Samenvattingen per hoofdstuk

Bij het maken van het E-book realiseerde ik me dat het voor de lezer erg prettig zou zijn om aan het eind van elk hoofdstuk een korte samenvatting te krijgen in de vorm van een opsomming van geleerde kernpunten. In het E-book is dat dan ook zo gedaan. Voor de lezers van de eerste druk van het papieren boek bied ik die samenvattingen hier aan.

1: Paradoxen en ‘al weten hoe het zit’

  • We denken vaak al te weten hoe het zit en dat speelt ons parten.
  • Paradoxen die we dan tegenkomen worden onze wegwijzers naar een betere interpretatie van onze waarnemingen.

2: De ontdekking van het zonnestelsel

  • Het foute Ptolemeïsche model van het zonnestelsel heeft het veertien eeuwen uitgehouden vanwege zijn uitstekende voor­spellingskracht maar ook vanwege de menselijke weerstand tegen verandering.
  • Newton bouwt zijn zwaartekrachtmodel van het zonnestelsel steunend op het werk van zijn voorgangers Copernicus, Kepler en Galilei en publiceert zijn theorie in 1687. De juiste voor­spelling van de verschijning van de komeet van Halley vestigt zijn naam voorgoed.
  • Het Newton model van het zonnestelsel klopt uitstekend met onze waarnemingen maar verklaart niet wat zwaartekracht is.
  • Zeno’s paradox is door Zeno bedoeld om het foute idee aan te tonen van de oneindige deelbaarheid – oftewel de continuïteit – van afstand en tijd.
  • Laplace trekt uit Newtons theorie de conclusie dat het gehele universum een gigantisch klokwerk is en dus in principe volledig voorspelbaar door een imaginaire alwetende geest. Vrije wil is daarmee een illusie geworden.
  • Huygens komt al in 1678 met een theorie van licht als golfver­schijnsel en kan daarmee de breking van licht verklaren. New­tons hypothese van licht als harde gekleurde balletjes houdt echter nog ruim een eeuw stand.

3: Het uurwerk universum en de ether

  • Thomas Young toont in 1803 met zijn tweespletenproef aan dat vanwege het interferentiepatroon dat daar ontstaat licht een golf­karakter moet hebben.
  • Het is van groot belang voor de rest van het boek om te begrijpen hoe een interferentiepatroon ontstaat door twee synchrone golf­bronnen.
  • Velden, elektrische, magnetische en zwaartekracht, zijn abstracte concepten die tot reële objecten zijn gemaakt.
  • James Maxwell stelt vergelijkingen op die voorspellen dat bewe­gende elektrische ladingen hun energie uitzenden als oscillerende elektrische en magnetische velden, waarbij de grote vraag is wat die velden eigenlijk zijn. Die EM-golven planten zich in vacuüm voort met een constante snelheid, die van het licht.
  • Dit wordt proefondervindelijk bevestigd door Heinrich Herz. Men trekt de conclusie dat ook licht een EM-golf moet zijn.
  • Het licht heeft in Maxwells theorie geen voortplantingsmedium – geen ether – meer nodig.
  • Maxwell is zelf niet echt gelukkig met de ongrijpbaarheid van zijn velden.
  • EM-straling kan in elke denkbare frequentie en golflengte voor­komen. De grenzen zijn die van onze meetinstrumenten.
  • Proefondervindelijk wordt vastgesteld dat de snelheid van het licht in elke gemeten richting altijd hetzelfde is. Er is dus geen onbeweeglijke statische ether waar alle objecten in het univer­sum doorheen bewegen.
  • Max Planck vindt de oplossing voor het EM-spectrum uitgezon­den door een hete bron. Hij moet daarvoor wel aannemen dat EM-stralingsenergie wordt overgedragen in kleinste hoeveel­heden – kwanta – waarvan de energie recht evenredig is met de frequentie. Dit is echter in volstrekte tegenspraak met het EM-model van Maxwell, het zich gelijkmatig bolvormig uitbreidende golffront van EM-energie.

