Vader van zijn eigen natuurkundige school

Theoretisch fysicus en Nobelprijswinnaar Martinus Veltman introduceerde in 1969 aan de Universiteit Utrecht wat Gerard ’t Hooft de “Veltmanniaanse manier van formuleren” noemt: een heldere aanpak om ingewikkelde theorieën concreet en dus bruikbaar te maken. “Veltman wilde weten hoe de natuur in elkaar zit. De praktische benadering die hij hanteerde, is zijn nalatenschap voor het vakgebied.”

De wetenschappelijke carrière van Martinus Justinus Godefridus (Tini) Veltman begon in 1948 met de studie Wis- en Natuurkunde aan de Universiteit Utrecht. In 1956 studeerde hij af, en na zijn dienstplicht vervuld te hebben keerde hij terug naar Utrecht om aan zijn promotieonderzoek aan de UU te beginnen. Daarvan bracht hij een groot deel door bij CERN, de Europese organisatie voor onderzoek aan de sub-atomaire fysica in Zwitserland. In 1963 promoveerde hij bij de UU en in 1966 kwam hij als hoogleraar naar Utrecht terug.

Onconventionele colleges
De Utrechtse emeritus-hoogleraren Gerard ’t Hooft en Bernard de Wit waren destijds allebei student en latere promovendi van Veltman. De Wit herinnert zich goed hoe zijn leermeester in 1966 het academische leven aan het Instituut voor Theoretische Fysica (ITF) in Utrecht binnenstapte. “Bijzonder was de manier waarop Veltman met de studenten omging. Oudere hoogleraren stonden in die tijd op een voetstuk, maar Veltman kwam daar vanaf. Hij was heel open en toegankelijk naar studenten toe en sprak graag met hen.”

Maar bovenal was Veltman een uitstekend docent. “Anders dan alle andere”, zegt De Wit. “Met name het voorkandidaats onderwijs was in die tijd een beetje een gezapige boel in Nederland. Veel docenten konden wel óver dingen praten, maar ze konden ze het niet altijd uitleggen. Veltmans colleges waren onconventioneel: hij had het vermogen om iets duidelijk te maken voordat hij de bijbehorende wiskunde had uitgelegd. Hij legde uit met zijn handen, zodat je ook echt begreep wat de dingen betekenden.”

De Wit: “In diezelfde tijd stelde de faculteit een commissie in om het hele kandidaatsonderwijs onder de loep te nemen. Veltman werd daarvan de voorzitter. Zo heeft hij het onderwijs helemaal gemoderniseerd. Vaak met nieuwe docenten en zelfs met colleges over nieuwe onderwerpen.”

Yang-Mills-theorie consistent maken met kwantummechanica
In wetenschappelijk opzicht was de grote wens van Veltman om een veldentheorie te formuleren die te gebruiken was om de ‘zwakke interacties’ te beschrijven. De Wit: “Die zijn bijvoorbeeld de oorzaak van bèta-radioactiviteit, waarbij een atoomkern een elektron uitzendt. Op dat moment was slechts één veldentheorie bekend: de theorie van de elektromagnetische verschijnselen, de kwantum-elektrodynamica. In die theorie komen fotonen voor, ofwel lichtdeeltjes.”

Gerard ’t Hooft: “Veltman wilde weten hoe de natuur in elkaar zit. De praktische benadering die hij hanteerde, is zijn nalatenschap voor het vakgebied.” Ook volgens De Wit ging Veltman inderdaad veel intuïtiever te werk dan de meesten toen. “Hij hield niet van de formele manier van werken, temeer omdat de alternatieven meer en meer ingewikkeld dreigden te worden. Met die instelling begon hij ook zijn studie van de Yang-Mills-theorie.”

Toen ik startte, was Veltman al ver gevorderd met zijn theoretische ideeën om de Yang-Mills-theorie beter bruikbaar te maken, en Schoonschip werkte al heel goed.

Veel fysici, onder wie Veltman, verwachtten dat de veldentheorie voor de zwakke interacties een Yang-Mills-theorie moest zijn. In plaats van één soort foton-deeltje beschrijft die theorie een aantal verschillende soorten fotonen. Bovendien waren er krachten werkzaam tussen de verschillende fotonen. Het was duidelijk dat de Yang-Mills theorie aanzienlijk ingewikkelder was dan de kwantum-elektrodynamica.

De Wit: “De Yang-Mills-theorie scheen onverenigbaar met de kwantumtheorie, en leek dus niet geschikt voor de beschrijving van de kwantum-mechanische processen die veroorzaakt worden door de zwakke interacties. Iedere berekening van dergelijke processen gaf een onzinnig antwoord, zoals nul of oneindig.”

Nauwkeurigheid nodig
’t Hooft: “Je moest inderdaad vrij uitgebreid aan het onderwerp rekenen. Als je dat met de hand doet, kun je niet voorkomen dat je fouten gaat maken. Toen hij al bij CERN werkte, begon Veltman de berekeningen met de computer te doen. Maar in de jaren ’60 waren de computers natuurlijk veel logger dan tegenwoordig. Als je tijdrovende berekeningen wilde doen, moest je in machinetaal programmeren en daarvoor ontwikkelde Veltman dan ook zijn eigen computerprogramma, Schoonschip genaamd.”

