WetenschapKleuren

Is de natuurkunde kleurenblind?

Beeld Fadi Nadrous

Fysicus Brian Greene onderneemt een zoektocht van het begin naar het einde van de kosmos en alles wat daar tussenin gebeurt. Met als eerste vraag: hoe zien we rood?

De wereld is een kleurrijk geheel. Gras is groen, een banaan is geel en een Ferrari is meestal rood. Het kost de meesten van ons geen enkele moeite om kleuren vast te stellen. Maar wat zien we dan? Of beter, wat worden we gewaar? Wat is precies de ervaring die we hebben bij het zien van een bos rode rozen?

De natuurwetenschap zegt daar niet veel over, ze draait er een beetje omheen. Volgens de fysica is rood licht een golfbeweging waarbij een elektrisch en een magnetisch veld beurtelings biljoenen keren per seconde van richting veranderen. De bioloog kan vertellen over kegeltjes in het netvlies die door deze elektromagnetische golf worden aangeslagen en een signaal naar het brein sturen. Daar wordt het, zegt de neuroloog, in de visuele cortex verwerkt. De menselijke perceptie van rood komt in dit verhaal niet voor.

In zijn jonge jaren haalde Brian Greene zijn schouders over deze vragen op. We weten het antwoord niet, dacht hij toen, maar het zit verscholen in de complexiteit van de fysische processen in het oog, de neuronen en de hersenen. De bewuste ervaring van zoiets als een kleur moest wel een fysiek proces zijn, schrijft hij in ‘Tot het einde der tijden’, zijn nieuwe boek. Wat anders?

En dan leest hij het verhaal over het briljante, maar denkbeeldige meisje Mary. Een verhaal dat begin jaren tachtig door filosoof Frank Jackson naar voren is gebracht. Mary is vanaf haar geboorte door en door kleurenblind. Ze ziet de hele wereld in zwart-wit. Artsen zeggen dat er geen therapie tegen haar kwaal bestaat, maar Mary legt zich daar niet bij neer. Ze stort zich op de wetenschap van het zien en slaagt erin alle processen tot in het kleinste detail te doorgronden. En ze ontwikkelt een therapie.

Orde uit wanorde

Gedane zaken nemen geen keer, ook in de fysica niet. Een gebroken ei laat zich niet meer helen, een brood kun je niet meer ontbinden in water en meel. De wetten van de natuurkunde staan het wel toe, maar er is één wet die het zeer onwaarschijnlijk maakt: de tweede wet uit de thermodynamica. Het is deze wet die zegt dat de perfecte verbrandingsmotor niet bestaat en dat hete soep vanzelf afkoelt.

In de moderne natuurkunde is de wet geformuleerd in termen van de entropie, de wanorde van een systeem. De entropie neemt volgens die wet altijd toe. Leg een hele verzameling muntjes op tafel, allemaal met kop boven. Een volmaakte ordening, de entropie is nul. Geef een schok aan het tafelblad en enkele muntjes komen op munt. En hoe je daarna ook schudt aan de tafel, als het meer dan honderd muntjes zijn, lukt het nooit meer om alles op kop te krijgen.

Om diezelfde reden lukt het niet een gebroken vaas heel te gooien of een spiegelei te ontbakken. Daarom lijkt het heelal dat ooit met een oerknal startte vanuit een perfect geordend beginpunt op totale wanorde af te stevenen. Hoe kunnen er dan mooi geordende systemen als sterren of levende wezens ontstaan?

Omdat je de entropie wel lokaal kunt verlagen als je haar elders maar extra verhoogt. Zoals je een stoommachine aan de praat kunt houden door er (ordelijke) energie in te stoppen en (wanordelijke) warmte af te voeren, zo kan ook in het heelal ordening ontstaan als op andere plaatsen de chaos navenant toeneemt.

De ordenende kracht in dit spel is de zwaartekracht. Die veegt het stof uit de ruimte bijeen en smeedt er sterren van. Volmaakte bollen met lage entropie die door hun gewicht nog energie produceren ook en overtollige warmte afvoeren. Terwijl de stoommachine alleen blijft draaien als een intelligent wezen die zo nu en dan opstookt met verse kolen, houden de wetten van de natuur dit stersysteem in stand. De rest is geschiedenis, schrijft Brian Greene.