4: De ineenstorting van de klassieke fysica

  • Ernst Rutherford ontdekt door het afvuren van alfadeeltjes op goudatomen dat het atoom bestaat uit een uiterst kleine positieve kern met daaromheen een elektronenwolk. Het atoom blijkt voornamelijk lege ruimte. Dit model is in conflict met de EM-theorie van Maxwell aangezien bewegende ladingen EM-straling uit zouden moeten zenden.
  • Niels Bohr verklaart het lijnenspectrum van gloeiend waterstof door te stellen dat voor die rondcirkelende elektronen slechts bepaalde energieniveaus zijn toegestaan. Een elektron dat van een hoger naar een lager energieniveau ‘springt’ staat zijn ener­gie af in de vorm van een uitgezonden EM-kwantum. Die sprong moet volgens hem instantaan zijn.
  • Albert Einstein doet drie belangrijke maar uiterst controversiële publicaties. Zijn speciale relativiteitstheorie, de verklaring van het foto-elektrisch effect en de atomaire verklaring van de Brownse beweging.
  • Uit de speciale relativiteitstheorie volgt dat massa en energie hetzelfde zijn. Massa blijkt geconcentreerde energie.
  • Albert Einstein verklaart het foto-elektrisch effect, waarbij elek­tronen vrijgemaakt worden door licht boven een bepaalde fre­quentie, met het kwantum van Planck. Lichtkwanta, fotonen genoemd, hebben een energie die evenredig is met hun frequen­­tie. Pas boven een zekere frequentie hebben ze energie genoeg om de elektronen van hun atomen los te maken.
  • Louis de Broglie ziet het verband tussen staande golven op een trillende snaar en de vaste elektronenbanen in het atoommodel van Bohr. Daarvoor stelt hij dat aan een bewegend elektron ook een golf gekoppeld is met een golflengte die omgekeerd evenredig aan zijn snelheid is.
  • Het idee van De Broglie wordt experimenteel bevestigd door interferentiepatronen die ontstaan bij van gekristalliseerd nikkel terugkaatsende elektronen.
  • Een praktische toepassing van elektronengolven is de elektro­nenmicroscoop.
  • De deeltje-golf paradox van de kwantumfysica gaat niet meer weg.

5: Onzekerheid, de kwantumcollaps

De kopenhaagse interpretatie van het meetprobleem
  • Proeven met elektronen afgeschoten op een dubbele spleet geven net zo’n interferentiepatroon als bij lichtgolven. Zelfs als de elektronen stuk voor stuk worden afgeschoten.
  • Ook bij individueel op een dubbele spleet afgevuurde fotonen ontstaat op den duur altijd een herkenbaar interferentiepatroon.
  • Wanneer uit de meting afgeleid kan worden door welk van beide spleten het elektron of foton gepasseerd moet zijn verdwijnt het interferentiepatroon. Dit is experimenteel keer op keer bevestigd.
  • Er zijn twee formele beschrijvingen van de kwantummechanica gevonden, de matrixmechanica van Werner Heisenberg die dis­crete meetresultaten voorspelt en de golfvergelijking van Erwin Schrödinger die de kans blijkt te voorspellen om het deeltje in een meting aan te treffen. Beide beschrijvingen blijken mathe­matisch uiteindelijk equivalent.
  • De onzekerheidsrelatie van Heisenberg blijkt een fundamentele eigenschap van de natuur. We kunnen niet de plaats en de snelheid van een object tegelijkertijd zo nauwkeurig als we maar willen vaststellen. Hoe preciezer we de een vaststellen hoe groter de onzekerheid in de complementaire eigenschap wordt. Zouden we van een bewegende biljartbal van 1 kg zijn plaats op een bepaald tijdstip tot op 10-31 mm nauwkeurig willen bepalen dan zal de onzekerheid in de gemeten snelheid in de orde van 1 m/s gaan bedragen. De bal zou daarmee dus zichtbaar zeer onrustig bewegen.
  • De kans die de oplossing van de Schrödingervergelijking, de toestandsgolf, voorstelt blijkt dus het gevolg van een fundamentele onzekerheid te zijn.
  • Ter onderscheid van waarschijnlijkheden van gebeurtenissen die we in principe exact zouden kunnen voorspellen met de klassieke mechanica wetten, zoals de uitkomst van de worp van een munt, wordt de kans die de toestandsgolf geeft de objectieve kans genoemd. De kans dat een opgegooide munt met kruis boven komt is daarentegen een subjectieve kans.
  • Daarmee komt een einde aan het absolute causaliteitsbeginsel zoals dat nog in de 19e eeuw algemeen werd aangehangen. Er zijn nu dus gevolgen zonder oorzaak.
  • De Kopenhaagse interpretatie van de kwantumfysica stelt dat het kwantumobject niet fysiek bestaat, dat wil zeggen, geen meetbare fysieke eigenschappen heeft, totdat het wordt gemeten.
  • Die interpretatie zegt ook dat, om het kwantumobject te laten verschijnen in de meting waarbij de toestandsgolf abrupt eindigt, het meetinstrument groot genoeg dient te zijn ten opzichte van het atomaire kwantumobject. Daarmee wordt een arbitraire grens getrokken tussen de wereld van de kwantumverschijnselen en de macrowereld van onze instrumenten.
  • Die interpretatie verklaart echter niet waarom een macro-instrument als een dubbele spleet dan niet het einde van de kwantumgolf veroorzaakt.
  • Het gedachte-experiment van Schrödinger met een kat in een gesloten doos, die zolang we niet meten (kijken) in een toe­standsgolf verkeert van dood én levend, toont niet zozeer de absurditeit van de kwantumfysica aan maar meer het feit dat voor een levend systeem als een kat de fysica van een objectieve wereld die onafhankelijk van ons bestaat gewoon ophoudt geldig te zijn.

