Kwantumfysica

Civis Mundi Digitaal #113

door Herman Hümmels

Na een beschrijving van natuurkundige verschijnselen, die begint bij de ontdekking van het zonnestelsel, allerlei hypothesen en experimenten, komt Van Leeuwen uit bij mogelijke verklaringen en maakt een keuze. Een uitgebreidere versie van dit boek is kort geleden in het Engels verschenen onder de titel: Quantum Physics is Not Weird. On the contrary, it is how we create the World. Van Leeuwen onderhoudt een eigen website: https://quantumphysics-consciousness.eu/. Ir. Paul van Leeuwen, afgestudeerd aan de TU Delft in 1974, doceerde elf jaar natuur- en wiskunde. Daarna was hij werkzaam in de ICT. Hij is gefascineerd door de kwantumfysica en haar betekenis.

Geschiedenis
De natuurkunde kent een lange geschiedenis. Reeds Aristoteles (384-322 v.Chr.) deed er uitspraken over. In Van Leeuwens boek ligt de nadruk op het verschijnsel licht. Isaac Newton (1643-1727) dacht dat licht bestond uit kleine bolletjes. Dit werd door Christiaan Huygens (1629-1695) bestreden, met zijn golftheorie. Hij dacht dat je licht het beste kon voorstellen als een golfbeweging die zich door de materie heen bewoog. Huygens ontdekte bijvoorbeeld dat licht ‘brak’ als het door een dubbelbrekend kristal gevoerd werd. Licht ‘breekt’ ook als het vanaf een spiegelend oppervlak weerkaatst wordt. Dit ‘breken’ wordt ‘polarisering’ genoemd. Gepolariseerd licht ‘trilt’ in twee verschillende richtingen, horizontaal en verticaal. Door een verticaal polariserend filter worden de horizontale trillingen tegengehouden (zonnebrillen).

Fotonen
Het breken van licht werd van een theoretische grondslag voorzien door Albert Einstein (1879-1955) die het foto-elektrisch effect postuleerde. Een foton is een ‘kwantumdeeltje’ (pakketje elektromagnetische energie). Fotonen verklaren de verschillende energietoestanden van elektronen. Ze worden door een atoom uitgezonden als een elektron van de ene elektronenschil terugvalt naar een schil met een lagere energietoestand (kwantumsprong).
Licht is de elektromagnetische straling (fotonenstraal) in een frequentie die we met onze ogen kunnen waarnemen. Het kan een golfkarakter en tegelijkertijd een deeltjeskarakter hebben. Die straal kan gebroken worden in twee stralen waarin de ‘golfdeeltjes’ bij de ene horizontaal en bij de ander verticaal gepolariseerd wordt.

Interferentie
Als je in een spiegelgladde vijver tegelijkertijd twee steentjes laat vallen, dan veroorzaakt dat concentrische cirkels golfjes in het water. De golfjes van het ene steentje beïnvloeden de hoogte van de golfjes van het andere steentje. Dit wordt interferentie genoemd en ziet er zo uit:

Via uitleg over golfbewegingen komt Van Leeuwen uit bij spectraallijnen, het kwantumconcept van Max Planck (lichtkwanta, 1858-1974) en het fotonconcept van Albert Einstein (1879-1955). Niels Bohr (1885-1962) ontdekte waarom een elektron niet op de kern van een atoom stort. Dat komt omdat een elektron alleen in vaste cirkels (elektronenschillen) om de kern cirkelt en alleen instantaan van de ene naar de andere baan kan springen. Elke baan heeft een eigen energieniveau. Bij het verspringen komt elektromagnetische straling vrij die gemeten kan worden in spectraallijnen. Louis Victor de Broglie (1892-1987) verfijnde dit concept door een elektron niet als een deeltje te zien maar als een golfbeweging.

Dubbelspleet-experiment
Een door Davisson en Germer uitgevoerd experiment toonde iets vreemds: uitgaande van het idee dat fotonen materiedeeltjes (bolletjes) zijn, verwacht je een bepaalt resultaat als je ze afvuurt op een plaat met een dubbele spleet en een tweede plaat van fotogevoelig papier dat het bolletje omzet in een zwarte stip. Het resultaat was anders:

Je verwacht twee strepen (zie afbeelding, links), maar je krijgt er meer. Hoe is dit mogelijk? Om dit verschijnsel te verklaren zijn verschillende hypothesen ontwikkeld. Het atoommodel dat Niels Bohr ontwikkeld had, kreeg vaste grond onder de voeten. De fotonen, en later ook elektronen en zelfs moleculen, gedroegen zich niet als ‘deeltje’ (materie), maar als golf. Een golf die door twee spleten gaat vertoont vanaf dat moment twee nieuwe golfpatronen. Daardoor was het patroon op het fotopapier verklaarbaar: de twee golven interfereren.
Men experimenteerde verder en vroeg zich af wat er zou gebeuren als je één deeltje zou afvuren. Je verwacht bij een deeltje dat het slechts één van de twee spleten kan passeren en op één van de twee vaste mogelijkheden zou terechtkomen. Maar dit was niet zo. De plek waarop het deeltje op het fotopapier terechtkwam was onvoorspelbaar. Het manifesteerde zich op een onvoorspelbare plek binnen het interferentiepatroon. Een versterking van de Bohr-hypothese: de subatomaire werkelijkheid bestaat modelmatig niet uit deeltjes, maar uit golven.

