Honderd jaar geleden kwamen natuurkundigen tot een wiskundig model van het gedrag van de allerkleinste deeltjes. Een theorie die nog steeds verbluffend exact is en tegelijkertijd de deur wagenwijd openzet voor het mysterieuze.

Klik hier om dit artikel te beluisteren!

Het regent vandaag in Zwitserland, en dat maakt het terrein van Cern in Genève er niet vrolijker op. De hoofdweg door dit ‘Europees laboratorium voor deeltjesfysica’, vol fantasieloze kantoorgebouwen, wordt doormidden gehakt door een douanekantoor, leeg ook nog. Bij de oprichting hebben ze het allemaal bewust boven op de Frans-Zwitserse grens gepland. Er lijkt niks spannends te gebeuren.

Maar schijn bedriegt. Want precies hier, honderd meter onder onze voeten, onder de rotsen, bevindt zich de beroemde Large Hadron Collider. In deze deeltjesversneller van 27 kilometer omtrek voeren onderzoekers de kleinste deeltjes van onze kosmos op tot bijna de lichtsnelheid, om ze vervolgens tegen elkaar te laten knallen, in een detector die zo groot is als een fabriekshal. In adembenemende experimenten bekijken ze de brokstukken van deze botsingen, de bouwstenen van onze kosmos.

Tenminste, dat is hoe het wordt uitgelegd in de schoolboekjes en de persberichten. Maar wat scholieren en krantenlezers doorgaans niet beseffen, is dat woorden als ‘bekijken’, ‘deeltjes’ en ‘brokstukken’ veel te veel concreetheid en tastbaarheid suggereren. De werkelijkheid is veel mysterieuzer en ongrijpbaarder, en de meeste van de 17.500 mensen die bij Cern werken, zijn zich daar terdege van bewust. Hoe verder ze inzoomen op de kleinste deeltjes van onze materiële werkelijkheid – van moleculen naar atomen naar protonen naar quarks en lichtdeeltjes – hoe meer al die deeltjes vervagen, zou je kunnen zeggen.

Wanneer we de bouwstenen van onze wereld los willen waarnemen, glippen ze tussen onze vingers door. De geleerden kunnen zeer accuraat de effecten voorspellen van botsingen of metingen. Maar ze kunnen niet exact vertellen waar een deeltje zich bevindt en hoe snel het gaat. Dat komt niet doordat de apparatuur of de kennis nog niet toereikend is, maar doordat de natuur werkelijk een fundamentele grens blijkt te hebben waarachter je niet kunt kijken, niet alleen omdat de deeltjes te klein zijn, maar omdat hun eigenschappen niet vastliggen.

Precies honderd jaar geleden liepen natuurkundigen tegen de grenzen op van wat ze met het klassieke, op Isaac Newtons mechanica gebouwde wereldbeeld konden verklaren. Steeds meer ontdekkingen over licht, elektriciteit en atomen waren daar niet meer in te passen. In een aantal fases formuleerden ze een volledig nieuw model, een model dat beschrijft hoe eigenschappen van een deeltje (zoals plaats, snelheid of lading) zich tot elkaar verhouden. De natuur bleek te voldoen aan prachtige formules.

Werner Heisenberg kwam met een eerste versie, toen hij zich in 1925 had teruggetrokken op een Deens eiland om na te denken over het gedrag van elektronen die alleen maar licht in bepaalde kleuren uitzenden. Een jaar later ontwikkelde Erwin Schrödinger een nog elegantere formule, een zogenaamde golfvergelijking. Dit werd de basis van wat de kwantummechanica ging heten en waar de grote geesten der aarde een paar jaar lang hun hersens op kraakten. De vergelijkingen zijn namelijk heel complex en zijn niet meer op te lossen als je meer deeltjes in het systeem stopt. Je kunt ze dus alleen oplossen bij benadering. Niels Bohr ontdekte dat deze vergelijkingen perfect bleken te voorspellen wat de kansen zijn dat deeltjes zich op een bepaalde plek bevinden of op een bepaalde manier gedragen.

