epiloog
HE T E I N D E VA N D E Q UA N T U M K AT een paar weken nadat de eerste druk van ‘echt quantum’ in de winkel ligt, schrijf ik een brief aan albert einstein. die is dan al nodig. er zijn nieuwe weten schap pelijke ontwikkelingen waarover ik hem toch weer even wil bijpraten en die zelfs een extra felicitatie aan zijn adres recht vaardigen. de brief gaat als volgt. Amsterdam, juli 2015 Geachte professor Einstein, lieber Albert, Dit jaar 2015 is het jaar dat uw algemene relativiteitstheorie een eeuw bestaat, en ik kan u niet vaak genoeg gelukwensen met die meer dan formidabele prestatie. Niet alleen blijkt honderd jaar later nog steeds uw idee springlevend van samenhangende ruimte en tijd en de kromming ervan die we eerder nietsvermoedend zwaartekracht noemden. Cruciaal zelfs, voor h et ei nd e van d e quantumkat | 171
wie wil snappen hoe het heelal in elkaar steekt en al die miljarden jaren gedurende zijn levensloop gestoken heeft. Het is al adembenemend om kennis te nemen van uw theorie, nog steeds. Hoe duizelingwekkend moet het dus wel niet geweest zijn om het zelf te moeten bedenken. En toch is het eeuwfeest van de algemene relativiteit niet de reden dat ik u schrijf. Ik publiceerde zojuist mijn boek Echt Quantum, mede naar aanleiding van onze even denkbeeldige als genoeglijke bijeenkomst in Brussel in het u welbekende hotel Métropole, in het gezelschap ook van Niels Bohr. Mijn boek, over het idee dat quantumverschijnselen alledaagser zijn dan we geneigd zijn te denken, was nog maar net verschenen toen ik in Nature, tegenwoordig een van de meest vooraanstaande wetenschappelijke tijdschriften van de wereld, een artikel aantrof dat u zeker zal interesseren. Al was het maar omdat het op een buitengewoon verrassende manier twee onderwerpen bij elkaar brengt die uitgerekend u zo na aan het hart liggen: de zwaartekracht en de quantumrealiteit. U herinnert zich onze gesprekken waarin ik uitlegde hoezeer de hedendaagse natuurkunde nog altijd worstelt met de vraag wat de quantumfysica ons eigenlijk precies vertelt. Als instrumentarium is deze tak van de natuurkunde een geweldig gereedschap gebleken. We kunnen er de materie op het diepste niveau mee doorgronden. Bovendien is er een hele wereld van toepassingen ontstaan, in de chemie, in de technologie en zelfs in de biologie speelt ons vermogen om quantumgedrag te beschrijven en te voorspellen een immense rol. Tegelijk is er nog altijd onzekerheid over de vraag of onze theorieën ons ook vertellen wat er écht gaande is in de wereld van de kleinste deeltjes. Is de wereld op dat niveau echt zo vaag? Of zijn het onze botte instrumenten die maken dat we er nooit echt greep op kunnen krijgen? Dat laatste, vertelde ik u ook al eerder, is wat ze in de quantumfysica het meetprobleem noemen: het gegeven dat een deeltje alleen in 172 | ec h t quantu m
meerdere quantumtoestanden tegelijk verkeert als het totaal geïsoleerd is, en dat bij een meting dat isolement wordt verbroken. De vraag daarbij is niet eens of er een fysieke verstoring optreedt, de storing is principiëler en komt erop neer dat bij een meting de quantumtoestanden van het deeltje en het hele meetapparaat samenvloeien tot een nieuwe quantumtoestand. Ongemerkt meten zit er dan niet in. Ik was een tijdje geleden in Zürich, waar ik aanbelde bij Hüttenstrasse nummer 30. Inderdaad, het oude woonadres van uw vroegere vriend en collega Edwin Schrödinger die aan de universiteit hoogleraar was in de jaren twintig van de vorige eeuw, de uwe. Ik had gelezen dat in de tuin een ijzeren profiel te zien zou moeten zijn