In de herfst van 1969 begonnen Bernard de Wit en Gerard ’t Hooft aan hun promotieonderzoek bij Veltman. ’t Hooft: “Toen ik startte, was Veltman al ver gevorderd met zijn theoretische ideeën om de Yang-Mills-theorie beter bruikbaar te maken, en Schoonschip werkte al heel goed.” Maar uit de resultaten moest hij concluderen dat zijn ideeën over Yang-Mills nog niet goed werkten.

‘t Hooft wilde de theoretische kennis zodanig verbeteren dat je die relevante processen wél kon uitrekenen. “Toen we eenmaal beseften hoe we te werk moesten gaan, konden de moeilijkheden vrij snel worden opgelost. Veltman moest steeds heen en weer rijden tussen Utrecht en Amsterdam, waar de ‘grote computer’ stond, feitelijk nog veel primitiever dan tegenwoordig een mobiele telefoon. Hij kwam op een dag opgetogen terug: "Het lijkt wel of we wat hebben!", riep hij uit, maar nog enkele details moesten worden gecorrigeerd. In een jaar tijd was alles in orde.”

En toen was er dat congres in Amsterdam waarvan Veltman in de organisatie zat. Hij liet ’t Hooft een presentatie geven. “Er zaten allerlei grote namen uit het vakgebied die ik alleen kende van papier. Men begreep dat de nauwkeurigheid waarmee wij werkten nodig was om het echt goed uit te rekenen. Er heerste een fantastische sfeer.”

Denken in diagrammen
’t Hooft noemt zijn promotor een “intensief begeleider”. “Veltmans standpunt was dat je in hoorcolleges alleen een beginnetje uiteen kunt zetten. Hij kon alles heel helder op zijn eigen Veltmanniaanse manier formuleren. Je moest wel in zijn gedachtewereld kruipen om te begrijpen wat hij bedoelde. Hij heeft ons geleerd om te denken in diagrammen. Veel van zijn collega’s werkten met de meest ingewikkelde formules. Ik heb later geprobeerd die manier van formuleren door te geven aan mijn promovendi.” In 1973 zouden Veltman en ’t Hooft samen een boek publiceren met de titel ‘Diagrammar’, waarin ze de grammatica van diagrammen uiteenzetten.

De theoretisch natuurkundige school voor deeltjesfysica in Nederland was hier door Veltman opgezet. Diagrammar werd een klassieker in de vakliteratuur en behoorde tot de educatie van mij en vele anderen

Voor ’t Hooft was Veltman degene die hem uitdaagde om zijn werk concreet te maken. “Veltman herinnerde mij eraan dat een elementair deeltje echt iets is dat van de machine waarin het gemaakt wordt naar het detectieapparaat gaat, door een ruimte waarin het op andere deeltjes botst. Als het detectieapparaat ‘klik’ zegt, is het deeltje aangekomen. Wanneer ik met allerlei berekeningen aankwam, dan wilde hij weten: wanneer zegt het nou ‘klik’?”

Nobelprijs
Veltman realiseerde zich als geen ander dat de experimenten, zoals die op CERN, van groot belang waren, onder meer om zijn berekeningen te kunnen bevestigen. Al decennialang participeerden de deeltjesfysici in Nederland in de analyse van die experimenten, maar ze speelden geen nadrukkelijke rol bij de ontwikkeling van de apparatuur die ervoor nodig was. De Wit: “Tini nam begin jaren ’70 het initiatief om het instituut Nikhef op te richten, een samenwerkingsverband tussen een aantal Nederlandse universiteiten. Nog steeds wordt daar apparatuur ontwikkeld voor de experimenten op CERN. Nederland draagt op deze wijze in belangrijke mate bij aan het internationale onderzoek op CERN.”

In 1981 vertrok Veltman naar de VS, waar hij een leerstoel bekleedde aan de Universiteit van Michigan. Hij werkte er tot zijn emeritaat in 1996, om daarna terug te keren naar zijn voormalige woonplaats Bilthoven. In 1999 ontvingen Martinus Veltman en Gerard ’t Hooft samen de Nobelprjis voor de Natuurkunde voor hun werk aan het standaardmodel van elementaire deeltjes in het begin van de jaren ’70.

De hoge kwaliteit van de deeltjesfysica in Utrecht vanaf de jaren ‘70 inspireerde weer een nieuwe generatie theoretisch fysici om naar de Universiteit Utrecht te komen. Zoals Stefan Vandoren, die in 2000 als jonge onderzoeker in Utrecht ging werken en van 2012 tot 2018 wetenschappelijk directeur was van het ITF. “De theoretisch natuurkundige school voor deeltjesfysica in Nederland was hier door Veltman opgezet. Diagrammar werd een klassieker in de vakliteratuur en behoorde tot de educatie van mij en vele anderen. Inmiddels is het vakgebied al weer een heel stuk verder en hebben we in heel Nederland sterke onderzoeksgroepen, maar de basis ervan ligt bij Veltman.”

Sinds Veltman met emeritaat was, kwam Bernard de Wit nog met zekere regelmaat bij hem thuis. Dan spraken ze ook wel over het vakgebied. Glimlachend: “Vroeger vond hij dat hij alles zelf wel wist, maar de laatste jaren nam hij wel de moeite om ons om onze mening te vragen.” Op maandag 4 januari 2021 overleed Martinus Veltman op 89-jarige leeftijd.