Prometheus, 191 pagina’s
Werner Heisenberg (1901-1976) berekende dat elektronen geen vaste banen aflegden en produceerde matrices die beschreven hoe elektronen bewogen en bewees aldus de voorspellingen van zijn leermeester Niels Bohr (1885-1962) over het gedrag van deeltjes. Erwin Schroedinger (1887-1961) ging nog een stap verder door te stellen dat elektronen geen deeltjes maar golven waren. Heisenberg, die woonachtig was in Helgoland, haalt de golfmechanica van Schroedinger weer onderuit: een golf zou zich eindeloos door de ruimte moeten verspreiden maar we nemen waar dat een elektron altijd op één bepaald punt aankomt. Maar hoe kan de natuur weten dat wij iets waarnemen?
In de kwantumtheorie gaat het niet om zekerheden maar om kansen. Een deeltje beweegt zich voort maar pas zodra wij het zien neemt dat deeltje een specifieke positie in. De kwantummechanica beschrijft dus alleen observabelen en voorspelt alleen kansen.
Planck had al begrepen hoe warmte-energie wordt verdeeld over de golven van verschillende frequenties. De Planck-constante h/2pi levert de evenredigheidsconstante op tussen de energie van een pakketje en de frequentie van zijn golf. Energie is dus korrelig, vandaar kwanta, vandaar kwantummechanica. Dus naast observabelen en kansen is de korreligheid het derde kernelement van de kwantumtheorie.
Nu doet zich het bizarre feit voor dat het vermenigvuldigen van plaats met snelheid iets anders is dan het vermenigvuldigen van snelheid met plaats. Er is niemand die dat begrijpt en toch is dat zo in de kwantumtheorie. Deze theorie wordt samengevat in de formule XP – PX = i ħ waarbij X de plaats van een deeltje is, P zijn snelheid maal zijn massa, i het wiskundige symbool voor de vierkantswortel uit -1 en ħ staat voor h/2pi de Planckconstante. Maar wat is een waarnemer, en wat een waarneming, de wereld bestaat toch ook als ik haar niet waarneem? We moeten dieper gaan nadenken over relaties. En de vraag is nu hoe een willekeurig fysisch object inwerkt op een willekeurig ander object. Objecten werken op elkaar in en juist die interacties zijn belangrijk. Objecten worden gekenmerkt door de manier waarop ze interageren. De kwantumtheorie beschrijft het zich manifesteren van de dingen aan elkaar.
En als iets niet interageert dan heeft het geen eigenschappen, zo simpel is het. En nog belangrijker: eigenschappen zijn alleen relatief. En dat betekent dat de eigenschappen van een object die reëel zijn voor een tweede object dat niet noodzakelijkerwijs ook voor een derde object zijn. Een object kan dus tegelijkertijd reëel en niet-reëel zijn. Neem bijvoorbeeld snelheid, dat is een eigenschap die alleen bestaat ten opzichte van iets anders. De relativiteitstheorie van Einstein is de ontdekking dat het begrip ‘gelijktijdigheid’ relatief is ten opzichte van de bewegingstoestand van een waarnemer. De wereld van de kwanta bestaat alleen uit interacties, uit discontinue gebeurtenissen.
Het kwantumfenomeen dat het meest tot de verbeelding spreekt is de verstrengeling, het kenmerk bij uitstek van de kwantummechanica. Twee deeltjes die elkaar in het verleden zijn tegengekomen, bewaren een vreemd soort band. Chinese wetenschappers zijn er in geslaagd twee fotonen in een verstrengelde toestand te houden op een afstand van meer dan duizend kilometer van elkaar. Dat die twee deeltjes dezelfde kleur hebben is nog te bevatten maar hoe kunnen twee verstrengelde deeltjes hetzelfde besluit nemen zonder dat van tevoren hebben afgesproken en zonder elkaar boodschappen te sturen?
De eigenschappen van een object zijn alleen gedefinieerd ten opzichte van een ander object. Derhalve zijn eigenschappen van twee objecten alleen gedefinieerd ten opzichte van een derde object. Verstrengeling is geen dans voor twee maar een dans voor drie. Kijk naar de kleur van een vlinder. Als die vlinder wegvliegt en vervolgens door mij wordt waargenomen zal die vlinder dezelfde kleur blijken te hebben. Jij en de vlinder verkeren in een verstrengelde toestand. Voor allen die er met elkaar over praten hebben de vleugels van de vlinder altijd dezelfde kleur.