6: Een woud van hypotheses

  • Verborgen variabelen in een fysische theorie betekenen dat het gehanteerde model nog niet alle fysieke invloeden bevat die er wel zijn. Het model is dus onvolledig aangezien zekere fysische verschijnselen nog verborgen blijven.
  • De aanname van verborgen variabelen is een poging om de klassieke fysica te redden van de fundamentele onvoorspelbaar­heid van de kwantumfysica. Men wil per se eraan vasthouden dat kwantumdeeltjes de hele tijd wel fysiek bestaan in plaats van pas onvoorspelbaar in het meetinstrument te verschijnen.
  • Lokale interactie is wat we zien op het biljart, fysieke interactie dus. Elektromagnetische wisselwerking wordt ook gerekend tot de lokale interactie, evenals de andere veldkrachten als zwaarte­kracht en kernkrachten, en kan daarom hooguit met de snelheid van het licht plaatsvinden.
  • Non-lokale interactie is in principe instantaan en dus sneller dan licht. Acceptatie van non-lokale interactie betekent dus ook accepteren dat de relativiteitstheorie niet altijd opgaat.
  • Het fysieke kan niet de niet-fysieke toestandsgolf beïnvloeden en dus – zegt John von Neumann – moeten we een niet-fysieke invloed veronderstellen. Het bewustzijn van de waarnemer is volgens hem een goede kandidaat.
  • De EPR-paradox is een serieuze poging van Einstein geweest om de kwantumfysica incompleet te verklaren.  Twee deeltjes met een gemeenschappelijke oorsprong bestaan volgens de kwantumfysica van Bohr pas als een van de twee gemeten wordt waardoor het andere deeltje op dat moment de daarmee comple­mentaire eigenschappen zou moeten krijgen. Dat veronderstelt een geheimzinnig effect van de deeltjes op elkaar, ongeacht hun onderlinge afstand.
  • Het argument van Bohr is terecht dat Einstein hier toch weer veronderstelt dat de twee deeltjes de hele tijd voorafgaand aan de meting bestaan. Bohr veronderstelt juist dat er tot aan de me­ting een niet-fysieke gecombineerde toestandsgolf bestaat die de potentie van beide deeltjes voorstelt en die bij meting instantaan ‘instort’. Dat effect heet vanaf dan: verstrengeling.
  • John Bell vindt, geïnspireerd op het EPR-experiment, een theo­retische opzet van een experiment waarbij proefondervindelijk eenduidig vastgesteld kan worden of er al dan niet sprake is van lokale effecten. Dat is het theorema van Bell.
  • Vele Bell-tests zijn uitgevoerd vanaf 1972 met oplopende preci­sie en met toenemende uitsluiting van loopholes. Alle tests be­vestigen tenminste non-lokaliteit. De toestandsgolf lijkt dus inderdaad niet-fysiek en instantaan in te storten bij meting.
  • De ongemakkelijkheid die fysici voelen bij de consequenties van de kwantumfysica heeft zich vertaald in uiteenlopende hypothe­ses. Die hypotheses kunnen in twee groepen onderscheiden wor­den:
    • Groep 1 tracht de klassieke fysica te redden waarbij er een objectieve realiteit bestaat die onafhankelijk is van de waarnemer en zijn bewustzijn.
    • Groep 2 gaat er juist van uit dat het bewustzijn van de waarnemer een cruciale rol speelt en stelt vragen ten aanzien van de objectieve realiteit van de wereld.
  • Experimentele bevestigingen van de hypotheses uit groep 1 zijn negatief of afwezig. Experimentele bevestigingen van de hypo­theses uit groep 2 zijn positief. Dat het bewustzijn van de waar­nemer een effect heeft op kwantumprocessen is daarmee niet be­wezen maar wel bevestigd.
  • Complementariteit volgens Bohr waarbij altijd uitsluitend ofte­wel het deeltjesaspect dan wel het golfaspect in een experiment bekeken mag worden probeert de klassieke kool en de bewuste geit te sparen maar biedt geen echte oplossing voor de kwantum paradox.

