Na decennialang een beschermde status te hebben genoten, wordt de wetenschap steeds meer de maat genomen door de maatschappij. Een goed voorbeeld is schaalvergroting: was dit al geruime tijd het toverwoord voor kwaliteitsverbetering in bedrijven en overheidsinstanties, nu moet ook het wetenschappelijke bedrijf hieraan geloven. Het aantal consortia en samenwerkingsverbanden tussen verschillende academische instanties is de laatste jaren exponentieel toegenomen, en de beide Amsterdamse universiteiten koersen zelfs op een fusie af.

Onder academici roept deze bestuurlijke schaalvergroting grote weerstand op. Paradoxaal genoeg is het inhoudelijk al gebruikelijk om de handen ineen te slaan. Onder de noemer Big Science zijn er ambitieuze onderzoeksprojecten gerealiseerd, die de draagkracht van afzonderlijke instituten te boven gaan. In mijn vakgebied, de elementaire deeltjesfysica, worden de grote ontdekkingen tegenwoordig gedaan door internationale collaboraties. Een voorbeeld is CERN, de deeltjesversneller vlakbij Genève, waar afgelopen jaar het Higgs-deeltje is ontdekt.

Experimenten worden kleiner…

Ook op een ander vlak speelt schaalvergroting een paradoxale rol. De zoektocht naar de elementaire bouwstenen van Moeder Natuur voert naar steeds kleinere afstandsschalen. Het Higgs-deeltje gaf haar geheimen pas vrij nadat CERN testen kon uitvoeren op een schaal van rond de 10^-20 meter (een miljardste van een miljardste van een centimeter…). Ter vergelijking: een atoom is ongeveer 10^-10 meter. De schaalverhouding tussen het Higgs-deeltje en een atoom is dus vergelijkbaar met die tussen een atoom en een mens!

Je zou daarom kunnen denken dat deze experimenten ook steeds kleiner zijn geworden. Dat zou echter een misverstand zijn: om de natuur op kortere afstandsschalen te testen is juist grotere apparatuur nodig. In 1911 kon Rutherford het bestaan van de atoomkern aantonen in zijn werkkamer.

 … maar de testopstelling groter

Een eeuw later wordt deeltjesfysica bedreven door protonen te laten botsen in een ondergrondse tunnel met een lengte van 27 kilometer. De protonen moeten eerst worden versneld tot bijna de lichtsnelheid om bij botsingen voldoende Higgs-deeltjes te produceren, en hiervoor is een lange aanloop nodig.

Het Higgs-deeltje vormt het sluitstuk van het Standaard Model van de deeltjesfysica; het kaartspel van elementaire deeltjes kan hiermee in principe compleet zijn. Toch vermoeden we dat de natuurkunde nog meer in petto heeft. Zo is het niet duidelijk hoe de zwaartekracht met het Standaard Model gecombineerd kan worden. Eén ding is wel duidelijk uit theoretische overwegingen: het Standaard Model is niet meer geldig bij de Planck lengte van 10^-35 meter, en hier moet er nieuwe fysica in het spel komen.

Kunnen we de natuur op deze minuscule afstandsschalen nog experimenteel testen? Uit de geschiedenis blijkt dat de apparatuur steeds groter moet worden om beter te kunnen vergroten. Het heeft helaas weinig zin om nog grotere deeltjesversnellers te bouwen; de mensheid loopt hier tegen de aardse beperkingen aan wat betreft ruimte en geld. Gelukkig slaan natuurkundigen de afgelopen jaren de handen ineen met sterrenkundigen om het grootste experiment aller tijden te kunnen gebruiken: het Heelal zelf.

Het Heelal als vergrootglas

Terwijl het Heelal zich nu uitstrekt over miljarden lichtjaren, was het in vroeger tijden vele malen kleiner. Volgens de inflatietheorie komt alle structuur in het Heelal voort uit een periode vlak na de Oerknal, zo’n 14 miljard jaar geleden. De typische schaalgrootte was toen slechts zo’n 10^-31 meter – wat niet zo veel scheelt met de Planck lengte.

Kleine quantumfluctuaties konden zich tijdens inflatie ontwikkelen tot macroscopische patronen, die vervolgens aan de wieg stonden van het ontstaan van alle structuur van het Heelal, waaronder sterrenstelsels en clusters. Het heelal heeft dus als een enorm vergrootglas gewerkt: de allerkleinste fluctuaties zijn tijdens 14 miljard jaar uitgegroeid tot de allergrootste structuren!

Al met al een aardig succesvol voorbeeld van schaalvergroting, nietwaar?

Diederik Roest is theoretisch natuurkundige aan de RUG en dit jaar verkozen tot lid van de Jonge Akademie. Deze opinie verscheen eerder op de website voor wetenschapsnieuws Sciencepalooza.