Kwantummechanica, een poort naar het paranormale of een alibi voor onzin?

Om een idee te hebben van de vreemde wereld van de kwantummechanica kunnen we teruggrijpen naar de bekende, verraderlijk eenvoudige proef van Young die velen zich uit de fysicales op school zullen herinneren. Zet in een verduisterd lokaal een lichtbron (lamp) voor een beeldscherm en scherm de lamp af met een plaat voorzien van twee dunne, evenwijdige spleten. Wat gebeurt er? Als het licht maar door één spleet kan, wordt het grootst deel van het licht geprojecteerd tot één heldere streep (en een klein deel wordt over de rest van het scherm verspreid). Maar als het licht door de twee strepen gaat, zien we op het scherm afwisselend heldere en donkere banden. De verklaring is: de lichtgolven die uit de twee spleten komen, interfereren met elkaar. Op plaatsen waar de beweging in dezelfde richting trilt (in fase), versterken de golven elkaar, en waar ze die beweging tegengesteld is (in tegenfase), heffen ze elkaar op.

De Engelsman Thomas Young, die deze proef in 1801 bedacht, toonde zo aan dat licht een golfverschijnsel moet zijn.Als licht uit een stroom deeltjes bestaat, kunnen die franjes van licht en donker niet verklaard worden. Daarmee leek de oude opvatting van Newton dat licht uit deeltjes bestaat, dood en begraven. Maar in 1900 toonde Max Planck aan dat de energie bij straling niet als een continue stroom wordt overgedragen, maar in de vorm van kleine discontinue hoeveelheden of quanta. Vier jaar later beweerde Einstein dat licht een stroom is van deze energiequanta die zich gedragen als deeltjes (fotonen genaamd): als een beeldscherm, een fotografische plaat of een foto-elektrische cel licht detecteert, komt dat doordat een atoom van dat scherm door zo’n energetisch deeltje getroffen wordt.

Dat is merkwaardig, omdat het door de proef van Young aangetoonde golfkarakter van het licht toch nog geldig bleef. Je kan die proef niet verklaren door ervan uit te gaan dat door beide spleten deeltjes stromen, of ze zouden met elkaar rekening moeten houden voor het vormen van het interferentiepatroon. Een foton dat door de ene spleet stroomt kan moeilijk "weten" dat er nog een andere spleet open staat om uit te maken waar hij neerkomt. Van een foton dat op het scherm wordt gedetecteerd kan je onmogelijk vaststellen op het nu door de ene dan wel door de andere spleet is gevlogen.

We moeten dus vaststellen dat het licht zich bij zijn verplaatsing gedraagt als een golf, maar zodra het wordt gedetecteerd, zich gedraagt als een deeltje. Dit duaal karakter van het licht (en, zo bleek achteraf, ook van snel bewegende materiële deeltjes, zoals elektronen), vormde het uitgangspunt van de kwantummechanica. Deze nieuwe tak van de fysica slaagde erin dit soort verschijnselen te beschrijven met behulp van nieuwe, zeer abstracte wiskundige formuleringen. Het komt erop neer dat een kwantumsysteem wordt beschreven door een golffunctie, een wiskundig werktuig dat het golfkarakter uitdrukt. In onze proef van Young bijvoorbeeld kan je voor elk punt in het interferentiepatroon de waarde van de golffunctie bepalen. Die functie is een maat voor de waarschijnlijkheid dat dit punt door een foton wordt getrofffen, maar de concrete aanwezigheid van zo’n foton kan alleen worden vastgesteld door deze te meten. Het lijkt of het deeltje in een soort wolk is "uitgesmeerd" over het hele veld van de golffunctie, maar zodra ergens een deeltje op een bepaald punt wordt gedetecteerd, verdwijnt de wolk en is de aanwezigheid van het deeltje beperkt tot dat ene punt. Men spreekt van de "ineenstorting" van de golffunctie.

Wiskundig is dit perfect te beschrijven, maar hoe moet je dit in termen van de alledaagse werkelijkheid begrijpen? Het is duidelijk dat kwantummechanica weinig met de alledaagse werkelijkheid te maken heeft. Een aantal fysici hebben zich geïnspireerd op een beeld dat ooit bedacht werd door André Breton, de "paus" van het surrealisme: de oplosbare vis. Een meting van een kwantumverschijnsel kan worden vergeleken met het vissen in een vijver met letterlijk troebel water. De visser kan de vis in het water niet zien. Hij weet wel dat de vis in de vijver is (bijvoorbeeld omdat hij hem er zelf ingegooid heeft) maar hij kan zijn positie onmogelijk vaststellen, zolang de vis niet in de haak bijt en de dobber doet bewegen. Het is alsof de vis in de vijver was opgelost en pas als hij bijt tot een concrete vis gereduceerd wordt.

