De Gids. Jaargang 158

[p. 407]

Kroniek & kritiek

Frans W. Saris Theorieën van Alles

Wat zal er gebeuren als we de film van de evolutie weer helemaal naar het begin terugdraaien, tot aan de oerknal, en opnieuw afspelen, komen we dan op het punt uit van vandaag? Zullen wij mensen dan ook weer op het witte doek verschijnen in een gedaante waarin wij onszelf herkennen? Het gaat er niet om of alles precies op hetzelfde tijdstip na de oerknal op exact dezelfde wijze gebeurt, het mag best een beetje eerder of later zijn en ook een klein beetje anders verlopen. Waar het om gaat is: zal de evolutie zich als een wetmatigheid voltrekken met als noodzakelijk resultaat de toestand van vandaag?

Als het antwoord ja is, dan gaat alles kennelijk volgens een raderwerk, waarvan niet alleen het verleden maar ook de toekomst vastligt. Dan is alles gedetermineerd, niet alleen de evolutie van het heelal maar ook de wereld- en mensheidgeschiedenis, volgens wetmatigheden waar wijzelf geen invloed op kunnen uitoefenen. Is er dan nog sprake van een vrije wil? En van verantwoordelijkheid?

Als het antwoord nee is, als de film van de evolutie in reprise gaat maar een heel ander verloop heeft, is het dan allemaal slechts toeval?

Volgens de paleontologen heeft de inslag van een grote meteoor op onze aarde een eind gemaakt aan het leven van de dinosaurus. Pas toen deze uitgeroeid was kreeg de mens een kans. Ten tijde van de dinosaurus bestonden er alleen zoogdieren die klein genoeg waren om zich te verschuilen. Door een toevallige ontmoeting van onze aarde met een meteoor ontstond zoveel stof dat vrijwel alle diersoorten en zeker de grote dinosaurus het leven lieten. Pas na deze botsing en de massale vernietiging van ‘Jurassic Park’ kon de mens uit de evolutie van de wereld te voorschijn komen. Dankzij een schitterend ongeluk.

Toch hebben wij mensen behoefte aan een Theorie van Alles, een scheppingsverhaal, geschiedenis in het groot. Wij willen niet alleen weten hoe het hele universum tot stand is gekomen, maar ook waarom. Het liefst hebben wij een allesomvattende verklaring, een paar basisgegevens en een formule, die klopt met de geschiedenis van de wereld, het ontstaan van het leven en van de mens. Wetmatigheden waarmee niet alleen het verleden maar ook de toekomst voorspeld wordt.

Intuïtief lijkt het of de wereld bestaat uit elementaire deeltjes, zodat alles is opgebouwd uit deze bouwstenen en alle verschijnselen in het universum in principe te verklaren zijn uit de eigenschappen van deze bouwstenen en hun wisselwerking. Als dit waar was en als wij de elementaire deeltjes en hun interacties zouden kennen, dan hadden wij een Theorie van Alles. Dit reductionisme veronderstelt dat de dingen of gebeurtenissen op een bepaald niveau te reduceren zijn tot elementaire bouwstenen op een niveau lager. Wij mensen zijn te reduceren tot neurologie, genetica en biologie. Die wor-

[p. 408]

den weer gereduceerd tot biochemie, biochemie tot het gedrag van moleculen, moleculen tot atomen en atomen tot elementaire deeltjes. Dit reductionisme is als onderzoekprogramma nuttig en belangrijk gebleken, vooral in de kosmologie en de evolutiebiologie, maar is er een goede reden om aan te nemen dat reductionisme tot het laagste niveau haalbaar is?

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.

De chaostheorie leert ons dat de toekomst van drie of meer deeltjes die elkaar aantrekken of afstoten in principe onvoorspelbaar is. Je zou denken dat wij de beweging van de aarde en andere planeten in het zonnestelsel zo goed kennen dat als wij op het juiste moment een raket lanceren deze vanzelf op Venus of Saturnus zal aankomen. In de praktijk meet nasa voortdurend waar zijn satelliet zich bevindt en worden stuurraketten gebruikt om de baan te corrigeren en chaotisch gedrag te voorkomen. Dat is de enige manier waarop de satelliet een verre planeet bereikt.

Heisenberg heeft ontdekt dat wij van een deeltje nooit met zekerheid zowel de plaats als de snelheid kunnen weten. Als we de snelheid van een deeltje nauwkeurig meten zullen we dat over een bepaald traject moeten doen. Daarmee is de exacte positie van het deeltje onbepaald, want uitgesmeerd over het traject waarin we de snelheid meten. De onzekerheidsrelatie van Heisenberg vormt de basis van de moderne fysica.

