De Gids. Jaargang 157
(1994)– [tijdschrift] Gids, De–
Auteursrechtelijk beschermdFrans W. Saris
| |
Vreemde fysicaEen elektronenkanon wordt gericht op een scherm waarin zich twee nauwe spleten vlak naast elkaar bevinden. Achter het scherm ver- | |
[pagina 598]
| |
wachten we alleen elektronen te detecteren op de twee plaatsen waar we door de spleten het elektronenkanon kunnen zien. Dat is niet wat we meten. Een elektronendetector registreert ook signaal waar hij ogenschijnlijk wordt afgeschermd van het kanon. Als we de detector achter het scherm heen en weer bewegen, zal het elektronensignaal fluctueren. Op sommige plaatsen worden veel elektronen gedetecteerd, vlak daarnaast bijna geen, dan weer veel en dan weer weinig enzovoort. Zolang we volhouden dat elektronen deeltjes zijn die door het elektronenkanon naar de detector worden geschoten, kunnen we de metingen niet verklaren. Je kan met een elektronenkanon alleen die plekken achter het scherm raken waar je het kanon kan zien, je kan immers met een kanon niet om een hoekje schieten. Volgens de quantummechanica kan dat wel. Zij beschrijft elektronen als golven. Een golf die het scherm nadert en bij de twee spleten aankomt zal zich splitsen. Achter de spleten komen de twee golven weer samen. Zij kunnen elkaar dan versterken of juist uitdoven, afhankelijk van de plaats waar ze elkaar ontmoeten en in welke fase ze dan zijn. Als beide golven net omhoog bewegen krijgen we een extra hoge golf, dus extra veel signaal van elektronen. Op een plek waar de ene golf omhoog en de andere juist naar beneden gaat, werken ze elkaar tegen en krijgen we uitdoving, dus weinig of geen signaal. Inderdaad ontstaat achter het scherm een interferentiepatroon in onze elektronendetector, alsof elektronen golven zijn. Maar de elektronen schieten één voor één uit het kanon als deeltjes en worden ook als deeltjes één voor één gedetecteerd. Het interferentiepatroon kunnen we pas waarnemen als we het signaal van al die elektronen bij elkaar optellen. Met de quantummechanica kunnen we het patroon van tevoren berekenen en daarmee voorspellen wat de kans is dat we een elektron op een bepaalde plaats achter het scherm detecteren. Maar voor ieder individueel elektron dat het kanon verlaat, kunnen we niet voorspellen waar het precies achter het scherm terecht zal komen. Terwijl we voor een kogel uit een kanon wel de baan precies kunnen berekenen. Het is nog vreemder, want het elektron is ondeelbaar en kan zich niet in tweeën splitsen als een golf. Het elektron kan niet beide spleten in het scherm tegelijkertijd passeren, het gaat slechts door een van de twee. Als we echter proberen te bepalen door welke spleet een elektron gaat, bijvoorbeeld door een van de twee te sluiten, dan verdwijnt het interferentiepatroon in de detector. Hoe ‘weet’ het elektron als het door een van de twee spleten in het scherm gaat, of de andere open of dicht staat? Wat is het elektron nu werkelijk, een golf of een deeltje? Dit is een van de problemen uit de quantummechanica die de natuurkundige gemeenschap in verwarring bracht over de fysische werkelijkheid. Er zijn er meer, zoals de onzekerheidsrelatie die zegt dat we van een deeltje nooit met zekerheid zowel de snelheid als de plaats kunnen weten. En puur toeval, dat een belangrijke rol blijkt te spelen in de natuurkunde, zoals bij het uitzenden van straling door een radioactief atoom. Deze ontdekkingen dwongen de fysici te breken met de klassieke natuurkunde. Hoe radicaal de breuk is, blijkt als we God erbij halen, zoals Max Planck en andere fysici in vertwijfeling deden om hun wereldbeeld toch nog enigszins in stand te houden. | |
