Bestaat de maan als niemand ernaar kijkt?

Manjit Kumar, Kwantum. Einstein, Bohr en het grote debat over de natuurkunde. € 34,95

Manjit Kumar, Quantum. Einstein, Bohr and the Great Debate about the Nature of Reality. € 16,40

Er was een tijd waarin natuurkundigen een grondige hekel hadden aan natuurkunde. ‘Was ik maar cabaretier of iets dergelijks geworden’, verzuchtte Wolfgang Pauli, hoogleraar aan de Technische Hochschule Zürich. Nobelprijswinnaar Max Born meende dat hij aardig bedreven raakte in 'de kunst van het gokken naar correcte formules’ en de Oostenrijkse Erwin Schrödinger deed zijn best zich te distantiëren van onderzoek waar hij eerder succesvol aan bijdroeg. We schrijven begin twintigste eeuw, de opkomst van de kwantummechanica.
In Kwantum: Einstein, Bohr en het grote debat over de natuurkunde beschrijft Manjit Kumar hoe wanhoop en vervreemding de overhand krijgen wanneer alle natuurkundige conventies overboord moeten worden gezet om te begrijpen wat zich op subatomair niveau afspeelt. De klassieke, mechanische natuurkunde van de negentiende eeuw voldeed niet langer en de ontdekking van het kwantum bracht een aardverschuiving teweeg. Het was het soort omslag dat wetenschapsfilosoof Thomas Kuhn met recht een paradigmawisseling zou noemen. Kumar hierover: 'Kwesties van oorzaak en gevolg, of de vraag of de maan bestaat als niemand ernaar kijkt, waren sinds de tijd van Plato en Aristoteles het domein van filosofen geweest, maar met de komst van het kwantum werd er door de grootste natuurkundigen van de twintigste eeuw over gediscussieerd.’ De grootste geesten van de twintigste eeuw zouden hun leven aan de nieuwe theorie wijden.
In december 1900 worstelt de Duitse natuurkundige Max Planck, bekend in de Duitse academische wereld vanwege zijn conservatieve, observerende karakter, met een berucht dilemma over elektromagnetische straling. Hij wil een oplossing vinden voor het vraagstuk van het 'zwarte lichaam’, een object dat alle elektromagnetische straling die erop valt absorbeert en vanaf bepaalde temperaturen weer begint uit te stralen. Al sinds de jaren vijftig van de negentiende eeuw werd de vraag gesteld hoe de intensiteit van de straling zich verhoudt tot de temperatuur van het lichaam en de frequentie van de straling. De theoretische onderbouwing van de experimentele data blijft tekortschieten en Planck besluit in een wanhoopspoging al zijn traditionele overtuigingen overboord te zetten en de wiskundige structuur van energie te veranderen in zijn berekeningen. Het kwantum, de kleinst mogelijke hoeveelheid energie in de vorm van een deeltje, was geboren. Wetenschapshistorici zouden er nog lang over twisten of Planck zich realiseerde wat hij gedaan had: 'Er is een verschil tussen iets ontdekken en het volledig begrijpen, vooral in een overgangstijd.’
De hoofdrolspelers in het wetenschappelijk debat dat volgde waren Albert Einstein en Niels Bohr. Einstein was een van de eersten om in te zien welke gevolgen de berekeningen van Planck zouden hebben. In een van zijn papers uit 1905, zijn annus mirabilis, suggereerde Einstein zelfs dat licht zich soms gedraagt alsof het uit deeltjes bestaat, iets wat zonder Plancks wiskundige truc van enkele jaren daarvoor niet mogelijk zou zijn geweest. De Deen Bohr, briljant maar zwijgzaam, was geïnteresseerd in het onderzoek naar de structuur van atomen van zijn professor aan Cambridge, Ernest Rutherford. In 1913 wist de theoreticus Bohr de experimenten van de praktisch ingestelde Rutherford dusdanig te interpreteren dat het een belangrijke stap richting de basis van de kwantummechanica was.
Einstein en Bohr ontmoetten elkaar voor het eerst in het Berlijn van 1920 en in de daaropvolgende jaren bereikte het debat over de kwantummechanica zijn hoogtepunt. De heren respecteerden elkaar, maar waren het oneens over de willekeur die kwantummechanica met zich meebracht. Einstein kon geen afstand doen van de causaliteit die volgens hem belangrijk was in wetenschap ('God dobbelt niet’), terwijl Bohr tot het uiterste ging om 'zijn’ Kopenhagen-interpretatie van de theorie, waarin waarschijnlijkheid een grote rol speelde, te verdedigen ('Stop God te vertellen wat hij moet doen’).
Kumar beschrijft uitvoerig hoe beide mannen elkaar tijdens de Bohr-Einstein-debatten bestookten met gedachte-experimenten. Zo introduceerde Einstein de lightbox, een hypothetische doos met een klok en een sluitingsmechanisme dat op gezette tijden een deeltje laat ontsnappen. Voor en na het vrijlaten van het deeltje wordt de doos gewogen. Volgens Bohrs Kopenhagen-interpretatie kan het gewicht van het deeltje niet vastgesteld worden, maar volgens Einstein moet dit wel mogelijk zijn. Bohr bleef een nacht wakker, wanhopig proberend een weerlegging te bedenken. De volgende ochtend had hij de oplossing: door Einsteins eigen relativiteitstheorie toe te passen zou blijken dat het nauwkeurig wegen van een deeltje tóch onmogelijk is. Doordat de lightbox beweegt bij het vrijkomen van het deeltje, beweegt de klok zich in het zwaartekrachtveld en wordt het bijhouden van de tijd beïnvloed binnen in de doos. Einstein meende later dat kwantummechanica 'een stukje van de uiteindelijke waarheid’ bevat, maar wijdde de laatste decennia van zijn leven voornamelijk aan het verenigen van de fundamentele natuurwetten in één raamwerk, de zogeheten unified field theory.
Kwantum kan de kloof van onbegrip tussen alfa’s en bèta’s overbruggen zonder de zaken simpeler voor te doen dan ze zijn. Enerzijds weet Kumar complexe fysische concepten begrijpelijk te beschrijven voor een breed publiek. Tabellen, grafieken en een begrippenregister helpen de lezer zonder achtergrond in de exacte wetenschappen. Anderzijds plaatst hij het onderzoek en de debatten in een maatschappelijke context. Voorbeelden hiervan zijn de aandacht voor Einsteins vlucht uit Duitsland in 1933, het onderzoek voor de atoombom dat Bohr verrichtte in Los Alamos, en Plancks lastige verhouding met het nationaal-socialisme. Het illustreert dat wetenschap onderhevig is aan persoonlijke grillen van onderzoekers, wereldoorlogen, economische malaise en antisemitisme.
De nacht voordat Bohr stierf in november 1962 had hij op het schoolbord in zijn studeerkamer een schematische tekening van Einsteins lightbox gemaakt. Einstein maakte nog aantekeningen voor zijn unified field theory op zijn ziekbed. Kumar schreef een indrukwekkend boek over een debat dat zo belangrijk was voor de betrokkenen dat zij hun overtuigingen meenamen in het graf.

MANJIT KUMAR
KWANTUM:
EINSTEIN, BOHR EN HET GROTE DEBAT OVER DE NATUURKUNDE
Uit het Engels
vertaald door Han Visserman, Ambo Anthos,
464 blz., € 34,95