Dat klinkt vreemd en - inderdaad - surrealistisch. Het kan nog vreemder worden als je beseft dat zo’n golffunctie niet één, maar meerdere deeltjes kan beschrijven die onderling van elkaar afhankelijk zijn en samen een kwantumsysteem vormen. In een kwantumsysteem van twee deeltjes kan het dat door meting van de eigenschappen van één deeltje meteen ook de eigenschappen van het andere deeltje volgen. De golffunctie wordt dan in één klap gereduceerd tot twee deeltjes, ook al kunnen die ver van elkaar af liggen. Men noemt dat soms de eigenschap van "niet-lokaliteit" van een kwantumsysteem.

Om de vergelijking met de vissen - ditmaal met een door mij bedacht voorbeeld - verder te zetten. Stel dat je twee vijvers hebt, met nog even troebel water, die door een gracht met elkaar zijn verbonden en die vol stekelbaarsjes zitten. Gooi een snoek in een van de vijvers en wacht even tot deze de tijd heeft gehad om zich eventueel door de gracht naar de andere vijver te begeven. Sluit dan de gracht af, zodat de vijvers van elkaar gescheiden zijn. Na enkele dagen mogen we aannemen dat de snoek alle stekelbaarsjes van de vijver waarin hij zit heeft opgepeuzeld, terwijl de andere vijver nog stekelbaarsjes moet bevatten. Maar je weet niet dewelke. Het lijkt alsof de snoek en de stekelbaarsjes in beide vijvers zijn opgelost. Pas door in een van de vijvers te gaan vissen weet je wie in die vijver is. Stel dat je een stekelbaarsje vangt. Door deze is de aanwezigheid van stekelbaarsjes, tot dan toe "uitgesmeerd" over beide vijvers, gereduceerd tot die ene vijver en de aanwezigheid van de snoek tot de andere vijver, ook al heb je niet in die andere vijver gevist! Zolang we het over vissen hebben, zal niemand geloven dat de aanwezigheid van de vissen niet vastlag voordat de "meting" plaatsvond, maar in het geval van kwantumverschijnselen is dat anders.

Hoe vreemd ook, als we aannemen dat de kwantummechanica een fundamentele - dè fundamentele - manier is om de werkelijkheid te beschrijven, moeten we dit beeld aanvaarden. Vraag is hoe we dit moeten interpreteren in onze denkwereld? Vele fysici zijn met interpretaties naar voren gekomen, al zijn die zelf geen natuurkunde meer, maar filosofie.

De interpretaties

Wat betekent de "ineenstorting" van de golffunctie? Moeten we dat als een fysische realiteit beschouwen? Omdat er achter elk meetapparaat een waarnemer staat, een persoon die de meting uitvoert, menen sommigen dat de reductie plaatsvindt in het bewustzijn van de waarnemer. Dat zou betekenen dat de wereld zoals we die kennen uiteindelijk pas door de menselijke geest realiteit wordt, een standpunt dat herinnert aan het filosofisch idealisme van bijvoorbeeld Kant. Hoewel deze interpretatie enkele voordelen heeft, stelt ze ook problemen. Wat te denken van een deeltje dat door een meetapparaat of een fotografische plaat geregistreerd wordt zonder dat er een mens aan te pas komt? Volgens de idealistische interpretatie vindt de ineenstorting van de golffunctie pas plaats op het moment dat de waarnemer de registratie afleest of de plaat bekijkt, ook al doet hij dat dagen of jaren later! Hoe dan ook houden de meeste fysici niet van een wereldbeeld waarbij er geen objectieve werkelijkheid bestaat buiten de waarnemer. Tegenover dit "kwantumidealisme" stellen sommigen een "kwantummaterialisme", waarbij ze de reductie interpreteren als een wisselwerking tussen de golf en het meetapparaat, onafhankelijk van de waarnemer (het menselijke oog is ook een meetapparaat, los van de menselijke geest). Dit levert weer andere problemen op, maar hoe dan ook wordt die realiteit wel vreemd. Een voorbeeld is de vele-wereldentheorie die zegt dat de reële wereld bij elke meting opgesplitst wordt in een aantal parallel lopende werelden, elk met een andere uitkomst van de meting.