Door het oog van GodGa naar eindnoot4.Max Planck, de vader van de quantummechanica, was religieus en kon zich niet voorstellen dat de onzekerheidsrelatie ook zou gelden voor de Almachtige. Als Planck gelijk had zouden er twee soorten natuurkunde zijn, een met en een zonder onzekerheidsrelatie, want in de ons bekende natuur geldt de relatie zeker. Er zijn fysici als Planck die beweren dat vanuit het oogpunt van God het elektron een deeltje is en geen golf. God zou wel kunnen zien door welke spleet in het scherm het elektron naar de detector vliegt. God zou het elektron onderweg kunnen zien bewegen zonder die beweging te | |
[pagina 599]
| |
beïnvloeden. Maar dit is metafysica, want een dergelijke hypothetische waarneming door God voldoet niet aan de wetten die de menselijke waarneming beheersen. Dit probleem geldt trouwens niet alleen voor de quantummechanica maar ook voor die andere opzienbarende ontdekking uit het begin van deze eeuw, de relativiteitstheorie. Die leert dat er geen absolute lengte is maar dat de lengte van een voorwerp afhankelijk is van de wijze waarop wij meten. Een stok zal een andere lengte hebben als wij deze meten met een bewegende of met een stilstaande meetlat. Stilstand en beweging zijn altijd relatief ten opzichte van de omgeving. Als wij denken stil te staan met onze meetlat, dan bewegen wij samen met die meetlat ten opzichte van een andere planeet. Vandaaruit zal onze meetlat een andere lengte hebben. Nu zijn er mensen die denken dat in de ogen van God de stok wel een absolute lengte heeft. Maar als wij van hem die lengte zouden willen vernemen, moet God een lengtemaat gebruiken die wij kennen. Voor ons geldt echter de relativiteitstheorie waarin alle lengtematen relatief zijn. Ook al heeft de stok in de ogen van God een absolute lengte dan nog kunnen wij daarvan geen weet hebben. De fysici van de vorige eeuw dachten dat hun vak bijna klaar was. In 1820 schreef Pierre Simon de Laplace over een intelligent wezen met oneindige mathematische gaven, dat op een bepaald moment de positie en de beweging van alle deeltjes in het universum leert kennen. Zo'n wezen zou met deze gegevens en de wetten van de klassieke mechanica de toekomst van het heelal in detail en op willekeurige momenten kunnen berekenen. Gelukkig is dat Godsonmogelijk, anders was 't door de supercomputers binnenkort met ons vak gedaan. Zo'n superwezen kan alleen alle informatie over alle deeltjes in het universum verkrijgen als het zelf ook op een of andere manier daarvan deel uitmaakt. In dat geval zal het superwezen niet de toekomst van zijn eigen toestand kunnen voorspellen en dus niet van het complete heelal. Als het superwezen geen deel uitmaakt van het universum, hoe kan het dan al die informatie over het heelal verkrijgen en aan ons zijn voorspellingen meedelen? De visie van De Laplace is dus niet vol te houden. Fysici past een bescheidener rol in het universum, maar welke rol en wat leert de quantummechanica hierover? | |
Lessen van BohrGa naar eindnoot5.,Ga naar eindnoot6.‘The task of science is both to extend the range of our experience and reduce it to order.’ Dit is de openingszin van Bohrs boek Atomic Theory and the Description of Nature. Hoewel hij zulke complexe zinnen schrijft dat 't bijna onleesbaar wordt, is Bohrs interpretatie van de quantummechanica heel eenvoudig. Wie zich afvraagt wat het elektron nu eigenlijk is, een golf of een deeltje, krijgt van Bohr het pragmatische antwoord dat het ons niet gegeven is erachter te komen. Het is ons niet gegeven de natuur te beschrijven zoals zij werkelijk is, want wij maken er zelf deel van uit. Wij kunnen niet een beschrijving van de wereld geven vanuit het standpunt van God. Het enige wat van fysici verwacht kan worden, is een duidelijke beschrijving van datgene wat ze meten. In het ene experiment gedraagt het elektron zich als golf, in het ander als deeltje, maar het elektron is golf noch deeltje. Het is een ‘elektron’, en dat woord staat voor al onze ervaringen in experimenten met elektronen. ‘In our description of nature the purpose is not to disclose the real essence of phenomena but only to track down as far as possible relations between the multifold of our experience.’ Door meten tot weten. Voor Niels Bohr is het ons niet gegeven te weten welke weg het elektron aflegt van het kanon naar de detector. Wij registreren dat elektronen het kanon verlaten en ook dat ze bij de detector aankomen, maar wij meten niet door welke spleet ieder elektron gaat en dus kunnen wij dat ook niet weten. Het is als met het lampje van de koelkast in de keuken, wij denken wel dat het uitgaat als wij de deur dichtdoen, maar om het zeker te weten | |
[pagina 600]
| |
moeten we zelf in de koelkast kruipen en de deur achter ons dichttrekken. In de klassieke mechanica kennen we de positie en de snelheid van een aantal deeltjes en kunnen dan uitrekenen welke banen die deeltjes zullen beschrijven. In de quantummechanica kunnen we ook de toekomst voorspellen, maar op een heel andere manier. We kennen de begintoestand van een experiment en kunnen met quantumformules de uitkomst van het experiment, de eindtoestand, uitrekenen. De uitkomst klopt met het experiment, maar de quantummechanica vertelt ons niet hoe de deeltjes van de begin- naar de eindtoestand komen. Strikt genomen hoeft dat ook niet want wij meten 't niet. Bohr schreef: ‘Strictly speaking, the mathematical formalism of quantum mechanics and electrodynamics merely offers rules of calculation for the deduction of expectations about observations obtained under welldefined experimental conditions specified by classical physical concepts.’ | |
Had Bohr moeten verwijzen naar William James?Niels Bohrs interpretatie van de quantummechanica is pragmatisch. Dat bestrijdt niemand. Het is Bohrs grote verdienste dat hij als eerste heeft laten zien hoe met pragmatisme de problemen met de nieuwe fysica verdwijnen als sneeuw voor de zon. Maar Bohr is niet de ontdekker van het pragmatisme. Daarvoor moeten we bij de filosofen zijn en vooral bij William James, die schreef: ‘Theories thus become instruments, not answers to enigmas, in which we can rest’ en: ‘They are only a man-made language, a conceptual shorthand, as someone calls them, in which we write our reports of nature; and languages, as is well known, tolerate much choice of expression and many dialects.’Ga naar eindnoot7. Dit was in 1907, lang voordat Bohr zijn collega's in dezelfde richting wees. Daarom had hij in zijn geschriften beter kunnen verwijzen naar James. Bohr moet de filosofie van James al vroeg gekend hebben. Dit blijkt uit het laatste interview dat Kuhn met hem had. Kuhn vraagt of Bohr nog voordat hij in 1911 als jonge post-doc naar Manchester ging, het werk van James gelezen had. Bohr antwoordt: ‘Oh yes, it was many years before.’Ga naar eindnoot1. Rosenfeld, een van Bohrs collega's, suggereerde meerdere keren dat hij expliciet naar James moest verwijzen, maar Bohr weigerde resoluut want hij wilde ‘geen label opgeplakt krijgen.’Ga naar eindnoot3. Toch had hij er beter aan gedaan als hij wel verwezen had naar James. Dat was fair geweest ten opzichte van de filosoof. Bovendien hoefde Bohr zich niet te schamen voor zijn kennis van filosofie. Integendeel, Bohr heeft zijn collega-fysici, inclusief Einstein, de weg kunnen wijzen in de nieuwe fysica, juist omdat hij zich niet alleen interesseerde voor natuurkunde maar ook vertrouwd was met de filosofie van zijn tijd. |
|