eminence grise - Spul om dingen van te maken

www.nwtonline.nl54
nwt 10 55
Tekst Susan Kruglinski
Katten die dood en levend tegelijk zijn, dimensies die zich oprollen tot 'snaren' en een
werkelijkheid die zich voortdurend opdeelt in talloze 'parallelle heelallen', De Britse
natuurkundige en eminence grise Roger Penrose weigert zich er nog langer bij neer
te leggen dat dát is hoe de werkelijkheid eruit ziet. "De kwantummechanica was ooit
bedoeld als voorlopige theorie:'
Het ur;versum volgens Roger Penrose
.
HET ZIJ ROGER PE~ROSE vergeven
al5- hij soms een beetje
onbescheiden overkomt. --\.h rheoreticus wiens naam
voorgoed is verbonden aan die van gigamen als Hawking en Einstein, leverde Penrose grOte bijdragen aan de natUurkunde, de
wiskunde en de geometrie. Hij stelde de algemene relativiteitstheorie bij om te kunnen bewij=en dat sterren ineen kunnen
storten tot zwarte gaten. Hil bedacht de 'rwistOrtheorie', een
nieuwe manier om naar de struCtUur van het heelal te kijken.
Hij ontdekte een opmerkeliike familie van =ich herhalende geometrische vormen die bekendstaan als Penrose-betegelingen. Hij
maakte zelfs een uitstapje naar de hersenwetenschappen,
waar
hij dc tegendraadse theorie lanceerde dat ons bewustzijn ontstaat uit kwantummechanische
processen in onze hersencellen.
En hij schreef er ook nog eens een hele reeks zeer behapbare
bestsellers over, waaronder de klassieker De nieuwe geest van
de keizer.
Toch lijkt de inmiddels 78-jarige Penrose - tegenwoordig emeritus-hoogleraar van het Mathematisch InstituUt van de universiteit van Oxford - wel een onderzoeker aan het begin van zijn
loopbaan. Met de gretigheid van een man die nog steeds naam
wil maken, denkt hij na over fundamentele, verstrekkende vragen. Hoc is het heelal ontstaan? Zijn er hogere dimensies? En
stut de voornaamste natuurkundige theorie van het moment,
de snaartheorie, eigenlijk wel ergens op? Natuurkundigen zullen
het heelal nooit echt doorgronden, is zijn stellige overtuiging,
totdat ze bereid zijn voorbij de theorieën van vandaag te kijken,
en de werkelijkheid waarin we leven weer als uitgangspunt gaan
nemen.
De kunstenaar M.e. Escher werd beïnvloed door uw geometrische uitvindingen. Wat was er precies aan de hand?
"In mijn tweede jaar als student in Cambridge woonde ik eens
een wiskundecongres bij in Amsterdam. Een van de sprekers
daar had een catalogus met op de voorkant Eschers tekening
Dag en Nacht, de tekening van de vogels die in tegengestelde
richting vliegen. Ik weet nog hoe ik erdoor geïntrigeerd raakte
en besloot een tentoonstelling binnen te wandelen van de kunstenaar, een zekere Escher. Daar werd ik direct gegrepen door de
rare en prachtige dingen die ik er zag. Ik had nog nooit zoiets gezien. Ik besloot om zelf ook te proberen een paar onmogelijke
dingen te tekenen, en zo kwam ik op het object dat inmiddels
bekendstaat als de onmogelijke driehoek ofwel de tri-bar. Het is
een driehoek die eruit ziet als een driedimensionaal voorwerp,
maar dic dat onmogelijk kan zijn. Ik liet hem zien aan mijn vader [de geneticus Liane] Penrose, red.], die zelf ook nog enkele
onmogelijke gebouwen en objecten bedacht. Die hebben we
toen gepubliceerd in het vakblad Rritish Tournalof Psychology,
met Escher in het dankwoord.
IJ
...
www.nwtonline.nt
56
theorie, die echter wél allerlei zaken verklaart die men niet eerder kon verklaren, zoals de stabiliteit van het atoom. Maar als je
de vreemdheid van de kwantummechanica
doortrekt naar de
echte, macroscopische wereld, zul je het idee van ruimte en tijd
zoals we dat kennen van Einstein moeten verlaten. En dat slaat
natuurlijk nergens op. Als je de regels volgt, kom je dus uit op
iets dat gewoon niet klopt. JI
In de kwantummechanica
kunnen voorwerpen bijvoorbeeld in
verschillende toestanden tegelijk bestaan, iets dat volledig
indruist tegen de wereld zoals we die dagelijks ervaren.
