QUANTUMMECHANICA EN (META)FYSICA W.M. de Muvnck Beschrijft de quantummechanicaalleenmaar verschijnselen,en verder niets, of zegt de thmrie misschientoch (ook) iets over de realiteit achter de verschijnselen?In een recentediscussiein dit blad kiest van Ka.mpenvoor de eersteinterpretatie die ik 2il. aanduiden als hwhwmentalistiseh,terwijl Hilgevoord een meer reolistische interpretatie lijkt voor te staan. Zonder nu direct een lans te willen breken voor de realistischeinterpretatie, wil ik hier toch eenpaa.rwaagtekensplaatsenbij van Ka.mpen'srrnonensenserr opvatting. Uit van Kampen'sbijdragen[l'2],pr..kt het heilig anti-metafysischvuur van het empirismedat de verschijnselen kiest als de basisvan alle wetenschap en dat warsis van alle speculatie overde werkelijkheidachterde verschijnselen. Het gaat,zegthij, I'plaats in de quantummechanica niet om de van het electronr'(dat is metafysica), maar slechtsom de "resultatenvan plaatsmetingenr', uitgevoerdmet macroscopische meetinstrumenten. Inderdaadhoevenwe van de quantummechanica niet m66rte eisendan de beschrijvingvan de relatievefrequentiesvan die verschijnselen in onzemeetapparaten die we interpreteren als meetresultaten van onzequantummechanische grootheden.In het laboratoriumhebbenwe te maken met twee soortenapparatuur,apparatendieprepareren,zoalsradioactieve preparaten,gloeikathodes en deeltjesversnellers, en apparatendie meten,zoals fotodetectoren en Wilsonkamers. De preparatieapparaten hebbenvaak macroscopische instelknoppen die onsin staat stellenverschillende quantumtoestanden te prepareren; de meetapparaten hebbenmacroscopische rrwijzersrr (bijv. de sporenin eenbellenvatof de stroomstootjes in de fotodetector). Meetresultatencorresponderen met de positiesdie dezewijzersinnemen. Voor de pure instrumentalistis ndchhet meetresultaat,ndch de golffunctieeen eigenschap van het object.Zo goedals het meetresultaat (eenwijzerpositie) hoogstenseeneigenschap is van het meetapparaat, zo goedis de golffunctie hoogstens eeneigenschap van heLpreparatie-apparaat.Wat dit laatstebetreft bevindtde instrumentalistzichtot op zekerehoogtein het goedegezelschap van Bohr, die de golffunctieslechtszagals eensymbolische representatie van de werkelijkheid,en geenbeschrijving van de microscopische werkelijkheidals zodanig. instrument. De golffunctieis voor Bohr niet meerdan eenboekhoudkundig Een instrumentalistische is bestandtegen opvattingvan de quantummechanica kat of EPR. Die doenzich pas alle bekendeparadoxenzoalsdie van Schr6dinger's geldenals de golffunctiewordt geachtde microscopische realiteit zdlf te beschrijven. Als van Kampende hier weergegeven instrumentalistische opvattinghuldigt, kan hij inderdaadparadox-vrij door het leven. Maar fs van Kampeninderdaadzo'n instrumentalist?Dat blijkt niet uit wat hij schrijft. In zijn spraakgebruikbeperkthij zich niet tot preparatiesen metingen, maar conformeerthij zich aan het nogalrealistischeideedat er iets (dat we rrelectron"noemen)van het electronenkanon naar de electronendetector vliegt, ook I'verschijnsel'r al hoort daargeen bij. Daarmeeis de eerstestapop wegnaar de metafysicagezet,zij het dat men hier als anti-metafysicusmisschiennog denodige gemoedsrust kan putten uit het ideedat men, als men zou willen, de aanwezigheid van dat "iets" op elk punt van de baanzou kunnenaantonendoor daar eendetector te plaatsen.Van Kampengaatechternog eenstapjeverder.Zijn microscopische objecten(atomen,electronen) zijn