Als er iemand enthousiast, bevlogen en vol overgave over de natuurkunde kon praten, dan was het Richard Feynman. De colleges van de Amerikaan zijn wereldberoemd. Als fysicus bouwde hij de net nieuwe quantumtheorie verder uit met de quantumelektrodynamica. Kennislink vroeg de flamboyante natuurkundige of hij dit in een ‘fictief interview’ wilde uitleggen.
Een wonderkind, een snotaap, een Nobelprijswinnaar en een nationale held: Richard Feynman (1918 – 1988) was het allemaal. Zijn bijdragen aan de natuurkunde – op het gebied van de interacties tussen de kleinste deeltjes die er zijn – waren van grote waarde. Hij had een onvoorwaardelijke liefde voor de natuurkunde en kon er vol passie over vertellen.
Feynman liep over van de ideeën en amuseerde velen met zijn levendige verschijning. Hij was ook een brandkastkraker, een bongospeler en een rokkenjager. De ‘playboy-geleerde’ werkte mee aan het Manhattanproject en ontrafelde de explosie van de Challenger. Hij was zeer bereid met Kennislink te praten over zijn indrukwekkende carrière.
Richard Feynman werd ook beroemd vanwege zijn bezigheden ‘buiten’ de wetenschap…
The Nobel Foundation via publiek domeinMister Feynman, wat een eer u te spreken! De dame die zojuist uw hotelkamer verliet moeten we maar even negeren? “Haha, oh well, het is inmiddels toch wel bekend dat ik in mijn leven de nodige avonturen heb beleefd. De ‘playboy-geleerde’ noemden ze me gekscherend in mijn tijd op Cornell University. Ik kwam in dubieuze clubs in Las Vegas, waar natuurkundeprofessoren nooit kwamen. Er gingen wel regelmatig vrouwen mee naar huis ja, ik heb veel liefdesrelaties gehad. Maar nu ik getrouwd ben met Gweneth (zijn derde vrouw, red.) is mijn leven rustig. Mijn eerste en enige echt grote liefde was Arline. Zij stierf veel te vroeg, aan tuberculose.”
Uw grootste passie was uiteindelijk toch altijd de wetenschap. Waar komt die passie vandaan? “Dat heb ik van mijn vader Melville. Hij was helemaal weg van wetenschap. Toen mijn moeder Lucille zwanger was van mij, had hij al gezegd: ‘Als het een jongen is, zal hij wetenschapper worden.’ Daar heeft hij dan ook zijn best voor gedaan, haha (lacht breeduit, red.). Hij leerde me van alles, over hoe de natuur in elkaar zit en wat er achter verschijnselen zit.
Hij nam me vaak mee naar het museum, las me voor uit de Encyclopedaedia Brittanica en tijdens wandelingen liet hij van alles in de natuur zien. Mijn vader heeft nooit druk uitgeoefend op me om wetenschapper te worden, maar juist door zijn fijne gesprekken raakte ik gemotiveerd voor de wetenschap. En toevallig kwam het zo uit dat ik het best was in natuurkunde (zegt hij met een grijns, red.). Die humor, die heb ik van mijn moeder."
U was goed in natuurkunde op school? “Ja, op de middelbare school deed ik in de eerste klas al met algebralessen van de hoogste klas mee. Ik was enorm geprikkeld om kennis op te doen en problemen op te lossen. Ik was bijzonder nieuwsgierig, toen al. Thuis bekeek ik beestjes onder de microscoop of knutselde ik aan apparaten. Het plezier dat ik daarin had was mijn drive om de wereld te ontdekken.
In mijn laatste jaar aan de middelbare school kreeg ik les van Abram Bader. Na één van zijn lessen riep hij me bij zich en zei dat hij iets interessants wilde vertellen. Hij gaf me een wiskundeboek voor gevorderden en vertelde me over het principe van de minimale actie. Dat bleef me altijd fascineren en stond aan de basis van mijn werk aan quantumelectrodynamica (QED)."