"Het klopt van geen kanten, en daarvoor is een eenvoudige reden. Kijk, de wiskunde van de kwantummechanica
bestaat uit
twee gedeelten. Het eerste gedeelte beschrijft hoe een kwantumsysteem zich ontwikkelt, iets wat extreem precies en accuraat is
vastgelegd in de schrädingervergelijking. Die vergelijking stelt
eigenlijk dit: als je weet in welke toestand een systeem zich nÜ
bevindt, kun je ook berekenen wat het over tien minuten doet.
Er is echter ook het tweede gedeelte, waarin staat wat er gebeurt
als je een meting wilt uitvoeren. In plaats van één antwoord,
staat de vergelijking het alleen toe om de kans op verschillende
uitkomsten uit te rekenen. De resultaten zeggen niet: dit is wat
de wereld doet, ze beschrijven de káns dat de wereld het een of
het ander doet. De vergelijking zou de wereld op een volledig deterministische manier moeten beschrijven, maar doet dat niet."
:11
.
,
I
De onmogelijke driehoek:
bedacht door Penrose, beroemd
geworden door Escher.
I
11
11
En Escher las het ook?
"Hij heeft twee dingen overgenomen: de tri-bar, die hij gebruikte in de lithografie Waterval, en het onmogelijke trappenhuis,
een ontwerp van mijn vader. Escher gebruikte het trappenhuis
in Klimmen en Dalen, met de monniken die in rondjes eeuwig
een trap beklimmen. Ik heb Escher eenmaal ontmoet, en gaf
hem toen wat tegeltjes die samen een zich herhalend patroon
vormen, maar niet voordat je er twaalf bij elkaar hebt gevoegd.
Hij probeerde het, en vroeg me naderhand per brief hoe ik het
had gedaan waarop was het gebaseerd? Het principe heeft hij
naderhand gebruikt in een van zijn laatste tekeningen."
Erwin Schrödinger, die de vergelijking opstelde, zal dat conflict
toch ook wel hebben gezien?
"Schrödinger was er net zo van doordrongen als ieder ander.
Vandaar dat hij over zijn hypothetische kat begint en zegt: goed,
als je gelooft wat mijn vergelijking stelt, geloof je ook dat deze
kat dood en levend tegelijk is. En daarmee zegt hij eigenlijk: dat
is natuurlijk onzin, want een kat die dood en levend tegelijk is,
bestaat niet. Daarom kán mijn vergelijking niet opgaan voor een
kat. Er moet iets anders aan de hand zijn."
~
I
1,'1
11
1
~'
Ik begrijp dat uw nieuwe bock, dat op het punt van verschijnen
staat, in feite cen aanval is op de kwantummechanica?
"Het hoek gaat hetcn Fashion, Faith and Fantasy in the New
Physics of the Universe. Elk van die drie woorden slaat op een
vooraanstaand natuurkundig idee. De mode [fashion, red.] is de
snaartheorie, de fantasie heeft te maken met de verschillende
kosmologische modellen van het heelal, en in het bijzonder de
aanname dat het heelal direct na de oerknal plotseling exponen.
tieel groter werd, door een proces genaamd 'inflatie'. Grote vissen, zijn het. Het is haast heiligschennis om die begrippen aan
te vallen. En het derde idee, nog heiliger dan de andere, is de
kwantummechanica
- dat is het geloof [faithJ. Mensen hebben
op de een of andere manier het idee dat de kwantummechanica
niet ter discussie kan staan."
U daarentegen vindt de implicaties van de kwantummechanica
voor de gewone, alledaagse wereld onzinnig. 'Vat is precies uw
bezwaar?
"De kwantummechanica
[de natuurkunde die het gedrag van
de allerkleinste deeltjes beschrijft, red:] is een ongeloofwaardige
Schrödinger ontwierp een beroemd gedachtenexperiment
waarbij een kat in een kist wordt gezet met een buisje gif. Het gif
komt alleen vrij als er één atoom radioactief vervalt. Aangezien
het verval van een atoom een kwantumproces is, dat volgens de
Schrödingervergelijkingen niet kenbaar is totdat het wordt waargenomen, voorspelt de kwantumtheorie dat de kat dood én levend is, totdat iemand de kist opent en naar binnen kijkt om de
uitkomst te meten.
Dus Schrödinger zelf geloofde nooit dat zijn kattenanalogie een
weergave was van de werkelijkheid?
