interview

‘Met wiskunde zoek ik een verklaring voor de schoonheid van de wereld'

Professor Frank Verstraete (UGent), winnaar van de Francqui-prijs voor zijn bijdrage tot de kwantummechanica. ©Jonas Lampens

Elke dag opnieuw probeert de topfysicus Frank Verstraete de wereld tot in haar minuscuulste deeltjes te vatten. Hij kreeg er deze week de prestigieuze Francqui-prijs voor. ‘Als allereerste iets begrijpen, dat is een fantastisch gevoel.’

Er was eens een kind dat zo bezeten was om te weten dat hij met zijn fiets tegen een boom reed. En dan nog eens, met een hogere snelheid. ‘De relatie tussen de snelheid waarmee ik botste en de pijn die ik voelde, dat vond ik nogal interessant’, grinnikt Frank Verstraete. ‘Ik was een beetje een raar kind, ja. Eigenlijk is het een wonder dat ik mijn jeugd heb overleefd.’

Tientallen jaren later wil Verstraete nog altijd begrijpen hoe de wereld in elkaar zit, maar pakt hij zijn experimenten iets veiliger aan. Als specialist in de kwantummechanica werkt hij in zijn onderzoeksgroep aan de Universiteit Gent aan manieren om de natuur tot in haar kleinste essentie te begrijpen en te beschrijven. Alle materie en straling is opgebouwd uit minuscule, subatomaire deeltjes.

Ze zijn zo klein dat de wetten van de klassieke natuurkunde niet voor ze opgaan. Hoe die deeltjes zich dan wel gedragen in verhouding tot elkaar, dat is wat Verstraete met zijn team probeert te doorgronden. Deze week werd hij daarvoor gelauwerd met de Francqui-Prijs, de belangrijkste wetenschapsprijs in ons land.

Onbegrijpbare formules

De helft van de wereld economie steunt op onderzoek in de kwantum mechanica uit de jaren twintig en dertig.

Dat zijn studieveld geweldig complex is, waarschuwt Verstraete als hij ons begroet in zijn kantoor aan de UGent. Hij wordt omringd door muren die volgekrijt zijn met onbegrijpbare formules. ‘Ik wil me nu al excuseren. Ik heb eigenlijk weinig ervaring met het populariseren van wat we hier doen.’ Even denkt hij eraan er een collega bij te roepen, die wel ervaring heeft met het uitleggen van deeltjesfysica aan leken. Maar die collega blijkt niet in huis te zijn. ‘Sorry, je zal het toch met mij moeten doen.’

We moeten er niet flauw over doen: het brein van Verstraete proberen te volgen, is een heikele opdracht. Ook bij het uittikken van onze opname zullen we om de twee zinnen moeten pauzeren om te achterhalen waar de topwetenschapper het eigenlijk over heeft. Maar met het nodige geduld slaagt hij er toch in ons een basis bij te brengen van wat kwantummechanica is, en welke rol hij probeert te spelen in de verdere ontwikkeling ervan.

In een erg kleine notendop: de veeldeeltjesfysica waar Verstraete en co. aan werken is zo complex is dat ze zich niet laat vatten met de bekende handvaten als wiskunde of taal.

‘De reden is: als je verschillende deeltjes bijeenzet, treedt het fenomeen van verstrengeling op’, zegt Verstraete. ‘De kwantummechanica is in de jaren twintig wel in formules gegoten, maar die vergelijkingen zijn door het fenomeen van verstrengeling zo complex dat ze eigenlijk onoplosbaar zijn. En dus is de vraag hoe je dat veeldeeltjesprobleem oplost al bijna honderd jaar hét vraagstuk van de moderne fysica.’

Iets begrijpen doorprikt de magie niet. Het versterkt ze net.

Dat vraagstuk oplossen kon de Gentse prof nog niet. Maar met zijn onderzoek heeft hij wel een grens verlegd. ‘In de specifieke veeldeeltjessystemen die wij onderzochten, merkten we dat er veel structuur zat in de verstrengeling. Dus zijn we die structuur gaan modelleren met een soort bouwblokjes, aan de hand van verstrengelde paren. Uiteindelijk hebben wij dat kunnen herleiden tot een nieuw soort taal, waarmee we nieuwe inzichten krijgen in dat veeldeeltjesprobleem. En die taal blijkt veel universeler dan gedacht. Dat opent een heel nieuw arsenaal aan mogelijkheden om het probleem mee te bestuderen. Het stelt ons in staat vragen te stellen die we vroeger niet konden stellen.’