Een derde visie is de zogenaamse Kopenhaagse interpretatie (genoemd naar de school rond de grote Deense fysicus Niels Bohr in Kopenhagen). Volgens Bohr en zijn aanhangers is de beschrijving die de kwantummechanica van de verschijnselen geeft de ultieme realiteit. Het is zinloos naar een dieper liggende interpretatie te zoeken. Die beschrijving klopt en geeft ook goede praktische resultaten. De Kopenhaagse interpretatie - ook wel fenomenalisme genoemd - wordt dan ook gedeeld door de meeste kwantumfysici. Binnen deze drie "scholen" bestaan er nog nuances, en de onderlinge verschillen zijn niet altijd zo radicaal, maar ze hebben alledrie wel gemeen dat ze de kwantummechanica als fundamentele beschrijving van de werkelijkheid aanvaarden. Er waren ook fysici die dit niet konden aanvaarden en meenden dat er iets essentieels aan deze beschrijving ontbreekt. De bekendste verdediger van dat standpunt was Albert Einstein, met zijn beroemde opmerking dat God niet dobbelt. Als de kwantummechanica een beroep moet doen op waarschijnlijkheden, is dat omdat ze niet in staat is de diepere, onderliggende structuur van de wereld weer te geven. Als de positie van een deeltje niet kan worden bepaald vóór de meting, betekent het volgens Einstein niet dat het deeltje dan nog geen positie heeft. Alleen is die verborgen voor de waarnemer. Dit is natuurlijk het standpunt dat het best overeenstemt met het "gezond verstand". Om die onvolledigheid aan te tonen bedachten Einstein en zijn medestanders Podolsky en Rosen een paradox rond de niet-lokaliteit, die bekend staat als de EPR-paradox (naar de initialen van de drie bedenkers). Ze stelden zich een systeem voor van twee deeltjes die onderling in wisselwerking zijn geweest en zich daarna steeds verder van elkaar verwijderen. Zo bestaan er processen waarbij twee energierijke fotonen worden geproduceerd die zich in precies tegengestelde richting verwijderen van de plaats waar ze zijn ontstaan. Zolang geen van beide deeltjes gemeten is, blijven de richtingen waarin beide deeltjes zich bevinden onbekend: we weten alleen dat die richtingen tegengesteld zijn. Volgens de kwantummechanica vormen ze één systeem en worden ze door één golffunctie beschreven: Stel dat een waarnemer in een bepaalde positie één van beide deeltjes detecteert. Dan weet hij meteen ook dat het andere deeltje zich precies aan de tegenovergestelde kant bevindt. In de denkwereld van de klassieke fysica liggen die richtingen vanaf het ontstaan van beide fotonen vast. Maar voor de kwantummechanica wordt de richting pas vastgelegd door de meting en die meting legt ogenblikkelijk ook de richting van het andere foton vast, hoe ver zich dat ook bevindt van de plaats van de meting. Einstein vond dat absurd: niet alleen laat zijn eigen beperkte relativiteitstheorie geen snelheden toe groter dan de lichtsnelheid, maar bovendien had diezelfde theorie het begrip "gelijktijdig" uit de fysica gebannen, terwijl hij in zijn algemene relativiteitsheorie afgerekend had met "werkingen vanop afstand". Hij meende dan ook dat de eigenschappen van de deeltjes voor de meting al in een - voor de kwantummechanica - verborgen toestand bestaan (de zogenoemde "verborgen variabelen"). Helaas voor Einstein is intussen gebleken dat dergelijke verborgen variabelen, indien ze alleen lokaal werkzaam zijn, niet kunnen bestaan. Dat is het gevolg van een stelling die de Ierse fysicus John Bell in 1964 formuleerde en een daarop gebaseerde reeks van experimenten van de Fransman Alain Aspect uit 1975. Het kwam erop neer dat, als we in een kwantumsysteem van twee deeltjes proberen elk deeltje te meten met twee afzonderlijke meetapparaten, de ene meting wel degelijk invloed heeft op de uitslag van de andere meting! Daarmee werd voorgoed aangetoond dat de niet-lokale connecties een realiteit zijn.