De ‘vreemde theorie van licht en materie’, zoals u het noemde. Kunt u vertellen hoe u daaraan begon? “Ik was met mijn promotie-onderzoek bezig aan MIT en mijn begeleider John Wheeler legde me – zoals hij wel vaker deed – een probleem voor. Maar dit keer had ik er veel moeite mee. Het ging om hoe een elektron interactie met zichzelf heeft. Dat probleem was relevant, omdat men op dat moment aan het zoeken was naar een quantumtheorie voor elektriciteit en magnetisme. Kijk, Maxwell had met zijn vergelijkingen de klassieke situatie beschreven van elektromagnetisme. Maar nu net de quantummechanica geboren was in de jaren twintig – en gebleken was dat deeltjes als elektronen en protonen zich aan hele andere wetten houden dan we dachten – zocht men naar een manier om die elektromagnetisme van Maxwell in een ‘quantumjasje’ te steken: de quantumelektrodynamica.
En hoe past het probleem van een elektron dat interactie heeft met zichzelf hierin? “Geduld, geduld. Ik leg het uit. Mijn grote held Paul Dirac had in 1928 een eerste stap gezet naar de QED. Hij had een vergelijking bedacht – de Dirac-vergelijking – waarmee je interactie van lading met elektromagnetische velden kon beschrijven, maar zodanig dat deze aan de speciale relativiteitstheorie van Einstein én de Schrödingervergelijking, zeg maar de basisformule voor quantumdeeltjes, voldeed. Het probleem was dat er ‘oneindigheden’ in sommige oplossingen van de Dirac-vergelijking opdoken. Zo is de elektrische kracht die een elektron uitoefent op een ander deeltje omgekeerd evenredig met de afstand tot dat deeltje. Maar in het elektron zelf – we beschrijven elektronen als een ‘punt’ – is de afstand nul en gaat de kracht naar oneindig! Dat kon niet, dus volgens Dirac hadden we een ‘radicaal nieuw idee’ nodig voor de interactie van een elektron met zichzelf.”
De Engelsman Paul Dirac kreeg in 1933 de Nobelprijs voor zijn werk aan de quantummechanica. Het was een verlegen, introverte man.
Wikimedia CommonsHad u zo’n ‘radicaal nieuwe idee’? “Nou ja, (kijkt ongemakkelijk weg, red.) eigenlijk wel. Ik ging ervan uit dat een elektron geen invloed op zichzelf uitoefent, maar alleen op andere ladingen. Dat leidde weer tot andere problemen die nu te ver gaan om uit te leggen. Al met al zorgde het ervoor dat ik het concept van een elektromagnetisch veld losliet. Ik vormde het beeld dat een lading een kracht uitoefent op een andere lading, zonder veld daartussen. Een kracht ‘op afstand’ zeg maar. Snap je het nog? Het is lastig, ik weet het, maar houd vol!
Met mijn begeleider John sloeg ik aan het rekenen en we ontdekten dat ons idee van een kracht op afstand is te formuleren in termen van ‘actie’ – dat zegt iets over hoeveel een beweging kost aan energie. Als een lading een kracht uitoefent op een ander deeltje gaat dit altijd met de minimale actie, het principe van de minimale actie noemt men dat. Wat bleek nu: de minimale actie van een geladen deeltje is altijd exact de beweging die de vergelijkingen van Maxwell voorspellen. Oftewel: we hadden een nieuwe beschrijving gemaakt van de klassieke elektrodynamica, maar niet in termen van velden, maar in termen van krachten op afstand."
Aha, dus nu was het zaak om hiervan een ‘quantumversie’ te maken? “Precies, very good! Dat was niet makkelijk, want omdat ik een andere, onconventionele beschrijving had, kon ik ook niet de ‘normale’ regels voor kwantiseren toepassen. Een artikel van Dirac uit 1933 hielp me op weg. Hierin stond een wiskundige functie beschreven die zegt hoe een quantumtoestand verandert, ofwel wat de beweging is van een deeltje bijvoorbeeld. Omdat de functie juist over de totale beweging ging van een deeltje, en niet alleen om de positie op één bepaald moment, kon ik dit gebruiken.
