De quantummechanica leidt tot deeltjes die niet meer op één plek zijn of die van elkaar lijken te weten in welke toestand ze verkeren. Onbegrijpelijk? Niet als je accepteert dat zulke deeltjes volledig worden gedefinieerd door hun interacties, stelt de Italiaanse natuurkundige Carlo Rovelli.
In zijn jongste boek Helgoland neemt de Italiaanse natuurkundige Carlo Rovelli de lezer meer terug naar de gelijknamige geboortegrond van de quantumfysica: een boomloos Duitse Noordzee-eiland waar de jonge natuurkundestudent Werner Heisenberg in 1925 schuilde voor hooikoorts. Hij kwam terug met een theorie van het atoom waar we nog steeds plezier van hebben.
Maar dat plezier heeft een prijs, zegt Rovelli vanuit zijn werkkamer in het Canadese Toronto. ‘De quantumfysica heeft ons niet alleen micro-elektronica, computers, moleculaire biologie, nanochemie en nog veel meer gebracht. Ze bracht ook het besef dat onze intuïtie totaal niet werkt in de wereld van het allerkleinste. De quantumrealiteit is onbegrijpelijk. In mijn boek probeer ik te laten zien dat we beginnen te snappen waarom.’
Deeltjesfysicus Dylan van Arneman: ‘Ik ben op zoek naar iets wat misschien niet bestaat’
Dylan van Arneman verruilt een paar keer per jaar zijn werkkamer op het Science Park in de Watergraafsmeer voor de ondergrond ...
Carlo Rovelli. Italiaan van geboorte. Theoretisch natuurkundige. Een vriendelijke zestiger met pretogen en krullen. Een jaar of vijf geleden werd hij wereldberoemd met zijn bestseller Zeven korte beschouwingen over natuurkunde. Een geruststellend dun, ietwat filosofisch werkje over wat we weten van de fundamenten van de werkelijkheid.
Helgoland is dikker. Nog filosofischer. Maar opnieuw geruststellend bedoeld, zegt Rovelli. ‘De kernboodschap is: de deeltjeswereld is niet gekker dan de alledaagse wereld en daar kunnen we als volwassen mensen mee omgaan. Het is net zoiets als het moderne zonnestelsel. We zien de zon elke dag aan de hemel bewegen, opkomen en ondergaan. Toch weten we: niet de zon beweegt, maar wij. En er is niemand die daar nog van overstuur raakt.’
Wat maakt de quantumfysica zo ongrijpbaar?
‘Dat we klassiek denken over de wereld van de deeltjes en atomen. Dat kan niet en dat reikt terug naar Heisenberg op Helgoland. Hij probeerde orde te vinden in de energiesprongen van elektronen in atomen, die we zien door het lijntjesspectrum in hun licht. Hoe konden elektronen alleen die stapjes maken? Heisenberg vond de formules die dat proces precies beschrijven. Mits, en daar begint het onbegrijpelijke, mits getallen worden vervangen door matrices; door roosters van getallen.’
Wat veranderde dat inzicht?
‘Alles. Grootheden liggen niet meer vast, zoals bij Newton; er zijn alleen overgangen tussen toestanden en kansen. Dat leidt wiskundig tot deeltjes die niet meer op één plek zijn, maar overal. Tot verstrengelde deeltjes die van elkaar lijken te weten in welke toestand ze verkeren. Tot een kat in een doos die zowel wakker is als slaapt – ik houd er niet van om Schrödingers kat dood te maken. Kortom, de beroemde quantummagie. En heel anders dan wat objecten in de alledaagse werkelijkheid doen.’
Deeltjes die ook golven zijn.
‘Zo wordt het vaak gezegd, ja. Maar een elektron ís niet of het een of het ander. Het manifestéért zich als het een of als het ander, afhankelijk van het perspectief. In de interactie met de onderzoeker.’
Er zijn in de natuurkunde behoorlijk veel interpretaties om de gekte van de quantumwereld te bedwingen. De meeste vindt u niets. Waarom?
‘Neem de populaire veelwereldeninterpretatie, waarin de realiteit voortdurend opsplitst wanneer een deeltje naar een bepaalde toestand springt. In een parallelle realiteit, is dan het idee, eindigt het in een andere toestand. Maar het idee van oneindig veel realiteiten is natuurlijk minstens zo gek als de onbepaaldheid van toestanden. Eigenlijk probeer je angstvallig je klassieke idee over deeltjes met eigenschappen vast te houden. Ten koste van alles.’
In Helgoland breekt u een lans voor wat de relationele interpretatie van de quantummechanica heet. Wat moeten we ons daarbij voorstellen?
‘De hoofdzaak is dat objecten zoals deeltjes helemaal gedefinieerd zijn door hun interacties, in hun relaties met andere objecten. Een deeltje zonder interacties is onzichtbaar en onvindbaar. Het is er niet.’
Dat is een behoorlijk radicaal standpunt. Bedoelt u dat objecten op zich niet bestaan?
‘Natuurlijk bestaan er wel objecten. Ik ben een natuurkundige, een realist; ik onderzoek de materiele wereld, stenen, sterren, deeltjes. Maar als je probeert te begrijpen waarom de deeltjeswereld voor ons zo vreemd is, is het een nuttig idee.’
Het helpt natuurkundigen?
‘Zeker. De interpretatie die je gebruikt, is niet zomaar een filosofie; ze geeft nieuwe vorm van intuïtie. Ik onderzoek het quantumkarakter van de zwaartekracht, een van de grote vraagstukken van de natuurkunde. Van de hele wetenschap, zou ik zelfs zeggen. Daarbij helpt een goed perspectief om de juiste vragen te stellen.’
Gaan gewone mensen ooit wennen aan dit idee?
‘Quantumeffecten spelen in het alledaagse leven zelden een rol. Maar er is wel iets anders. In de wereld van alledag is het helemaal niet zo gek dat entiteiten worden gedefinieerd door hun interacties. Dat geldt voor mensen en hun relaties, voor organismen in ecosystemen, voor sociale structuren en zelfs in de politiek. Ik vind het wel een mooi idee dat de deeltjeswereld in feite net zo in elkaar steekt. Het is geen totaal andere werkelijkheid. We kennen haar zelfs heel goed.’
Mits je het juiste perspectief vindt.
‘Je kunt je best afvragen waarom je je als natuurkundige met filosofie zou bezighouden. Behalve dat het me als leergierig mens erg boeit, is het altijd zo geweest dat belangrijke natuurwetenschappers diep nadachten over hun uitgangspunten. Einstein kwam tot zijn relativiteit toen hij zich realiseerde dat tijd en afstand principieel afhankelijk zijn van de beweging van de waarnemer. Inzicht verandert alles; zo is het altijd gegaan.’
Dit artikel komt uit special European City of Science Leiden2022. Deze special is gemaakt door de redactie van New Scientist in opdracht van Leiden2022, een Europees wetenschapsfestival van 365 dagen.
