Gespleten fysici rekenen af met spoken

Bohr en Einstein konden dagen bekvechten over de ware aard van de quantumtheorie. Experimenten geven sinds kort aan dat Bohr weliswaar gelijk had, maar de verkeerde argumenten gebruikte....

PERSOONLIJK is de Utrechtse hoogleraar Grondslagen van de Natuurkunde prof. dr. Dennis Dieks bepaald geen grote fan van de befaamde Deense fysicus Niels Bohr (1885-1962). Deze grondlegger van de gangbare visie op de quantumtheorie, de Kopenhagen-interpretatie naar de stad waar hij school hield, blonk naar zijn smaak niet uit in helderheid. Om het zacht uit te drukken.

Maar dat wil nog niet zeggen dat Dieks alle aanvallen op de Grote Deen met evenveel genoegen aanziet. Althans: aanvallen die berusten op een gebrek aan historisch inzicht en mythevorming. Blijf met je rotpoten van onze rot-Bohr, is kort samengevat ongeveer zijn opvatting, die hij samen met zijn collega dr. Sander Lam deze week publiceerde in het Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde (NTvN) van maart 1999.

'Als natuurkundigen de geschiedenis van hun vak erbij gaan halen moet je oppassen', schrijven de twee. Tien tegen één dat je wordt vergast op een mythe met een sociale functie: een heldenepos of een verdichtsel over de achterlijkheid die wij gelukkig te boven zijn.'

En beide dreigt Niels Bohr te overkomen. De argumenten waarmee Bohr in de jaren twintig en dertig Albert Einstein keer op keer te slim af was tijdens hun legendarische discussies over de aard van de quantumtheorie, deugen niet, heet het sinds kort in brede kring. Bohr zou als een soort Grote Roerganger zijn vage persoonlijke opinies met veel verbaal geweld hebben doorgedrukt. Een demagoog was hij in plaats van een behoorlijke wetenschapper.

'Natuurkundigen zien zichzelf graag als nieuwsgierige, volkomen onafhankelijke geesten. Het ziet er echter naar uit dat het nevelige beeld van de quantumwereld dat daarop berust, zijn status vooral ontleent aan Bohrs reputatie als groot fysicus', noteerde New Scientist eerder deze maand (6 maart) bijna verwijtend. 'Zeventig jaar lang hebben fysici een van de meest elementaire processen in hun vak met een irrelevant principe verklaard. Dat stelt niet gerust.'

En het NTvN eind februari: 'Het ziet ernaar uit dat Niels zware tijden tegemoet gaat.'

Directe aanleiding voor alle grote woorden is een experiment van de universiteit van Konstanz waarvan de resultaten vorig jaar september in het Britse weekblad Nature (6 september) werden gepubliceerd. In dat artikel laten Gerhard Rempe en zijn collega's zien dat het wel degelijk mogelijk is eigenschappen van deeltjes te meten zonder de eigenschappen ook te veranderen.

En het idee dat meten veranderingen veroorzaakt was, kort gezegd, precies het mechanisme waarmee Bohr steevast aan Einstein uitlegde dat het geen zin had meer te willen weten dan de quantumtheorie toeliet. De quantumwereld van deeltjes en hun eigenschappen is inherent vaag, zo luidt de kern van de Kopenhagen-interpretatie. Het is zinloos verder te vragen. Einstein weigerde het te geloven, maar hele generaties fysici zijn in die traditie opgevoed.

De kern van de quantumvaagheid ligt in de zogeheten onzekerheidsrelaties van Heisenberg. Dat zijn vergelijkingen die aangeven dat het onmogelijk is tegelijkertijd precies de plaats en de snelheid van een deeltje te meten. Een experiment dat de plaats van een deeltje nauwkeurig vastlegt, meet niet goed meer wat de snelheid ervan is. En omgekeerd.

Heisenberg leidde deze onvermijdelijke relaties in 1927 af uit de abstracte wiskunde waarin hij de quantumwetten van het atoom had weten te vangen. Maar vooral Bohr, en later de flamboyante Richard Feynman, gaf er ook een fysische interpretatie aan. Wie kijkt, zei Bohr, waar een deeltje is, doet dat door er lichtdeeltjes, fotonen, op te laten botsen. Die zijn onbeheersbaar en verstoren dus onvoorspelbaar de snelheid van het deeltje. Meten is verstoren. De berekeningen die Bohr en Feynman daarbij maakten, zagen er overtuigend uit.

