Logo DBNL
De Gids. Jaargang 158 (1995)

De Gids. Jaargang 158

(1995)– [tijdschrift] Gids, De–rechtenstatus Auteursrechtelijk beschermd

Vorige Volgende

Kroniek & kritiek

N.G. van Kampen
Misvattingen over natuurkunde

‘De essentie van elke in wiskundetaal gestelde natuurkundige theorie is in helder en gewoon Nederlands te vatten - anders deugt die theorie niet,’ lees ik in De Gids van februari.1. Dat is een van die uitspraken die meer een geloofsbelijdenis zijn dan een feitelijke waarheid. De werkelijkheid is anders. In woorden kan men vaak wel min of meer een beeld ophangen van de conclusies waartoe een theorie geleid heeft, maar niet van de manier waarop ze bereikt zijn. De logische structuur van de theorie, de weg die voert van de waarnemingen tot de conclusies, blijft in het duister. Toch is deze structuur de essentie van de theorie; zonder haar is een beschrijving van de conclusies niet te onderscheiden van een stuk literatuur of een gelovig tractaatje. Voltaire beschreef de mechanica van Newton voor de leek, maar daaruit bleek helemaal niet waarom die de voorkeur boven het cartesianisme verdiende.2. Een beschrijving zonder de wiskundige achtergrond kan leiden tot ernstige misvattingen omtrent de ware aard van de natuurkunde.

Eén misvatting is de indruk dat zo'n theorie wel een leuk verhaal is - hoe bedenken ze het zo? - maar dat het ook wel eens anders kan. Wanneer een nieuwe theorie opkomt wordt dat opgevat niet als iets dat door de feiten opgedrongen is, maar als een modeverandering, teweeggebracht doordat de mensen zin kregen het nu eens anders te doen. (Ik denk hierbij natuurlijk aan Thomas Kuhn en zijn onzalige invoering van het woord ‘paradigma’.) Zo'n opvatting klinkt absurd in de oren van natuurkundigen, die weten en ondervonden hebben hoe ze door de feiten met hun neus gedrukt worden op de noodzaak hun begrippen aan te passen, en die al blij zijn met ten minste één theorie die erin slaagt een aantal verschijnselen onder één gezichtspunt samen te vatten.

Een andere misvatting waartoe de beschrijving in gewoon Nederlands kan leiden is dat de woorden en beelden door de ondeskundige lezer anders, meestal concreter, opgevat worden dan de popularisator bedoeld heeft. Een metafoor, gebruikt om een samenhang duidelijk te maken, wordt opgevat als een concrete beschrijving van de werkelijkheid. Ook gebeurt het vaak dat uiterst kleine effecten, die in het dagelijkse leven volkomen onmerkbaar zijn, door een beschrijving in alledaags Nederlands het aanzien van levensgrote wonderen krijgen. Mijn bedoeling met dit artikel is om leken, die voor hun kennis van de natuurkunde aangewezen zijn op popularisaties in gewoon Nederlands, te immuniseren tegen deze misvattingen. Als voorbeelden heb ik twee revolutionaire theorieën van de twintigste eeuw gekozen: de relativiteitstheorie en de quantummechanica. Beide zijn het onderwerp geweest van talloze populaire uiteenzettingen en in beide gevallen zijn daaruit misvattingen voortgekomen die hun sporen hebben nagelaten in de filosofie en de literatuur.

Omstreeks 1900 liep men tegen ongerijmdhe-

den in de natuurkunde van de lichtvoortplanting op. Uit astronomische waarnemingen was gebleken dat licht zich altijd met één en dezelfde snelheid voortplant door de wereldaether, maar uit aardse metingen bleek dat het licht altijd dezelfde snelheid heeft ten opzichte van de aarde. Dat kan niet beide waar zijn, want de aarde zelf beweegt zich met aanzienlijke snelheid door de wereldruimte. Deze paradox werd, te zamen met andere moeilijkheden, in één klap opgelost door de relativiteitstheorie van Einstein in 1905.