rrin'reenquantummechanische toestandalsofdie toestanddaar net zo aanwezigis als dat geachtwordt te geldenvoor de grootheden q en p in de klassiekefysica.Mij dunkt, zijn we nu wel erg ver van de verschijnselen afgeraakt,zdlfsal zou men ook hier proberenom de zaakte reddenmet behulpvan metingendie men zou ktnnen doen:die leverenalleeneenverschijnselop corresponderend met eenmeetresultaat,n'ietcorresponderend met de golffunctie. problemendie de pure instrumentalistheeftmet de De hier gesignaleerde interpretatievan de quantummechanische golffunctiestaanniet op zichzelf". Ze zijn er de oorzaakvan dat de logischempiristenin de vijftiger jaren de strengethesevan het empirisme(waaringepoogd wordt om alle concepten van eenfysischetheoriete baseren_op waarnemingen) hebbenvervangendoor eenmeerliberalethese(zie bijv. Iol Hempeltol).Daarinmogentheoretische termenin de theorievoorkomendie geen direct observeerbare betekenishebben,mits ze maar op eencontroleerbare wijze samenhangen met empirischtoegankelijkegrootheden.De quantummechanische golffunctiewordt door Hempelgenoemdals zo'n theoretischeterm. Daarmeeis echternog niets gezegdover de preciezerelatie tussengolffunctieen realiteit. Het bovenstaande hoeft nog lang niet te betekenendat aan de golffunctie eenwerkelijkheidswaarde kan wordentoegekendzoalsdat gebeurtin eenquantumrealistischeinterpretatie,waarin eenelectronmin of meerwordt gelijkgesteldmet eengolfpakket.Het lijkt me zeeronwaarschijnlijkdat van Kampenzo ver wil gaan. Dit blijkt ook uit het feit dat hij vaak aan zijn interpretatieeenmeer epistemologisch tintje geeftdoor de golffunctiehet object te laten "beschrijvenr'.Dit taalgebruiksluit aan bij eenstatistischeinterpretatievan de quantummechanica waarin de golffunctiewordt geachtniet eenindividueelobject te zijn, maar een ensemble van identiekgeprepareerde objectente beschrijven.Daarmeewordt de quantummechanica eensoort statistischemechanicadie inderdaadin staat is om een aantal paradoxenvan het quantumrealisme te omzeilen[a].O. ensemble-interpretatie is, denkik, op dit momentde meestgangbareopvatting.De quantummechanische toestandsfunctie wordt hierin opgevatals een(statistische) beschrijvingvan eenobjecti,eue microscopische werkelijkheid,onafhankeli,jk uan enige meti,ng.Ikweetniet of van Kampendezelaatsteinterpretatievan de quantummechanica gebruikt.Vast staat in iedergevalwdl dat zijn taalgebruik tamelijk ver af is geraaktvan de rrverschijnselenrr. Het is jammerdat van Kampengeenconsequent instrumentalistische terminologiehanteert.Doordathij, integendeel, meedoetaan het nogalslordige realistischetaalgebruikdat door de meestefysici wordt gebezigd,laat hij ruimte openvoor kritiek, die doorHilgevoordl5] *ordt toegespitst op de veel rrinterferentietermenfl bediscussiderde (de superpositievan de bij het meetproces levendeen de dodekat). Als de golffunctieniets andersis dan eeninstrumentvoor het berekenenvan resultatenvan metingen,dan hoeft men niet bangte zijn voor interferentietermen. Als Hilgevoordin het bestaandaarvangelooft,dan rust op hem de taak om aan te gevenwelk experimentdie interferentietermen waarneembaar maakt. Zolanghij dat niet kan, is er niets aan de hand.Van Kampen,sberoepop het macroscopische karaktervan het meetapparaat (c.q.de kat) voor het onzichtbaarmakenvan de interferentietermen, is dan ook volstrekt overbodig.En dat is maar goedook, want in de eersteplaatskennenwe rnacroscopische quantumeffecten (supergeleiding) waarin interferentiekennelijkop macroscopische schaalplaatsvindt.In de tweedeplaatswordenonzemeetapparaten naarmatede technologievoortschrijdtsteedskleiner,waardoorde grenstussenmicroscopische en macroscopische systemen verva"gt.