‘God dobbelt niet,’ riep Einstein wanhopig uit, maar de atoomfysica heeft laten zien dat puur toeval een belangrijke rol speelt in de natuur. Wij kunnen tegenwoordig experimenten doen met maar één atoom. Als dit beschenen wordt met laserlicht van de juiste kleur, gaat het atoom zelf in alle richtingen licht uitzenden. We nemen een klein lichtvlekje waar dat afkomstig is van één atoom. Soms is dat met het blote oog te zien. Kiezen we nu een atoom uit, dat laserlicht een tijdje kan opsparen in plaats van onmiddellijk te gaan stralen, dan zien we het lichtvlekje van het atoom op willekeurige momenten aan en uit gaan. Het is alsof een onzichtbare hand aan de schakelaar zit. Wanneer deze onzichtbare hand de schakelaar omzet wordt door niets bepaald en door niemand beslist. Het is puur toeval. De verschillen in de duur van de donkere periodes is in de meest zuivere betekenis een gevolg zonder oorzaak. Hier is het vreemde van de quantummechanica met het blote oog te zien. Op basis van de quantummechanica is de tijdsverdeling tussen licht en donker met grote nauwkeurigheid te berekenen, maar het moment waarop het lichtvlekje donker wordt is volstrekt willekeurig. Het gaat steeds om hetzelfde atoom dat steeds identiek hetzelfde licht opvangt en uitzendt. Het atoom vertoont in identieke situaties verschillend gedrag en de verschillen in tijd hebben geen oorzaak. God lijkt hier dus echt te dobbelen.

Hoe zit het nu met de stenen? Is alles te reduceren tot het gedrag, zij het chaotisch of onvoorspelbaar gedrag, van bouwstenen? Is de natuur wel opgebouwd uit, te reduceren tot, enkele elementaire deeltjes? Laten we, om deze vraag te beantwoorden, het oudste en meest bekende elementaire deeltje als voorbeeld nemen: het elektron.

Het elektron is een puntdeeltje. Dat wil zeggen het heeft geen uitgebreidheid, het is oneindig klein. Toch heeft het massa. Hoe kan een deeltje wel massa hebben terwijl het geen omvang heeft? Einstein heeft laten zien dat massa en energie equivalent zijn: E=mc². Het elektron vertegenwoordigt dus een bepaalde

[p. 409]

hoeveelheid energie. Als het elektron zijn antideeltje, het positron, ontmoet, verdwijnen beide en blijft er slechts een lichtflits over.

Om het gedrag van het elektron in het atoom te verklaren moest men aannemen dat het geen deeltje is maar een golf. Het bewijs voor het golfkarakter van het elektron leverden Davisson en Germer, die elektronen verstrooiden aan een nikkelkristal en dezelfde interferentieringen zagen als bij de diffractie van röntgenstraling.

In een recente samenwerking tussen Philips en de Technische Universiteit Delft is ontdekt dat het transport van elektronen door een nauwe opening sprongsgewijs verloopt. Als het kanaaltje waar de elektronen door moeten heel nauw is, ter grootte van de golflengte van de elektronen, zal er interferentie optreden. Maakt men het kanaaltje een klein beetje breder, dan kunnen er niet meer elektronen door. Pas wanneer de breedte gelijk is aan een geheel aantal malen de golflengte van de elektronen, neemt de stroom sprongsgewijs toe.

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. Hetzelfde geldt voor andere zogenaamde elementaire bouwstenen der natuur, zoals de beroemde quarks.

Tijdens de oerknal kwam materie voor het eerst te voorschijn in de vorm van quarks en antiquarks, althans dat beweren de kosmologen. Daarna speelde de film van de evolutie zich af met het bekende resultaat. In principe moet er tijdens de oerknal net zoveel materie als antimaterie geproduceerd zijn. Het is vreemd dat wij van de antimaterie uit de oerknal niets terug zien in ons heelal. De kosmologen stellen dat al heel vlug, 10^-12 seconden na de Big Bang, een asymmetrie tussen materie en antimaterie is ontstaan. Zo kort na de oerknal was de dichtheid van materie nog te groot, zodat hieruit geen straling kon ontsnappen. De theorie valt daardoor niet te verifiëren. Als we de film van de evolutie tot hier terugdraaien hebben we een probleem, want dan blijkt dat het begin ontbreekt.