Wel was het nodig enige drastische wijzigingen te accepteren in het natuurkundig wereldbeeld dat sedert Newton algemeen aanvaard was. De wereldaether werd afgeschaft: hemellichamen bewegen ten opzichte van elkaar maar niet ten opzichte van enig vast punt of lichaam in het heelal; en het ergste is, er bestaat geen universele tijd meer maar iedereen heeft zijn eigen tijdmeting. Hiermee was niet alleen de mechanica van Newton afgeschaft, maar ook het hele wereldbeeld dat daarmee samenhangt.

Dat veroorzaakte natuurlijk grote beroering, zowel onder natuurkundigen als in de hele intellectuele wereld. De meeste natuurkundigen waren vrij gauw overtuigd, omdat ze de noodzakelijkheid en de elegantie van deze oplossing konden appreciëren. Buitenstaanders echter, door talloze populariseringen op de hoogte gesteld, kregen wel de opzienbarende uitspraken te horen - alle snelheden relatief, geen universele tijd - maar kenden de achtergronden niet, en probeerden ze met filosofische overwegingen of met ‘gezond verstand’ te lijf te gaan. Maar voordat men het gezonde verstand erbij betrekt moet het volgende duidelijk zijn.

De zaak is dat, hoewel het wereldbeeld van Einstein radicaal verschilt van dat van Newton, de verschillen die er voor de waargenomen werkelijkheid uit voortvloeien uiterst klein zijn. Alleen bij zeer grote snelheden (vergelijkbaar met die van het licht) of zeer zware lichamen worden ze merkbaar. In het gewone leven kan men er niets van merken en heeft men er dus niets mee te maken. Zelfs de banen van kunstmatige satellieten worden nu nog berekend alsof er geen Einstein bestaan heeft. Dat brengt dus mee dat de aangevoerde bezwaren gebaseerd op gezond verstand, dat wil zeggen op de dagelijkse ervaring, niet op de relativiteitstheorie van toepassing zijn.

Het volgende voorbeeld heeft veel stof doen opwaaien. Als van twee tweelingbroers de ene thuis blijft en de andere een verre reis onderneemt, is volgens Einstein de laatste bij terugkeer jonger dan de thuiszitter. Dat is geen psychologisch of fysiologisch effect, maar kan gecontroleerd worden door elk van beiden een chronometer mee te geven. Hiertegen kwamen de medici in opstand: immers, zij wisten dat tweelingbroers per definitie even oud zijn. Maar dit even oud van de medici heeft een marge in de orde van minuten, terwijl Einstein het had over leeftijdsverschillen die (voor reizen die op aarde verwezenlijkt zouden kunnen worden) miljoensten van seconden bedragen. Er is dus geen werkelijke tegenspraak, mits men bedenkt dat de uitdrukking ‘even oud’ niet een absolute betekenis heeft maar met een marge behept is, en die marge hangt ervan af in welk verband de uitdrukking gebruikt wordt.

 

De reden om hier zo op door te borduren was dat dit een illustratie is van een van de oorzaken waardoor misverstanden optreden als men natuurkundige termen en mededelingen, opgedaan in de populaire pers, klakkeloos toepast op andere gebieden. De mededeling dat er geen rustende aether bestaat en dus bewegingen alleen relatief ten opzichte van elkaar betekenis hebben, komt slechts tot uiting in uiterste nauwkeurige metingen in zeer extreme situaties. De relativiteitstheorie heeft niets te maken met de gang van zaken die men in het dagelijkse leven tegenkomt, dus ook niets met beschouwingen daarover, zoals sociologie, zedenleer, rechtswetenschap en dergelijke. Wie probeert een verband te construeren door middel van de kreet ‘alles is relatief’ maakt een denkfout. Hij gebruikt die uitspraak alsof het een absolute wet is die, nu ze eenmaal door de

relativiteitstheorie aan het licht is gebracht, op alle gebieden toegepast kan worden. Wie zich echter realiseert hoe miniem de afwijkingen zijn die de relativiteitstheorie teweegbrengt en hoe moeilijk het is om het effect van de relativiteit zelfs maar waar te nemen, kan bij zulke generalisaties alleen maar zijn schouders ophalen.