7: Uitgestelde keus experimenten

  • John Wheeler vroeg zich terecht af wat het mechanisme zou moeten zijn waarmee het foton zich aanpast aan de meetop­stelling.
  • De conclusie van uitgevoerde uitgestelde kwantumwisser expe­rimenten is dat er geen foton onderweg kan zijn dat zich met terugwerkende kracht in de tijd aanpast. Het foton bestaat pas – of beter gezegd: heeft bestaan – na en door detectie.
  • Die conclusie betekent dat het eigenlijk om informatie gaat. Het verkrijgen van informatie creëert het gebeurde en legt het ook vast.
  • Daarmee lijkt de rol van de waarnemer een noodzakelijke te zijn.
  • Verstrengeling is een langzamerhand geaccepteerd iets. Objecten die contact met elkaar gehad hebben blijven in elk geval met elkaar verbonden in hun kwantumgolf toestand tot hun eerstvolgende meting.
  • De toestandsgolf is dus inderdaad niet-fysiek zoals Bohr al uitsprak.
  • Dat de toestandsgolf niet-fysiek is wil niet zeggen dat die niet werkelijk is. Het is beslist geen illusoir fantoom.

8: Informatie, Communicatie, Entropie

  • In de informatietechniek is het begrip informatie gedefinieerd als de sommatie van het aantal mogelijke uitkomsten van een experiment of gebeurtenis.
  • Informatie is daarmee losgekoppeld van de bewuste verwerker.
  • Informatie kan ook geïnterpreteerd als de entropie van een sys­teem. Het is dan de sommatie (van de natuurlijke logaritmes) van alle mogelijke toestanden van het systeem.
  • In niet-levende systemen neemt de entropie onverbiddelijk toe.
  • Leven betekent dat de entropie gehandhaafd wordt op een vast niveau.
  • Wij ervaren entropietoename als het verstrijken van tijd.
  • Tijd is geen fundamentele eigenschap van het universum. Ruim­te evenmin Beide ontstaan als gevolg van de aanwezigheid en de toestandsverandering van materie.
  • Tijd is het gevolg van hoe wij het universum waarnemen.
  • De rol van informatie bij de zogenaamde kwantumcollaps kan experimenteel onderzocht met een relatief simpele aanpassing van de kwantumwisser.

