Ondanks haar eigenaardigheden heeft de kwantumtheorie heel wat verklaringen opgeleverd voor het functioneren van atomen, vaste stoffen, noorderlicht en de hersenen. „Ze ligt ten grondslag aan de recentste technologieën: van computers tot kerncentrales. En ze heeft nog nooit gefaald.”

Toch ligt de kwantumtheorie niet echt voor de hand. De natuurkundige Richard Feynman schreef al dat niemand haar begrijpt. „Iedereen die zich buigt over de vraag wat de kwantumtheorie ons vertelt over de werkelijkheid van de wereld wordt heel onzeker”, vervolgt Rovelli. „De werkelijkheid blijkt subtieler in elkaar te zitten dan wat deeltjes in de ruimte. Een werkelijkheid die meer uit relaties dan uit objecten bestaat.”

De naam die steeds weer opduikt, is die van Werner Heisenberg, de 23-jarige rebelse student die op het eiland Helgoland de kiem legde voor zijn kwantumfysica. „Om ongeveer drie uur ’s nachts lag het eindresultaat van mijn berekeningen voor me. Ik voelde me diep geschokt. Ik was zo opgewonden dat er aan slapen niet te denken viel.”

Kwantumsprongen

Wat had hij dan ontdekt? De toen al beroemde Deense natuurwetenschapper Niels Bohr had geconstateerd dat elektronen in atomen rond een kern draaien in exact bepaalde banen op exact bepaalde afstanden van de kern, met exacte hoeveelheden energie. En het vreemde was, elektronen konden van de ene baan op de andere springen, met zogeheten kwantumsprongen. Een verklaring voor dit merkwaardige verschijnsel had niemand.

Heisenberg beet zich daarin vast. Die bewuste nacht bleek het eindresultaat van zijn berekeningen te kloppen. Rovelli citeert: „Ik had het gevoel dat ik door de oppervlakte van de atomaire verschijnselen heen naar een diep daaronder liggend fundament van een vreemde interne schoonheid keek.”

Bohr toonde zich diep onder de indruk van Heisenbergs prestatie. „We voelden allen de grootste bewondering voor Heisenberg toen hij, nauwelijks 23 jaar oud, het doel in één klap bereikte.”

De kwantumtheorie gaat over energiepakketjes. Die kunnen door lichtgolven worden overgedragen. Ze zijn gekwantificeerd: ze kunnen niet elke mogelijke energie-inhoud hebben. Anders dan de snelheid van een vallende steen; die kan elke mogelijke waarde aannemen. De energie-inhoud van een lichtgolf niet; die moet evenredig zijn met de frequentie van de lichtgolf. Tegenwoordig heten deze energiepakketjes fotonen.

Niemand begrijpt eigenlijk echt hoe de kwantumtheorie werkt: het probleem is dat ze zo abstract is. Maar deze theorie is volgens Niels Bohr wel het beste wat de wetenschap momenteel over de natuur kan zeggen. De theorie is tot vandaag de dag nog steeds een mysterie.

Bizar

Neem bijvoorbeeld het bizarre verschijnsel verstrengeling. Als in een taart een thermometer steekt, zijn beide verstrengeld. Of als een paar ogen naar een vlinder kijkt, zijn deze ook verstrengeld. In de kwantumfysica doet het mysterieuze verschijnsel zich voor dat twee ver van elkaar verwijderde objecten, bijvoorbeeld twee deeltjes die elkaar in het verleden zijn tegengekomen, ook verstrengeld kunnen zijn. Ze bewaren een vreemdsoortige relatie, alsof ze op afstand met elkaar in gesprek kunnen blijven.

Chinese wetenschappers zijn er zodoende in geslaagd om twee fotonen in een verstrengelde toestand te houden over een afstand van meer dan 1000 kilometer van elkaar.

Verstrengelde fotonen hebben vergelijkbare eigenschappen: is de ene rood, dan is de andere ook rood. Als van een paar fotonen het ene naar Wenen en het andere naar Peking wordt gestuurd verkeren ze in een kwantumsuperpositie: ze hebben de configuratie waarin ze allebei rood zijn en één waarin ze allebei blauw zijn. Als het ene rood is, is het andere dat op enorme afstand op hetzelfde moment ook. Ze hebben een geheimzinnige relatie met elkaar.

Momenteel zijn wetenschappers bezig met dit principe de kwantumcomputer, kwantuminternet, kwantumcommunicatie via satellieten en een kwantumradar mogelijk te maken.

Psyche

Sommige wetenschappers hebben geopperd dat verstrengeling er mogelijk op wijst dat er in elke materie iets van een psyche zit. Daaraan ligt een materialistisch geloof ten grondslag: wij mensen zijn bewuste wezens die uit protonen en elektronen bestaan; dus elektronen en protonen zouden al een soort protobewustzijn moeten bezitten. Maar Rovelli vindt dergelijke redeneringen over ”panpsychisme” niet bepaald overtuigend.

Emeritus hoogleraar Maarten van Buuren van de Universiteit Utrecht meent dat Heisenberg wel op dit spoor is beland. Mede door het werk van de Griekse filosoof Plato. „Heisenberg geloofde dat de grondstructuur van alle dingen samenvalt met God. En hij ervoer de momenten van inzicht in de aard van de subatomaire wereld als religieuze ervaringen”, schrijft Van Buuren in zijn filosofisch getinte boek ”Quantum, de oerknal en God”.

Hij ziet in de eenheid van wetenschappelijk onderzoek en religieuze overtuiging bij Heisenberg overeenkomsten met de filosofie van de Haagse vrijdenker Baruch de Spinoza (1632-1677). Spinoza pleitte voor een manier om God en wereld te integreren „in een geheel dat Spinoza de eenvoudige substantie, ofwel de natuur, ofwel God noemde”, schrijft Van Buuren.

Eén geheel

Gewoonlijk wordt een opvatting als deze, waarin God en Zijn schepping samenvallen, pantheïsme genoemd. Volgens Heisenberg kan het menselijk verstand vanuit dit gedachtegoed doordringen tot de kern van de werkelijkheid. Onze hersenen bestaan immers uit dezelfde bouwstenen en zijn volgens dezelfde beginselen opgebouwd als de rest van het universum.

Van Buuren verzorgde ook een nieuwe Nederlandstalige uitgave van Heisenbergs autobiografische boek ”Het deel en het geheel”. Een christenwetenschapper blijkt Heisenberg in het geheel niet te zijn; religieus is hij echter wel. Voor Heisenberg vormt zijn geloofsovertuiging één geheel met zijn natuurkundige inzichten.

Het boek van Rovelli beschrijft voor de geïnteresseerde leek hoe Heisenbergs kwantumtheorie aanleiding heeft gegeven tot tal van nieuwe natuurkundige inzichten. Beide andere boeken zijn meer bedoeld voor de fijnproever.

Boekgegevens

Helgoland, Carlo Rovelli; uitg. Prometheus; 212 blz.; € 20,99;

Quantum de oerknal en God, Maarten van Buuren; uitg. Lemniscaat; 160 blz.; € 19,99;

Het deel en het geheel, Werner Heisenberg; uitg. Lemniscaat; 276 blz.; € 39,95