Dit was een enorme revolutie in de natuurwetenschap, misschien nog wel meer dan de relativiteitstheorie die Albert Einstein een paar jaar eerder had opgesteld. ‘In de negentiende eeuw geloofden wetenschappers dat ze uiteindelijk alles zouden kunnen verklaren’, vertelt Joachim Kopp, theoretisch fysicus bij Cern. ‘Maar dat was met de kwantummechanica voorbij.’ Hij staat voor een krijtbord in een nondescript kamertje in een lange gang van een groot gebouw vol tl-balken en systeemplafonds en vertelt over de onderzoeken waar hij bij betrokken is, over deeltjes die uit de ruimte komen, over neutrino’s, over neutronensterren en over zwaartekracht. Harde wetenschap.

‘Maar al ons onderzoek is gebaseerd op statistische modellen.’ Als je inzoomt op losse deeltjes, trekt er een mist van onzekerheid op. ‘Je kunt niet van tevoren uitrekenen waar één bepaald deeltje zich zal bevinden. Je kunt alleen de kans berekenen dat het bepaalde eigenschappen heeft. En daarmee zijn we op de grens gestuit van de kenbaarheid van de natuur.’

Het wordt nog gekker. De formules staan toe dat een ‘deeltje’ zich in twee verschillende toestanden tegelijk bevindt. Superpositie, heet dat. Het kan daardoor onbegrijpelijke dingen doen, zoals op twee plekken tegelijk zijn. Maar: zodra je meet, kiest het één toestand, en vanaf dat moment is het effect van de andere optie weg en kun je er weer op de traditionele manier mee rekenen. Maar vooraf kun je niet weten welke toestand werkelijkheid wordt. Komt dit doordat we te weinig weten, of doordat de natuur fundamenteel willekeurig is? ‘Dat is hier bij Cern onderzocht’, zegt Kopp, ‘en de uitkomst is onomstotelijk vastgesteld: de natuur is fundamenteel willekeurig. Deeltjes gedragen zich niet gedetermineerd, maar probabilistisch.’ Om het anders te zeggen: materie krijgt pas vorm en plaats zodra je het waarneemt.

Einstein kon daar niet mee leven en zou zijn hele leven strijden tegen dit idee. ‘Onze lieve Heer dobbelt niet’, was telkens zijn argument tegen Bohr. Maar Einstein bleek het mis te hebben. De theorie werd door talloze experimenten bevestigd. Sterker nog, dit ‘dobbelen’ blijkt op afstand te werken. Om het heel simpel te zeggen: als je twee deeltjes ‘verstrengelt’, zoals dat heet, zijn hun eigenschappen aan elkaar vastgeklonken, en als je dan dobbelt met het ene, leg je daarmee ook de uitkomst van het andere vast, zonder dat er een stroom, een lichtstraal of een kracht naartoe gaat. Het is onbegrijpelijk, maar bewezen.

De nieuwe inzichten van de kwantummechanica leidden al snel tot het standaardmodel van de deeltjesfysica, waarmee kon worden verklaard hoe stroom werkt, waarom de zon schijnt, waarom de lucht blauw is en waarom je niet door een muur kunt wandelen maar ertegenaan botst. Het leidde al snel tot revolutionaire uitvindingen zoals de transistor, de laser en de waterstofbom.

‘De kwantummechanica is de basis van alles wat we hier bij Cern doen’, zegt Joachim Kopp. ‘Maar wat het betekent? Dat willen mijn studenten ook altijd weten. Het is heel leuk om hier les in te geven. Ze willen altijd graag begrijpen wat er op subatomair niveau nu werkelijk gebeurt, objectief gezien. Maar we komen er nooit uit. Als je het voor het eerst hoort is het onwerkelijk, het is mindblowing. Maar je kunt er wel goed mee rekenen.’