Verstraete glimlacht als hij onze verdwaasde blik ziet. ‘Het is en blijft theoretische natuurkunde, wat logischerwijs heel abstract is’, zegt hij haast verontschuldigend. ‘Wat wij doen, is fundamenteel onderzoek, puur gericht op het doorgronden van de natuur. Op het vergroten van onze kennis. Het is eigenlijk een vorm van cultuur, maar dan in de taal van de wiskunde. Als ik aan mensen zeg wat ik doe, krijg ik vaak meteen de vraag waarvoor het kan worden gebruikt. Wat het praktische nut is. Maar zo werkt wetenschap niet altijd. Soms moet je eerst iets volledig begrijpen voor je doorhebt wat ermee aan te vangen valt.’

Toch zijn ook wij benieuwd naar de mogelijke praktische implicaties van uw onderzoek.

Frank Verstraete: ‘Begrijp me niet verkeerd. De kans is groot dat er concrete toepassingen uit vloeien. Wat ik vooral wilde zeggen, is dat je die niet moet verwachten in de eerste tien, twintig of misschien zelfs dertig jaar. Het is niet het doel van ons onderzoek, maar het is er hopelijk wel een gevolg van. Ons onderzoek geeft nieuwe inzichten in de fysica, inzichten waarop kan worden gebouwd.’

‘U kent misschien het voorbeeld van G.H. Hardy, een briljant wiskundige die baanbrekend onderzoek deed naar nummertheorie. Toen mensen hem vroegen wat het praktische nut was, antwoordde hij droogweg: ‘Niets’. Maar vijftig jaar later is alle veiligheid op het internet - de cryptografie waarmee informatie wordt versleuteld - gebaseerd op zijn enorm abstracte werk. Toen viel niet te voorzien welke toepassingen eruit zouden voortvloeien. Maar kijk, zonder dat baanbrekend werk was het niet mogelijk geweest om vandaag versleutelde berichten te verzenden.’

‘Hetzelfde gaat op voor de kwantummechanica. De helft van onze wereldeconomie steunt op fundamenteel onderzoek dat in de jaren twintig, dertig en veertig is verricht. Computerchips, lasers waarlangs onze communicatie verloopt, noem maar op.’

In welke richting denkt u voor uw onderzoek?

Verstraete: ‘In de eerste plaats kan het belangrijk zijn voor de ontwikkeling van kwantumcomputers, het domein waarin we aanvankelijk onderzoek deden. Dat zijn machines waarvan de processor gebaseerd is op de principes van de kwantummechanica. Waar een transistor van een traditionele computer maar twee mogelijke inputs heeft - nul of een - kan een qubit, de transistor van de kwantumcomputer, zich in verschillende inputs tegelijk bevinden. In plaats van een berekening per keer uit te voeren kan zo’n machine in theorie exponentieel veel berekeningen tegelijk uitvoeren. Op die manier kan zo’n computer als het ware verschillende realiteiten naast elkaar simuleren.’

‘Dat soort machine zal niet de traditionele computer vervangen, ze is niet geschikt om elk probleem mee op te lossen. Maar in domeinen waar de kwantumcomputer wel inzetbaar is, kan hij de wereld veranderen. Concreet kan je labo-experimenten in de farmaceutische of de chemische industrie overbodig maken. Heel het proces van poeders mengen om te kijken welke reactie dat geeft, kan je dan door een computer laten simuleren.’

©Jonas Lampens

‘Maar belangrijker dan die ene concrete toepassing is dat fysici nu wereldwijd verder kunnen graven met onze inzichten. Er gebeurt op dit moment veel onderzoek naar supergeleiding op kamertemperatuur. Als dat ooit lukt, zou dat ook geweldig disruptief zijn.’

Leg eens uit.

Verstraete: ‘Je kent ongetwijfeld de MRI-scanners in ziekenhuizen. Die machines steunen op het natuurkundige fenomeen Neuro Magnetic Resonance, kortweg NMR. De magneten doen dienst als supergeleiders om de hoeveelheid stroom aan te maken die nodig is voor zo’n scan. Maar om supergeleidend te worden moeten die magneten worden gekoeld tot ongeveer min 270 graden Celsius. NMR heeft een enorm potentieel aan toepassingen, maar door die nood aan koeling zijn ze allemaal praktisch onwerkbaar. Maar er is niets in de fysica dat zegt dat supergeleiding niet zou kunnen bij kamertemperatuur. De vraag is alleen: hoe ga je het materiaal vinden dat daarvoor geschikt is.’

