Reflecties door Frank Verstraete (reto 1990)

Zes jaren Latijn-Grieks hadden ons duidelijk gemaakt: filosofie en literatuur zijn hetgeen een mens tot mens maakt, sporten doen we om een gezonde geest te hebben, en technische zaken zijn alledaagse beslommeringen die we moeten overlaten aan het plebs. Jan Vandenbulcke, met zijn passie om de betekenis van het Dasein, was voor retorica 1990 de belichaming van dit Griekse ideaalbeeld. We droomden gezamenlijk om deelachtig te worden van zijn intellectuele bevrediging om de diepere waarheid en schoonheid te ontdekken.
Ikzelf vond die passie in de wiskunde en de natuurkunde. Wiskunde is de taal van de natuur, en het is een ongelofelijk mirakel hoe effectief die taal is om natuurwetten te beschrijven en voorspellingen te maken. Door wiskundig het traject te beschrijven van een vallende appel, kon Newton verklaren hoe planeten rond de zon draaien. Door het oplossen van de Schrödinger vergelijking voor het waterstofatoom kon plots de volledige periodieke tabel van Mendeleev verklaard worden. Door te begrijpen hoe fotonen interageren met materie was het plots mogelijk om een laser te maken, die nu de backbone vormt van alle communicatie wereldwijd.
Die voorspellingskracht volgt uit het centrale begrip van symmetrie. Symmetrie is de centrale reden waarom fysica hoegenaamd mogelijk is, en zorgt tegelijkertijd voor de fantastische schoonheid die in die fysica verborgen ligt. Alle grote doorbraken in de fysica zijn in essentie ontdekkingen van nieuwe manieren waarop symmetrieën zich kunnen manifesteren in de natuur.
Symmetrieën waren al alomtegenwoordig bij de Oude Grieken, waar de epicycles van Ptolemaeus de perfecte sferische symmetrie van het heelal moesten voorstellen. De grote doorbraak kwam er met Galilei, Newton en later Hamilton en Noëther, die begrepen dat symmetrieën zich op een veel subtielere en niet triviale manier manifesteren: uit het feit dat alle natuurwetten symmetrisch of invariant zijn in de tijd, volgt niet dat de wereld statisch is maar enkel dat energie behouden blijft. Symmetrieën leiden tot behoudswetten, en het opleggen van die symmetrieën in de wiskundige formulering van de fysica is zodanig restrictief dat de wetten van de fysica essentieel uniek worden. En de enige consistente manier waarop deze wetten en corresponderende symmetrieën kunnen geformuleerd worden is de quantum mechanica, de ruggengraat van alle moderne fysica.
Het opleggen van de sferische symmetrie voor een atoom leidt direct tot het begrip van sferische harmonieken en het feit dat alle atomen geclassificeerd kunnen worden in groepen van 2, 8, 18 en 32 elementen zoals in de periodieke tabel van Mendeleev. Het ontdekken van Lorentz invariantie, de fundamentele symmetrie in electromagnetisme, heeft geleid tot de relativiteitstheorie van Einstein en het voorspellen van anti-materie. Supergeleiding wordt verklaard aan de hand van de periodiciteit of symmetrie van de functie exp(2πi.x). Dasein van het Higg’s deeltje volgt direct uit het feit dat zijn existentie de enige manier is om een SU(2)xU(1) symmetrie te realiseren in de fundamentele natuurwetten.
Mijn eigen onderzoek bestaat er voor een groot stuk uit nieuwe symmetrieën te ontdekken in exotische kwantum-veel-deeltjes-systemen. Deze symmetrieën worden beschreven door zogenaamde cohomologie-groepen, en leiden tot een volledige classificatie van alle mogelijke quantumfasen van de materie (zoals water en ijs in het klassieke geval). Deze exotische fasen hebben het potentieel te leiden tot technologische toepassingen zoals kamertemperatuur supergeleiders en quantum computers. Ze vormen de basis van de nieuwe quantumtechnologie die sinds kort prominent onderzocht wordt in de onderzoekslaboratoria van alle grote technologiebedrijven zoals IBM, Google en Microsoft.
Mijn boodschap aan de jonge studenten: studeer Latijn en Grieks om de passie en drang naar schoonheid van binnenuit te beleven, en studeer dan wiskunde en fysica om de fantastische schoonheid en symmetrieën van onze wereld te ontdekken. Het geeft enorm veel voldoening om natuurwetten en symmetrieën te bestuderen en te ontdekken, zeker als die ook een impact kunnen hebben op onze toekomstige technologie. Zoals Jan Vandenbulcke ons demonstreerde: de luxe om van je hobby je beroep te maken is onbetaalbaar.

Frank Verstraete (retorica 1990)
Professor in de Natuurkunde aan de Universiteit Gent en Universiteit Wenen. Zijn onderzoeksdomein situeert zich in de theoretische fysica, en hij is gespecialiseerd op het gebied van kwantumverstrengeling, kwantumcomputing en sterk gecorreleerde veeldeeltjessystemen.