donderdag 18 juni 2009

Quantum-mystiek

Quantum-mechanica* beschrijft hoe materie zich gedraagt op hele kleine schaal - en dat is wezenlijk anders dan zoals de dingen zich gedragen op een meer menselijke schaal. Quantum-mechanica is zeer vreemd. Ik denk dat we bijvoorbeeld allemaal wel eens gehoord hebben dat volgens de quantum-mechanica licht zowel deeltjes als golven kunnen zijn. En dan hebben we het nog niet gehad over exotische zaken als quantum-tunelling en verstrengeling (entanglement). Quantum-mechanica is mysterieus, slechts weinig mensen weten wat het echt inhoudt, maar het werkt wel. Het feit dat je dit kunt lezen bewijst het: elke moderne computer zit vol met technologie die gebaseerd is op quantum-effecten.

Deze combinatie is precies wat quantum-theorie ook geschikt maakt voor misbruik om allerlei mystieke zaken mee te verklaren. Quantum-theorie wordt gebruikt om geloofwaardigheid te geven aan de meest uiteenlopende ideeën:

  • Bewustzijn wordt veroorzaakt door quantum-effecten

  • God gebruikte quantum-effecten om evolutie bij te sturen

  • Telepathie werkt via quantum-effecten

  • Via quantum-effecten kun je de wereld naar je hand zetten door het simpelweg te willen


Ik noem dit soort verklaringen "quantum-mystiek". De gedachtegang lijkt ongeveer als volgt te gaan: "Dit verschijnsel is mysterieus, quantum-mechanica ook, dus ze zullen wel wat met elkaar te maken hebben. Bewijs maar eens dat het niet zo is!"

Maar er zijn meer redenen die quantum-mechanica een favoriet maken bij het uitleggen van allerhande mysterieuze zaken. Hiervoor moet ik eerst wat uitleggen over quantum-mechanica - voor zover ik het zelf begrijp, uiteraard. Mochten er echte quantum-fysici meelezen, correcties en aanvullingen zijn natuurlijk altijd welkom.

Laat ik beginnen bij het beroemde dubbele-spleet experiment: een laser stuurt licht af op twee uiterst dunne spleten. Het is al langer bekend dat licht zich als golven kan gedragen. De spleten zijn zo smal en staan zo dicht opeen dat er interferentie tussen die golven optreedt. Aan de andere kant van de spleten is een scherm geplaatst, waarop het interferentie-patroon te zien is.

Het begint vreemd te worden als de lichtbron zo wordt afgesteld dat er maar één lichtpakketje, oftewel een foton, tegelijk wordt uitgezonden. We gebruiken dan een lichtgevoelig scherm, zoals een fotografische plaat. Elk foton komt uiteindelijk op het scherm uit en laat daar een enkel stipje achter. Maar wat blijkt? De stipjes vormen nog steeds hetzelfde interferentie-patroon. Hoe kan dat? Hoe weet dat foton waar het heen moet om in het patroon te passen? Hoe kan één deeltje nou met zichzelf interfereren? Is het deeltje dan door beide spleten tegelijk gegaan?

De quantum-mechanica geeft ons wiskundige vergelijkingen om precies te voorspellen hoe het patroon op het scherm eruit komt te zien. Deze vergelijkingen beschouwen de waarschijnlijkheid van de locatie van een deeltje als een soort van golf-verschijnsel. Wat we daarmee kunnen uitrekenen is de kansverdeling van de mogelijke uitkomsten van een experiment, in dit geval de positie van een stipje op het scherm. Het is dus niet te voorspellen waar een enkel deeltje terecht komt, maar als je maar genoeg deeltjes gebruikt wordt het patroon duidelijk.

De wiskunde van de quantum-mechanica geeft ons echter geen echte antwoorden op de bovenstaande vragen - we kunnen het wel berekenen, maar daarmee begrijpen we het nog niet echt. We willen graag weten hoe we dit moeten interpreteren, hoe we het een verhaal moeten geven waarmee het wel kunnen begrijpen.

