Bewustzijn en fysica (2) Quantumtheorie en quantumveld

Licht – algemeen als golfverschijnsel beschouwd – blijkt zich onder bepaalde omstandigheden als deeltjes te gedragen, en omgekeerd, elektronen – altijd als deeltjes beschouwd – als een golfverschijnsel. Het hangt af van de inrichting van het experiment – dus van de vraagstelling van de onderzoeker – hoe ze zich gedragen. Dit verschijnsel – dat een realiteit zich voordoet onder twee verschillende, elkaar schijnbaar uitsluitende vormen – wordt het complementariteitsbeginsel van Bohr genoemd.

In de quantummechanica kunnen elementaire deeltjes zoals elektronen alleen nog maar adequaat worden beschreven met abstracte mathematische golffuncties. Men kan niet met absolute zekerheid zeggen waar een deeltje zich bevindt, maar alleen de waarschijnlijkheid berekenen dat het zich op een bepaalde plaats bevindt. Dit hangt samen met de onzekerheidsrelatie van Heisenberg, volgens welke het principieel onmogelijk is om tegelijk plaats en snelheid van een deeltje nauwkeurig te meten. De nauwkeurigheid in de plaatsbepaling gaat ten koste van de nauwkeurigheid in de snelheid en omgekeerd.

De belangrijke filosofische consequentie hiervan is dat het feit van de waarneming (meting) de toestand van het waargenomene beïnvloedt, ofwel dat subject en object niet strikt van elkaar te scheiden zijn! Anders gezegd: de waarnemer is essentieel; het is niet zo dat er een materiële werkelijkheid is die onafhankelijk van de waarnemer bestaat. In de moderne fysica is de onderzoeker geen neutrale toeschouwer meer, maar medespeler. De splitsing van subject en object, die teruggaat tot Descartes, is niet langer houdbaar.

“De oude indeling van de wereld in een objectieve afloop in ruimte en tijd aan de ene kant en de ziel, waarin zich deze afloop spiegelt, aan de andere kant, dus de Cartesiaanse onderscheiding van res cogitans en res extensa, is niet meer geschikt als uitgangspunt voor begrip van de moderne natuurwetenschap.”

[W. Heisenberg, Das Naturbild der heutigen Physik]

De quantumfysica betekende ook een aanval op het determinisme, omdat zij slechts waarschijnlijkheden gaf. Einstein verzette zich tegen deze gedachte en was ervan overtuigd dat er ‘verborgen variabelen’ moesten meespelen. ‘God dobbelt niet’ is zijn beroemde uitspraak. In 1935 bedacht hij met twee medewerkers, Podolski en Rosen, een gedachtenexperiment dat de onjuistheid van de quantumfysica moest aantonen. Hierin gingen zij uit van twee verbonden deeltjes, die zich door een gebeurtenis van elkaar verwijderen. Ze hebben een tegengestelde spin (draairichting). Als nu door een gebeurtenis de spin van een van de deeltjes verandert, dan verandert op hetzelfde moment de spin van het andere deeltje, ook al zouden ze miljoenen kilometers van elkaar verwijderd zijn. Ze zouden dus ‘weet’ hebben van elkaar! Einstein bestreed dit. Het experiment kon pas vele jaren later worden uitgevoerd en stelde Einstein in het ongelijk.

Rond 1970 kon men alle natuurwetten terugbrengen tot vier basiskrachten, te weten de zwaartekracht, de elektromagnetische kracht, de zwakke kracht, die protonen en neutronen in de kern van het atoom bindt en de sterke kracht, die de quarks bij elkaar houdt. Via verschillende tussenstappen is men er uiteindelijk in geslaagd om deze vier krachten terug te brengen tot één principe, en wel in de zogenaamde ‘superzwaartekracht-theorie’. Hierin gaat men uit van een alomtegenwoordig, tijdloos quantumveld dat zowel deeltjes creëert als vernietigt. Dit wordt beschouwd als het diepste niveau van de materiële werkelijkheid. Uit dat veld kunnen namelijk in principe alle fysische verschijnselen worden afgeleid. Het kan worden omschreven als een vacuüm, echter een vacuüm dat niet ‘dood’ is, maar dat in elk punt een onbegrensde hoeveelheid potentiële energie bezit. Door fluctuaties in het veld kunnen deeltjes ontstaan, die slechts discrete niveaus van energie kunnen hebben (vandaar de benaming quantumveld). Elk deeltje is een ‘excitatie’ van het vacuüm.

“Het vacuüm is waarschijnlijk een “levende leegte”, die pulseert in eindeloze ritmes van schepping en vernietiging. De ontdekking van de dynamische kwaliteit van het vacuüm wordt door vele natuurkundigen als een van de belangrijkste bevindingen van de moderne fysica beschouwd.”

[Fritjof Capra, The Tao of Physics]