John A. Wheeler

Vandaag, 109 jaar geleden werd één van de meest invloedrijke fysici van de 20e eeuw geboren in een dorpje in Florida. John  Archibald Wheeler, bommenmaker, ongeëvenaard leraar, relativiteitsgoeroe en woordensmeder is de oudste zoon van twee bibliothecarissen. Vader Joseph Wheeler nam boeken mee naar huis die de familie moest lezen, om dan vervolgens te beslissen of het de moeite waard was om ze al dan niet aan te kopen voor de bibliotheek. Het zal dan ook niet verbazen dat “Johnny” al van jongsafaan verslaafd raakte aan wetenschappelijke lectuur. 

Wanneer Johnny 15 is, begint hij te studeren voor burgerlijk ingenieur aan de Johns Hopkins universiteit in Baltimore, maar zag – gelukkig – al snel het licht en besloot een doctoraat te doen in de fysica: het toepassen van de dan vrij nieuwe kwantumtheorie op de verstrooiing en absorptie van heliumatomen. Toen hij dit in 1933 afrondde op 21-jarige leeftijd, vertrok Wheeler voor een jaar naar New York om te werken onder Gregory Breit, waarmee hij het proces beschrijft waarin een elektron-positron paar wordt gevormd uit de botsing van twee fotonen. Het is ook tijdens dat jaar in New York dat Johnny op slag verliefd wordt op Janette Heghner op een dansfeest. Na slechts drie dates besluiten ze al te verloven. Echter, het huwelijk vond pas plaats anderhalf jaar later, omdat Johnny een jaar in Europa zou doorbrengen.

Alles is deeltjes

Links: John Wheeler als postdoc van Niels Bohr in Kopenhagen, 1934. Midden: Niels Bohr, vader van de kwantumfysica. Rechts: Het vloeistofdruppelmodel van atoomkernen, een beschrijving waarin kerndeeltjes (neutronen en protonen) zich gedragen als moleculen in een druppel vloeistof. Als je voldoende energie toevoegt (door bvb. een neutron af te schieten op een kern), zal de sferische kern worden vervormd tot een soort pindavorm, waarna het in twee wordt gesplitst en een hoeveelheid energie, de ‘bindingsenergie’, wordt vrijgelaten. Dit vrij ruw model is in staat heel wat eigenschappen van atoomkernen correct te beschrijven, zoals bvb. die bindingsenergie.

Wheeler kreeg namelijk de kans om in 1934 een jaar in Kopenhagen bij Niels Bohr te werken, op dat moment naast Einstein de beroemdste fysicus op de planeet. Iets dat hij natuurlijk niet zou afslaan. Bohr werd Wheeler’s leermeester, zoals Wheeler dat later voor velen ook zou zijn. Na dat jaar kan Johnny eindelijk trouwen met Janette en gaat hij drie jaar aan de slag als assistent-professor aan de universiteit van North Carolina in Chaphill. In 1938 krijgt hij een positie vast als hoogleraar in Princeton, waar Einstein op dat moment zat te mokken over de niet-deterministische wegen die de fysica aan het inslagen was. Bohr plande het jaar erop een reis naar de VS om met Einstein te gaan discussiëren over de grondslagen van de kwantummechanica. Daar kwam helaas niet veel van in huis, omdat Bohr net voor zijn vertrek uit Kopenhagen geïnformeerd werd over het succes van twee Duitse wetenschappers, Otto Hahn en Fritz Strassmann, om uraniumatomen te splitsen, door er ‘trage’ neutronen op af te vuren.

Met het opkomende nazisme in Europa kon men niet bij de pakken blijven zitten. Op een gecontroleerde manier atomen splijten, kon enórme hoeveelheden energie opleveren. Gelukkig wisten Hahn en Strassmann niet echt wat er gaande was, en hadden ze eigenlijk eerder per toeval uranium kunnen splitsen. Iets dat Bohr absoluut wél wilde doen, en daarvoor had hij John Wheeler nodig. Samen ontwikkelden ze verder het vloeistofdruppelmodel van atoomkernen (zie figuur hierboven), zoals dat eind jaren ’30 door George Gamow was voorgesteld. Op die manier kwamen ze erachter dat een atoomkern splijt van zodra een bepaalde energiebarrière werd overschreden. Ook ontdekten ze dat de zeldzame isotoop 235U van uranium (die slechts voor 0,7 % is vertegenwoordigd in natuurlijk uranium) verantwoordelijk is voor kernsplijting via trage neutronen. Dit geeft meteen één van de twee methoden om een atoombom te maken: scheid de 235U van het uranium om een puur explosieve massa te verkrijgen. 

