maandag 1 april 2013

De Dobbelstenen van Moeder Natuur



I - Kleine deeltjes hebben grote wensen

Stel u een kraan voor. Een kraan voor warme en koude vloeistof, maar geen gewone mengkraan met een blauwe en rode knop, maar een kraan zonder knoppen die constant open staat. Het bijzondere is dat de vloeistof die uit de kraan komt of gloeiend heet, of ijskoud is, één van de twee, dus geen mengvorm. Ook de vloeistof is bijzonder: we kunnen nergens aan afleiden of de vloeistof heet of koud is, we kunnen dit enkel controleren door onze hand in de straal te steken. En nu komt het: tot op het moment dat we onze hand in de straal steken, is de vloeistof nog niet warm of koud, en staan beide mogelijkheden nog open, maar op het moment dat de vinger de straal raakt, wordt de vloeistof ogenblikkelijk het één of het ander: warm of koud. 

De bovenstaande beschrijving (losjes gebaseerd op een artikel van de wiskundige Douglas R. Hofstadter in The Mind's I) is een poging om een conceptueel probleem uit de kwantummechanica inzichtelijk te maken, dat bekend staat als de ineenstorting van de golffunctie. In de normale natuurkundige wereld, zoals die in kaart is gebracht door Newton, heeft een meting geen invloed op de toestand van datgene wat gemeten wordt. Op subatomair niveau is dat echter anders. Het is alsof de materie op het allerkleinste niveau nog niet goed weet hoe zij zich wenst te gedragen, en de verschillende mogelijkheden open wenst te laten, als een kind dat maar niet kan stoppen bij het schrijven van een verlanglijstje. Die mogelijkheden worden beschreven in een golffunctie uit de kwantumtheorie, het verlanglijstje van de allerkleinsten onder ons. Pas op het moment dat een meting wordt verricht, wordt beslist welke mogelijkheid wordt gerealiseerd. 

Om die reden spreken natuurkundigen van proeven met een causale waarnemersstatus: net als bij de speciale kraan, bepaalt de waarneming de uitkomst. Voordat de natuurkundige een meting uitvoert op kwantumniveau, is de toestand waarin het systeem zich bevindt ongewis. Men spreekt in dit verband van potenties (mogelijke toestanden) in superpositie. Op het moment dat de meting wordt verricht, springt het systeem in één toestand, de zogenaamde eigentoestand, en vallen alle andere potenties, alle mogelijke toestanden weg.

II - De God van de Natuurkunde ...

Veel natuurkundigen en filosofen zijn niet erg gelukkig met dit onderscheid tussen systemen met en zonder waarnemersstatus. Het idee dat de tussenkomst van een waarnemer de status bepaalt en de golffunctie of superpositie van eigentoestanden doet instorten, lijkt een vorm van toeval, van willekeur aan de basiswetten van de natuur toe te voegen. De allergrootsten onder ons, raken erdoor van slag. In een beroemd geworden brief aan Max Born wees Albert Einstein de complicaties van de kwantumtheorie van de hand:

"Jij gelooft in een god die dobbelt, en ik in volstrekte orde, in een wereld die objectief bestaat en die ik, op een speculatieve manier, in de greep probeer te krijgen. (...) Zelfs het aanvankelijk grote succes van de kwantumtheorie doet me niet geloven in het fundamentele dobbelspel, hoewel ik ervan doordrongen ben dat jongere collega's dit uitleggen als een gevolg van seniliteit."

Het argument van Einstein is bekend geworden als "der Herrgot würfellt nicht", oftewel: God dobbelt niet. Hoewel het strikt gezien geen religieuze redenering betreft, is het toch typerend dat Einstein naar God verwijst. De reden waarom men de natuur op een gegeven moment zo druk is gaan bestuderen, ook (of zelfs met name) in kloosters, is dat men de natuur zag als Gods werk: door de Schepping te bestuderen, dacht men de Schepper op het spoor te komen. De achterliggende gedachte daarbij was dat een goede God ons nooit doelbewust een vals beeld zou willen voorhouden.


III - ... en de Natuurkunde van God

Gelovigen zijn extra gevoelig voor het idee dat de werkelijkheid voor en deel wordt bepaald door toeval. Volgens de christelijke leer is de werkelijkheid een schepping van God en zijn wij de kroon op zijn schepping. De Schepping is deterministisch en God heeft zelf bepaald dat Het goed was. Dat was ook het beeld dat mensen als Descartes en Newton voor ogen hadden. De kwantummechanica stelt echter dat de allerkleinste deeltjes zich, afhankelijk van de waarneming, gedragen als golf of klassiek deeltje; pas op het moment van de waarneming wordt beslist of het deeltje het zich wenst te gedragen, welke potentie het wenst te realiseren. God lijkt hier van zijn  Troon te worden gestoten: de materie dan wel de mens komt in opstand tegen de Almachtige God door zijn eigen werkelijkheid te scheppen. De Schepping is indeterministisch geworden. God wikt, de mens beschikt. Of misschien is het wel de materie op het allerkleinste niveau.  

Gelovigen zijn erg handig in het ontwijken van voetangels en klemmen, en hetzelfde toevalsprincipe dat de God van zijn troon zou stoten, wordt in sommige lezingen juist aangegrepen om hem vaster op diezelfde troon te zetten. Men klampt zich daarbij onder meer vast aan een uitspraak gedaan door de natuurkundige Freeman Dyson, bij het in ontvangst nemen van de Templeton Prize:

"Atomen zijn vreemd spul, ze gedragen zich eerder als actieve tussenpersonen dan als willoze substanties. Ze maken onvoorstelbare keuzes tussen alternatieve mogelijkheden volgens de wetten van de kwantummechanica. Het blijkt dat verstand, als we dat omschrijven als de capaciteit om keuzes te maken, tot bepaalde mate inherent is aan elk atoom."