Ze wordt geopereerd en als de verbanden van haar ogen gaan, ziet ze een boeket rode rozen. Zal ze ontroerd zijn door deze nieuwe ervaring? Vast. Verrukt? Ook. Maar had ze dit kunnen voorzien? Nee, luidde Jacksons oorspronkelijke conclusie. De sensatie rood is nieuw voor haar. Ook al had ze voordien een volledige kennis van de fysieke werking van de hersenen, dit zat er volgens Jackson niet in. De fysica kan subjectieve gevoelens niet blootleggen of verklaren.

‘Stilzwijgend nemen we aan dat we deze kennis alleen op die manier kunnen opdoen’

In het jarenlange debat dat daarop volgt, draait Jackson langzaam bij. Ook de aanvankelijk van zijn stuk gebrachte Greene laat dit discours achter zich en zeilt enthousiast met Jackson mee. “We zijn er zo aan gewend om door directe ervaring iets over de wereld te leren, zoals snappen hoe het voelt om rood gewaar te worden door rood te zien, dat we stilzwijgend aannemen dat die ervaringen de enige manier zijn waarop we zulke kennis kunnen opdoen”, schrijft hij.

“Mary’s leerproces mag dan niet vertrouwd zijn, zoals ze deductief redeneert terwijl gewonere mensen vertrouwen op directe ervaring, maar haar volledige beheersing van de natuurkundige kennis zou haar in staat stellen om te bepalen hoe het is om rood te zien.”

Greene is een theoretisch fysicus en auteur van enkele bestsellers over fundamentele natuurkunde en kosmologie, zoals ‘De kosmische symfonie’ en ‘De ontrafeling van de kosmos’. In ‘Tot het einde der tijden’ overschrijdt hij de grenzen van zijn eigen vakgebied. Al ziet hij dat zelf niet zo. Alle processen zijn immers gehoorzaam aan de wetten van de fysica, ook al kennen we al die wetten nog niet en zullen we ze misschien nooit kennen of begrijpen.

Daarmee treedt hij in de voetsporen van Erwin Schrödinger, een van de grondleggers van de quantumtheorie. Die boog zich in 1943 in een reeks lezingen over de vraag: wat is leven? Om het concreet te maken: waarin verschilt een konijn van een steen? Het zijn allebei verzamelingen van deeltjes – protonen, elektronen, neutronen – die geregeerd worden door de wetten van zijn eigen quantumleer.

Wat maakt een konijn dan anders? Schrödinger wist het niet. Hier moesten ook andere wetten uit de fysica een rol spelen, schreef hij. Wetten die nog moesten worden ontdekt.

Greene probeert alles - van oerknal tot vrije wil - onder een noemer te brengen

Dat nu ook Greene zich op deze vragen stort, heeft iets tragikomisch. In zijn hoedanigheid als fysicus heeft hij zich beziggehouden met de snaartheorie, een wiskundig bouwwerk bedoeld om alle krachten binnen de fysica onder één noemer te krijgen. In de vijftig jaar van haar bestaan heeft de theorie nog geen grote potten kunnen breken; dat doel is in elk geval nog niet verwezenlijkt. En nu verkent Greene de mogelijkheden om alles, maar dan ook echt alles – van de oerknal tot het bestaan van een vrije wil – onder datzelfde dak te krijgen. Het doet denken aan een hoogspringer die na twee mislukte pogingen om 2,10 meter te halen, besluit om de lat voor zijn laatste sprong meteen maar op een wereldrecordhoogte van 2,46 te leggen.

Maar het boek is meer dan een poging tot grote unificatie. Het is, zoals de ondertitel al zegt, een zoektocht. Greene vraagt zich voortdurend af waarom we hier zijn, hoe het allemaal zo heeft kunnen ontstaan en waartoe het leidt. Heeft wat wij hier doen enige eeuwigheidswaarde?

Vanuit kosmologisch perspectief is er geen reden voor een juichstemming. In Greene’s woorden luidt dat verhaal ongeveer als volgt: “Een ogenblik na de oerknal kwam het leven op, dacht kort na over het eigen bestaan in een onverschillig heelal, en verdween weer in het niets.”

Dit citaat weerspiegelt de opbouw van het boek. Het middendeel is ingeruimd voor beschouwingen over de essentie van het leven, niet alleen over de fysische basis van waarneming of geheugen, maar ook van ongrijpbare begrippen als het bewustzijn of de vrije wil. Of over de evolutionaire verklaring van religie of kunst. Hier toont Greene zich weliswaar zeer belezen, maar toch ook niet meer dan een goed ingevoerde verteller, die zijn populair-wetenschappelijke verhalen lardeert met persoonlijke ervaringen. Die soms kort door de bocht gaan.