 

Links: De drie isotopen van waterstof. Het ordinaire waterstof bevat één proton en één elektron, dat is het simpelste atoom dat er bestaat. Isotopen van een element ontstaan door neutrale neutronen toe te voegen. Zo bestaat deuterium, of ‘zwaar water’ uit een proton, een neutron en een elektron. Rechts: Elk element komt in de natuur voor in verschillende isotopen. Een element wordt steeds genoemd naar het aantal protonen (Z). Zo heeft waterstof Z=1. In het diagram kan je voor elke Z een verticale lijn trekken met verschillend aantal neutronen (N): dit zijn de isotopen van het element. De kleurencode toont hoe snel een isotoop vervalt. De stabiele isotopen komen het meeste voor, dit is weergegeven door de donkerrood-zwarte kleur.

Hun paper “The Mechanism of Nuclear Fission” werd gepubliceerd op 1 september 1939, de dag dat Hitler Polen binnenviel en Frankrijk en Groot-Brittanië de oorlog verklaarden aan Duitsland. Het maakte Wheeler op 28-jarige leeftijd wereldberoemd onder nucleaire fysici. Niet veel later stuurde Einstein in samenwerking met Bohr, Wheeler en Edward Teller zijn beroemde brief naar president Roosevelt om hem te waarschuwen voor de Duitse inspanningen om een atoombom te maken.

Over project Manhattan hebben we ondertussen al genoeg geschreven (zie Feynman, Oppenheimer en Alvarez). Wheeler vervoegde dit clubje de volgende vijf jaar van zijn leven. In tegenstelling tot vele andere fysici (zoals degenen hierboven genoemd), had Wheeler geen spijt van zijn deelname aan dit project en de resulterende dood (en ziekte) van honderdduizenden burgers. Hij was zelfs van mening dat “de atoombom vroeger klaar had moeten zijn, zodat de oorlog vroeger gestopt zou kunnen zijn”. Deze uitspraak was voor John heel emotioneel beladen; achter zijn schijnbare opgewektheid school sinds de dood van zijn broer Joe aan het front in Italië in 1944 een diepe droefheid. De laatste woorden van Joe waren een postkaartje met “Hurry up”, om hem aan te sporen door te zetten met zijn inzet om de oorlog zo snel mogelijk te beëindigen – op een hardhandige manier weliswaar.

De explosie van Ivy Mike op het eiland Enewetak Atoll, één van de Marshall Islands in de Stille Oceaan. In deze ‘waterstofbom’ wordt een groot deel van de explosieve energie verkregen door de kernfusie van waterstofatomen tot helium. Hiervoor worden gewoonlijk de isotopen deuterium en tritium gebruikt (twee en drie neutronen respectievelijk). Men noemt dit soms ook een ‘thermonucleair wapen’ omdat een heel hoge temperatuur vereist is om het fusieproces te starten. Die temperatuur kan enkel bereikt worden door een op kernsplijting gebaseerde atoombom, vandaar dat de fall-out ook bij waterstofbommen immens is. De kracht van Ivy Mike (equivalent aan 10 megaton TNT) was groter dan alle geallieerde bommen in de Tweede Wereldoorlog samen.

Zelfs na de oorlog bleef John zich inzetten voor het atoombomproject. Na de ontploffing van Joe-1 in 1949 door de Sovjet Unie, ontstond er een grote paniek in de VS door een ándere grootmacht met nucleaire wapens. Samen met Edward Teller werkte John Wheeler begin jaren ’50 aan de nog veel krachtigere waterstofbom onder de naam ‘Project Matterhorn’; dit bracht hem in diep moreel conflict met Einstein, Bohr, Oppenheimer… De inspanningen van Matterhorn B [1] werden in 1953 bekroond met het succes van de Ivy Mike nucleaire test. Na dit nationalistisch intermezzo was het voor Wheeler tijd om verder te gaan met zijn academische carrière.