De functie geeft een waarschijnlijkheid voor hoe een quantumtoestand verandert, dus wat de kans is dat een deeltje een bepaalde weg neemt. In die waarschijnlijkheid zit de actie verborgen. Herinner je je die term nog? Nu, let op: je kunt iets zeggen over de totale beweging van een deeltje – bijvoorbeeld tussen twee punten – als je de waarschijnlijkheden voor elke mogelijke route tussen die punten optelt. Ik ontwierp een wiskundige manier om dat te doen, de padintegraal. Nu is de grap: in de klassieke situatie berekent de padintegraal de beweging met de minimale actie. In de ‘quantumsituatie’ krijg je de kans dat een deeltje een bepaalde beweging gaat maken. De formule is equivalent aan de Schrödingervergelijking en bovendien is het makkelijker rekenenen!"
Een deeltje kan tussen A en B meerdere routes nemen. Voor iedere route geldt een kans dat het deeltje juist die route neemt. Die kansen ‘opgeteld’ zeggen iets over de kans dat een deeltje van A naar B beweegt. Dat bereken je met een padintegraal.
Wikimedia CommonsWe laten het even bezinken. U moest het onderwerp na uw promotie ook even loslaten, vanwege het Manhattanproject. In onze serie zeiden Albert Einstein en Niels Bohr dat ze zo weinig mogelijk met het Manhattanproject te maken wilde hebben. U werkte volop mee. Vertelt u eens over die periode. “Eigenlijk wilde ik niet meedoen, toen Robert Wilson me vroeg voor een geheim onderzoek naar de atoombom. Ik wilde me nog concentreren op mijn proefschrift en Arline was erg ziek geworden. Maar toen ik nadacht over het idee dat de Duitsers een atoombom zouden ontwikkelen, vond ik dat zo vreselijk dat ik toch maar besloot mee te doen.
Ik verhuisde in maart 1943 naar Los Alamos. Daar heb ik trouwens een mooi verhaal over. Ons was afgeraden om een treinkaartje op het station in Princeton te kopen. Er waren namelijk daarvandaan al veel kisten met materieel en instrumenten opgestuurd naar Los Alamos en we wilden niet het risico lopen dat er teveel aandacht op dit – onbeduidende – plaatsje gevestigd werd. Maar ik dacht: als iedereen zich daaraan houdt, kan ik mijn kaartje zonder problemen wél in Princeton kopen. Waarop de vrouw achter het loket daar tegen mij zei: ‘Oh, dan is al dat materiaal dus van u!’
Afijn, Arline bracht ik onder in een ziekenhuis in Alberquerque, zo’n 150 kilometer van Los Alamos. Elk weekend bezocht ik haar en ik stuurde dagelijks brieven. Dat was een fijne afleiding van het werk. Mijn werk in Los Alamos was divers: berekeningen en modellen maken en machines in elkaar zetten of repareren. Ook vond ik een uitdaging in het opsporen van zwakheden in de organisatie van het project. Ik maakte een sport van het openbreken van brandkasten, waardoor ik al gauw als inbreker te boek stond!"
Het Los Alamos National Laboratory zoals het er tegenwoordig bij ligt.
Wikimedia CommonsIn de zomer van 1945 vindt de Trinity Test plaats, de succesvolle test van jullie atoombom. Was u daarbij? “Ja, maar net op tijd. Arline was een maand daarvoor helaas overleden. Ik kreeg vakantie, maar toen ik van Hans Bethe (de leider van zijn afdeling, red.) hoorde ‘dat het kind geboren zou worden’ ben ik direct naar Los Alamos terug gereisd. We gingen met een bus naar een punt – point zero – om de explosie te bekijken. Iedereen deed een zonnebril op, behalve ik. Ik verschool me achter de jeep. Zodoende kon ik met het blote oog de enorme oranje bol zien en de lichtflitsen uit het centrum.