van Schrödingers kat, een beeldje dat afhankelijk van de lichtval levend dan wel dood zou lijken. Helaas was de tuin van het monumentale gele finde-sièclegebouw niet toegankelijk, en de bewoners hadden ook behoorlijk genoeg van nerdy nieuwsgierigen zoals ikzelf. Maar het was natuurlijk geen toeval dat het verhaal van Schrödingers kat ook in mijn boek over de quantumrealiteit een grote rol speelde. Het gedachte-experiment kent u natuurlijk, al weet ik niet zeker of het in uw tijd ook zo’n archetype van een quantumraadsel was als tegenwoordig. Ik vat het daarom nog even samen. We nemen een dichte doos met daarin een radioactief atoom en een geigerteller. Als het atoom vervalt, gaat de teller af en slaat een hamertje een flesje blauwzuur stuk. Ook in de doos: een kat. Die is er levend in gezet, maar als de doos eenmaal dicht is, ontstaat er een interessante onzekerheid. Als we niet weten of het atoom vervallen is of niet, verkeert dat quantummechanisch in twee toestanden tegelijk: wel en niet vervallen. Maar dat geldt dan in wezen ook voor de kat: die is levend en dood tegelijk. Wat opmerkelijk is, omdat een kat uit talloos veel biljoenen atomen bestaat, waarvan maar de vraag is of dat nog wel een quantumsysteem kan heten. Elk atoom is wel een quantumobject, maar hun samenspel in een kat is hooguit een wirwar zonder kop of staart (sic!). En toch, als we de quantumtheorie willen h et ei nd e van d e quantumkat | 173
geloven is de quantumkat een superpositie van twee toestanden: levend en dood. Van die twee toestanden meten we er één zodra we het deksel van de doos optillen en de kat bekijken: de kat leeft, of niet. In mijn boek beschreef ik al dat er talloze pogingen zijn ondernomen om te begrijpen waar quantumvaagheid nog kan bestaan, en wanneer de wirwar de overhand krijgt. Het antwoord is onduidelijk, nog altijd, al laten proeven met megamoleculen van een paar honderd atomen zien dat daar nog steeds sprake is van quantumgedrag. En nu is er opeens Igor Pikovski, een jonge postdoc onderzoeker van de universiteit van Wenen en van Harvard die de geschiedenis van de quantumkat een radicale nieuwe wending geeft. Vorig jaar nam hij in zijn proefschrift al een nauwelijks opgemerkte aanloop. Maar in juni barstte er een kleine storm van wetenschappelijke opwinding los, toen hij in Nature Physics een prachtig artikel publiceerde over de vraag of Schrödingers kat echt een quantumobject is, of alleen een kwestie van onwetendheid en een dichte doos. Nature zette boven een commentaar alvast een heel rake kop: ‘Gravity killed the Quantum Cat.’ De zwaartekracht kost de quantumkat dus de kop, maar wat is er aan de hand? De natuurkunde, schrijft Pikovski, heeft tot nog toe iets heel wezenlijks over het hoofd gezien bij de analyses van grotere quantumsystemen: de factor tijd. Om alle delen van een systeem in samenhang te laten bestaan, moeten hun klokken gelijklopen. Fysici gaan daar blind vanuit, en nemen de tijd niet eens mee in hun berekeningen. Maar dat is niet terecht, laat Pikovski zien, wanneer de onderdelen van een systeem ver uit elkaar liggen. Volgens uw eigen relativiteitstheorie lopen niet alleen bewegende klokken niet langer per definitie gelijk, ook de zwaartekracht verdraait de tijd. Niet veel, maar inmiddels wel gewoon aantoonbaar. Tegenwoordig zijn er atoomklokken die meetbaar uit de pas lopen zodra de ene klok pakweg vijf centimeter hoger in de aardse zwaartekracht staat dan de ander. Pikovski laat zien dat voor het ontregelen 174 | ec h t quantu m