Alles is velden

Wheeler gooide het terug in Princeton over een andere boeg. Zijn drijfveren waren altijd al filosofisch: hij wilde de grote, overkoepelende vragen in de fysica beantwoorden. De origine van materie, van informatie en het Universum. Met de opkomst van kwantumveldentheorie was het voor Wheeler duidelijk: de fundamentele entiteiten in het Universum zijn velden. Er was echter nog iets dat miste: zwaartekracht. Tot de jaren ’50 werd de zwaartekrachtstheorie van Einstein, de ‘algemene relativiteitstheorie’, niet gezien als een respectabel onderzoeksgebied in de fysica, omdat het compleet onttrokken was van het experiment. Wheeler, geïnspireerd door Einsteins ‘geünificeerde veldentheorie’-obsessie in Princeton, besloot een vak te geven over Einsteiniaanse zwaartekracht. In zijn woorden:

If you want to learn, teach.

Wheeler gaf altijd zeer hoge prioriteit aan het lesgeven. Niet in het minst omdat hij er zelf het meeste van leerde. Hij bleef, zelfs nadat hij een wereldberoemd fysicus was, bachelorvakken onderwijzen, ervan overtuigd dat de jonge geesten het belangrijkst zijn. Hij begeleidde maar liefst 46 doctoraten in Princeton, wat zeer opmerkelijk is voor een theoretische onderzoeksgroep. En onder zijn studenten niet de minste: Kip Thorne, Richard Feynman, Jacob Bekenstein, Hugh Everett (je weet wel, die van de many-worlds interpretatie van de kwantummechanica)…

John’s typische stijl: voor de les begon, tekende hij een heel krijtbord vol in alle mogelijke kleuren. Tijdens de les baant hij zich samen met zijn studenten doorheen al de tekeningen.

John Wheeler himself zorgde voor een ware paradigmaverschuiving waarin de algemene relativiteitstheorie echt serieus werd genomen. Alles wat we weten over zwarte gaten en wormgaten (zie Black Holes and Time Warps), en dan voornamelijk het ‘gouden tijdperk’ in de jaren ’60 wat betreft zwarte gaten, is in gang gezet door Wheeler. Sterker nog, hij is de bedenker van al die woorden. John Wheeler maakte er een sport van in het oog springende termen te verzinnen voor fysisch jargon. Zonder John Wheeler zouden we vandaag de dag misschien nog steeds spreken van ‘gravitationeel compleet ineengestorte objecten’, en zouden zwarte gaten science fiction nooit bereikt hebben.

Wanneer Einstein in 1958 sterft, ziet Wheeler het als zijn taak Einstein’s unificerende droom verder te zetten, en zo werd hij tevens een pionier in het onderzoeksgebied van kwantumgravitatie. Samen met Bryce DeWitt ontwikkelde hij de fameuze ‘Wheeler-DeWhitt vergelijking’, wat Hawking later de vergelijking noemde die de ‘golffunctie van het Universum beschrijft’. Wheeler had al snel door dat de oneindige dichtheid/kromming-singulariteiten in een zwart gat een goed huwelijk tussen de algemene relativiteitstheorie en de kwantummechanica vereisen (dat er tot op de dag van vandaag nog steeds niet is). Nog één van zijn meer catchy termen is kwantumschuim, m.a.w. de ruimtetijd in het sub-atomair regime ziet er een beetje uit als het oppervlak van je pint bier: er worden continu wormgaten gecreëerd en geannihileerd door kwantummechanische fluctuaties.

Voor een kwantumfysicus bestaat er niet zoiets als absoluut lege, gladde ruimte, er is enkel ‘kwantumschuim’: fluctuaties van de ruimtetijdsgeometrie op de ‘Planckschaal‘ (een ander Wheeler-woord).  De ‘Plancklengte’ komt overeen met ongeveer 10-35 m. Even ter vergelijking: de verhouding tussen het zichtbare Universum en mensen is kleiner dan de verhouding tussen mensen en deze lengte. Denk aan wanneer je vanuit een vliegtuig naar de oceaan kijkt. Die ziet er op het eerste zicht zeer gladgestreken uit; wanneer je echter van veel dichterbij gaat kijken vind je allerhande schuimkoppen en rimpelingen in het water.