Er zijn vele verschillende interpretaties. Eén van de meest gangbare is de zgn. Kopenhagen-interpretatie. Het idee is dat het foton geen vastgestelde positie heeft zolang het onderweg is, maar is als het ware uitgesmeerd over de hele waarschijnlijkheid-golf. Op deze manier kan het foton door beide spleten tegelijk en kan interferentie plaatsvinden. Pas als de foton bij het scherm komt, moet er een keuze gemaakt worden: het foton kan alleen maar één stipje maken. Volgens de Kopenhagen-interpretatie klapt dan de golffunctie ineen en wordt dan de positie van het foton aan de hand van de kansverdeling gekozen.

Zoals gezegd, dit is slechts een interpretatie, simpel gezegd een verhaaltje om de wiskunde wat mee aan te kleden, of om ons een beetje een beeld te geven. We weten namelijk niet wat er echt tussen laser en scherm gebeurt, want zodra we dat proberen te ontdekken, verandert het experiment. Dit is een ander belangrijk principe in de quantum-mechanica: een waarneming kan de uitkomst veranderen.

We kunnen bijvoorbeeld een detector plaatsen achter één van de spleten, om te ontdekken of het foton door de ene of de andere spleet gegaan is. Je zou dan misschien verwachten dat het foton tegen de tijd dat het bij de detector komt al door beide spleten gegaan is en dus gewoon een interferentiepatroon veroorzaakt. In werkelijkheid verdwijnt echter het interferentiepatroon. Een mogelijke interpretatie is dat als we weten door welke spleet het foton gegaan is, het dus niet door alle twee tegelijk gegaan kan zijn. Dus treedt er ook geen interferentie op. Een andere interpretatie is dat een deel van de golffunctie al bij de detector eindigt en dus niet meedoet in de interferentie.

En hier komen we eindelijk bij de quantum-mystiek. We weten niet wat het foton precies doet tussen de laser en het scherm. We kunnen dat ook niet weten, want zodra we proberen ergens anders te kijken verandert het experiment en krijgen we andere uitkomsten. Dit betekent dat quantum-mechanica de opening is waar velen naar gezocht hebben om hun favoriete verschijnsel in te duwen. Zo kun je beweren dat telepathie op quantum-effecten berust en dat zodra je het bestudeert, het verschijnsel verdwijnt. Het klinkt heel plausibel: het geeft een wetenschappelijk klinkende verklaring voor telepathie en het verklaart meteen waarom de wetenschap nooit overtuigend bewijs van telepathie heeft kunnen vinden.

Jammer dat ze er nooit bij zeggen op welk quantum-verschijnsel telepathie gebaseerd zou moeten zijn, of op welke manier we het quantum-effect zouden verstoren bij onze waarneming.

Sommigen gaan echter nog verder. Volgens sommigen is het niet zozeer wat je meet dat het resultaat beïnvloedt, maar bewustzijn zelf: pas als een bewuste geest de waarneming gedaan heeft, klapt de golffunctie pas écht ineen. Je begrijpt dat dit idee helemaal koren op de molen is van degenen die een verklaring zoeken voor hun favoriete onderwerp. Telepathie is ook hier een goed voorbeeld. Hier komt ook het idee vandaan dat je puur door iets maar graag genoeg te willen de werkelijkheid kunt veranderen. Sterker nog, sommigen beweren dat God de ultieme observator zou zijn, die ervoor verantwoordelijk is dat de gecombineerde golffunctie van het heelal op de door hem gewenste manier ineen klapt. Zonder dat je het ooit zou kunnen bewijzen, natuurlijk.

Slechts weinigen zullen echter toegeven dat dit allemaal maar speculatie is, geen wetenschap. Meestal wordt een en ander met volle overtuiging uitgesproken, alsof het allemaal wetenschappelijk vast staat. Ik vraag me af hoeveel zich bewust zijn van het feit dat het ineenstorten van de golffunctie geen bewezen wetenschap is, maar onderdeel van een interpretatie. Dit terwijl er verschillende interpretaties bestaan die helemaal geen ineenstorting van de golffunctie erkennen. Een populair alternatief is bijvoorbeeld de veel-werelden interpretatie, waarbij elke mogelijke uitkomst voorkomt in een serie van alternatieve werelden (deze is dan weer populair bij Science-Fiction auteurs). Een ander is het idee dat het deeltje niet is uitgesmeerd, maar gewoon een baan heeft, die dan weer wel wordt bepaald door de golffunctie. Het deeltje heeft daarbij voor ons verborgen eigenschappen, die bepalen welk van de mogelijke posities het inneemt in bijvoorbeeld een interferentie-patroon. Een voorbeeld hiervan is de interpretatie van Bohm.