Er is nog iets anders. De natuurkundige weet dat het te allen tijde kan gebeuren dat zijn wetten te kort blijken te schieten en gereviseerd moeten worden. Hij die op zoek is naar eeuwige waarheden moet bij de theologie zijn, niet bij de natuurwetenschap. Op waarneming gebaseerde wetten zijn niet absoluut en niet eeuwig. Natuurlijk zijn ze wel veel betrouwbaarder dan filosofische gedachtenconstructies, die zelfs niet op waarneming gebaseerd zijn.

 

Niet alleen de dagelijkse ervaring is immuun voor de subtiliteiten van de relativiteitstheorie, ook de techniek, de biologie en de geologie worden er niet door aangetast. Ja, zelfs in een groot deel van de natuurkunde kan men haar voorlopig vergeten. Daardoor kon het gebeuren dat ongeveer te zelfder tijd naast de relativiteitstheorie, maar onafhankelijk ervan, een tweede inbreuk op het newtoniaanse wereldbeeld tot stand kwam, de quantummechanica. Die ontstond doordat het bij de bestudering van verschijnselen op zeer kleine schaal bleek dat de bestaande theorie volkomen te kort schoot. In het bijzonder de manier waarop de atomen licht emitteren en de verschijnselen die daarmee samenhangen bleken onverenigbaar met de bestaande natuurkunde. De optredende paradoxen konden slechts opgelost worden door ook hier een radicale revolutie door te voeren. Deze ontwikkeling voltrok zich niet ineens, maar in de loop van een kwart eeuw, met bijdragen van Planck, Einstein, Bohr, Kramers en anderen. Toen in 1925 door Heisenberg, Schrödinger en Born de kroon op het werk gezet werd, schrokken velen van de radicale omwenteling die uit de brokstukken van de klassieke theorie te voorschijn was gekomen. De opvallende nieuwigheden zijn vele malen in de populaire literatuur beschreven. Ik zal ze hier alleen kort vermelden voor zover ze in mijn betoog belangrijk zijn.

Kleine deeltjes, zoals elektronen, blijken niet werkelijk deeltjes te zijn, maar hebben een hybridisch karakter, waarin de eigenschappen van een deeltje gecombineerd zijn met die van een golf. Dit feit heeft veel opzien gebaard omdat het zo duidelijk het einde van het klassieke wereldbeeld demonstreerde. De waarnemingen zijn onweerlegbaar, maar er zijn vele beschouwingen aan het ‘wavicle’ gewijd teneinde deze nieuwlichterij verteerbaar te maken. Tegenwoordig wint men er zich niet meer zo over op. Immers, waarom zou het niet mogelijk zijn dat een object dat zelf niet direct waargenomen kan worden, zich op verschillende manieren manifesteert, al naar gelang de hulpmiddelen die men aanwendt om zijn aanwezigheid aan te tonen?

Toch is het spook nog niet bezworen. De afhankelijkheid van de waarneming heeft geleid tot het idee dat de waarnemer beslist of het waargenomen object deeltje of golf is. Een zege voor de idealisten: de werkelijkheid heeft geen objectief bestaan maar wordt door de waarnemer gecreëerd! Filosofen, maar ook natuurkundigen hebben dit als belangrijke conclusie van de quantummechanica aangezien, maar ze zijn het slachtoffer van onnauwkeurig spraakgebruik. De waarnemer kiest de proefopstelling; daarna verloopt alles eenduidig volgens de wetten van de quantummechanica, waarop hij geen invloed meer heeft. Die wetten bepalen of in de gekozen proefopstelling het deeltjes- of het golfkarakter op de voorgrond treedt. De vraag of het object ‘in werkelijkheid’ een deeltje of een golf is heeft geen inhoud, omdat die ‘werkelijkheid’ niet met iets waarneembaars correspondeert.

