenheden?
“In de breedste zin van het woord zijn ‘deeltjes’ fysieke dingen die we kunnen tellen,” zegt Greg Gbur, wetenschapsjournalist en natuurkundige aan de Universiteit van North Carolina in Charlotte. Je kunt niet een halve quark of een derde van een elektron hebben. En alle deeltjes van een bepaald type zijn precies identiek aan elkaar: ze zijn er niet in verschillende kleuren of met kleine kentekens die hen onderscheiden. Elke twee elektronen zullen hetzelfde resultaat opleveren in een detector, en dat is wat ze fundamenteel maakt: ze zijn er niet in verschillende verpakkingen.
Het is niet alleen materie: licht bestaat ook uit deeltjes die fotonen worden genoemd. Meestal zijn afzonderlijke fotonen niet waarneembaar, maar astronauten melden dat ze zelfs met gesloten ogen lichtflitsen zien, veroorzaakt door een enkel foton met gammastralen dat door de vloeistof in de oogbol beweegt. Door de wisselwerking met deeltjes binnenin ontstaan blauwlicht fotonen, bekend als Cherenkov licht – genoeg om het netvlies te activeren, dat een enkel foton kan “zien” (hoewel er veel meer nodig zijn om een beeld van iets te maken).
Eeuwig deeltjesvelden
Dat is echter niet het hele verhaal: We kunnen dan wel deeltjes tellen, maar ze kunnen worden gemaakt of vernietigd, en onder bepaalde omstandigheden zelfs van type veranderen. Tijdens een kernreactie die bekend staat als bètaverval spuwt een kern een elektron en een fundamenteel deeltje, een antineutrino, uit, terwijl een neutron in de kern verandert in een proton. Als een elektron bij lage snelheid een positron tegenkomt, vernietigen ze elkaar en blijven er alleen gammastralen over; bij hoge snelheid creëert de botsing een hele reeks nieuwe deeltjes.
Iedereen heeft wel eens gehoord van Einsteins beroemde E=mc2. Dat betekent onder meer dat voor het maken van een deeltje energie nodig is die evenredig is met zijn massa. Neutrino’s, die een zeer lage massa hebben, zijn gemakkelijk te maken; elektronen hebben een hogere drempel, terwijl zware Higgs-bosonen een enorme hoeveelheid energie nodig hebben. Fotonen zijn het gemakkelijkst te maken, omdat ze geen massa of elektrische lading hebben en er dus geen energiedrempel is die overwonnen moet worden.
Maar er is meer dan energie nodig om nieuwe deeltjes te maken. Je kunt fotonen maken door elektronen door een magnetisch veld te versnellen, maar neutrino’s of meer elektronen kun je op die manier niet maken. De sleutel is hoe die deeltjes op elkaar inwerken met behulp van de drie fundamentele kwantumkrachten van de natuur: elektromagnetisme, de zwakke kracht en de sterke kracht. Deze krachten worden echter ook beschreven met behulp van deeltjes in de kwantumtheorie: elektromagnetisme wordt gedragen door fotonen, de zwakke kracht wordt beheerst door de W- en Z-bosonen, en bij de sterke kracht zijn de gluonen betrokken.
Al deze dingen worden samen beschreven door een idee dat “kwantumveldentheorie” wordt genoemd.
“De veldtheorie omvat de kwantummechanica, en de kwantummechanica omvat de rest van de natuurkunde,” zegt Anthony Zee, een natuurkundige aan het Kavli Instituut voor Theoretische Fysica en de Universiteit van Californië, Santa Barbara. Zee, die verschillende boeken over kwantumveldentheorie heeft geschreven voor zowel wetenschappers als niet-wetenschappers, geeft toe: “Als je een natuurkundige vraagt wat een veld is, zullen ze zeggen dat een veld alles is wat een veld doet.”
Ondanks de vaagheid van het concept, beschrijven velden alles. Twee elektronen naderen elkaar en brengen het elektromagnetische veld in beroering, waardoor fotonen ontstaan als rimpelingen in een vijver. Die fotonen duwen vervolgens de elektronen uit elkaar.
Wat zijn golven?
Golven zijn de beste metafoor om deeltjes en velden te begrijpen. Elektronen zijn niet alleen deeltjes, maar ook golven in het “elektronenveld”. Quarks zijn golven in het “quark-veld” (en aangezien er zes soorten quarks zijn, zijn er zes quark-velden), enzovoort. Fotonen zijn als rimpelingen in het water: ze kunnen groot of klein zijn, heftig of nauwelijks merkbaar. De velden die materiedeeltjes beschrijven zijn meer als golven op een gitaarsnaar. Als je niet hard genoeg op de snaar tokkelt, krijg je helemaal geen geluid: Je hebt de drempel-energie nodig die overeenkomt met een elektronmassa om er een te maken. Maar als je genoeg energie hebt, krijg je de eerste harmonische, die een duidelijke noot is (voor de snaar) of een elektron (voor het veld).
Als gevolg van al dit kwantumdenken is het vaak niet handig om aan deeltjes te denken als aan kleine balletjes.
“Fotonen reizen vrij door de ruimte als een golf”, zegt Gbur, ook al kunnen ze worden geteld alsof het balletjes zijn.
De metafoor is niet perfect: De velden voor elektronen, elektromagnetisme en al het andere vullen de hele ruimtetijd, in plaats van te lijken op een eendimensionale snaar of een tweedimensionaal vijveroppervlak. Zoals Zee zegt: “Wat golft er als een elektromagnetische golf door de ruimte gaat? Niets golft! Er hoeft geen water te zijn zoals bij een watergolf.”
En natuurlijk blijven we met de vraag zitten: Als deeltjes uit velden voortkomen, zijn die velden dan zelf fundamenteel, of is er diepere natuurkunde bij betrokken? Totdat de theorie met iets beters komt, is de deeltjesbeschrijving van materie en krachten iets waar we op kunnen rekenen.