[6J Hoecompleetis de ouantummechanica? De door van Kampengehanteerde definitievan eenquantummechanische meting is zeersterk ge€ntop de axiomatiekvan Dirac en von Neumann,waarin een observabele wordt beschreven door eenhermitischeoperator,en waarin het meetresultaatcorrespondeert met eeneigenwaarde daarvan.Dezeaxiomatiekis zodanigdat interferentietermen geenprobleemhoevenop te leveren:het meetapparaatwordt geachtzodanigte zijn geconstrueerd dat het correspondeert met eenbepaaldehermitischeoperator,en geeninformatieverstrektover de kruistermenin de corresponderende representatie(de interferentie-termen).Van Kampentoont de mogelijkheiddaarvanaan door middel van een quantummechanische analysevan het meetproces zdlf. De interneconsistentievan het geheelwordt beschouwdals evidentievoor de geldigheidvan de axiomatiek. Toch moetenwe juist nu oppassen, want met interneconsistentie is het laatste woord nog lang niet gesproken.De Dirac-von Neumann-axiomatiek blijkt slechts eenbeperkteklassevan experimentente beschrijven.Een meeralgemeneklassevan metingenkrijgt men als het observabelenbegrip wordt gegeneraliseerd van de hermitischeoperatortot de zgn.positieveoperatorwaardige maat, waarbij quantummechanische waarschijnlijkheden niet langerwordenbeschreven door de verwachtingswaarden van projectieoperatorenrmaar van meeralgemenepositieve operatoren.Dezegeneralisatie is niet nieuw[/'61.Het wordt echterslechtsgeleidelijk aan duidelijk dat dezegeneralisatie experimentenbeschrijftdie ook echt kunnen wordenuitgevoerden die verschillenvan de klassevan experimentendie worden beschreven door de hermitischeoperatorenvan de Dirac-von Neumannaxiomatiek. E6nvoorbeeldis dat van homodyneoptischedetectie[9] waarbijeenoptischsignaal in eenMach-Zehnder-interferometer tot interferentiewordt gebrachtmet een referentiebundel. Het blijkt dat zo'n meting kan-wordenopgevatals eengetijktijdige metingvan de plaats- en impulsobservabelen[10.l. Binnenhet toepassingsgebied van de Dirac-von Neumannaxiomatiekis dit laatsteonmogelijk;het wordt echter mogelijk in het formalismevan de positieveoperatorwaardige maten.Ook andere voorbeelden van gelijktijdige metingvan incompatibeleobservabelen zijn inmiddels " bekend.[11] Problemenvan het instrumentalisme Van Kampen zal met de hier gemeldegeneralisatie van de quantummechanica geen moeitehebbenomdat er eenduidelijkerelatie is met het experiment.Was die laatsteer niet, dan zaghet er echterdonkeruit voor diegenedie het waagtom zich bezigte houdenmet zo iets rrmetafysischrt als de gelijktijdigemetingvan incompatibeleobservabelen. Die kan zich voor de financieringvan zijn onderzoek beter tot de wiskundigenof de filosofenwenden.We wordenhier geconfronteerd met het dilemmavan de empirist/instrumentalist. Hij wil rrde"verschijnselen beschrijven.De theorieheeftslechtswaardevoorzoverdezede relatie tussende verschijnselen correctbeschrijft.De theoriemoet zo weinigmogelijkmetafysica bevatten.Theorieen experimentkrijgen dan echterwdl de neigingom in een zelfgenoegzaam kringetjete gaanronddraaien:het Bohr'secompleetheidsdogma van I'waarrr de quantummechanica. De theoriewordt per definitie c.q.de compleetst philosophy");experimenten mogelijkebeschrijving(Einstein'srrtranquilizing die niet aan de