Deze test was het eerste moment om te zien of onze voorspellingen klopten. De ontlading was dan ook enorm. Opgelucht dat ons werk niet voor niets was geweest. Ik kon het niet laten uitbundig op een tamboerijn te slaan, de spanning was me bijna teveel geworden!"
Vond u het niet vreselijk wat u had gebouwd? “Op dat moment was ik echt enthousiast dat de test was geslaagd, maar toen ik het resultaat zag in Japan was ik erg bedroefd. Ik heb er lang last van gehad. Ik stelde me voor wat de gevolgen zouden zijn als zo’n bom op New York zou vallen, vreselijk.”
De test van de atoombom ‘Trinity’ gaf groen licht voor het gooien van twee bommen op Hiroshima (6 augustus) en Nagasaki (9 augustus 1945).
Wikimedia Commons, Jack W. Aeby via pulbiek domienTot zover de oorlog, terug naar de quantumfysica. U begon als hoogleraar aan Cornell University en pikte de draad weer op? “Inderdaad, ik combineerde mijn onderzoek met les geven – iets wat ik erg leuk vond! Ik was net bezig met het schrijven van een artikel over mijn padintegralen-methode, toen een conferentie plaatsvond in Shelter Island. Ik heb nog veel conferenties meegemaakt, maar geen enkele was zo belangrijk als deze. Hier presenteerden Willis Lamb en Isidor Rabi experimenten waaruit bleek dat de theorie van Dirac op een bepaald onderdeel niet helemaal klopte. “Ik wist dat ik dit met mijn methode kon oplossen, alleen had ik nog niet eerder mijn methode op de gebruikelijke elektrodynamica – die uitgaat van velden – toegepast. Het kostte me een paar maanden hard werken en toen had ik de complete theorie op papier. Ik kon de nieuwe experimentele resultaten van Lamb en Rabi ook verklaren. Ik had het alleen nog niet gepubliceerd. Helaas bleek dat ik niet de enige was met een succesvolle oplossing!”
Deelnemers aan de conferentie van Shelter Island, met v.l.n.r.: Rabi, Pauling, van Vleck, Lamb, Breit, MacInnes, Darrow, Uhlenbeck, Schwinger, Teller, Rossi, Nordsieck, von Neumann, Wheeler, Bethe, Serber, Marshak, Pais, Oppenheimer, Bohm, Feynman, Weiskopf en Fesnach.
Wie was uw concurrent? " Julian Schwinger, op dat moment – in tegenstelling tot mijzelf – een bekende naam. Hij had een nieuwe formulering van de QED ontwikkeld, uitgaande van de gebruikelijke veldentheorie. Hij presenteerde het tijdens een conferentie in 1948. Het bevatte echter één klein foutje en ik was zo brutaal hem daarop te wijzen. In mijn theorie klopte het wel. Je zag het publiek denken: wat denkt die snotaap wel tegen de ‘grote Julian Schwinger’?
Ik heb op een volgende conferentie mijn methode gepresenteerd, maar ik maakte de fout teveel op de wiskundige aspecten te richten. Die waren juist zo atypisch en nog niet helemaal geperfectioneerd, dat het publiek niet overtuigd was. Terwijl: ik kon uit mijn theorie regels opstellen, waarmee je heel eenvoudig kon rekenen aan verschijnselen in de QED, zoals wisselwerking tussen elektronen en fotonen. Wat ik nodig had was een manier om dat duidelijk te maken."
U kreeg hulp uit onverwachte hoek… “Van mijn collega Freeman Dyson! Hij zag in dat de kleine tekeningetjes die ik mijn artikelen gebruikte – diagrammen – erg geschikt waren als visuele weergave van de regels die ik had opgesteld. Met behulp van deze diagrammen kon iedereen eenvoudig rekenen aan QED. Dankzij Dyson raakte het bij iedereen bekend, hij promootte het op elk congres! Gelukkig, want er bleek nog een derde formulering van de QED rond te zoemen, van de Japanner Sinichiro Tomonaga. Uiteindelijk kregen we met zijn drieën – Schwinger, Tomonaga en ik – de Nobelprijs voor onze beschrijving van de QED.”