Het is een vaste grap onder kwantumfysici. Als een student wil weten wat de uitkomst van zijn experiment ‘betekent’, zegt de professor: shut up and calculate. Dat is prima in een laboratorium, zegt de Belgische kosmoloog Thomas Hertog in een telefoongesprek vanuit Leuven, waar hij hoogleraar is. ‘Maar als kosmoloog kan ik daar geen genoegen mee nemen. In de kosmologie sta ik niet buiten het lab. De waarnemer, de aarde, het lab en de kosmos vormen één systeem. Een kosmoloog móet wel nadenken over wat de theorie betekent. En dan ontdek je dat er ten diepste nog veel verfijndere zaken aan de gang zijn in onze materiële werkelijkheid.’ De kwantummechanica zet heel veel aannames over de werkelijkheid, die we doen op basis van onze dagelijkse ervaring, op de helling.

Het gaat nog dieper dan de hiervoor benoemde fundamentele onkenbaarheid. ‘De kwantummechanica laat zien dat de daad van waarnemen invloed heeft op de eigenschappen van wat waargenomen wordt. Wij als waarnemers zijn nooit ontkoppeld van de systemen die we onderzoeken. Dit haalt het archimedische godsperspectief onderuit. Er is geen objectieve manier te vinden om de werkelijkheid te beschrijven zonder onszelf erin mee te nemen. De natuur bepaalt pas de eigenschappen van het deeltje zodra we het vragen en afhankelijk van hoe we het vragen. We kunnen de werkelijkheid alleen beschrijven als een oceaan van mogelijkheden. De vragen die we stellen, bepalen wat voor tastbare werkelijkheid zich uitkristalliseert.’

Als kosmoloog kijkt Hertog verder de ruimte in, en ook verder terug in de tijd, als hij het licht onderzoekt van de kosmische achtergrondstraling uit de oertijd of zwarte gaten, sterren die zo zwaar zijn dat ze instorten, waardoor zelfs de natuurwetten zichzelf uitschakelen en tijd en ruimte in elkaar donderen. Hertog heeft daar veel over gepraat met de beroemde fysicus Stephen Hawking en schreef een boek over hun gezamenlijke visie op de kosmos, Het ontstaan van de tijd.

‘Als we de kwantummechanica op het allerdiepste niveau doordrijven en teruggaan naar de tijd net na de oerknal, dan komen we bij een tijd waar alles nog klein en samengeperst was, zelfs ruimte zelf.’ Dat kunnen we alleen begrijpen op basis van de regels van de kwantummechanica. ‘En dan kom ik erop uit dat ik zelfs tijd en ruimte niet meer kan zien als een fundamentele vaste structuur van de kosmos. Tijd, ruimte en ja, zelfs natuurwetten zoals we die kennen blijken “emergente” eigenschappen te zijn, die gradueel vorm hebben gekregen. We kunnen niet van vooraf of van buitenaf beschrijven waarom de natuurwetten zijn zoals ze zijn. Ze hadden ook anders kunnen uitvallen. We kunnen de kosmos alleen beschrijven van binnenuit, achteraf. Een objectief “godsperspectief” is onmogelijk geworden in een kwantumkosmos.’

Wat bij Cern het meest tot de verbeelding spreekt, is natuurlijk de deeltjesversneller, diep onder de grond. Maar daar mogen we niet in – er zijn experimenten bezig en die mogen niet door pottenkijkers worden verstoord. Maar we mogen wel naar binnen bij een tegenovergesteld experiment, dat niemand kent, en dat de ‘deeltjesvertrager’ heet. Die is minder beroemd dan zijn grote broer, en klinkt ook een stuk minder stoer, totdat je zijn bijnaam hoort: de ‘antimateriefabriek’. Jazeker, hier wordt antimaterie gemaakt, die fantastische brandstof uit Star Trek waarmee je ruimteschepen kunt aandrijven. Ook met deze deeltjesvertrager bevindt Cern zich aan de frontlinie van het fundamentele onderzoek.