Kwantumcollaps
Pas op het moment van botsing met het fotopapier vond ‘materialisatie’ plaats en gedroeg de golf zich als een deeltje: de golf ‘stortte in’. Dit wordt ‘de kwantumcollaps’ genoemd. Men veronderstelde dat dit het moment was waarop ‘de golf’ werd waargenomen: door de kwantumwereld waar te nemen volgt het de wetten van ‘onze’ materiële wereld. Tot dat moment gedraagt het zich volgens de kwantumwetten.

Kwantumtunneling
Een ander opmerkelijk verschijnsel is ‘tunneling’: de kwantumgolf lijkt dwars door een energiebarrière heen te kunnen gaan. “Het lijkt een beetje alsof het kwantumobject een omlaag lopende tunnel onder de energieberg door gevonden heeft.” (p227)

Non-lokaliteit
De begrippen lokaal en non-lokaal noem ik omdat die ook in andere – al of niet wetenschappelijke – contexten naar voren komt. In de klassieke fysica zijn alle interacties tussen klassieke objecten ‘lokaal’. Ze werken direct op elkaar in of door middel van veldkrachten. “Non-lokaal betekent daarentegen dat interacties tussen objecten niet afhankelijk zijn van tijd en plaats [vorm] en dus instantaan of in elk geval sneller dan licht is.” (p128) Wat volgens het postulaat van de speciale relativiteitstheorie niet mogelijk is.

Waarnemen
Wat veroorzaakt nu die kwantumcollaps, die overgang van kwantumgedrag naar de wereld van de wetmatigheden volgens Newtons natuurkunde? Het dubbelspleet-experiment maakt één ding duidelijk: er gebeurt iets op het moment dat het foton het fotopapier raakt. Dit is het moment van onze eerste waarneming.  De collaps gebeurt op het moment dat ons bewustzijn een rol gaat spelen: wij zien ‘de keuze’ die het foton maakt voor het eerst op het fotopapier. Op het moment van waarnemen vindt een overgang van golf naar deeltje plaats (naar de materiële wereld). Anders gezegd, op het moment dat we een meting doen vindt de collaps plaats: de instorting van de ‘golf’. Die overgang verloopt niet geleidelijk van het ene moment in het andere, maar is het instantane einde van de kwantumgolf en het begin van totaal iets nieuws: de manifestatie in de ons bekende fysieke wereld. Dit is het moment waarop we bewust informatie verzamelen.
“De kwantumtheorie wordt bevestigd; het kwantumobject lijkt weet te hebben dat het gadegeslagen wordt en lijkt helderziende eigenschappen te vertonen. Hier verschijnt het informatieverwerkende bewustzijn dat de wereld door zijn waarneming manifesteert ondubbelzinnig op het toneel van de harde fysica en kan niet meer genegeerd worden. Het bewustzijn lijkt intrinsiek verbonden met de verschijnselen in de kwantumfysica.” (p111).

Onzekerheidsprincipe
Werner Heisenberg verklaarde de kwantumcollaps in mathematische termen door de omgekeerde relatie tussen de nauwkeurigheid waarmee plaats en impuls van een kwantum vastgesteld kan worden. De impuls is een grootheid van een voorwerp-in-beweging (massa maal snelheid). Bij die vaststelling treedt een meetprobleem op. Neem het meten van de snelheid van auto. Die snelheid kan alleen gemeten worden over een bepaalde afstand: de snelheid is dan zoveel meter per seconde. Maak je de afstand waarop je meet kleiner, dan wordt de nauwkeurigheid minder. Op de afstand van nul meter kun je zelfs helemaal geen snelheid meer vaststellen. Naarmate de afstand kleiner is, wordt de onzekerheid groter. Je ziet dan ook dat bij de heel kleine afstanden (op sub-atomair-niveau), dat de golfdeeltjes zich volgens de kansrekening gedragen (het onzekerheidsprincipe). Dit was waar Einstein nooit aan gewild heeft: “God dobbelt niet”.