Kwantumfysica is een theorie over de informatie die systemen over elkaar hebben. Het gaat hierbij om puur fysische informatie, uit te drukken in een waarde. Twee postulaten vormen de kern van de kwantumfysica:
- De relevante hoeveelheid informatie die we over een fysisch object kunnen hebben is eindig.
- Door te interageren met een object kunnen we altijd relevante nieuwe informatie verkrijgen.
Heisenberg begreep dat de Planck-constante de meest nauwkeurige beschrijving van fysische variabelen oplevert, nauwkeuriger bestaat niet. We zagen al dat dit postulaat tot korreligheid leidt. Ondanks het onzekerheidsprincipe van Heissenberg kunnen we snelheid en plaats van één deeltje met grote nauwkeurigheid meten. Maar bij een tweede meting zullen we vaststellen dat de snelheid niet meer dezelfde is. We kunnen nieuwe informatie verzamelen maar alleen met verlies van eerder verworven informatie. Kortom: de toekomst wordt niet door het verleden bepaald, de wereld is probabilistisch. En daarom ook levert eerst X en dan P meten andere informatie op dan wanneer we eerst P en dan X meten. Bedenk hierbij dat in ons dagelijks leven kwantummechanische interferentieverschijnselen verloren gaan in de ruis van de macroscopische wereld. Kwantumverschijnselen manifesteren zich bij heel goed geïsoleerde objecten, die het mogelijk maken subtiele kwantuminterferenties te isoleren en op te merken. Onze dagelijkse ervaring is compatibel met de kwantumwereld. Wij zien een scherp mes maar op moleculair niveau is de duidelijke rand van een mes fluctuerend en onprecies. Wij zijn gewoon bijziend.
Rovelli besteedt een heel hoofdstuk aan de controverse tussen Lenin en Bogdanov (2873-1928) De laatste wordt ervan beschuldigd een idealist te zijn waar Lenin enkel een materialistische visie wenst te accepteren. Filosofische fijnslijperij die aan mij niet besteed is. Maar die Boganov was wel een fascinerende persoonlijkheid: medicus, econoom, filosoof, schrijver van sciencefiction, dichter, leraar, politicus, voorloper van de cybernetica en de organisatiewetenschap, pionier van bloedtransfusies en zijn hele leven lang revolutionair. En o ja, hij werd ook nog gedesavoueerd door Lenin. Die Bogdanov, dat is nog eens een uomo universale! Hij overleed nadat hij zichzelf -doelbewust – injecteerde met besmet bloed. Hij wilde weten wat de uitwerkingen daarvan op zijn eigen lijf zouden zijn.
De kern van de (kwantum)fysica is dat grootheden niet absoluut maar relatief zijn. Snelheid, tijd, elektrisch veld, magnetisch veld en zelfs elektrisch potentiaal is relatief. We vinden dit essentiële kenmerk ook terug in de biologie, economie en scheikunde. We begrijpen dingen vanwege het feit dat ze in relatie staan tot andere dingen.
Een moeder is moeder omdat ze een kind heeft, een planeet is planeet omdat die rond een ster draait, een roofdier is een roofdier omdat het op prooi jaagt en zo voorts. Voor plaats en tijd geldt hetzelfde. En zo ook voor kwantummechanica.
Maar als de materie als draagster van welbepaalde en ondubbelzinnige eigenschappen niet de elementaire substantie van de wereld vormt, wat dan wel? Het enig logische antwoord luidt dat zo’n elementaire substantie niet bestaat. Rovelli: “De lange zoektocht naar de ‘laatste substantie’ van de fysica, via materie, moleculen, atomen, velden, elementaire deeltjes… is de mist ingegaan in de relationele complexiteit van de kwantumveldentheorie en de algemene relativiteitstheorie.” En hij voegt hier aan toe: “Begrijpen dat we niet als autonome entiteiten bestaan helpt om ons te bevrijden van gehechtheid en lijden. Juist vanwege zijn non-permanentie, vanwege de afwezigheid van elk Absolute, heeft het leven zin en is het kostbaar”.
De werkelijkheid, inclusief wijzelf, is slechts een dunne, fragiele sluier. Daarachter is… niets.
Laten we ons vooral realiseren dat kwantumverschijnselen zich voordoen in de dynamica van atomen, fotonen en andere microscopische structuren die aan ons lichaam ten grondslag liggen maar er is niets specifieks van kwanteuze aard dat ons helpt begrijpen wat gedachten, waarnemingen of subjectiviteit nu precies zijn.