‘Wij doen het omgekeerde van de Large Hadron Collider’, zegt natuurkundige Barbara Latacz. ‘Hier onder de grond, waar de radioactieve straling geen kwaad kan, maken we antiprotonen. Dan brengen we ze naar boven, om ze te vertragen, en dan te vangen. Zo kunnen we de fundamentele eigenschappen bestuderen. Het is de enige plek ter wereld waar stabiele, zware antimaterie is. Meestal bestuderen we twee deeltjes tegelijk. De rest laten we in het reservoir zitten.’ Behalve een tijdje geleden, vertelt ze. ‘Toen moesten we het experiment tijdelijk stopzetten en toen gingen alle deeltjes dood.’ Ze kijkt erbij of haar emmer met kikkervisjes is omgevallen. Heel dure kikkervisjes.

Antimaterie is een mysterieus fenomeen. Letterlijk is het materie met omgekeerde eigenschappen. Neem het proton, een van de fundamentele bouwstenen van een atoom. ‘Een antiproton is hetzelfde, maar dan met omgekeerde lading. Als dat een proton ontmoet, vernietigen ze elkaar in een uitbarsting van energie. Op aarde had niemand ze ooit nog gezien. Maar uit de kwantummechanica komen ze eigenlijk gewoon uit de formules rollen. Ze moesten bestaan, zei de wiskunde. In experimenten bleek vervolgens dat dit inderdaad zo was.’

Latacz wijst naar beneden, naar een ring van buizen, snoeren en computers op betonnen blokken waar magneten de protonen in hun baan houden, terwijl elektrische velden de deeltjes afremmen. Het is voor de leek moeilijk te ontcijferen waar nu precies wat gebeurt, maar voor Latacz is het allemaal eenvoudig. Ze wijst naar buizen en draden en vacuümkamers. ‘Het leegste vacuüm op aarde, met een temperatuur van 269 graden onder nul, net boven het absolute nulpunt.’ Een hal verderop steekt, te midden van kasten vol stroomdraden en meetapparatuur, een rode buis uit de opstelling. Daar wordt antimaterie uit geschoten, op ons gericht! ‘Wees niet bang, de energie is zo laag, met alle antimaterie in deze fabriek kun je nog geen kopje koffie opwarmen. De antiprotonen verdwijnen zodra ze uit de buis komen.’

Waarom vindt Barbara Latacz het nu zo interessant om het ‘magnetische moment’ van antiprotonen tot op tig cijfers achter de komma te meten? Welnu, zegt ze glimlachend, ‘we hebben een probleem in de kosmos. Alle atomen bestaan uit protonen en elektronen en niet uit antiprotonen en anti-elektronen. Hoe komt dat? Als alles uit antimaterie bestond, werkte alles hetzelfde – zegt de theorie. Maar waarom vinden we dat dan niet? Sommige mensen zeggen dat het toeval is. Ik ben benieuwd. Als wij hier kunnen aantonen dat er iets speciaals is aan antimaterie, en dat het dus niet hetzelfde is als het omgekeerde van een deeltje, dan betekent dat onherroepelijk dat één van de basisprincipes van de kwantummechanica – zoals causaliteit, relativiteit of behoud van lading – wordt geschonden. Dat zouden wij hier natuurlijk wel willen.’

Er is iets aan de hand, denkt ze, gezien de eenzijdige samenstelling van de materie om ons heen. ‘Maar wat? Dat weten we nog niet. We onderzoeken alles. Maar ik weet wel: als wij iets vinden, ontketenen we een revolutie.’

Tot bespiegelingen over de aard van de materie laat Latacz zich niet verleiden. Shut up and calculate! Vindt ze de kwantummechanica niet mysterieus? ‘Ach, ik ben niets anders gewend. En als ik eerlijk ben, vind ik de hele natuur mysterieus. Elke dag bedenk ik weer hoe weinig ik begrijp.’

