BoekbesprekingHelgoland

Zonder prooi is er geen roofdier: Helgoland is verhelderend essay over de revolutie in de natuurkunde

Natuurkundige formules.



 Beeld Getty Images
Natuurkundige formules.Beeld Getty Images

De kwantummechanica is bizar, toch klopt ze als een bus. Maar zij is de werkelijkheid niet.

Een moeder is een moeder omdat ze een kind heeft. In welk boek over de moderne natuurkunde vind je zo’n zin? In het nieuwe boek van Carlo Rovelli. De Italiaanse fysicus heeft een prachtig, verheffend en verhelderend essay geschreven over de revolutie die zich in de afgelopen eeuw heeft voltrokken in de natuurkunde. 

Het volledige citaat, een sleutelpassage, luidt: ‘Een moeder is een moeder omdat ze een kind heeft, een planeet is wat ze is omdat ze om een ster draait, een roofdier is wat het is omdat er prooien zijn’. Als we naar de werkelijkheid kijken zien we geen objecten die in zichzelf iets zíjn, maar objecten die bestaan bij de gratie van hun relaties met andere objecten. Moeder, planeet, roofdier.

Dat is op zich niks nieuws, schrijft Rovelli. Maar we verlangen van de natuurkunde dat die laat zien welk materieel fundament hieronder ligt. Die wetenschap leek daarin aardig te slagen, met de ontdekking van fundamentele deeltjes en de natuurwetten waaraan zij gehoorzamen. Maar de kwantummechanica, die een eeuw geleden tot ontwikkeling kwam, heeft aangetoond dat de fysische materie dat fundament van de werkelijkheid niet kán zijn. Ook die fundamentele deeltjes zijn niets in zichzelf, maar alleen in relatie tot andere deeltjes.

‘De zoektocht naar kennis voedt zich niet met zekerheden’

Dat klinkt verwarrend, verontrustend. Maar dat hoeft het niet zijn, voegt Rovelli toe: ‘Volgens mij is een van de grote fouten die de mensen maken wanneer ze proberen iets te begrijpen, dat ze zekerheid willen. De zoektocht naar kennis voedt zich niet met zekerheden: hij voedt zich met een radicale afwezigheid van zekerheden.’

De ontdekking dat ruimte en tijd relatief zijn, en dat deeltjes en hun wisselwerkingen op de allerkleinste schaal die we kennen brokjes zijn, kwanta, heeft de natuurkunde totaal veranderd. Die ontdekkingen zijn al een eeuw oud, maar ze zijn nog nauwelijks doorgedrongen in de hoofden van ons, gewone mensen. Dat komt doordat ze een werkelijkheid weerspiegelen die niet te rijmen valt met wat wij kennen en ervaren.

Klokken die langzamer gaan lopen als ze worden voortbewogen, licht dat zowel golf als deeltje is en dat een bochtje om gaat als het een flinke massa tegenkomt, deeltjes die omdat ze ooit op elkaar zijn gebotst verstrengeld blijven ook op oneindig grote afstand, een kat die tegelijk dood en levend kan zijn. We hebben het allemaal weleens voorbij zien komen in documentaires en artikelen, en misschien wel tien keer de uitleg aangehoord, maar passen in je hoofd doet het niet. 

Begrijpelijk beeld van de werkelijkheid

Daar kun je vrede mee hebben, want in onze alledaagse ervaring van de werkelijkheid spelen die bizarre verschijnselen geen rol. De theorie waaruit ze zijn voortgekomen, werkt intussen prima. Veel van de technologie die we vandaag gebruiken hebben we te danken aan die bizarre, moderne natuurkunde. Het enige wat zij nog niet heeft gedaan, is ons een begrijpelijk beeld van de werkelijkheid voorschotelen. 

De fysici die vandaag de fundamenten van het universum bestuderen en de technologen die op dit moment kwantumcomputers bouwen, zitten er niet mee. Dus waarom zouden wij ons er druk over maken? Maar mocht je toch geïntrigeerd zijn door de vraag wat de moderne natuurkunde betekent voor ons beeld van de werkelijkheid, dan is dit essay van Rovelli een aanrader. Een definitief antwoord heeft hij niet, maar de Italiaanse fysicus is net zo geïntrigeerd en neemt je mee in de ontwikkeling van zijn gedachten over de kwestie. 