Het reductionisme moge als onderzoekprogramma nuttig zijn geweest, het idee dat complexe verschijnselen op een bepaald niveau in de natuur te verklaren zijn op basis van de bouwstenen een niveau lager, blijkt onhoudbaar. Niet alleen omdat het allerlaagste niveau onbereikbaar is als een wijkende horizon. Het reductionisme negeert dat er vanuit het hogere complexe niveau een werking uitgaat naar het lagere, waardoor de bouwstenen op het hogere niveau zich anders gedragen dan beneden. In botsing met een macroscopisch object, zoals een nikkelkristal, gedragen elektronen zich anders dan in een vacuüm. Het collectief gedrag van atomen is essentieel voor de werking van een laser en fundamenteel verschillend van het gedrag van individuele atomen.

Een ster is weliswaar een hoop atomen, maar door de zwaartekracht binnen in de ster worden de atomen tot kernfusie gebracht en ontstaan zwaardere elementen. Een ster is dus een proces in plaats van een verzameling losse atomen.

In principe bestaan de oceanen uit ontelbaar veel druppels water, maar geen oceanograaf zal het in zijn hoofd halen om het gedrag van oceanen te verklaren op basis van de kenmerken van een waterdruppel. In een druppel zitten 10²³ watermoleculen, dat is veel meer dan er waterdruppels zijn in alle oceanen bij elkaar. Waarom zouden dan de kenmerken van een waterdruppel wel af te leiden zijn uit die van de watermolecule? Bovendien zijn in een waterdruppel de moleculen heel anders gestructureerd dan losse moleculen H₂O. Het geheel is meer dan de som der delen.

Hoewel in de natuurkunde van deze eeuw de principiële onmogelijkheid van het reductionisme is aangetoond, blijft een Theorie van Alles de heilige graal van dit vak. Door de scheiding tussen de verschillende weten-

[p. 410]

schapsgebieden reduceert men ook in andere disciplines binnen de eigen grenzen:

-	de kosmologie reduceert het heelal tot elementaire deeltjes in een oerknal;
-	de biologie reduceert het leven tot stofwisseling, en organismen tot cellen;
-	het darwinisme reduceert de evolutie tot het overleven van de sterksten;
-	de genetica reduceert de mens tot zijn genen;
-	de neurologie reduceert de hersenen tot neuronen.

Zo is er sprake van meerdere Theorieën van Alles. Wat zij gemeen hebben zijn de beloftes en de beperkingen van wetenschappelijke formuleringen.

Sigmund Freud heeft opgemerkt dat de grote ontdekkingen in de wetenschap de mens een steeds bescheidener plaats in het universum hebben gegeven: sinds Copernicus bevinden wij ons niet meer in het middelpunt van het heelal; sinds Darwin stammen wij af van de apen; sinds Freud zelf weten wij hoezeer de mens beïnvloed wordt door zijn onderbewustzijn in plaats van het redelijk verstand. In de Scientific American van november 1994 zet Stephen J. Gould de mens op een nog bescheidener plek op aarde. In een reprise van de film der evolutie zal volgens Gould de mens hoogstwaarschijnlijk niet nog een keer voorkomen. Pas als de evolutie zich een groot aantal keren opnieuw zou voltrekken is er kans op de mens.

Als wij slechts het resultaat zijn van een schitterend ongeluk, en de zoektocht naar de allesomvattende verklaring een tocht is naar een wijkende horizon, waarnaar moeten wij dan wel op zoek? Vanwaar toch onze behoefte aan een Theorie van Alles, een scheppingsverhaal, geschiedenis in het groot? Het liefst hebben wij een allesomvattende verklaring die klopt met de geschiedenis van de wereld. Wetmatigheden waarmee niet alleen het verleden maar ook de toekomst voorspeld wordt. Dat is de functie van Theorieën van Alles.

Uit dode materie kwam leven op aarde. De evolutie produceerde, zij het per ongeluk, de mens met zijn hersenen en zijn bewustzijn. Daarmee kunnen wij onze eigen evolutie een beetje bijsturen, zoals de nasa van zijn satelliet onderweg in het zonnestelsel voortdurend de positie meet en bijstuurt: om te ontkomen aan chaotisch gedrag. ‘Not only nice to know, also the need to know.’ Onze hersenen maken wetenschappelijk onderzoek mogelijk en het creëren van Theorieën van Alles. Ons bewustzijn helpt ons als verantwoordelijke mensen een leefbare samenleving tot stand te brengen, in het belang van onszelf en dus van ons voortbestaan.

Waartoe wetenschap? Om te overleven.

Literatuur

Een schitterend ongeluk, Wim Kaizer, Contact 1993.

De ontdekking van de hemel, Harry Mulisch, De Bezige Bij 1992.

Theorieën over Alles, John Barrow, Contact 1992.

History of Western Philosophy, Bertrand Russell, Allen & Unwin 1946.

The Self and Its Brain, Karl R. Popper & John C. Eccles, Routledge & Kegan Paul 1977