Informatie
Er zijn experimenten uitgevoerd naar aanleiding van de vraag bij welke spleet het kwantumobject verschijnt.  ‘Kijken’ bij de spleet levert ‘informatie’ op over wat geweest is. We ‘weten’ door te meten, door te ‘kijken’, wat de geschiedenis is van het object dat we waarnemen. Op het moment van meten, op het moment van informatie opdoen, is een ‘bewustzijn’ in het geding.

Meetprobleem
Tot zover lijkt duidelijk hoe een en ander modelmatig voorgesteld kan worden. Van Leeuwen beschrijft onder andere de Kopenhaagse interpretatie van het dubbelspleet-experiment, zoals die in eerste instantie (1927) door Bohr en Heisenberg gegeven werd. Daarbij werd denkbeeldig ‘in’ de ene spleet een macro-meetinstrument (fysieke waarneming) geplaatst:

De aanname is dat door een ‘waarneming’ van de golf door een macro-meetinstrument de kwantumgolf ‘instort’. Er ontstaat dan alleen in de andere spleet een materialisatie. “Hiermee kan dus het effect verklaart worden dat zodra we in een van de spleten gaan meten het foton niet op geheimzinnige manier hoeft te weten dat er in de andere spleet gemeten wordt, want het golfpatroon bereikt beide spleten tegelijkertijd, waarop het instort vanwege het macro-meetinstrument.

Verstrengeling
Het verschijnsel van de instorting, dat optreedt bij meting (waarneming) van een kwantumobject, kan aangetoond worden met een experiment waarbij twee fotonen verstrengeld zijn in een dubbelspleet-experiment. Als in een dubbelbrekend kristal uit een moederfotonenstraal van coherent licht twee gepolariseerde ‘zusjes’ ontstaan, dan zijn ze ‘verstrengeld’.
Verstrengeling gebeurt als twee kwantumobjecten (elektronen, protonen, neutronen, fotonen…) of zelfs atomen of moleculen op elkaar botsen of heel dicht bij elkaar zijn. Ook via een speciale truc met spiegeltjes en laserlicht kunnen twee ‘gevangen’ elektronen ‘verstrengeld’ raken. (TU Delft is hierbij een van de koplopers). De elektronen werden gevangen in aparte ‘doosjes’ (in chips).

Verstrengeling heeft tot gevolg dat bepaalde eigenschappen van het kwantumobject, bijvoorbeeld de ‘spin’ van een elektron (kwantumspin), onbepaald wordt tot het moment van meting (de kwantumcollaps). De spin draait dan zowel linksom als rechtsom (dit kán in de kwantumwereld – de kwantumwereld is niet digitaal maar kent drie ‘toestanden’, in de fysieke wereld zijn dat er twee.

Door meting aan één van de twee elektronen vindt vervolgens materialisatie (kwantumcollaps) plaats. Dan wordt het niet-fysische kwantumobject fysisch. De ‘golf’ wordt een deeltje. Het opmerkelijke is dat de spin nu een bepaalde kant op draait. Nog opmerkelijker is dat op hetzelfde moment de spin van het andere elektron ook bepaald is: die draait de andere kant op, hoe ver die twee elektronen ook van elkaar verwijderd zijn. De spin wordt bij beide op hetzelfde moment bepaald, zonder tijdsverschil, wat volgens de speciale relativiteitstheorie onmogelijk is. Het gematerialiseerde object “verdwijnt […] weer uit het fysische en start ogenblikkelijk een nieuwe golf” (p 113). De geschiedenis van beide elektronen is vastgelegd. (Wat geweest is, is geweest.)

Hypothesen
De ‘opvatting’ over het bewustzijn riep allerlei vragen op wat leidde tot allerlei experimenten. Het gaat hier te ver om ze beschrijven, maar Van Leeuwen doet dat wel. Uit het dubbelspleet-experiment zijn modellen (hypothesen) ontstaan die geen van allen tot nu toe voor iedereen overtuigend zijn:

1. Projectiepostulaat.
2. Decoherentie.
3. Superselectie.
4. Geen instorting.
5. Spontane instorting.
6. De Matrix.
7. Multiversum.
8. Niet lokale verborgen variabelen.
9. Kopenhagen Macrogrens.

“De behandelde experimenten hebben alle hun argumenten aangeleverd voor of tegen in dit boek behandelde kwantumfysische hypotheses” (p157).  Van Leeuwen geeft de resultaten in een compacte tabel weer waarin de voors (+1) en tegens (-1) bij elkaar opgeteld zijn. Ze scoren 0 of negatief. Alleen het projectiepostulaat scoort positief (+4).

