Verstopte oude snelwegen

(Uit Energiesnelweg 2, Tien Principes voor een Prettige Toekomst)

De mens is van nature gemakzuchtig en dat is een eigenschap die we moeten waarderen. We willen met minder moeite steeds meer kunnen en daar is op zich niets mis mee. We willen over meer kennis beschikken, deze sneller verwerven, maar liefst minder onthouden; met hulp van computers kunnen we het wel opzoeken. We willen meer en sneller produceren, met machines die minder bemoeienis van de mens vereisen. We willen verder reizen, maar wel steeds comfortabeler en steeds sneller, zodat we tijd overhouden om ter plekke leuke dingen te doen.

Vanaf de oertijd heeft de mens het gemak opgezocht. Hij heeft werktuigen gemaakt om meer en sneller te kunnen doen dan met blote handen of vuisten en voeten mogelijk was. We wilden eenvoudiger dieren vangen en doden, land ontginnen en gewassen kweken. We wilden een beter onderkomen bouwen met behulp van gereedschappen. We wilden meer en sneller kunnen transporteren. Afijn, u kent het verhaal van onze vooruitgang, van het vuur, het wiel, het uurwerk, de boekdrukkunst. Gedurende zeer lange tijd legden we een traject af om materie te doorgronden en naar onze hand te zetten. Op onze ontdekkingsreizen stuitten we  telkens op nieuwe materie, onderzochten deze en namen die exotische waar bij voorkeur mee naar huis om te verwerken in ons vertrouwde leefpatroon.

De zoektocht naar ultiem lego

Enkele eeuwen geleden kwam de klassieke wetenschap goed op gang. Geleerden trachtten onder andere de materiële wereld te doorgronden door de samenstelling van materie te achterhalen. Vooral Isaac Newton (1643 – 1727) zorgde voor een enorme stimulans met de ontdekking van zwaartekracht en zijn wetten en was de grondlegger van de klassieke mechanica. Onderzoekers, door de wetten van Newton ervan overtuigd dat de kosmos één groot biljartspel was, verdeelden materie in steeds kleinere stukjes tot ze aan de grens kwamen waar materie veranderde als je die nog verder uiteenrafelde. Van moleculen ging de zoektocht verder naar atomen en die leken een tijdlang het eindpunt te zijn. Maar ook het atoom bleek niet ondeelbaar (in tegenstelling tot wat het oud-Griekse woord suggereert) en weer te bestaan uit andere deeltjes, zoals protonen en neutronen in de kern en elektronen die daaromheen cirkelden. Die kennis van subatomaire deeltjes stelde ons in staat om de verschillen tussen atomen te doorgronden. Ze leerden ons waarom elementen atomen met elkaar een reactie aangingen, we konden ze rangschikken in een periodiek systeem van elementen en zo hun gedrag een plek geven. So far so good.

Lastig was dat elektronen in zeer bepaalde schillen om atomen cirkelden en bleven cirkelen terwijl je zou verwachten dat er zo nu en dan en te pletter zou stortten op de kern. Met wat we wisten van de materie op grotere schaal was dit niet te verklaren. Ook was een elektron in één schil óf het volgende moment in een andere schil, maar nooit, nee nooit er even ergens ertussenin, al was het maar voor een onderdeel van een seconde. Dit klopte natuurlijk niet met de materiesnelweg waar materie van A naar B altijd een traject aflegt.

Deeltjes? Welke deeltjes?

Er is nog meer ontdekt dat ons eerder had moeten wakker schudden. Voor 1900 nam men aan dat licht een golfverschijnsel was. Onderzoekers toonden dit aan door proeven met licht waarbij golven op elkaar inwerkten en interferentiepatronen gaven. In 1901 echter verkondigde de Duitse natuurkundige Max Planck dat licht ook opgevat kon worden als deeltjes met energie. Bepaalde hoeveelheden energie oftewel ‘kwantums’ energie. Einstein en anderen borduurden daarop voort. Elektromagnetische straling, zoals licht, kon zich kan kennelijk voordoen als een golf én als een deeltje. Louis de Broglie stelde in 1924 dat dit ook andersom geldt; een deeltje (bijvoorbeeld een elektron of atoom) kan zich ook gedragen als een golf, alle materie heeft een golfkarakter. Voor ons verhaal is het hier nog even van belang dat hij met formules aangaf dat de energie van een deeltje groter is naarmate de frequentie hoger is.