En dat zeggen meer natuurkundigen. We kunnen rekenen wat we willen, maar minder dan ooit kunnen we ons voorstellen hoe onze materiële werkelijkheid tot stand komt. De vage waarschijnlijkheden uit de kwantumtheorie, de optie dat een deeltje op twee plekken tegelijk is – dat ervaren wij helemaal niet. Voor ons is de materie gegeven en tastbaar. Wij merken de effecten van deeltjes doordat we ze aanraken, in de lucht of aan een tafel. Ze zijn op één plek en niet op twee plekken tegelijk. Waar de probabilistische kwantumwereld overgaat in de gedetermineerde wereld van deeltjes, wat er precies gebeurt als de ‘golffunctie instort’ zoals Niels Bohr dat noemde, en een deeltje een eigenschap ‘krijgt’, kortom: wanneer materie materie wordt – wetenschappers moeten na honderd jaar nog steeds woest speculeren om het allemaal aan elkaar te praten.

‘Mijn visie is dat de overgang van kwantum naar tastbaar te maken heeft met complexiteit’, zegt Joachim Kopp. ‘Als je meet, raak je de kansberekening niet kwijt, je maakt alleen het hele systeem complexer. Met meer deeltjes en omgeving blijft er simpelweg nog maar één optie over die waarschijnlijk is. De meest waarschijnlijke optie wordt dan de optie die wij ervaren als de werkelijkheid.’ Betekent dat dan dat het niet honderd procent wáár is wat wij zien en voelen? ‘Ik weet niet zeker of we in de natuur nog wel over absolute waarheden kunnen spreken.’

De kwantumtheorie toont ons de overgang van niets naar materie. In het hart van de harde wetenschappen is de deur opengezet naar het niet-materiële. Dat past helemaal niet slecht bij de ervaring die veel mensen in hun leven hebben van vrije wil, bewustzijn, een geestelijke wereld, God. Zou deze mysterieuze, wazige, wiskundige wereld daar misschien het domein van zijn? Ja, zegt bijvoorbeeld de beroemde wiskundige Roger Penrose: de niet-deterministische, niet-lokale realiteit van de kwantumwereld is precies wat nodig is om vrije wil en bewustzijn mogelijk te maken. Hij denkt dat bepaalde cellen in hersenen zo’n kwantumtoestand in stand kunnen houden.

Het lastige is dat dit bij veel andere mensen al snel esoterisch wordt. Als je online zoekt op het woord ‘kwantum’ krijg je meer dan duizend boektitels aanbevolen over kwantumhealing en andere fantastische spirituele inzichten. Je kunt erin lezen dat de wetenschap ‘bewijst’ dat iedereen met elkaar verbonden is en dat de kwantummechanica ‘zegt’ dat je met bewustzijn de objectieve werkelijkheid kunt veranderen.

We moeten deze vragen nodig dieper onderzoeken, vindt Mark Harris, hoogleraar wetenschap en religie in Oxford. Hij is experimenteel natuurkundige, die baanbrekend onderzoek heeft verricht, en tegelijkertijd is hij theoloog, anglicaans priester zelfs. Op dit moment is hij bezig met het opstarten van een groot onderzoek naar de betekenis van de kwantummechanica voor ons wereldbeeld. ‘Het is verrassend hoe weinig er hier in het Westen nog over wordt doorgedacht. In de oosterse spiritualiteit is daar veel meer plek voor. Daar is veel meer openheid voor de relatie tussen materie en geest. Of ik dat nonsens vind? Nee, nonsens is niet het juiste woord… maar ik voel wel een zeker ongemak. Het is heel speculatief. Maar in het Westen weten we helemaal niet wat we met de kwantummechanica moeten in ons leven. Iedereen is vooral vol ontzag voor de technologie die het ons heeft gebracht. Maar wat het nu zegt over ons als mens, dat negeren we totaal.’