 

Een ander gevolg van het hybridische karakter heeft tot nog meer filosofische beschouwingen geleid. Het was wel waar dat ons object zich als deeltje of als golf presenteert, maar om precie-

zer te zijn: het kan ook alle tussenvormen aannemen. Het deeltjesaspect manifesteert zich dan doordat een min of meer nauwkeurig gedefinieerde plaats in de ruimte aangegeven kan worden terwijl het golfaspect een min of meer nauwkeurige waarde van de snelheid vertegenwoordigt. Afhankelijk van de situatie treedt het ene of het andere aspect meer op de voorgrond, maar er bestaat geen situatie waarin zowel de plaatscoördinaten als de snelheid tegelijkertijd precieze waarden hebben. Dit werd door Heisenberg in een mathematische relatie uitgedrukt, die hij ‘onbepaaldheidsrelatie’ noemde. Hierin kwam de grens van de klassieke deeltjesvoorstelling in pregnante vorm tot uitdrukking, al voegde het niets essentieel nieuws toe aan de bestaande quantummechanica. Later is de naam veranderd in ‘onzekerheidsrelatie’ en die naam heeft tal van suggesties opgeroepen, zo van het type: Zie je wel, de wetenschap zegt zelf dat ze geen zekerheid verschaft. Ze zeggen zelf dat je iets anders nodig hebt, God of New Age of zo iets. Maar dergelijke opvattingen gaan voorbij aan het enorme schaalverschil tussen het terrein waar de quantummechanica zich doet gelden en de dagelijkse wereld om ons heen. De quantummechanische onzekerheid heeft betrekking op het gedrag van atomen en de onderdelen daarvan; voor elk voorwerp dat je kunt zien en in de hand houden is ze volmaakt onmerkbaar. Wanneer een journalist schrijft dat de economie een quantumsprong maakt, weet hij niet dat werkelijke quantumsprongen veel te klein zijn om individueel waargenomen te worden. Toen een taalkundige me vroeg om de onzekerheidsrelatie uit te leggen omdat hij die wellicht kon toepassen, kon ik hem geruststellen: Daar heb jij niets mee te maken.

 

Een korte uitweiding over de onzekerheid die we kennen in het gewone leven. Die is er niet op gebaseerd dat de verschijnselen waarmee we te maken hebben niet aan deterministische wetten onderworpen zouden zijn, maar is het gevolg van de enorme ingewikkeldheid van die wetten. Die is de oorzaak ervan dat zoveel gebeurtenissen onvoorspelbaar zijn (bijvoorbeeld het weer). Dat geldt in het bijzonder voor gebeurtenissen in de menselijke samenleving. De moderne term hiervoor is ‘chaos’, maar het idee is veel ouder.3. Het is onmogelijk alle relevante omstandigheden te kennen en, als men ze zou kennen, te berekenen waartoe ze zullen leiden. Dat geldt voor het werpen van dobbelstenen, voor het verloop van een ziekte en voor de koersen van aandelen. Kortom, er zijn ontelbaar veel bronnen van onzekerheid, maar de relatie van Heisenberg heeft hier niets mee te maken. Die gaat over een onzekerheid die veel te klein is om op dit niveau een rol te spelen.

Toch zijn er wel enkele verschijnselen waarin de quantummechanische onzekerheid zichtbaar wordt. Een brokje van een radioactieve stof (bijvoorbeeld uranium of natuurlijke koolstof) zendt deeltjes alias golven uit. Dat is het gevolg van de quantummechanische processen in de kernen van de individuele atomen waaruit die stof bestaat. De geëmitteerde deeltjes kunnen opgevangen worden in een geigerteller en manifesteren zich dan elk als een hoorbare tik. Die tikken arriveren achtereenvolgens, maar op volkomen ongeregelde tijdstippen. Niemand kan voorspellen of berekenen wanneer de volgende tik zal komen. Dat komt niet, zoals bij een dobbelsteen, doordat men niet goed genoeg rekenen kan, of niet voldoende informatie heeft. Dat komt omdat het emissieproces van quantummechanische aard is, en daardoor onbepaald. De theorie verschaft geen mogelijkheid ze te berekenen. Wel laat ze toe de kans te berekenen dat gedurende een gegegeven tijdinterval, zeg de eerstvolgende seconde, een tik zal arriveren.