Alles is informatie

Na 40 jaar in Princeton moet Wheeler op 70-jarige leeftijd verplicht op pensioen – of ’emeritaat’ in academische termen. Dat ziet Johnny echter helemaal nog niet zitten, want dat zou betekenen dat hij  geen les meer mag geven, tenzij op speciale gelegenheden. Voor Wheeler was een leven zonder studenten geen optie. Hij verhuist in 1976 naar de Universiteit van Texas, waar ze geen verplichte pensioenleeftijd hebben. In Texas werd zijn voornaamste interesse iets dat hem al bezig hield van tijdens zijn periode bij Bohr 40 jaar geleden: het kwantummeetprobleem. Het feit dat onzekerheid ‘ineenstort’ tot zekerheid op het moment dat we meten. Iets dat niet geprogrammeerd is in de vergelijkingen van de kwantummechanica. Samen met zijn studenten William Wooters (die aantoonde dat een kwantumtoestand niet gekloond kan worden) en David Deutsch (die de mogelijkheid van een universele kwantumcomputer aantoonde), kickstartte hij het onderzoeksgebied van kwantuminformatietheorie. Niet in die zin dat Wheeler hierover per se baanbrekende papers publiceerde. Zijn rol was voornamelijk inspirerend; door diepe vragen te stellen en bekende fysica te pushen in gebieden waar het zou kunnen falen. In zijn woorden:

“It from bit. Otherwise put, every it – every particle, every field of force, even the space-time continuum itself ) derives its function, its meaning, its very existence entirely – even if in some contexts indirectly – from the apparatus-elicited answers to yes-or-no questions, binary choices, bits. “

Informatie, ‘bit’, als fundament van het Universum, ‘it’, net zoals het dat is voor computers. Dat is wat Wheeler in gedachten had. Wheeler’s grote ideeën over het Universum ontwikkelde hij na een beroemd gedachtenexperiment: het uitgesteldekeuze-tweespletenexperiment. Een uitgebreide uiteenzetting van dit experiment zou ons te ver leiden – en is ongetwijfeld voer voor een boeiende #quantumgroup-post -, maar essentieel komt het hierop neer: in het experiment verandert de keuze van de experimentator om iets specifiek te meten, de gehele geschiedenis van het experiment! Het Universum is een soort circuit wiens volledige bestaan en geschiedenis bepaald is door metingen, metingen in het heden kunnen als het ware een ‘verleden’ construeren.

Het is alsof het Universum enkel kan bestaan door bewuste wezens die er metingen opdoen, die waarnemen. Dit is Wheeler’s versie van het antropisch principe. 

Links: John en zijn vrouw Janette in High Island, in Maine, waar ze de meeste van hun zomers spendeerden. In 1957 kochten John en Janette een deel van het eiland, en het werd een ideaal toevluchtsoord. Er was voldoende plaats voor bezoekende studenten en collega’s, die kwamen om te werken en/of te discussiëren met John, om er een lange tijd te verblijven. Zo spendeerde Kip Thorne eens een zomer met zijn gezin op High Island om samen met John aan een boek te schrijven. Rechts:  Wheeler op latere leeftijd terug in Princeton.

Na een ongezien rijke en veelomvattende academische carrière gaat Wheeler in 1986 op 75-jarige leeftijd dan toch maar op emeritaat. Nú kon hij met een gerust hart terug naar Princeton gaan, waar hij nog 20 jaar een eigen bureau had. In 2007 verloor Wheeler zijn vrouw na een ruim zeventigjarig (!) huwelijk. Janette bereikte de gezegende leeftijd van maar liefst 99. Een half jaar later komt ook John te overlijden aan een longonsteking, op 96-jarige leeftijd.

[1] De ‘B’ staat voor ‘bomb’, de sectie waar Wheeler twee jaar directeur van was. Het andere luik van Project Matterhorn betrof het gebruik van kernfusie voor elektriciteitsvoorziening; dit gebeurde in Matterhorn S. De ‘S’ komt van het woord ‘Stellarator’, één van Wheeler’s gesmede woorden om de analogie met een kernfusiereactor en de krachtbron van sterren vast te leggen. De Stellarator is de voorloper van de huidige Tokamak.

Bronnen:

 

door Bastiaan Aelbrecht