Feynmandiagrammen
Met werd het veel makkelijker om aan processen in de QED – zoals de invloed van een veld op een deeltje – te rekenen. In een diagram stellen de pijltjes deeltjes voor en golfjes, krulletjes of streepjes de krachten. Op de knooppunten vindt interactie plaats. In het plaatje hier links gaat de tijd van onder naar boven. Het beschrijft het proces waarbij twee elektronen een foton uitwisselen: het ene elektron zendt een foton uit dat door het andere elektron wordt geabsorbeerd.
Een voorbeeld van een Feynmandiagram.
Wikimedia CommonsNaast uw onderzoek kreeg u internationale bekendheid met uw enthousiaste manier van lesgeven. “Onderwijs was een grote passie. Weet je: de collegezaal is een soort theater en als professor ben je een acteur. Je moet je publiek entertainen. Maar mijn plezier zat niet in het maken van een enerverend schouwspel, ik wilde de liefde voor mijn vak overbrengen. Die jongelui net zo nieuwsgierig maken als ik! Ik zocht naar concrete voorbeelden. In de boeken stonden vaak definities die studenten uit hun hoofd leerden. Maar begrepen ze hoe ze het moesten toepassen? Welnee! Van namen en definities leer je niets, het gaat om dat je weet wat iets doet.”
Feynman entertaint zijn publiek tijdens zijn les. Een collegereeks is door de BBC opgenomen en die is online terug te zien.
American Institute of PhysicsUw methode sloeg aan. Uw colleges op California Institute of Technology (Caltech) zullen niet snel vergeten worden. “Dat was geweldig leuk om te doen. Matthew Sands, een collega op Caltech, wilde het onderwijsprogramma voor natuurkunde verbeteren en vroeg me een nieuwe, moderne cursus te geven voor studenten. In deze Lectures on Physics heb ik geprobeerd op mijn eigen manier te presenteren. De lezingen waren een show en konden rekenen op een groot publiek. Ik zag het als een experiment. Ik denk niet dat ik slaagde om studenten beter voor te bereiden op een examen, maar mijn doel was om ze de wonderen van de natuur te waarderen.”
U wordt een nationale held als u zitting neemt in de commissie die moet onderzoeken waarom de spaceshuttle Challenger in 1986 zo tragisch verongelukte. Hoe was dat? “Ik weigerde eerst om mee te doen. Ik wilde nooit iets met de regering te maken hebben. Maar op aandringen van mijn vrienden en Gweneth besloot ik toch vier maanden aan de slag te gaan. Het was geen fijne ervaring. Ik werd geconfronteerd met een wereld vol huichelarij, leugens en oneerlijke politici. Gelukkig kon ik doordringen tot de kern van het probleem: de rubberen ringen die de kieren dichtten rond de raketmotoren.
De ochtend voor de lancering was het zo koud geweest, dat het rubber minder flexibel was dan normaal. Tijdens de lancering kon het rubber de kieren niet voldoende opvullen en konden de enorm hete uitlaatgassen door de kieren heen komen. Toen ze in aanraking kwamen met de raketbrandstof, explodeerde het ruimteveer.
Tijdens een persconferentie kon ik het principe met een simpel proefje demonstreren, zodat iedereen het kon zien. Ze hadden het werk te snel willen uitvoeren om aan de veiligheidseisen te kunnen voldoen. Maar als technologie wil slagen, moet de realiteit de overhand hebben. Je kunt de natuur niet misleiden."
Op 28 januari 1986 explodeert de Challenger 73 seconden na de lancering. Alle zeven inzittenden komen om.
Kennedy Space Center