theorievoldoenzullenwel verkeerdzijn uitgevoerd,en worden genegeerd. Aan de anderekant is het zonderexperimenteleaanleidingook niet toegestaan om het theoretischkaderte verruimen,want dit introduceertmetafysica. Het is dan maar het veiligstom binnenhet kadervan de gangbaretheoriete blijven. Weliswaarzal men dan nooit het genoegen smakeniets echt verrassends te vinden dat niet door de gangbaretheoriewordt beschreven; men loopt dan echterook geen gevaarondervan Kampen'santi-metafysische hamerte wordengeplet. Toch is het eenbekendmethodologisch gegevendat men moet oppassen met het primaat-van de verschijnselen. Een aardigvoorbeelddaarvanwordt gemelddoor t1r] Franklint'"r. Experimenteel waspariteitsschending v_rijwelzekerreedsin 1928 waargenomen door Cox c.s.en in 1930doorChase[l3J. O"r, er op theoretische grondentoen echtergeenaanleidingwasom te gelovenin eenechte links-rechts-asymmetrie, werd algemeenaangenomen dat de waargenomer^ asymmetrieeenartefactvan het experimentwas.Pasnidat in 1956Leeen Yang hun theoriehaddengeponeerd ter oplossingvan de zgn. A-r-ptzzel, kon de pariteitsschending als zodanigook experimenteel herkendworden.In dit voorbeeld lijkt eerderde theorieprimair dan de verschijnselen. Een andervoorbeeldmet soortgelijkestrekkingtreffenwe aan in de vroegsteontwikkeljngsfase van de quantummechanica zdlf,waarHeisenberg zich de vraagstelt'[14]'rlst esvielleicht so,dassnur solcheexperimentelle Situationeniiberhauptin der Natur vorkommen, die in dem mathematischen Formalismusder Quantentheorie auchausgedriickt werdenkonnen?'rAan dezeallesbehalve empiristischevraagstellingdankenwe de onzekerheidsrelaties van Heisenberg, die op hun beurt weeraan de basisliggenvan de Dirac-von Neumannaxiomatiek. Dezevoorbeeldenillustreren66nvan de groteproblemenvan het empirisme,nl. de afhankelijkheidvan de zgn. rrhardefeitentrvan de theoretischecontext.Wat een quantummechanische metingis, wordt slechtsdoorde theoriebepaaldop eenin wezencirculairemanier:eenexperimentele procedureis dan en slechtsdan een quantummechanische meetprocedure als ze door de quantummechanica correct wordt beschreven. Lukt dit laatsteniet, dan wordt allereersthet experiment gewantrouwd.De instrumentalistloopt zodoendeechterwdl het gevaarwaardevolle informatiete negeren.Bij van Kampenlijkt dit gevaarzekeraanwezig.Hoezal hij de kring kunnendoorbreken,zdnderdat stuk metafysicadat gepaardgaat met de sprongnaar eennieuwe,nog niet experimenteel getoetstetheorie? en de werkelijkheid Quantummechanica De pogingom de quantummechanische golffunctieniet instrumentalistischmaar realistischte interpreteren,komt voort uit eenzekereonvredemet het ideedat de theorieslechtsde verschijnselen beschrijft,en niet de werkelijkheidachterde verschijnselen. Er zijn, denkik, weinigfysici die niet gelovenin het objectieve bestaanvan electronen,ddk als die niet wordenwaargenomen met c.q. wisselwerken eenmeetapparaat.En als het gaat om neutronensterren, waar bijvoorbeeldhet Pauli-principeeenbelangrijkerol speeltbij het tot standkomenvan de druk, dan lijkt het nauwelijksnog zinvol om de quantummechanische beschrijvingte interpreterenin de aan het aardselaboratoriumontleendeterminologievan preparatie-en meetverschijnselen. IIet is om dezeredenenzeerbegrijpelijk dat de neigingtot eenquantumrealistische interpretatievan de quantummechanica onder fysici zeersterk is. Dit is echtermetafysicai,nh,etIswadraat: niet alleengaanwe ervanuit dat de sterren66k nog bestaanals we