van quantumsamenhang een hoogteverschil van misschien een micrometer al volstaat. Met andere woorden: de bovenkant van een zandkorrel op een strand op aarde is al te ver van de onderkant om in de korrel serieus quantumgedrag te laten bestaan. Om van een hele kat maar te zwijgen. De meeste objecten om ons heen zijn domweg te groot om quantumsamenhang te handhaven, hoe goed ze ook hun best doen om de eenheid te handhaven. En dat is geen kwestie van storende invloeden, maar van de gekromde ruimte waarin klokken uit de pas lopen. De eerste fysici die ik voor een verhaal in de krant over dat inzicht sprak, waren stomverbaasd. Gravitatie is letterlijk een kracht die de grote objecten aangaat, van zandkorrels tot planeten, zonnestelsels, het universum als geheel misschien wel. Hoe kan dat de quantumwereld buiten beeld houden, als deeltjes en ander klein spul in het heelal die hele zwaartekracht eigenlijk niet eens voelen? Het antwoord is de ruimtekromming die u een eeuw geleden als eerste voorrekende. Na tien jaar worstelen met de benodigde wiskunde en de oude ideeën over snelheid, versnellingen, krachten. Ik las in de geschiedenisboeken hoe u uitgemergeld en daas van het rekenen aan de baan van Mercurius uw allesomvattende formule op het bord schreef in het Kaiser-Wilhelm-Institut in Berlijn. Ruimte en tijd waren vanaf dat moment één geheel, een veerkrachtig matras waarin de sterren en planeten als bowlingballen kuilen maken zodat licht geen rechte lijnen volgt maar in hun buurt zachtjes wordt afgebogen. Ik hoor u denken: zou het waar zijn? Kloppen de sommen van de jonge fysicus Pikovski uit Wenen? En is het voorspelde effect groot genoeg om het ontbreken van macroscopische quantumtoestanden te verklaren? Ik interviewde de Utrechtse quantumdenker en fysicus Dennis Dieks, ook al weer met emeritaat trouwens, over zijn inschattingen en misschien is wat hij zei nuttig om hier te vermelden: de invloed van tijdsdilatatie door de zwaartekracht op afstanden van meer dan een h et ei nd e van d e quantumkat | 175
micrometer lijkt groter dan je zou verwachten, maar de vraag is of dat zo relevant is. Feit blijft dat een object als een kat of een pingpongbal, of zelfs een zandkorrel, in de praktijk nooit geïsoleerd zal zijn zoals een quantumdeeltje dat is. Er is een overweldigende stortvloed aan storende factoren, van warmte tot glurende fysici, die eventuele superposities hoe dan ook verstoort. Misschien, zei Dieks, is dat toch belangrijker dan het tijdsverschil tussen de snorharen en de staart van de quantumkat. Bovendien, zei Dieks ook, is het maar de vraag wat Schrödingers verhaal uit 1935 over de quantumkat ons überhaupt leert. Het gaat dus misschien meer om een principe, dan de echte reden dat we in ons leven nooit een superpositie van dode en levende katten zien. Maar voor de natuurkunde zelf kan het wel degelijk interessante gevolgen hebben. Zo sprak ik de Leids-Californische quantumfysicus Dirk Bouwmeester over het werk van Pikovski, die trouwens een oudstudent van hem blijkt te zijn en die zelfs nog meegewerkt heeft aan de proeven die hij in Leiden doet. Over die proeven vertelde ik u al eerder. Het is het verhaal van de nanospiegeltjes waarvan Bouwmeester wil aantonen dat die in meerdere quantumtoestanden tegelijk kunnen verkeren. Voor ons zijn die spiegeltjes weliswaar piepklein. Maar voor quantumbegrippen zijn ze gigantisch groot en zwaar. De spiegeltjes die de Leidse onderzoekers bekijken zijn vermoedelijk klein genoeg om geen last te hebben van relativistische tijdsverschillen in de zwaartekracht van de aarde. Niettemin, zei Bouwmeester wel, is het mogelijk toch raadzaam om de experimenten zo veel mogelijk in een horizontaal vlak te houden. Zodat de zwaartekracht voor alle onderdelen en toestanden in elk geval hetzelfde is. Tegelijk was te merken dat het bloed van de ras-experimentator Dirk Bouwmeester, niet voor niets winnaar van een Nederlandse Spinozapremie, sneller was gaan kloppen. Als relativiteit inderdaad een serieus effect kan hebben op de quantumsamenhang in een systeem, moet dat natuurlijk ook te meten zijn. Bouwmeester zei het niet met 176 | ec h t quantu m