Lexicon van de kwantummechanica

Kwantummechanica

 Bestudeert de wereld op het niveau van atomen en deeltjes die nog kleiner zijn dan atomen. Het woord ‘kwantum’ betekent in de fysica de kleinste, ondeel bare eenheid van iets. Zo is een foton een lichtkwantum. In de kwantumtheorie kan geen enkele waarneming worden gedaan zonder dat het waargenomen verschijnsel wordt beïnvloed. Het gedrag van individuele elementaire deeltjes wordt in termen van waarschijnlijkheid beschreven.

Entanglement

 Verstrengeling is een fenomeen waarbij paren of groepen van deeltjes worden gegenereerd of op zo’n manier interageren dat een deeltje op zich niet kan worden beschreven los van de toestand van andere deeltjes. Een kwantumtoestand moet voor het systeem in zijn geheel worden beschreven, het geheel is veel meer dan het totaal van de delen.

Het is ook de verstrengeling die achter de kracht van de kwantumcomputer zit.

Quantum Tensor Networks

 De formele taal die het mogelijk maakt de veeldeeltjesverstrengeling beter te beschrijven en te begrijpen. Ze is ontwikkeld door Frank Verstraete en beschrijft hoe de deeltjes verbonden zijn, de correlaties zijn de bouwblokken van het systeem. De taal kan van groot belang zijn voor het doorgronden van fundamentele vraagstukken, maar ook voor toepassingen zoals kwantumcomputers.

 

Kwantumcomputer

Gewone computers werken opbasis van bits die 0 of 1 kunnen zijn. Een kwantumcomputer encodeert informatie in de vorm van kwantumbits of qubits. Een qubit kan een toestand als 0 en 1 toelaten, maar ook een ‘superpositie’. Daarbij kan een waarde worden aangenomen van 0, 1 en alles daartussen. Kwantumcomputers kunnen veel krachtiger zijn dan digitale computers. In plaats van een berekening per keer uit te voeren, kunnen ze exponentieel veel berekeningen tegelijk uitvoeren. Het kan nog tien tot dertig jaar duren vooraleer echt bruikbare kwantumcomputers op de markt komen.

 

‘Als dat ooit lukt, verandert alles. (haalt zijn smartphone uit zijn zak) Neem nu de batterij van dit ding. Met supergeleiding op kamertemperatuur warmt zo’n batterij niet meer op en gaat ze honderd keer langer mee. Of neem nu het transport van energie. De potentiële implicaties zijn enorm. Maar voorlopig weten we dus enkel dat supergeleiding gelinkt is aan verstrengeling, maar weten we nog niet hoe. De vraag is hoe je dat kan doorgronden en modelleren, en hoe je dan kan uitkomen op zo’n nieuw materiaal. Zal ik degene zijn die de grote doorbraak forceert? De kans is klein. Maar dat mag ons niet tegenhouden om het te proberen. Met ons onderzoek dragen we een steentje bij aan de zoektocht.’

Wie weet is er een plaats voor u weggelegd in de geschiedenisboeken.

Verstraete: (lacht) ‘Het is niet wat mij drijft, in elk geval. Je doet niet aan fysica om een Francqui-Prijs te winnen, ook al is het een hele eer. Ik heb het geluk gehad dat ik ontdekt heb wat ik graag deed en waar ik goed in was. Zodra je dat hebt gevonden, moet je die kans met beide handen grijpen, en dan komt al de rest vanzelf. Ik ben heel gelukkig met wat ik doe. Als eerste ter wereld iets begrijpen, dat is een fantastisch gevoel. Het is een ervaring die weinig mensen ooit zullen voelen.’

Het geluk dat Verstraete uit zijn werk put, is bijna tastbaar. Meer dan een job lijkt het een uit de hand gelopen hobby, die niet stopt als hij de deur van zijn kantoor ’s avonds achter zich dichttrekt. ‘Mijn kinderen vinden het heel normaal dat ons huis vol boeken en papieren met formules ligt, en dat er de hele tijd mensen over de vloer komen om over wiskunde en fysica te discussiëren’, zegt hij. En die huiselijke chaos levert zijn drie kinderen nu ook een mooi extraatje op. ‘Ze vinden het cool dat ze binnenkort mee mogen naar de koning voor de prijsuitreiking.’

Hoewel fysica overduidelijk een passie is, hebt u toch eerst voor burgerlijk ingenieur gestudeerd. Waarom?

Verstraete: ‘Dat was een misstap. Toen ik 18 was, moest ik zoals elke afstuderende student naar het PMS. Toen ik daar zei dat ik fysica wilde doen, raadden ze me dat vooral af. ‘Ga burgerlijk ingenieur studeren, daar ga je alles leren wat je in fysica leert en nog veel meer’, zeiden ze. Dus ben ik dat maar gaan doen.’