Zijn verhaal begint op Helgoland (de titel van het boek), een piepklein eiland tussen de noordkust van Duitsland en de oostkust van Denemarken. Om te ontsnappen aan de kwellingen van zijn hooikoorts belandt een kleine eeuw geleden Werner Heisenberg op dat kale, pollenarme eiland. De jonge Duitse natuurkundige stort er zich op een raadsel dat zijn leermeester, de Deen Niels Bohr, hem heeft voorgeschoteld. Namelijk de vraag hoe het kan dat elektronen, die in het atoom om de kern draaien, dat niet vrij doen maar vastzitten in strikte banen, en afgemeten pakketjes energie nodig hebben om van de ene naar de andere baan te springen. 

Het zijn de eerste tekenen van de brokjes, het kwantumkarakter van de materie op allerkleinste schaal, en Bohr kan ze niet rijmen met het klassieke model van het atoom, dat steevast wordt voorgesteld als een soort zonnestelsel met de atoomkern in het midden en elektronen die daar als planeten omheen draaien.  

Rode draad in de ontwikkeling van de kwantummechanica

Rovelli laat zien hoe Heisenberg het raadsel oplost: door zich niet af te vragen hoe dat atoom nou in elkaar steekt, maar zich consequent te beperken tot de vraag hoe we het atoom waarnemen. Dat wordt de rode draad in de ontwikkeling van de kwantummechanica, waarvoor Heisenberg de basis legt. De nieuwe natuurkundige theorie beschrijft geen werkelijkheid, zij beschrijft hoe de werkelijkheid zich aan ons voordoet. ‘De natuurkunde is een beschrijving van de werkelijkheid in de eerste persoon’, schrijft Rovelli.

Dat centrale idee was destijds voor veel natuurkundigen onacceptabel. Ze wilden de theorie hoe dan ook interpreteren als een beschrijving van een fysieke werkelijkheid. Het leidde tot felle debatten. En op dit punt wordt dan altijd Einstein geciteerd, die Bohr en zijn leerlingen voor de voeten werpt dat God niet dobbelt. Maar zelden volgt daarop het antwoord van Bohr: ‘Hou op met God te vertellen wat hij moet doen’.

De discussie tussen de grote natuurkundigen ging uiteraard niet over het bestaan van God, maar over het bestaan van een fysieke werkelijkheid en over de aard daarvan. In de kwantummechanica bestaat die werkelijkheid bij de gratie van relaties, inwerkingen van deeltjes op elkaar, de inwerking van het atoom op zijn waarnemer. En het is in de relativiteitstheorie van diezelfde Einstein trouwens niet anders: daar bestaan tijd en ruimte in hun relatie tot hun waarnemer; in zich zijn zij niets. Moeder, planeet, roofdier.

Wat niet interageert, heeft geen eigenschappen, zegt deze relativistische lezing van de kwantummechanica. Eigenschappen – neem iets alledaags als kleur of temperatuur – leven niet óp objecten maar zijn bruggen tússen objecten. Dat leidt tot de verklaring van die bizarre fenomenen in de kwantummechanica, zoals verstrengelde deeltjes.

Rovelli trekt vanaf hier de lijnen door om te laten zien hoe natuurkunde en biologie bij elkaar komen, wat bewustzijn kan zijn, en hoe de geest zich verhoudt tot de materie. Het is een fascinerende gedachteontwikkeling. En die wordt niet afgesloten met spijkerharde conclusies, de gedachten gaan door. Maar Rovelli heeft een mooi voorlopig slot: ‘Als we denken in termen van relatieve eigenschappen, van een wereld van relaties, is het hiaat tussen fysische en mentale verschijnselen minder dramatisch. We kunnen ze beide zien als natuurverschijnselen, gegenereerd door complexe interactiestructuren.’ Moeder, planeet, roofdier.

Carlo Rovelli, Helgoland, uitg. Prometheus, 220 blz., € 20,99

Lees ook:

Zwaartekracht is een illusie

Natuurkundige Erik Verlinde heeft een eigen kijk op zaken. Hij stelt dat zwaartekracht voortkomt uit de orde 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