Dit is de radicale omwenteling die de quantummechanica veroorzaakt heeft. Het is de eerste fundamentele theorie die niet pretendeert, zoals voorheen Newton en Einstein, alle natuurlijke processen in principe deterministisch te beschrijven. Ze verleent een fundamentele rol aan het toeval: het toeval is inherent aan de fundamentele processen in de natuur, en

kan niet op een onderliggende deterministische werkelijkheid teruggevoerd worden.

Deze revolutionaire gedachte was voor velen, ook natuurkundigen, onverteerbaar. Het merkwaardige was dat ook zij niet twijfelden aan de correctheid van de quantummechanica, die immers ampel aangetoond was door het enorme succes, niet alleen op theoretisch gebied maar ook in de techniek - denk aan de transistor. Maar ze konden op filosofische ofte wel gevoelsmatige gronden niet aanvaarden dat de natuur principieel indeterministisch is. Einstein, het zwaargewicht van deze oppositie, zei: ‘God dobbelt niet’. Zijn tegenstander en voorvechter van de quantummechanica was Bohr, met zijn Kopenhaagse School, die niet afliet te benadrukken dat er geen logische reden is om het nieuwe wereldbeeld met het ingebouwde fundamentele indeterminisme niet te aanvaarden.

 

Deze titanenstrijd heeft onder de vakgenoten natuurlijk veel aandacht getrokken. Het gevolg was het opbloeien van een grote verscheidenheid van opvattingen. Dat werd in de hand gewerkt doordat enige technische moeilijkheden in de theorie niet afdoende door de Kopenhaagse School waren opgelost. In plaats van ze op te lossen echter, namen sommigen hun toevlucht tot extravagante gedachtenconstructies, bijvoorbeeld dat de werking van natuurkundige waarnemingsapparaten niet begrepen kan worden zonder het brein van de waarnemer erin te betrekken.4. Anderen fantaseerden over het naast elkaar bestaan van talloze equivalente (maar onwaarneembare) werelden.5. Er zijn er die het zochten in ingewikkelde wiskundige formalismen, die alleen zij zelf begrijpen. Enige aanhang heeft ook nu nog de theorie van Bohm,6. die de bestaande quantummechanica heeft overgoten met een verbaal sausje, waarmee ouderwetse deeltjes met deterministische bewegingen heringevoerd worden, maar principieel onwaarneembaar blijven.

Zoals men ziet is de verwarring groot. Erger is nog dat een aantal lieden van naam, zoals Gell-Mann en Roger Penrose, in dit troebele water vissen om met diepe, maar even troebele gedachten te voorschijn te komen. Talloze populaire boeken en verhandelingen benadrukken de moeilijkheden en geven soms hun eigen antwoord erop.7. Natuurlijk gaan ze op de technische aspecten niet in en daarom is het onmogelijk voor de lezer te beslissen of de schrijver gelijk heeft. Zo is een hele subcultuur ontstaan met het etiket ‘Grondslagen der quantummechanica’. Ook gebruikt men vaak als etiket ‘Het meetprobleem in de quantummechanica’, omdat de technische moeilijkheden zich voordoen in de analyse van de toepassingen op meetbare verschijnselen.

Het moet me van het hart dat dit geen fraai hoofdstuk in de geschiedenis van de natuurkunde is. In principe zijn immers de moeilijkheden van het meetproces opgelost, want de quantummechanica wordt dagelijks met succes toegepast. Allerlei verschijnselen worden waargenomen en gemeten door experimentatoren die niets merken van moeilijkheden en weinig begrip kunnen opbrengen voor zulke haarkloverijen. Wie wel moeilijkheden ziet hoeft alleen maar te analyseren wat er bij werkelijke metingen in het laboratorium gebeurt.8. In plaats daarvan verliezen ze zich in mathematische constructies en filosofische hersenspinsels. Ze maken dezelfde methodische fout als de geleerden in de dagen van Galilei, die de wijsheid in oude boeken zochten en het arrogant, zo niet godslasterlijk, vonden om daar de eigen waarneming tegenover te stellen.


Vorige Volgende

Over dit hoofdstuk/artikel

auteurs