Maar, zegt Rovelli, om de kilte van eenvoudige materie te omzeilen is het voldoende dat we inzien dat de wereld beter kan worden beschreven met relatieve variabelen en hun correlaties. Dat maakt het misschien mogelijk om weg te komen uit de radicale tegenstelling tussen materie en geest. Mentale en fysische verschijnselen zijn beide natuurverschijnselen, geproduceerd door interacties tussen delen van de fysische wereld.
De continuering van leven wordt mogelijk gemaakt doordat er structuren en processen zijn die dat leven faciliteren. We noemen dat evolutie. Die structuren en processen zijn er niet met een vooropgezet doel maar zijn toevallig geleidelijk gegroeid. ‘Nut’ en ‘relevantie’ zijn de kenmerken van die natuurverschijnselen die de facto leiden tot overleven. Maar hoe zit het nu met de afstand tussen die fysieke en de mentale wereld? Onze mentale wereld omvat betekenis, intentionaliteit, waarden, doelgerichtheid, emoties, bewustzijn enzovoort. David Chalmers maakte een onderscheid tussen “The easy and the hard problems of consciousness”. En hij noemt dan de vraag hoe onze hersens functioneren gemakkelijk (terwijl dat helemaal niet zo germakkelijk is) en de subjectieve gewaarwording van dat functioneren noemt hij moeilijk. Om de relatie te begrijpen tussen ons mentale leven en de fysische wereld is het essentieel rekening te houden met het feit dat we de fysische wereld van buitenaf beschrijven, terwijl we onze hersen- of mentale activiteiten in de eerste persoon ervaren.
Maar de kwantumwereld leert ons nu juist dat een beschrijving van buitenaf niet bestaat. Uiteindelijk gaat het in alle gevallen om beschrijvingen van binnenuit (hoe verhoud ik mij tot het ding dat ik beschouw?) Hoezeer we ons ook inspannen, we kunnen onszelf niet buiten het heelal plaatsen, outside looking in.
Hoewel we nog steeds niet precies weten hoe onze hersenen functioneren, is er geen reden om te denken dat er in ons mentale leven iets moet zijn wat niet te begrijpen valt in termen van de bekende natuurwetten. Ook al hebben we vooralsnog lang niet alle antwoorden.
Wij zien niet doordat neuronen van de ogen naar de hersenen reizen met info die daar geanalyseerd moet worden. Nee, het gaat juist omgekeerd, neuronen gaan van de hersenen naar de ogen met de informatie die de hersenen daar verwachten aan te treffen. Het gaat dus niet om de waargenomen informatie maar om de afwijking van wat verwacht wordt.
Fascinerend hoe Rovelli je in dit boek meeneemt door de kwantummechanica, hoe moeilijk te doorgronden die wereld ook is. Ik moet hele passages vaak twee keer lezen om hem te kunnen blijven volgen, ik heb het er graag voor over. Intuïtief voel je aan dat wat hij te melden heeft van essentieel belang is voor ons begrip van de wereld die wij om ons heen zien. Dat er achter de onmiddellijke werkelijkheid die wij voor de enige realiteit houden en die ook zeker bestaat, dat er achter die werkelijkheid een totaal andere wereld schuilgaat. De rand van een mes is vlijmscherp maar op moleculair niveau is er van die scherpte niets meer over. Het is ook heel erg lastig om de kern van dit merkwaardige kennisgebied te vatten, alles lijkt zo onmetelijk fundamenteel. Maar misschien is die kern wel dat het absolute niet bestaat en dat er geen enkele aanleiding is hier met zoiets als een godsidee op de proppen te komen. Wij zijn slechts een vage sluier en daarachter is niets! De kunst is om met die merkwaardige ‘werkelijkheid’ verder uit de voeten te kunnen. En, natuurlijk, de vraag is nog steeds hoe de natuurkundewetten in overeenstemming te brengen zijn met die merkwaardige eigenschappen van de kwantummechanica. Zo’n boek als dit Helgoland is vooralsnog een razend interessante reisgids op je reis door het meest bizarre oerwoud. En hoe vreemder wordt dit alles niet wanneer je tegelijkertijd naar de meest recente foto’s van de James Webb Space Telescope kijkt, waar je gaswolken ziet, kosmische kraamkamers, stervende sterren en exoplaneten. En ergens in dat onbegrijpelijke krachtenveld tussen het onmetelijk grote en het microscopisch kleine vinden we wellicht ooit eens de sleutel tot het ‘hoe’ van de wereld waarin wij leven. Want het absolute mag dan misschien niet bestaan, er is tegelijkertijd geen enkele reden om aan te nemen dat wij die wat ik dan maar “dubbele werkelijkheid” noem, niet zouden kunnen begrijpen.
Enno Nuy
Juli 2023