"0 zeker, dat is wat ik denk dat hij bedoelde. Ik bedoel, kijk
eens naar de grote drie van de kwantummechanica:
Schrödinger,
Einstein en Paul Dirac. Ze waren allemaal in een bepaald opzicht kwantum-sceptici. Dirac is degene waarvan men dat het
meest verrassend vindt, omdat hij de fundering legde, en het algemene raamwerk van de kwantummechanica
opzette. Veel
mensen zien hem daarom als hard liner. Maar hij was juist heel
genuanceerd in wat hij zei. Iemand vroeg hem eens wat de oplossing voor het meet probleem is. Daarop antwoordde hij: 'De
kwantummechanica
is maar een voorlopige theorie. Waarom
zou ik binnen de kwantummechanica
naar een antwoord op die
.
"
.
.
I
I
I
I
nwt 10 57
vraag zoeken?' Dirac gelooide d~ ge'" oo:::::tie: dat het waar
was! Maar hij zei het niet al te llid-
Toch wordt Schrödingers kat altijd ~haald
als een vreemde
werkelijkheid die we maar hebben te Kttpteren.
"Dat klopt. Niemand wil de ScilIi'dinge!T.:rgeliikingen nog bijstellen. Het gevolg is dat we :m:eli ffie: de :og:enoemde veelwcrelden-interpretatie van de k"-.ll:~ec""mjca.
Is dat niet de interpretatie die zet"! dat ill~ denkbare mogelijkheden ergens in parallelle unive["..3 zins .~e~topt?
"Inderdaad. Aanhangers van de ~~-"'-eTc~.:kTI-ü.'1.eoriezeggen:
goed, de kat is dus op de een Di a.r..:erc m''''';er dood en levend tegelijle Om hem te kunnen :ien. ~.~e': -ot~ ~uperpositie worden [twee toestanden tegeliik ~~i '"",Q~ jou die de levende
kat ziet, en één die de dode kat =~:- '" .!::~.=lilk is dat niet wat
we blijken te ervaren, en dus :::::'O::-:è::
~ ~:'.!U!kundigen zeggen:
blijkbaar neemt je bev/Usciin de eüê ~..,~:e0: de andere rome,
zonder dat je het weet. Het beek ~--;:":'L~:
:::IC~in tweeën. Zo
standpunt. Je verword je verleid tot een compIe;:: ""-U""'~;:
valt in veelwerelden-gedoe dat ';è1:il ::--u.I.f"!C
relatie meer heeft
met wat je eigenlijk ervaanWat is daar eigenlijk mis mee:
"Nou, het prohleem is: wat ka:::. e e-=-=,~~ :S-:..KsEn je wilt juist een natUurk-un':':'fe :.::.ennè ;he
de wereld beschrijft zoah "~oei:c vc
ons heen waarnemen.
Dat 1:';Ya~ .:.e
natuurkunde
altijd heeft ~i:
verklaar wat de wereld die ,-,oe
waarnemen
doet, en waarom of hoe hij het doet. De
veelwerelden- kwantummechanica
werkt in elk
geval anders. Je kum de
theorie accepteren en
haar proberen te bevatten, zoals veel
mensen doen. Of ie
zegt - net als ik
-
nee, dit gaat verder
dan wat de kwantumtheorie nog
kan zeggen. Mijn
eigen standpunt is
dat de kwantummechanica niet precies klopt.
En ik denk dat daarvoor veel bewijs is."
. Penrose in 1989, op het hoogtepunt van zijn roem,
met achter zich een Penrosebetegeling. De betegeling
bestaat uit twee vormen, waaruit complexe, zich nietherhalende patronen ontstaan.
Toeh werden de ideeën van de theoretische natuurkunde intussen steeds fantastischer. Neem de snaartheorie. Al die verhalen
over elf dimensies of reusachtige membranen klinken behoor~
lijk surrealistisch...
"Je hebt volkomen gelijk. En in zekere zin geef ik de kwantummechanica daarvan de schuld. Men is gaan zeggen: de kwantummechanica is zo tegen-intuïtief, als je dat gelooft, kun je net zo
goed álles geloven wat tegen-intuïtief is. Maar de kwantummechanica wordt in elk geval nog ondersteund door veel experimenteel bewijs, zodat je er wel voor een deel in mee móét gaan. Terwijl er voor de snaartheorie geen enkel experimenteel bewijs is."
Zijn er veel mensen die dit soort vragen stellen aan de kwan~
tummechanica!
"Nee, hoewel het bemoedigend is dat er überhaupt mensen zijn
die hieraan werken (een andere prominente 'l<w{/ntum-scepticus' is de Utrechtse fysicus en nobelprijswinnaar Ger{JId 't
Hooft, red.). Men vond dit altijd een soort marginale nevenactiviteit voor mensen die oud en gepensioneerd zijn. Nou, ik bén
oud en gepensioneerd! Maar ook voor mensen zoals mij geldt dit
niet als een mainstream-activiteit.1I .