Holisme en oosterse wijsheid

David Bohm, die in het kwantumdebat zowat de spirituele erfgenaam van Einstein was, merkte op dat de stelling van Bell, hoe opzienbarend ook, alleen maar het bestaan van lokale verborgen variabelen uitsluit. Dat wil zeggen: van eigenschappen die voor de meting zouden bestaan en het deeltje met zichzelf meedraagt. Volgens hem bestaan er mogelijk niet-lokale verborgen variabelen. Hij stelde zich voor dat de ruimte overspannen is met een veld - een kwantumpotentiaal - dat de eigenschappen van de deeltjes bevat en bij de meting ze aan beide deeltjes tegelijk doorgeeft. Voor deze potentiaal, waarvoor hij een mathematische formulering gaf, speelt afstand, en dus ruimte, geen rol. Ervan overtuigd dat achter dit vrij theoretisch beeld een diepere werkelijkheid moest liggen, ging hij steeds meer de speculatieve toer op. De idee van overal aanwezige kwantumpotentiaal groeide uit tot een holistisch wereldbeeld, waar de zichtbare wereld slechts een uiterlijke weerspiegeling is van een "impliciete orde". Die impliciete orde is een wereldgeest in de zin van Hegel of het brahman, het alomvattend oerbegrip uit de Indische filosofie, waarvoor Bohm grote belangstelling had. Het spreekt vanzelf dat niet iedereen Bohm hierin kon volgen, zeker niet toen hij aansluiting zocht bij de populaire Indische denker Krishnamurti. Deze leerde immers ook dat alles in wezen één is en dat elke verdeling - in object en subject, in waarnemer en waargenomene - illusie is. Overigens had Krishnamurti - die ooit door de theosofen "ontdekt" was als de toekomstige geestelijke leider van de wereld, maar later zelf ontkend had dat te zijn - geen belangstelling voor natuurkunde en hij steunde Bohms visie op de kwantummechanica niet. Helaas namen new age-aanhangers die meestal geen last hebben van te veel kennis van natuurkunde dit soort holistische opvattingen maar al te graag over. De meest bekende vertolker hiervan is de Amerikaan Fritjof Capra met zijn bestseller The Tao of Physicis. Capra is niet echt een volgeling van Bohm. Hoewel zelf fysicus kiest hij voor geen enkele interpretatie, of beter: hij neemt uit elke interpretatie wat hem bevalt, zonder het probleem van de interpretatie duidelijk te stellen. Kortom, hij hanteert een vaagheid die naar het intellectueel oneerlijke neigt. Dat doet hij trouwens evenzeer met de oosterse wijsheden. Of het afbeeldingen van Boeddha of citaten van Lao-tze zijn, alles wat maar een beetje in Capra’s kraam past is goed voor hem. Hij meent zelfs een diepzinnige overeenstemming te vinden tussen een blad vol formules uit de kwantummechanica en een tekst in het Sanskriet. Voor wie van geen van beide iets afweet moet de gelijkenis inderdaad treffend zijn.

Flirten met het paranormale

Het geloof in het paranormale is niet ver verwijderd van dit holistisch sfeertje. De vreemde eigenschappen van kwantumverschijnselen, waarbij sommigen vraagtekens zetten bij ruimte en tijd, vertonen een zekere analogie met paranormale verschijnselen - zoals ze in vele, zij het omstreden waarnemingen en experimenten zijn beschreven. Een duidelijke poging om een band te leggen tussen de kwantummechanica en het paranormale kwam van Olivier Costa de Beauregard. Deze Franse fysicus probeerde in 1947 de EPR-paradox op te lossen door aan te nemen dat er bij meting van een kwantumdeeltje sprake is van twee golven: de normale golf die uit de bron vertrokken is, en een soortgelijke die teruggaat in de tijd. Als in een omgekeerde film loopt die tweede golf bij de meting terug naar de bron van het deeltje en "informeert" daar de vertrekkende golven over hoe de ineenstorting van het golfpakket in de toekomst zal verlopen.

De hypothese van Costa de Beauregard kreeg uiteraard heel wat kritiek te verwerken. Hoewel, ze stak wiskundig gesproken serieus en elegant in elkaar en bovendien zijn er kwantumprocessen waarbij het lijkt alsof er in de tijd teruggegaan wordt. Er zijn dan ook kwantumfysici die met een dergelijke hypothese werken, al delen ze Costa’s andere opvattingen niet. Deze dweept namelijk met het paranormale en hij meent dan ook dat de kwantummechanica - die hij op een "idealistische" wijze interpreteert - een verklaring moet vormen voor paranormale ver-schijnselen. Niet alleen verschijnselen als voorschouw, waarbij men in de toekomst meent te kunnen zien (wat door zijn hypothese misschien iets plausibeler zou kunnen worden…), maar ook telepathie, psychokinese enzovoort. Probleem daarbij is dat hij zelf geen bewijzen voor het paranormale aanbrengt. Hij baseert zich daarvoor op parapsychologisch onderzoek… dat door de skeptici gewogen en te licht werd bevonden (maar dat is een ander verhaal). Costa de Beauregard heeft in zijn eigen land veel tegenwind gekregen - ook van bijvoorbeeld Alain Aspect.