zoveel woorden, maar naar mijn idee heeft hij geen bezwaar de eerste te worden die Pikovski’s berekeningen experimenteel toetst. Wie weet begint de triomf van de zwaartekracht boven de quantumvaagheid dus wel in Leiden, de plaats waar u in de tijd van Lorentz en Ehrenfest natuurlijk zelf kind aan huis was. Sterker, Bouwmeester heeft een huis schuin tegenover dat van Ehrenfest, in de Witte Rozenstraat. Afgezien van de auto’s in de straat zou u het er waarschijnlijk niet eens zo heel erg veranderd vinden, ware u nog in leven en bereid om nog eens Leiden aan te doen. Al met al vind ik het wel een mooie ontwikkeling dat uw algemene relativiteitstheorie nu lijkt te verklaren waarom we in de alledaagse wereld om ons heen zo weinig merken van de quantumvaagheid op dieper niveau. De wereld die we kennen is daarvoor te groot, letterlijk. Niet alleen is dat een mooi en tamelijk verrassend natuurkundig inzicht, maar het rechtvaardigt voor mij op een vreemde manier ook uw eigen starheid in de hele quantumdiscussies, bijvoorbeeld met Niels Bohr. U hield in de debatten ijzerenheinig vol dat Onze-Lieve-Heer niet dobbelt, dat er ergens op een dieper niveau gewoon orde en causaliteit moesten heersen en dat de quantumtheorie dus niet af was, maar een onbeholpen begin van iets beters en alomvattenders. Ik denk dat de natuurkunde inmiddels wel mag zeggen dat dat gewoon niet klopt. De wereld op het allerkleinste niveau is er echt een van vaagheid en mogelijkheden. Een schimmenrijk, of we dat nou leuk vinden of niet. Sterker, zelfs in de alledaagse werkelijkheid zijn daarvan soms wat schaduwen op te vangen, ik vertelde u er al het nodige over. U hebt dus ongelijk, hoezeer het me ook moeite kost om dat tegen u te herhalen, met het idee dat quantumvaagheid een illusie is. Maar ik begrijp sinds Pikovski’s artikel in Nature wel veel beter waarom u altijd zo bent blijven hechten aan oorzaak en gevolg en eenduidigheid, die het cement lijken voor het meeste van wat er om ons heen gebeurt h et ei nd e van d e quantumkat | 177
en te zien is. Uw fysische intuïtie was van de klassieke snit, gevormd door de wereld van de stuiterende ballen, cirkelende planeten, van tikkende klokken en lichtsignalen. U dacht er beter en vooral strenger over na dan al uw voorgangers samen, en ontdekte de relativiteit. Dat de uiterste consequentie van diezelfde relativiteit is dat quantumvaagheid op grotere schaal niet kan bestaan, kon u destijds natuurlijk niet weten. Sterker, dat had bijna niemand zich tot nog toe echt gerealiseerd. Maar het maakt uw zekerheid dat die vaagheid hooguit een illusie kan zijn, helemaal voorstelbaar. In de wereld die u kende en begreep is dat soort ongrijpbaarheid echt onmogelijk. Principieel zelfs. En dat het op kleiner niveau, ergens voorbij de micrometers, wel degelijk vaagheid troef is, dat kon u domweg niet weten. In de hoop eens iets van uw eigen gedachten over dit onderwerp te mogen vernemen, met afgrondelijke bewondering en nederigheid, teken ik, als altijd lichtvoetig, uw Martijn van Calmthout
178 | ec h t quantu m