9: Het dubieuze bestaan van het foton

  • Uitgestelde keus experimenten bevestigen dat kwantumobjecten geen fysiek bestaan kunnen hebben vóór detectie.
  • Detectie van een foton betekent ook de vernietiging ervan aan­gezien de energie wordt overgedragen aan de detector.
  • Het bestaan van het foton wordt daarmee feitelijk oneindig kort, een niet-bestaan.
  • Er is altijd wel sprake van energieoverdracht. Dat was ook de oorspronkelijke gedachte van Planck. Die energie lijkt daarmee overgedragen te worden zonder een tussenweg afgelegd te hebben.

10: Retrocausaliteit in de fysieke realiteit

  • Het lijkt de uitslag van een examen gunstig te beïnvloeden om ná het examen de vragen en antwoorden aandachtig door te nemen.
  • Tijd is niet wat het lijkt, dat lijken presentiment experimenten te bevestigen.
  • Tijd wordt door ons gevormd door herinnering, een op entropische kenmerken berustende vergelijking van herinnerde beelden.

11: Kwantumbiologie

  • Kwantumtunneling is een aanvaard fysisch fenomeen. Het kwantumobject kan overal verschijnen in onze meetinstrumenten waar de waarschijnlijkheid niet gelijk aan nul is, ook indien een energiebarrière dit lijkt te verbieden. Alle halfgeleidertech­nologie maakt gebruik van dit verschijnsel.
  • Kwantumbiologie is met ingang van de eeuwwisseling een nieuwe en zeer populaire tak van wetenschap geworden. 
  • Leven maakt op alle fronten gebruik van kwantumtunneling door steeds weer de meest efficiënte mogelijkheid te kiezen uit alle mogelijkheden die de kwantumtoestandsgolf bevat.
  • Daarmee lijkt leven de onverbiddelijke toename van entropie die niet-levende materie vertoond te omzeilen. Als het leven ermee stopt neemt de entropie vanaf dat moment onmiddellijk toe.
  • Als de multiversa hypothese waar is dan is ons voortbestaan en van eigenlijk alle vorm van leven in 99,9999% van de op elk moment van het huidige universum afsplitsende universa aller­minst verzekerd.

12: Een mogelijk model –
Descartes en de illusie van de wereld

Kosmisch bewustzijn
Kosmisch bewustzijn – alles bevindt zich binnen het kosmisch bewustzijn
  • Het uitoefenen van invloed van het bewustzijn op materie – of andersom – is net zo raadselachtig als echte magie maar ook net als de zwaartekracht, de elektromagnetische wisselwerkingen en de sterke en zwakke kernkrachten.
  • Elke ervaring van dat wat wij de werkelijkheid noemen is pas een ervaring als die in ons bewustzijn verschijnt.
  • De werkelijkheid die wij ervaren is dus iets dat binnen ons be­wustzijn bestaat, niet erbuiten.
  • Als we willen aannemen dat ons bewustzijn zijn eigen ervarin­gen creëert dan vervalt de noodzaak om een objectieve buiten ons bestaande werkelijkheid te veronderstellen.
  • Dat meerdere waarnemers hetzelfde universum ervaren is gezien het effect van de waarnemer op het waargenomene een niet on­middellijk verklaarbaar vraagstuk.
  • Dat wijst erop dat er slechts één bewustzijn is waarbinnen zich het verhaal van dit universum afspeelt. Ons bewustzijn is daar een fragment van dat zich blijkbaar niet bewust is van zijn tota­liteit. Ons onbewuste is nog groter en grootser dan gedacht.
  • Dat er slechts één bewustzijn is waarbinnen zich het verhaal van ons universum zich afspeelt is verre van nieuw. Dit is ons steeds verteld door de eeuwen heen door wijsgeren en mystici en wordt heden ten dage weer verteld door getuigenissen van talloze nabij de dood ervaringen.
  • Deze visie op de werkelijkheid van ons universum wordt ook uitgedragen door een kleine maar uitgelezen minderheid van gerenommeerde wetenschappers.

13: Falsifieerbaarheid van het
 bewustzijnsmodel

Kwantum info wisser