Zo haalt hij een jeugdherinnering uit Amsterdam aan toen hij met geestverruimende middelen had geëxperimenteerd en ervoer hoe zijn geest meerdere Brians creëerde die om voorrang streden.

“Uit natuurkundig oogpunt had ik niets meer gedaan dan een kleine verzameling vreemde deeltjes toegang geven tot mijn hersenen. Maar die verandering was genoeg om de vertrouwde indruk weg te nemen dat ik vrij ben om wat zich in mijn geest afspeelt te beheersen. Terwijl het sjabloon van het reductionistische niveau (deeltjes, onderworpen aan de natuurwetten) overeind bleef, werd het sjabloon van het menselijke niveau (een berekenbare geest, begiftigd met een vrije wil, die zich beweegt door een stabiele werkelijkheid) ondersteboven gegooid.”

Het universum begint met perfecte ordening; hoe kan het tot complete wanorde vervallen?

Dat middendeel wordt omsloten door twee zoektochten op Greene’s eigen terrein: de kosmologie. Hier is hij overduidelijk thuis. De openingshoofdstukken sleuren de lezer de diepte van de oerknal in, met als prangende vraag: hoe is het mogelijk dat een universum dat met een perfecte ordening van start ging en gestaag vervalt tot een complete wanorde, toch zoiets wonderbaarlijks weet voort te brengen als leven op aarde? Dat op zijn beurt hoogstandjes bewerkstelligt als de algemene relativiteitstheorie van Einstein en de strijkkwartetten van Beethoven?

Het antwoord komt uit de thermodynamica, de natuurkundige theorie die Einstein zelf ooit beschreef als de enige theorie waarvan hij zeker wist dat ze nooit omver zou worden geworpen. De tweede wet uit de thermodynamica, die voorschrijft dat de chaos (de entropie, zeggen fysici) altijd toeneemt, juist die wet blijkt een achterdeurtje te hebben. In de woorden van Greene: de entropie gaat soms een een-tweetje aan met de zwaartekracht. En door dit een-tweetje kunnen lokaal en tijdelijk oorden van orde bestaan. Zoals een zonnestelsel met leven op aarde.

Het is fascinerende kost, maar entropie is een abstract en moeilijk begrip, zeker in de context van de kosmologie. Hoewel Greene de ene na de andere metafoor uit de kast trekt, van dampende badkamers tot uiteenspattende zeepbellen, moet de lezer alle zeilen bijzetten om hem te kunnen volgen.

Wie het lukt aangeklampt te blijven, kan tijdens de hoofdstukken over het leven op adem komen. Maar beseft dan ook dat de zoektocht is vastgelopen. Het ging toch om de reden van ons bestaan? Wat hebben entropie en religie met elkaar te maken? Veel tijd om hierover na te denken is er niet. De kosmische apotheose staat te wachten: krijgt dit heelal een einde, en hoe dan?

Laat deze vraag maar over aan een kosmoloog. Spektakel gegarandeerd. Greene loopt het hele scala af, te beginnen bij het einde van de zon. Dat staat wel vast: over vijf miljard jaar houdt onze ster ermee op. Het is nog de vraag of de aarde dit einde als planeet overleeft, maar zeker is dat het dan met het leven op aarde is afgelopen. Als de mens er dan nog is – zeer onwaarschijnlijk – dan zal hij een veilig heenkomen moeten zoeken.

Maar op de lange duur – Greene kijkt niet op een factor biljoen of meer – blijft het een eindige zaak. In de scenario’s die kosmologen kunnen bedenken, krimpt het heelal weer ineen in een big crunch. Of de ruimte wordt zelf door de donkere energie uiteengereten. Of deze: de ruimte wordt door een sprong in het zogeheten higgs-veld in een flits weggevaagd en vervangen door een andere ruimte – zonder ons. 

In het meest waarschijnlijke scenario eindigt het heelal in een grote leegte, slechts gevuld door zwarte gaten, met hier en daar een verdwaald deeltje, maar zo snel uitdijend dat de lichtsnelheid het niet meer kan bijbenen en niets nog weet kan hebben van iets.

Brian Greene, Tot het einde der tijden. De zoektocht naar de reden van ons bestaan in een nieuwe wereld. Spectrum Amsterdam. 400 blz. €35,99.

Lees ook:

Onze waarneming is fout’

Joep Engels in gesprek met Brian Greene over ‘De ontrafeling van de kosmos’.

Meer over

Wilt u iets delen met Trouw?

Tip hier onze journalisten

Op alle verhalen van Trouw rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright@trouw.nl.
© 2021 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden