Quantumraadsels ontrafeld

Nu we dagelijks met de quantum-wereld te maken hebben, al is het maar door de smartphone in onze broekzak, is het volgens Martijn van Calmthout tijd dat natuurkundigen ophouden er zo moeilijk en geheimzinnig over te doen.

Op de befaamde Solvay-conferentie in Brussel in 1927 discussieerden Einstein en Bohr onophoudelijk over de vraag of God wel dobbelt, zoals quantumfysici aannemen. Beeld -

Ik heb lang gedacht dat het beroemde tweespleten-experiment in de natuurkunde een echte proef was, waarvan de uitkomsten overduidelijk aantoonden dat in de wereld van het allerkleinste dingen gebeuren die het verstand te boven gaan.

Ga maar na. We bevinden ons in een donkere kamer met een lamp en een scherm met daarin twee smalle spleten. Op de muur achter het scherm zijn twee banen licht te zien, op de plaatsen waar lichtstralen door de spleten zijn gedrongen. Wie beter kijkt, ziet ook nog een subtieler patroon van lichte en donkere banen. Dat, zeggen natuurkundigen, is interferentie van lichtgolven uit beide spleten, die elkaar versterken op sommige plaatsen en uitdoven op andere. Tot zover is alles begrijpelijk.

Maar dan de versie met een extreem zwakke lichtbron, die een voor een lichtdeeltjes op het scherm werpt. Logisch is te denken dat elk deeltje op maar twee plaatsen door het scherm kan en er dus op de muur gaandeweg precies twee belichte strepen ontstaan. Maar er gebeurt iets anders. In werkelijkheid ontstaat er nog steeds een subtiel patroon van lichte en donkere strepen. Kennelijk, is de conclusie, interfereren individuele lichtdeeltjes zelfs met zichzelf. Het zijn geen deeltjes, maar golven.

Volgens een peiling in 2002 onder de lezers van het vakblad Physics World was de dubbele-spleetproef het mooiste natuurkunde-experiment ooit, al kwam bij die verkiezing ook aan het licht dat de proef eigenlijk tot 1961 nooit daadwerkelijk was uitgevoerd. Het schoolvoorbeeld van de quantumtheorie blijkt in wezen een gedachtenexperiment, rond 1910 bedacht door theoretici die op papier golven en deeltjes door elkaar zagen heenlopen.

Ziedaar de magie van de quantumwereld, waarin deeltjes ook golven zijn en zich nog veel meer onvoorstelbaars aandient, zeker voor de leek. Deeltjes zijn niet alleen ook golven, ze hebben ook geen vastomlijnde positie of snelheid, kunnen tegelijk linksom en rechtsom draaien, en op afstand met elkaar verbonden zijn alsof ze tegen elkaar aanliggen. Het onvoorstelbare maakt het zonder meer intrigerend, en werpt vooral de vraag op hoe onze vertrouwde werkelijkheid op zo'n vreemde binnenwereld gebouwd kan zijn. Boekenkasten vol zijn er geschreven in pogingen geïnteresseerde buitenstaanders wegwijs te maken in de quantumwereld en zijn merkwaardige bewoners.

Tegelijk verzuchten zelfs de diehards vaak dat ze er al met al niks van begrijpen, van dat verduivelde quantumgedoe. Sterker nog: dat hebben de natuurkundigen zelf ook. De legendarische bongospelende en kluiskrakende superfysicus en Nobelprijswinnaar Richard Feynman was er kort over. Wie zegt iets van de quantumwereld te snappen, zei hij ooit kernachtig, heeft er duidelijk niks van begrepen.

Klinkt goed en geruststellend voor de worstelende buitenstaander. Hij is niet de enige die het niet bevat. Maar is het waar? Is quantummechanica te vreemd om te begrijpen, zoals natuurkundigen gewoonlijk beweren?

Ja en nee. De quantumwereld is vreemd, zonder meer. Tegelijk moeten de natuurkundigen er niet zo moeilijk en geheimzinnig over doen. In feite is de quantumvreemdheid niet onbegrijpelijker dan de zwaartekracht. Het grote verschil is dat ieder mens van jongsaf aan gewend is aan de zwaartekracht en instinctief weet wat die teweegbrengt. De quantumwereld is vooral vreemd omdat we hem niet uit ervaring lijken te kennen.

Dat, althans, was de afgelopen eeuw het geval, toen natuurkundigen van Einstein en Bohr, Heisenberg en Schrödinger tot voornoemde Feynman en John Bell, de quantumfysica vormgaven. Einstein formuleerde in 1905 als eerste het idee dat licht uit pakketjes energie bestaat, Bohr beschreef het atoom als een miniatuur zonnestelsel met elektronen in bepaalde banen, Heisenberg doorgrondde de wiskunde van de lichtpatronen uit gloeiende gassen, Schrödinger de wiskunde van quantumgolven. Generaties studenten zijn ermee opgegroeid, sommen makend en vooral niet te veel bezig met het vreemde van de quantummechanica.

Voer voor filosofen, vond een man als Niels Bohr het. Kop dicht en rekenen, was het devies. Einstein, nota bene een van de pioniers van de quantumtheorie, werd steeds meewariger aangekeken op zijn twijfels of God wel echt dobbelt, zoals de quantumfysici gemakkelijk aannemen. Te gemakkelijk, vond hij. Op de befaamde Solvay-conferenties in de jaren twintig in het hotel Métropole in Brussel discussieerden hij en Bohr er onophoudelijk over, voor de overige deelnemers geregeld tot gekwordens toe.

Toen de quantumwereld zich nog veilig in laboratoria en op de schoolborden en kladblokken van theoretici afspeelde, was het een terechte vraag: waarom zou je je een voorstelling willen maken van iets dat in essentie toch niet van deze wereld is? Wie weet er precies wat een gen is, tenslotte? Of een bit?

Honderd jaar na de quantumrevoluties is dat argument niet langer houdbaar. Haast ongemerkt is het quantum een alledaags verschijnsel geworden, veel dichterbij dan we doorgaans vermoeden. We zijn omringd door elektronica waarvan de chips en schakelingen ontworpen zijn op basis van quantumeigenschappen, van de geheugenchips in onze laptop tot het kleurenscherm van onze tablet, de communicatie via glasvezels, en de superlijm in de gereedschapskist.

En dat is nog maar de technologie, een zelfgemaakte toepassing van de quantumabstracties. Zoals de gebruiker van de iPhone doorgaans niet weet hoe een transistor werkt, is niet gezegd dat we veel hoeven te weten van het quantum in onze broekzak.

Interessant is echter dat ook de natuurkunde zelf begint terug te komen van het idee dat alleen op het allerkleinste niveau van de materie de wetten van de quantummechanica een rol spelen. Op grotere schaal, was de mantra, gaan de subtiele quantumeffecten al snel verloren in de chaos van warmte en talloze deeltjes in de buurt. Een deeltje is een golf, met een vage plaats en snelheid; een vallende appel is een ding met een exact voorspelbare beweging. In de alledaagse wereld, was lang het idee, is geen ruimte voor echte quantumeffecten.

Ook die zekerheid lijkt te verdwijnen. Niet alleen is de hele chemie een kwestie van toegepaste quantumtheorie, in dat geval van atomen en moleculen. Ook in de biologie groeit het inzicht dat er echte quantumverschijnselen optreden, tot in tastbare organismen aan toe. Een haast alweer klassiek voorbeeld is de fotosynthese waarmee groene planten zonlicht gebruiken als energiebron.

Op zichzelf is bekend hoe fotosynthese werkt: fotonen van de zon activeren bepaalde kleurstofmoleculen die helpen om uit koolzuur suikers te smeden die later weer verbrand kunnen worden. Theoretisch is er echter een raadsel: de betreffende reacties in een blad lopen veel effectiever dan met lukrake chemie lijkt te kunnen. De laatste jaren beginnen fysici te begrijpen waarom. In de bladgroenkorrels springt de zonne-energie niet als een simpel geladen deeltje van plek naar plek, maar als een quantumgolf, die alle routes tegelijk aftast en van zelf de beste kiest.

Meest spectaculaire voorbeeld van quantumbiologie is de Europese roodborst, die in Scandinavië nestelt, maar in de winter naar het zuiden trekt. Het vogeltje vindt bij zijn trek de weg aan de hand van het magnetische veld van de aarde, maar hoe was lang een raadsel. Inmiddels is ontdekt dat het diertje het zuiden letterlijk kan zien als een lichtere plek aan de horizon. Oorzaak daarvan is het lichtgevoelige eiwit in het netvlies dat subtiele variaties in een magneetveld voelt. Een gewoon molecuul is daarvoor veel te ongevoelig. Maar in het systeem worden blijkens recent onderzoek paren elektronen gevormd, die als uiteinden van een kompasnaaldje blijken te functioneren dat chemische reacties net wat effectiever maakt dan in andere richtingen.

Het heeft jaren geduurd voordat fysici die verklaring accepteerden, omdat iets delicaats als een deeltjespaar buiten het lab onmogelijk leek. Het roodborstje in onze tuin bewijst het tegendeel. Nu duidelijk is dat quantumeffecten ook in de alledaagse wereld kunnen overleven, is dat zelfs goed nieuws voor de bouwers van quantumcomputers. Zulke rekenmachines kunnen haast oneindig veel berekeningen tegelijk maken doordat de bits geen enen of nullen zijn, maar qubits: een ambivalente quantumsom van enen en nullen. Grootste probleem tot nog toe leek de vraag hoe qubits voldoende te isoleren van de rommelige boze buitenwereld.

Wordt het quantum met dit alles minder vreemd? Waarschijnlijk niet direct, maar het geeft wel een ander perspectief op het idee dat quantumwetten nu eenmaal onbegrijpelijk zijn. In feite zijn die wetten niet mysterieuzer dan de wetten die we wél denken te bevatten, die van vallende en bewegende voorwerpen, het licht in onze huiskamers, de warmte die de radiatoren geven, of de zon. En in dat geval is het tijd dat we ook de quantumwetten accepteren zonder ons voortdurend af te vragen of we ze wel echt snappen. Accepteren is een goed begin en wennen aan de quantumwerkelijkheid is gewoon een kwestie van tijd.

Van Martijn van Calmthout verschijnt bij uitgeverij LIAS komende week Echt Quantum - waarom de deeltjeswereld steeds alledaagser wordt. Spinozaprijswinnaar en nanofysicus Leo Kouwenhoven schreef het voorwoord.

Beeld -

Quantumraadsels en waarom die wel meevallen

Zijn deeltjes nou deeltjes of golven?

Geen van beide, het zijn objecten waar de ene keer beter een golfverhaal bij past en de andere keer beter een bolletjesverhaal. De verwarring zit in het alledaagse idee dat de dingen maar één ding tegelijk kunnen zijn. Dat is een misverstand. Een biljartbal is zwaar en rood. In valproeven valt het zware op, bij kleurenfotografie het rode. Maar niemand vraagt of hij nou echt zwaar is, of echt rood.

Hoe kan een deeltje op meer plekken tegelijk zijn?

Omdat een deeltje (zie punt hierboven) geen 'ding' is, maar een verschijnsel waaraan we hooguit een fysische meting kunnen doen. De meting, bijvoorbeeld van de plaats, geeft een uitkomst: een bepaalde plaats. De crux van de quantumwereld is dat dat ook een andere uitkomst had kunnen zijn, maar dat bij een groot aantal metingen de voorspelbare patronen ontstaan die we herkennen als onze alledaagse werkelijkheid.

Hoe kan een deeltje geen vaste plaats en snelheid hebben?

Volgens de beroemde wet van Heisenberg kan dat niet met oneindige precisie. Maar als een deeltje geen ding is, maar iets dat door metingen wordt gedefinieerd, is dat misschien ook niet zo vreemd. Een veelgehoord misverstand is dat het meten aan een deeltje zijn plaats of snelheid zou verstoren. Heisenbergs wet gaat dieper: plaats en snelheid zijn als twee kanten van een medaille, als we de een precies willen zien wordt de ander onzichtbaar.

Hoe kan Schrödingers kat tegelijk dood zijn en leven?

Beroemde gedachtenproef waarin het verval van een quantumdeeltje bepaalt of een kat in een dichte doos sterft of leeft. Het onbekeken deeltje is tegelijk wel en niet vervallen en dus de kat ook levend én dood. Als de doos opengaat wordt een van beide realiteit, wat vreemd lijkt want katten zijn te groot voor de quantumwetten. Dat klopt ook, maar het is nauwelijks een raadsel te noemen hoe dit kan. We worden omringd door radioactief materiaal, waarvan soms straling ons dna treft. Als we pech hebben, krijgen we daardoor kanker. Of niet. Ook een quantumgebeurtenis die in de echte wereld voelbaar is.

Meer over

Wilt u belangrijke informatie delen met de Volkskrant?

Tip hier onze journalisten


Op alle verhalen van de Volkskrant rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright@volkskrant.nl.