Een kwantumfysicus die vooral bekend raakte als parapsycholoog is de Amerikaan Charles Puthoff. Samen met de plasmafysicus Russell Targ leidde hij een parapsychologisch onderzoeks-laboratorium op het Stanford Research Institute in Californië. Het boek Mind Reach dat ze over hun onderzoek schreven, maakte in de zeventiger jaren nogal wat indruk (onder meer op Costa de Beauregard), maar de skeptici hebben intussen al lang op de zwakke kanten van hun onderzoek gewezen, zeker na de ontmaskering van hun bekendste proefkonijn, Uri Geller. Puthoff, die overigens nog tot de scientologykerk heeft behoord, is berucht om zijn naïeve opvattingen. Zo meende hij verbanden te zien tussen de moderne quarktheorie en de tekeningen die de theosofen Annie Besant en Charles Leadbeater rond 1910 op paragnostische wijze van de atoomstructuur hadden gemaakt. Puthoff twijfelt niet aan de realiteit van paranormale verschijnselen, maar moet vaststellen dat er niet echt wetmatigheden in te vinden zijn. Omdat afstand bij telepathie of helderziendheid geen rol lijkt te spelen, ziet hij een verband met het niet-lokaal karakter van kwantumverschijnselen. Een kwantumtheoretische basis voor het paranormale heeft hij, ondanks alle inspanningen, niet gevonden. Wel heeft hij in de jaren ’90 tevergeefs een perpetuum mobile proberen te bouwen, zich baserend op een gevolg van het onzekerheidsbeginsel waardoor energie aan het vacuüm ontleend kan worden.

De meest briljante kwantumfysicus die zich voor het paranormale interesseert is de Brit Brian Josephson, die het naar hem genoemd effect ont-dekte in de supergeleiding (een kwantummechanisch effect waardoor materialen een zo sterk geordende structuur hebben dat ze geen elektrische weerstand meer hebben). Nog voordat hij op 33-jarige leeftijd de Nobelprijs had gekregen, raakte hij geïnteresseerd in verbanden tussen moderne wetenschap en oosterse mystiek. Ook Josephson ziet een verband tussen het niet-lokaal karakter van de kwantumverschijnselen en het paranormale. Hij veronderstelt dat er een rechtstreeks contact op afstand mogelijk is tussen het menselijk zenuwstelsel en subatomaire verschijnselen. Dat zou een verklaring voor telepathie en psychokinese kunnen leveren. Hij ziet bovendien een mogelijk verband tussen het sterk georganiseerd gedrag van elektronen bij supergeleiding (waarvan Bohm al veronderstelde dat dit gedrag gecoördineerd wordt door een kwantumpotentiaal) en de wijze waarop organismen spontaan samenwerken. Misschien, aldus Josephson, spelen niet-lokale wisselwerkingen wel een rol in het ontstaan van leven en is er eigenlijk geen essentieel verschil tussen de "gewone" verschijnselen bij levende organismen en paranormale verschijnselen. Maar ook Josephson ontkent niet dat zijn ideeën speculatief zijn.

We zullen het niet hebben over de niet-fysici die banden tussen het paranormale en de kwantum-mechanica leggen. De bekendste is wellicht de Britse bioloog Rupert Sheldrake, met zijn onderzoek naar paranormale vermogens van dieren en de daaraan gekoppelde — zeer omstreden — theorie van morfogenetische velden. Maar met de moderne natuurkunde heeft het allemaal niet veel te maken.

Wat moeten we van al die veronderstellingen denken? De kwantummechanica heeft het traditionele beeld van een begrijpelijke wereld aan het wankelen gebracht. Veel natuurkundigen, ook zeer vooraanstaande, hebben naar alternatieve denkpatronen gezocht, ook bijvoorbeeld in oosterse filosofieën. Op zich is daar niets mis mee. Er is zoveel variatie in die filosofieën dat iedereen er bij wijze van spreken zijn gading vindt. En dat hoeft geen hocus-pocus te zijn. Zo bestaat er een agnostische strekking binnen het boeddhisme die erg bij de Kopenhaagse interpretatie past. Dat dit past in new age-trends is mooi meegenomen voor succesauteurs als Capra. Ook de band met het paranormale is snel gelegd. Alleen moet het bewijs voor het paranormale nog (steeds) worden gevonden. Wat er nu als concrete bewijzen op tafel ligt, is volgens de skeptici te zwak, wat sommige briljante theoretische natuurkundigen er ook over mogen denken.

Tim Trachet is wiskundige en stichtend lid van Skepp

De ideeen van Josephson vindt u hier.