Projectiepostulaat
“In 1932 publiceerde John von Neumann (1903-1957) samen met Paul Dirac (1902-1984) de wiskundige grondslagen van de kwantummechanica. […] Von Neumann postuleerde dat de kwantumcollaps een niet-fysieke oorzaak moest hebben. Die zocht hij in het bewustzijn van de waarnemer aangezien dat volgens hem ook niet tot het fysieke domein behoort. Zijn idee heet het projectiepostulaat, aangezien het bewustzijn actief het meetresultaat zou postuleren in de waargenomen werkelijkheid.” (p129)

“Von Neumann en Dirac stelden dat het 2e Kopenhaagse criterium voor de kwantumcollaps, namelijk dat het voldoende is dat een meetinstrument tot het macrodomein behoort, nogal arbitrair is, aangezien daar geen exacte grens voor vastgesteld kan worden. Ook meetinstrumenten moeten volgens hen voldoen aan de kwantummechanische wetten, aangezien ze samengesteld zijn uit kwantumobjecten: elektronen, protonen, neutronen, fotonen, etc. Dat betekent volgens hen dat het meetinstrument na de fysieke meting nog steeds in de kwantumgolftoestand verkeert. De menselijke waarnemer is de volgende en blijkbaar de laatste in die keten van kwantumtoestanden maar omdat de mens ook uiteindelijk weer bestaat uit kwantumobjecten, kan zijn fysieke lichaam ook niet de kwantumcollaps veroorzaken. Feitelijk kan niets dat zich in het fysieke materiële domein bevindt, dat doen en daarom, zegt Von Neumann, heeft de kwantumcollaps een niet-fysieke oorzaak. Volgens Von Neumann is het waarnemend bewustzijn daarvoor de aangewezen kandidaat, aangezien die zich niet in het fysieke domein bevindt.” (p146)
Van Leeuwen maakt ook ten aanzien van dit postulaat allerlei kritische opmerkingen.
Wel is het zo dat het door professor Dick Bierman (UvA) in 2003 uitgevoerde ‘Mind-matter collaps’ experiment de hypothese van de rol van het bewustzijn ondersteunde (één van de +1-tjes uit de lijst met hypothesen).

Kosmisch bewustzijn
Na nog allerlei relevante omzwervingen komt Van Leeuwen uit bij een model van het kosmisch bewustzijn. Ons individuele bewust zijn is daarbij een fragment van één groot bewustzijn. “Met het kosmisch bewustzijn hebben we nu een model gekregen, eigenlijk dus al een oud en al heel lang in diverse culturen bekend model, waarmee we de grote kwantum raadsels kunnen verklaren” (p260). Van Leeuwen geeft dit model als volgt weer:

Conclusie
De achterflap van Van Leeuwens boek begint met de woorden: “Dit is geen gemakkelijk boek.” Dat is bij het uitleggen van sommige experimenten ook zo, maar verder is het voor een leek als ik goed te volgen. Wellicht is het voor een eerste kennismaking met de atoomfysica goed om eerst wat voorwerk te doen. Daarvoor noem ik twee kandidaatboeken. Een mooi beeld van de geschiedenis, met name van de ‘Filosofische perspectieven van de quantummechanica’, geeft: ‘Quantum, de oerknal en God’. Een stap verder gaat het verslag van een van de grondleggers van de kwantummechanica: ‘Werner Heisenberg, Het deel en het geheel’. Dit laatste boek is vertaald door Maarten van Buuren die ook het eerste boek schreef (uitgeverij Lemniscaat). Beide boeken zijn uitvoerig besproken in CM 101 en 108. In CM 109 wordt het boek van Wat is bewustzijn nou eigenlijk: Een prikkelende zoektocht van neurobiologie tot parapsychologie van  Jacob Jolij besproken,  die ook uitvoerig ingaat op kwantumfysica en bewustzijn.Over kosmisch bewustzijn en eenheidsbewustzijn gaat het boek vanTony Nader, One unbounded ocean of consciousness: Simple answers to the big questions in life, ook besproken in CM 109.

Dat het geen gemakkelijk boek is komt vooral doordat sommige experimenten in detail worden beschreven. Dit is nodig om fundamentele vragen goed te kunnen beantwoorden en om de logica te kunnen volgen. Maar kennis van de wiskunde niet noodzakelijk.
Dit is het eerste boek dat ik gelezen heb over de kwantummechanica waarbij ik achteraf niet met allerlei onbeantwoorde vragen bleef zitten. Hypothesen, experimenten en conclusies zijn uitvoerig en duidelijk beschreven en van commentaar voorzien, en Van Leeuwen geeft tussendoor aanwijzingen voor verdere studie. Ik ga ervan uit dat de essentie van wat er gebeurt op het allerkleinste niveau niet te begrijpen valt (door niemand), maar de logica die Van Leeuwen schetst vind ik geloofwaardig. Wellicht omdat het aansluit bij mijn eigen visie, zoals ik die eerder (CM#109, ‘Niet-zijn’) naar voren bracht.