Het is belangrijk om te begrijpen dat al deze interpretaties wiskundig allemaal op hetzelfde neerkomen. Ook komen ze allemaal overeen met wat we zien in experimenten. We hebben nog geen manier bedacht om te testen welke van de interpretaties we moeten kiezen (al wordt daar wel aan gewerkt). Volgens sommigen zouden we het dan ook voorlopig moeten houden bij de "shut up and calculate"-interpretatie, oftewel: kop dicht en rekenen. Daarvan weten we tenminste dat het werkt.

Dus als iemand je weer eens probeert te overtuigen dat hun favoriete verschijnsel gebaseerd is op quantum-effecten, wees je er dan van bewust dat quantum-effecten de ideale manier zijn om je idee een wetenschappelijk sausje te geven, zonder een groot risico te lopen dat iemand doorheeft dat het helemaal geen wetenschap is.



* Ik weet dat "Quantum" tegenwoordig eigenlijk als "Kwantum" gespeld moet worden, maar ik weiger koppig daaraan mee te doen. Hadden de taalkundigen maar moeten overleggen met de natuurkundigen.

6 opmerkingen:

  1. Alweer een prachtig stukje Deen.

    Als ik mij niet vergis, was de film "What the bleep do we know" (www.whatthebleep.com) een schoolvoorbeeld.
    Op 26-Aug-2008 trouwens nog door de Boeddhistische Omroep Stichting uitgezonden (tinyurl.com/nsw9zs).
    Heel gedurft want over de hele wereld was de film al tot op de grond afgebrand. Zoals bijv. hier :"www.skeptic.com/eskeptic/04-10-01".

    BeantwoordenVerwijderen
  2. @Erwin:
    Bedankt :)

    En "What the bleep" is inderdaad een schoolvoorbeeld. Ik heb nog overwogen om het hier speciaal te noemen, maar ik heb besloten dat niet te doen. "What the bleep" is eigenlijk te bizar voor dit artikel. Ik zou een heel apart artikel nodig hebben om te beschrijven hoe bizar die film eigenlijk is. Misschien schrijf ik zo'n artikel nog wel eens.

    BeantwoordenVerwijderen
  3. Leuk stukje! Maar waarom link je naar de ewngelstalige wiki en niet de nederlandse?

    Overigens, Om "What the bleep" te beschrijven heb je wel meer dan één artikel nodig! ;)

    BeantwoordenVerwijderen
  4. @Henk:
    Dank je.
    "Maar waarom link je naar de engelstalige wiki en niet de nederlandse?"
    Dat hangt er vanaf. Meestal geeft de Engelse wiki veel uitgebreidere informatie. Soms is er zelfs helemaal geen Nederlandse versie van een bepaald artikel. En soms ben ik gewoon te lui om te kijken of de Nederlandse versie ook zou voldoen.

    Misschien moet ik inderdaad wat vaker proberen naar de Nederlandse versie te linken.

    BeantwoordenVerwijderen
  5. Guido Boogaerts20 juli 2009 om 14:24

    Wat te zeggen over het kwantumwiseffectexperiment, waar het gedrag van de deeltjes aan het begin van het experiment volledig lijkt te worden bepaald door de de dingen die gebeuren (meetingen) nadat het experiment is voltooid?

    BeantwoordenVerwijderen
  6. @Guido: nee, de meting is altijd onderdeel van het experiment. Ongeacht wanneer je beslist wat je gaat meten, zelfs nadat de eigenlijke interactie al voorbij zou moeten zijn, het soort meting bepaalt of je deeltjes-gedrag of golf-gedrag te zien krijgt. Het blijft tegen-intuïtief, natuurlijk.

    BeantwoordenVerwijderen

Als je anoniem reageert, onderteken dan alsjeblieft je bericht ergens mee (hoeft uiteraard niet je echte naam te zijn), zodat we de verschillende "Anoniems" uit elkaar kunnen houden.