niet kijken, maar we nemen bovendiennog aan dat die objectieverealiteit wordt beschreven door een quantummechanis chegolffunctie. Bohr's compleetheidsdogma heefter toe bijgedragendat dezetweesoortenvan metafysicamin of meeraan elkaarwordengelijkgesteld:als het niet door de quantummechanica wordt beschreven, dan bestaathet ook niet. Het is echter duidelijk dat dit op zijn beurt eennogalmetafysischstandpuntis. Wat onderscheidt de quantummechanica van alle anderefysischetheoriedndie slechtsgeldigzijn op eenbeperkttoepassingsgebied? We wetennu dat het bevestigende antwoorddat Heisenberg gaf op zijn hierbovengeciteerdevraag,zekerniet correctis, want we hebbennu voorbeelden van experimentelesituatiesdie niet corresponderen met het door hem gebruiktebeperkteformalismevan de quantummechanica. Kennelijk laat de werkelijkheidzich niet zo gemakkelijkin het keurslijf van eenbepaaldetheorie stoppen.Inderdaadis de theorieslechtseeninstrument,eeninstrumentdat slechts bepaaldeaspectenvan de werkelijkheidbeschrijft,namelijk di6 verschijnselen die tot onskomendoor middel van eenspeciaalsoortmeetprocedures die liggenbinnen het toepassingsgebied van die theorie.Die verschijnselen zijn voor de von Neumann-Diracquantummechanica verschillendvan die van de gegeneraliseerde quantummechanica van de positieveoperatorwaardige maten.Die laatsteblijken meerinformatieover de toestandvan het object te kunnengevendan de eerste.Met namede interferentietermen kunnenin het toepassingsgebied van het gegeneraliseerde formalismeaanleidinggeventot experimenteleverschijnselen. Deze termenzijn kennelijkminderongrijpbaarvoor het experimentdan van Kampenzich voorstelt. quantummechanica heb ik willen Met het voorbeeldvan de gegeneraliseerde illustrerendat ook de instrumentalistische interpretatievan eentheoriezijn problemenheeft.De instrumentalistzal minder dan de quantumrealistgeneigdzijn zijn verbonden,serieuste om theoretischetermendie niet direct met verschijnselen nemen.Het voordeeldaarvanis dat zinlozediscussieover metafysische zakenwordt vermeden.Het nadeelblijkt in die gevallenwaarin de theoretischeterm wdl met iets werkelijk bestaands(zoalsbijvoorbeeldbij de correspondeert interferentietermen het gevallijkt te zijn). Een al te starreinstrumentalistische houdingleidt dan tot het vasthoudenaan de tot dat momentbekendetheorieen (zonderinterferentieverschijnselen), verschijnselen en werkt remmendop elke pogingom theorieen experimentgeschiktte makenvoor eennieuwstuk realiteit. Fundamentelevooruitgangin de fysicais nauwelijksmogelijk zondereenzekere matevan metafysica. Dat ook een(quantum)realistische houdingremmendkan werken,behoeftin de hedendaagse fysischewereldnauwelijksenig betoog.Wie zijn theorie ziet als de ultieme beschrijvingvan de werkelijkheidzal nog minder dan de starre instrumentalistgeneigdzijn om eengegeneraliseerd formalismete gaanbestuderen. Merkwaardiggenoegis het juist de instrumentalistdie het meestopenkan staan voor het idee dat de werkelijkheidruimer kan zijn dan de inhoudvan zijn theorieen de daardoorbeschreven verschijnselen. Terugnaar de klassieke fysica? Ik wil besluitenmet enigeopmerkingenover de door van Kampengesignaleerde rrmetkwaardige zucht om de quantummechanica te ontmaskerenals onvolledige beschrijvingvan eenonderliggende werkelijkheidrr,en de door hem daaraan gekoppelde neigingtot terugkeernaar de klassiekemechanica.Ik vreesdat van Kampenhier tweezakenmet elkaarverwart. Het ideedat er eenwerkelijkheid