Nog meer onzekerheid

In 1927 maakte Werner Heisenberg het allemaal nog ingewikkelder door zijn ‘onzekerheidsprincipe’ te lanceren. Hij toonde met een formule aan dat je van een deeltje niet tegelijkertijd de plaats en zijn snelheid kunt weten. De onzekerheid is vanwege de hele kleine constante in de formule te verwaarlozen in onze gewone materiële wereld. Op subatomaire schaal is die echter zeer wezenlijk. Als je heel precies de plaats van een deeltje meet, dan zal de snelheid zeer onzeker worden. Stel dat je een stroom elektronen door een klein gaatje in een metalen plaat stuurt. Op het moment dat ze door het gaatje gaan is heel even hun plaats precies bekend. Hun snelheid in alle richtingen achter de plaat is evenwel dan zeer onzeker. De stroom elektronen zal achter de plaat uiteen waaieren als een lichtbundel.

Als je experimenten deed waarbij je veronderstelde dat je met golven te maken had dan bleken elektronen zich ook als golven te gedragen. Sterker nog: de waarnemer leek te bepalen of iets een golf of een deeltje was. De kwantumfysici spraken van waarschijnlijkheidsgolven. Je kon met redelijk grote kans zeggen dat een deeltje op een bepaalde plaats opdook, maar het bleef een kans. 

De waarnemer bepaalt

Totdat je waarneemt zijn er waarschijnlijke en minder waarschijnlijke plekken, er is echter geen zekerheid waar een deeltje zal opduiken. Op het moment dat je meet waar het deeltje is verschijnt het deeltje ergens. Het deeltje was voor de meting ‘nergens’; de meting dwong hem als het ware een beslissing te nemen. In 1964 wist John Bell andere interpretaties te ontkrachten. Tegenwoordig nemen de meeste natuurkundigen deze zogenaamde Kopenhageninterpretatie aan. Als er een waarnemer nodig is om een deeltje te laten ontstaan, dan is er dus een zeker bewustzijn nodig om dit te bewerkstelligen. Dat is ook iets om bij stil te staan.

Als je dit letterlijk nam dat was er een kans op een deeltje. En met de kans op een deeltje was er ook slechts een kans op een atoom, en een kans op een molecuul bestaande uit een aantal mogelijke atomen. Zo doorredenerend is er slechts een kans op hele brokken materie en is er slechts sprake van materie als er een waarnemenr met bewustzijn is. En daar stuit de klassieke wetenschap op een ander probleem. Volgens de oude inzichten was bewustzijn een bijproduct van de hersenen, dus van materie. Echter, als materie juist afhangt van bewustzijn om te ontstaan zitten we hier aan een onmogelijkheid.

Twee werelden?

Zo stuitten al bijna honderd jaar geleden geleerden in hun zoektocht naar de kleinste bouwsteentjes op het feit dat deze bouwstenen zich soms als deeltjes, dan weer als golven gedroegen. Het was maar net met welke invalshoek je onderzocht. Deeltjes bleken geen solide objecten te zijn, maar vibrerende energiepakketjes die als losse onderdelen niet eens kunnen worden gekwantificeerd of begrepen. De klassieke wetten van Newton bleken in deze microscopische wereld niet meer te kloppen.  Van de redelijk gestructureerde wereld van de klassieke mechanica belandden de wetenschappers in de wonderlijke wereld van de kwantummechanica. Van een wereld met beperkingen vastgelegd in natuurwetten belandden zij in een wereld waarin mogelijkheden bestonden. Terwijl we sinds Newton zo aardig konden rekenen aan materiebewegingen en steeds beter het gedrag konden voorspellen leken we door dieper te spitten ineens vastigheid kwijt te raken. Er werd nog een onbeholpen en vergeefse poging ondernomen om de materiële wereld te scheiden in een grote wereld waar Newtoniaanse wetten golden, en een wereld kleiner dan het atoom waar andere wetten golden. Maar, waren we nou juist niet op zoek naar de kleinste bouwsteen om al het grote te kunnen verklaren?

Overstap naar de energiesnelweg

Per saldo leverde de inspanning van de mens door de eeuwen heen voor velen een steeds grotere welvaart en steeds meer gemak op. Anderzijds betekende de vooruitgang een steeds grotere complexiteit van het leven, een steeds grotere behoefte aan grondstoffen en energie en steeds meer vervuiling en afval. Dit traject, dat ik de materiesnelweg noem, kende een kentering in denken in de jaren zestig. Mensen zagen de keerzijden van de honger naar meer en meer zonder oog voor de consequenties. We doen de laatste decennia ons best om zuiniger met energie om te springen, we lozen minder afval zo maar in onze leefomgeving en we proberen duurzamer te produceren. Soms nemen we een voorbeeld aan de natuur en bestuderen hoe het de natuur lukt om de eigen leefomgeving overzichtelijk en gezond te houden. Het is juist de natuur die voorbeeldig volgens de energiesnelweg opereert.