‘Maar dat was echt mijn ding niet. Omdat ingenieurs wel verwacht worden iets praktisch te kunnen, is het in vele gevallen niet mogelijk echt te verstaan waar je mee bezig bent. Terwijl ik vooral wilde begrijpen waarom dingen zijn wat ze zijn. Ik was dan ook de slechtste student die ze daar ooit hebben gezien. Niet qua punten, maar ik ging nooit naar de les, deed geen practica. Ik deed een heel jaar niets, om dan eind mei in gang te schieten en examens af te leggen.’

Wat deed u dan de rest van het jaar?

Verstraete: ‘Veel lezen vooral. Schaken ook. En in onze bar zitten in Leuven. (lacht) Ik ben er niet trots op of zo, ik was echt een slechte student. Maar ik vond er geen enkele uitdaging in, het was mijn passie niet. Dat was fysica.’

Uiteindelijk zag u het licht tijdens een geestverruimende trip naar India, lazen we in uw cv.

Verstraete: ‘Wel, omdat ik een heel jaar weinig deed voor mijn studies, had ik tijd voor andere dingen. Dus ben ik eens van oktober tot maart naar India getrokken. Een ongelooflijke ervaring. We hadden geen echt plan, we wilden gewoon begrijpen hoe die cultuur in elkaar zat.’

‘De eerste weken in de Indiase chaos zijn de hel. Maar als je er lang genoeg blijft, krijg je wonderlijke inzichten in het optimisme van de mensen. Het is enorm verrijkend om te ontdekken hoe anders mensen daar naar het leven kijken, hoe ze andere dingen belangrijk vinden. Dat heeft mijn wereld opengetrokken. Ik heb er gezien hoe gemakkelijk het eigenlijk is om gelukkig te zijn. Dat botst dan wel even, als je weer in België komt. We zijn hier te veel bezig met pietluttigheden en klagen.’

‘Ik heb in India ook veel sektes bezocht. Ik ben niet vatbaar voor religie, maar vind het wel enorm boeiend om dat als fenomeen te bestuderen. Hoe zulke goeroes mensen magnetiseren, dat vond ik fascinerend. Die mannen hebben heel goed door dat er in elke mens een soort nood aan mystiek zit die veel westerlingen hebben onderdrukt. Daar spelen ze handig op in.’

Was u niet beter filosoof geworden?

Verstraete: (lacht) ‘Nee. Het fascineert me wel. Iedereen zoekt een manier om de wereld te proberen doorgronden. Sommigen vinden hun antwoorden in religie of bij een goeroe. Ik vind ze in de wiskunde. Bezig zijn met wiskunde is mijn zoektocht naar de verklaring van de schoonheid van de wereld.’

Wiskunde is dé manier geworden om de wereld te begrijpen en te beschrijven. En je kan het zwart op wit bewijzen.

‘Filosofie en wetenschap liggen eigenlijk ook niet ver uit elkaar. Die Griekse filosofen waren ook gewoon bezig met proberen te begrijpen hoe de wereld in elkaar zit en kwamen dan af met fantastische schema’s om dat uit te leggen. Maar de wiskunde heeft die rol overgenomen. Dat is dé manier geworden om de wereld te begrijpen en te beschrijven. En je kan het zwart op wit bewijzen.’

Kijkt u als theoretisch natuurkundige anders naar de wereld dan een doorsneemens?

Verstraete: ‘Dat denk ik niet. Ik heb dezelfde instincten, wensen en begeertes als iemand anders. Of dat denk ik toch. (lacht) Mensen gaan er soms van uit dat wij de magie van de natuur doorprikken door ze te proberen te doorgronden. Terwijl net het omgekeerde waar is.’

Richard Feynman: The Beauty of the Flower

‘Richard Feynman, een van de absolute helden van de natuurkunde, heeft dat mooi verwoord. Een kunstenaar zei hem ooit dat als zij twee naar dezelfde bloem keken, alleen de kunstenaar de schoonheid ervan kon zien, omdat hij verwondering voelde voor de pracht van de natuur, terwijl Feynman de bloem louter zou ontleden tot iets saais en lelijks. Maar Feynman kon niet alleen genieten van de schoonheid, hij kon ook bewondering opbrengen voor alle complexe processen die de bloem maakten tot wat ze was.’

‘Daar ben ik ook heilig van overtuigd. Als je iets begrijpt, ben je net nog zoveel meer onder de indruk van het wonder dat onze natuur is. Iets begrijpen doorprikt de magie niet.’

Lees verder

Advertentie
Advertentie
Advertentie
Advertentie

Gesponsorde inhoud

Partner content