Dyson legt de beslissingsbevoegdheid dus bij het deeltje, en gelovige wetenschappers, zoals de Joodse natuurkundige G. L. Schroeder, hebben hier een aanwijzing in gezien dat het heelal tot op het allerkleinste niveau 'bezield' is.


IV - De Vele Werelden van Everett

Maar ook gewone natuurkundigen, zij die God het Zijne laten en de Keizer willen geven wat hem toebehoort, worstelen met het indeterminisme van de kwantummechanica. Natuurkundigen zijn, zo pleegt Vincent Icke vol te houden, praktisch ingestelde mensen, jongens van de gestampte pot. Wat zulke jongens (en meisjes) vooral bezig houdt is de vraag wat er gebeurt met de mogelijkheden die niet worden gerealiseerd op het moment dat de golffunctie instort. Moeder natuur moet zuinig zijn: ze moet werken met wat haar wordt aangeboden, en kan zich niet veroorloven om iets 'weg te gooien'.

Een zeer radicale,  en even vreemde als fascinerende theorie staat bekend als de Vele-Werelden-hypothese (VWH), bedacht door Hugh Everett. De oplossing van Everett houdt in dat de golffunctie niet instort (dat Moeder Natuur dus niets weggooit) maar dat de verschillende potenties in verschillende 'werelden' worden gerealiseerd. De superpositie van mogelijke toestanden stort dus niet in, maar ontwikkelt zich vloeiend en continue langs verschillende vertakkingen. In deze visie worden voortdurend nieuwe vertakkingen afgespitst, vertakkingen van vertakkingen, waarin nieuwe mogelijkheden - potenties - worden gerealiseerd. Wij zitten toevalligerwijs op die ene tak waar onze potentie werd gerealiseerd. We leven dus niet in beste der mogelijke werelden van Voltaire, maar in één van de vele werelden van Everett.

Zoals Hofstadter opmerkt, heeft de theorie duizelingwekkende complicaties wanneer je haar toepast op jezelf, op het hier en nu:

"Bij ieder kwantummechnisch vertakkingspunt (en er zijn er miljarden en miljarden geweest) ben je gesplitst in twee of meer 'jije' die naast elkaar voortleven in paralllelle maar gescheiden van elkaar bestaande takken van één grote golffunctie."

Of is dit een niet-geoorloofde uitbreiding van de theorie? De VWH heeft aanleiding gegeven tot nogal wilde speculaties (zoals romans over werelden waarin Hitler de Tweede Wereldoorlog heeft gewonnen) die bij natuurkundigen tot nogal wat frictie hebben geleid. Sylvia Wenmackers zegt er over in een bijdrage op haar blog:

"Die voorbeelden stoorden me omdat het helemaal niet duidelijk is of een dergelijke alternatieve geschiedenis het gevolg had kunnen zijn van louter kwantumgerelateerde variaties op de geschiedenis zoals wij die kennen."

Er was, zo heb ik de indruk, sprake van een zeker territoriuminstinct: de natuurkundige had het gevoel dat anderen zich meester wilden maken van haar speelterrein. Tegenwoordig is ze wat dat aangaat milder geworden (toegeeflijkheid komt met de jaren):

"Terwijl ik het multiversum destijds als iets intrinsiek kwantumfysisch omarmde, zie ik het verwijzen naar andere werelden nu veeleer als een natuurlijke reactie van mensen wanneer ze geconfronteerd worden met indeterminisme."

Afgaande op wat Hofstadter erover zegt, schijnt Everett zelf nogal laconiek met deze complicaties van zijn theorie te zijn omgegaan. Met een stalen gezicht, aldus Hofstadter, veegde hij alle mogelijke bezwaren onder tafel als zijnde betekenisloos. De theorie van Everett met haar vele werelden en verschillende jij-en die in die verschillende werelden leven, gaat in tegen iedere intuïtie. Zoals ik elders uiteen heb gezet, is het altijd gevaarlijk om bij de beoordeling van wetenschappelijke theorieën op je gevoel af te gaan. Toch ontkom je gewoon niet aan de vraag hoe het nu eigenlijk komt dat je het gevoel hebt dat je slechts in één wereld leeft. Iemand als Hofstadter, toch een van de grootste geesten van onze tijd, worstelt daar ook mee, dus we hoeven ons op dit punt niet te schamen. Hij zegt:

"Welnu, volgens Everetts theorie heb je dat gevoel niet - je voelt alle alternatieven tegelijkertijd, het is alleen maar deze jij, die langs deze ene taak beweegt, die niet alle alternatieven ervaart. Dat is verbijsterend. Waarom is deze ik op deze tak, waarom voel ik - ik bedoel deze ik - zichzelf - ik bedoel mezelf - niet gespleten?"

(At least not in your world)


Noten:

(1) Douglas Hofstadter, Daniel C. Dennett, The Mind's I (Vertaald als: De Spiegel van de Ziel, Uitgeverij Contact, 1996)

(2) Ian Stewart, Speelt God een spelletje? De structuur van de Chaos, Uitgeverij Het spectrum, Aula boeken, 1989, p. 335-337
 

Geen opmerkingen:

Een reactie plaatsen