achterde verschijnselen bestaat,heeftweinigmet de klassiekemechanicate maken. Die laatstegaatoverpuntmassa's, starrelichamenof continuemedia,en het lijkt alleszinswaarschijnlijkdat onzewerkelijkheidzulke dingenniet bevat. De klassieke mechanicabeschrijftnet zo goedverschijnselen (bepaaldemacroscopische aspecten van de werkelijkheid)als de quantummechanica, en \Mehebbengeenredenom te gelovendat het toepassingsgebied van de eersteruimer is dan dat van de laatste; integendeel.Met namede quantum-veldentheorie doet onsvermoedendat de werkelijkheiduiterst gecompliceerd is: het vacuiimvertoont allerhandefluctuaties, en het electronbli3tt[15.|eenuitgebreide structuurte hebbendie afhangtvan zijn baanin het H-atoom (tot uiting komendin de Lambverschuiving). Het lijkt volstrekt irredelom die werkelijkheidte proberenuolledi,g te beschrijvenmet behulp van welketheoriedan ook, klassiekof niet-klassiek.Wat we hoogstenskunnen doen,is zoveelmogelijk aspectenvan die werkelijkheidproberente beschrijven.En daarbij behoevenwe onsniet te beperkentot die aspectendie beschreven worden I'het door de Dirac-von Neumannaxiomatiek.Dat is iets andersdan klassiekebeeld in ere herstellenr'[2]. n ben het met van Kampeneensdat niet alle verborgen variabelen-theorie€n evennuttig zijn geweestbij het vindenvan generalisaties van de quantummechanica. Ik ben echterminder somberdan hij over het nut van deze exercities. Ik geloofdat werk zoalsbijvoorbeelddat van w.troo[16]onsveelkan lerenover de aard van de stochastiekdie we in onzequantummechanische experimentenontmoeten,en ik denk dat dezeinzichtenop den duur wel degelijk kunnenleidentot generalisaties die nog ruimereklassenvan experimentenkunnen beschrijvendan de hierbovenbesprokenbescheiden generalisatie van het quantumformalisme. Het lijkt daarbij bijna vanzelfspekend dat naarmatewe ons verderexperimenteelverwijderenvan onzedagelijksebelevingswereld de theoriedie we nodig hebbensterkerzal verschillenvan de klassiekemechanica. Referenties 1. 2. N.G. van Kampen,Ned.Tijdschr.v. Natk. A56 (1990),13. N.G. van Kampen,Ned.Tijdschr. v. Natk. A56 (1990),2I. 3. C.G. Hempel,Grundzageder Begriffsbi,Idung'in der empiri,schen Wissenschaft, BertelmannUniversitii,tsverlag, Diisseldorf , L974,Hfdst. II. L.E. Ballentine,Rev.Mod. Phys.42 (1970)358. J. Hilgevoord, Ned.Tijdschr.v. Natk. A56 (1990),19. Cf. Commentaren van R. Landaueren C.N. Yangop van Kampen,sbijdragein Proceedings 3rd Int. Sy-p. Foundations of QuantumMechanics, Tokyo, 1989, eds.S. Kobayashi c.s.,The PhysicalSocietyof Japan,1990,p. 107. E.B. Davies,Quantumth,eoryof opensystems, AcademicPress,London,1976. A.S. Holevo,Probabi,li,sti,c and,stat'istical aspects of quantumtheory, North-Holland,Amsterdam,1982. H.P. Yuen,J.H. Shapiro,IEEE Trans.Inform.TheoryIT-26 (1980),78. N.G. Walker,J.E. Carroll,ElectronicLetters20 (1984),981;H. Martensand W.M. de Muynck,Found.of Phys.20 (1990),255. W.M. de Muynckand H. Martens,Neutroninterferometry and thejoi,nt tneasltrernent of incompatible obseruables (te verschijnen in Phys.Rev.A). A. Franklin, Theneglectof erperiment,Cambridge UP, 1g86. R.T. Cox, C.G . Mcllwraight,and B. Kurrelmeyer,Proc.Nat. Acad.of Sciences (USA) 14 (1928),544;C.T. Chase,Phys.Rev.J6 (1930),1060. W. Heisenberg, Physikund Phi,losophi,e, VerlagUllstein,Frankfurt,etc. 1959, p. 26. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. W.M. de Muynck,Found.of Phys.t4 (1984),199. 16. E. Nelson,Quantumfluctuations,PrincetonUP, 198b.