Harris ziet weinig conflict tussen geloof en wetenschap. ‘Ik zie ze vooral als complementair. Maar ik ben er wel op beducht om niet de verkeerde argumenten in het verkeerde domein te gebruiken. Daar moeten we goed over nadenken. Ik ben heel benieuwd naar de consequenties van de verschillende visies op de kwantummechanica. Mensen kiezen wel heel snel voor één bepaalde interpretatie, namelijk degene die zegt dat je niks wetenschappelijks kunt zeggen over de werkelijkheid van een deeltje voordat je het meet.’ Daardoor kunnen ze er hun eigen religieuze denkbeelden makkelijk in persen. ‘Dat is begrijpelijk, maar er zijn nog veel meer interpretaties te verzinnen.’

Zo zijn er ook natuurkundigen die beweren dat de waarschijnlijkheidsverdeling van deeltjes wél iets betekent in de realiteit. Daarvoor moeten ze wel allerlei moeilijke concepten invoeren, zoals het bestaan van een oneindig aantal verschillende parallelle universums. ‘En ook dat heeft nogal wat verontrustende consequenties.’ Maar al die interpretaties moeten we gaan onderzoeken, zegt Harris, en we moeten nagaan wat ze betekenen voor het mens-zijn. ‘Wat betekent het voor onze ethiek? Wat betekent het voor onze uitspraken over God, over het bovennatuurlijke? Wat zegt het over ons leven?’

Een relatief nieuwe interpretatie van de kwantumtheorie is de ‘relationele’. Dat komt van natuurkundigen die stellen dat alle elektronen, materie, ruimte en tijd in zichzelf niet echt bestaan, maar dat we alleen de relaties daartussen kunnen zien. Dit lijkt wel te passen bij de uitleg van Thomas Hertog dat ook ruimte en tijd ‘emergent’ zijn en voortkomen uit kwantumprocessen.

Kun je zeggen dat de kwantummechanica weer ruimte heeft gemaakt voor het mysterieuze? ‘Zeker’, zegt Hertog, ‘dat durf ik wel te stellen. De oude visie op de natuurkunde als beschrijving van de objectieve werkelijkheid, met haar platonische wetmatigheden, laat geen ruimte voor verbondenheid op dieper niveau. De nieuwe visie wel. En dat kan zonder aan pseudowetenschap te doen, hè! Ik pleit alleen voor het onderzoeken van de grenzen van het kenbare, en wat dat betekent voor ons als mens.’

Hannah Arendt vond dat de moderne wetenschap en techniek ons hebben vervreemd van de aarde, zegt Hertog. ‘Het moderne wetenschappelijke uitgangspunt om de wereld niet te zien als ons thuis, maar als object, leidde er volgens haar toe dat we alles gingen reduceren tot een object. Uiteindelijk gaat dat ook de mens reduceren tot object, en uiteindelijk kan dat alleen maar leiden tot vernietiging, zei ze.’ Om tot een gezond humanisme te komen, moeten we afrekenen met het shut up and calculate van de kwantumpioniers, betoogde Arendt, en moeten we ons mens-zijn weer een plekje geven in de natuurwetenschap.

Hertog wil gehoor geven aan de oproep van Arendt. ‘Maar wat zij misschien nog niet zo had gezien, is dat je de kiemen van zo’n humanisme juist kunt vinden in het hart van de kwantumtheorie.’ De kwantumtheorie laat zien dat natuurwetten niet objectief gegeven zijn. ‘Ze zijn ontstaan, in een zee van mogelijkheden, en al die parameters stemden zich op onbegrijpelijke wijze zo op elkaar af dat er leven mogelijk werd. Alsof de evolutie van de kosmos is voortgestuwd door een soort levensprincipe. Dat leert ons iets over ons. Het lijkt erop dat we het hele heelal niet los kunnen zien van onszelf, dat we het niet kunnen “ontdekken”, maar dat onze waarneming ten grondslag ligt aan de realiteit. In de kwantumkosmologie komt de mens, via een omweg, toch weer terug in de formules.’