De klassieke proef rond quantumvaagheid is het zogeheten tweespleten-experiment. Laat een elektron op een scherm met twee spleten vallen en erachter ontstaat een karakteristiek streepjespatroon alsof het in twee spookachtige schaduwen van zichzelf door de twee spleten tegelijk is gevallen.

Dat lijkt onmogelijk voor een echt deeltje, maar zodra de experimentator probeert vast te stellen door welke spleet het elektron dan écht is gegaan, verdwijnt het streepjespatroon achter het scherm helemaal. Bohr verklaarde dit door aan te nemen dat iedere poging om het echte pad van het deeltje aan te wijzen de rust verstoort, doordat fotonen onbeheerste tikken uitdelen.

Het experiment van de universiteit van Konstanz is een subtiele variatie op dit klassieke thema. De spleten werden daar vervangen door laserbundels, en er werd met atomen in plaats van elektronen gewerkt, maar de principes zijn dezelfde als altijd.

Het gebruik van atomen geeft echter een slim extraatje. Met een puls microgolfstraling kunnen die bij een van de twee spleten in een extra energierijke toestand worden gebracht. Achter het scherm is zo na te gaan welke spleet een atoom heeft gekozen.

Bij de proef gebeurt het voorspelbare: zodra de microgolven aangaan, verdwijnt achter het scherm het streepjespatroon. Alleen kunnen Rempe en zijn collega's daarbij wel keihard maken dat de energie van de microgolven veel en veel te klein is om een atoom weg te tikken.

Daarmee is het onzekerheidsbeginsel van Heisenberg niet weerlegd. Maar er is wel iets veel fundamentelers aan de hand dan een foton dat een bespied deeltje een onvoorspelbare duw geeft. Kennelijk verstoort in principe elke waarneming, hoe voorzichtig ook, het systeem.

Dus had Bohr misschien wel gelijk, maar hanteerde hij de verkeerde argumenten om Einstein te overtuigen? Dieks: 'In eerste instantie was dat wel waar, maar al in de jaren dertig heeft hij die mechanische verklaringen heel nadrukkelijk herroepen. Ik heb alleen de indruk dat met name veel experimenteel natuurkundigen dat allereerste beeld altijd hebben vastgehouden. Folklore van wetenschappers die zich normaal niet zo verdiepen in deze kwesties.'

D E RECENTE ophef over Bohrs vermeende dwaling, zegt Dieks, is vooral zo groot omdat ook niet-theoretici zich voor het eerst realiseren dat hun beeld van de quantumwereld niet deugt. Dat zijn fysici niet gewend. 'En er zit', zegt de Utrechtse hoogleraar quantumgrondslagen, 'natuurlijk ook wat handigheid van Rempe en zijn groep bij. Als je wilt dat je publicatie de aandacht trekt, moet je nu eenmaal doen of het allemaal wereldschokkend is.'

In die zin, zegt Dieks, is de verwarring - de discussie over Bohr even daargelaten - toch ook positief op te vatten. Eindelijk komt er in brede kring ruimte voor het veel nauwkeuriger beeld van de quantumvaagheid, dat theoretici allang hanteren. Daarin staat de zogeheten entanglement - verknooptheid - centraal, het idee dat quantumdeeltjes nooit helemaal los staan van andere deeltjes in het universum die ze ooit hebben ontmoet.

Hebben twee deeltjes dezelfde oorsprong, dan zijn hun beider toestanden volgens de quantumtheorie onverbrekelijk met elkaar verbonden, hoe ver ze ook van elkaar verwijderd zijn. Als het ene deeltje iets overkomt, is dat op hetzelfde moment ook aan het andere af te lezen.

Dat is de werkelijke reden dat de minimale aai van Rempes microgolven in het tweespleten-experiment in Konstanz toch de boel in de war gooit. Het experiment morrelt niet slechts aan één van de twee spookbeelden van het atoom nadat het de spleten passeert, maar via hun verknooptheid toch aan allebei. Waarmee de informatie over de gekozen weg toch onbereikbaar blijft.

Dus blijft het gewoon 1:0 voor Niels Bohr, demagoog of niet? Dieks: 'Ik ben er al jaren van overtuigd dat ook Bohr het laatste woord niet heeft gesproken. Zo gaat dat in de wetenschap. Maar hoe moeilijk niet-localiteit ook is te verkroppen, het is altijd nog beter dan vasthouden aan een vals en achterhaald inzicht.'

Meer over