Van Quanta Magazine (vind het oorspronkelijke verhaal hier).
“Krankzinnigheid is steeds weer hetzelfde doen en dan andere resultaten verwachten.”
Die kwinkslag – ik noem het maar “Einstein Krankzinnigheid”- wordt meestal toegeschreven aan Albert Einstein. Hoewel hier misschien het Mattheüs-effect in het spel is, is het ontegenzeggelijk het soort slimme, gedenkwaardige one-liner die Einstein vaak uitsloeg. En ik geef hem graag de eer, omdat dit ons in interessante richtingen brengt.
Op de eerste plaats moet worden opgemerkt dat wat Einstein beschrijft als waanzin, volgens de kwantumtheorie de manier is waarop de wereld feitelijk werkt. In de kwantummechanica kun je hetzelfde vele malen doen en toch verschillende resultaten krijgen. Dat is inderdaad de premisse die ten grondslag ligt aan de grote hoog-energetische deeltjes-botsers. In deze botsmachines slaan natuurkundigen dezelfde deeltjes op precies dezelfde manier tegen elkaar, triljoenen keren. Zijn ze allemaal gek dat ze dit doen? Het lijkt van niet, want zij hebben een enorme verscheidenheid aan resultaten bereikt.
Of Einstein geloofde natuurlijk niet in de inherente onvoorspelbaarheid van de wereld en zei: “God dobbelt niet.” Maar door te dobbelen, voeren we Einsteins waanzin uit: We doen steeds weer hetzelfde – namelijk dobbelen – en we verwachten correct verschillende resultaten. Is het echt krankzinnig om te dobbelen? Zo ja, dan is het een veel voorkomende vorm van waanzin!
We kunnen de diagnose ontlopen door aan te voeren dat men in de praktijk nooit op precies dezelfde manier met de dobbelstenen gooit. Zeer kleine veranderingen in de beginvoorwaarden kunnen de resultaten veranderen. De achterliggende gedachte is dat in situaties waarin we niet precies kunnen voorspellen wat er gaat gebeuren, dat komt omdat er aspecten van de huidige situatie zijn waar we geen rekening mee hebben gehouden. Soortgelijke pleidooien van onwetendheid kunnen vele andere toepassingen van waarschijnlijkheid verdedigen tegen de beschuldiging van Einstein-insanity, waaraan ze allemaal blootstaan. Als we volledige toegang tot de werkelijkheid zouden hebben, zou er volgens dit argument nooit twijfel bestaan over de resultaten van onze handelingen.
Deze doctrine, bekend als determinisme, werd hartstochtelijk bepleit door de filosoof Baruch Spinoza, die Einstein als een grote held beschouwde. Maar voor een beter perspectief moeten we nog verder terug in de tijd.
Parmenides was een invloedrijke oude Griekse filosoof, die werd bewonderd door Plato (die in zijn dialoog De sofist verwijst naar “vader Parmenides”). Parmenides was voorstander van de raadselachtige opvatting dat de werkelijkheid onveranderlijk en ondeelbaar is en dat alle beweging een illusie is. Zeno, een leerling van Parmenides, bedacht vier beroemde paradoxen om de logische moeilijkheden in het concept zelf van beweging te illustreren. In moderne termen vertaald, luidt Zeno’s pijlparadox als volgt:
- Als je weet waar een pijl is, weet je alles over zijn fysieke toestand.
- Daarom heeft een (hypothetisch) bewegende pijl dezelfde fysieke toestand als een stilstaande pijl in dezelfde positie.
- De huidige fysieke toestand van een pijl bepaalt zijn toekomstige fysieke toestand. Dit is Einstein Sanity-de ontkenning van Einstein Insanity.
- Daarom hebben een (hypothetisch) bewegende pijl en een stilstaande pijl dezelfde toekomstige fysische toestand.
- De pijl beweegt niet.
Volgers van Parmenides werkten zich in logische knopen en mystieke vervoering over de nogal flagrante tegenspraak tussen punt vijf en de alledaagse ervaring.
De fundamentele verworvenheid van de klassieke mechanica is vast te stellen dat het eerste punt ondeugdelijk is. Het is vruchtbaar om in dat kader een bredere opvatting van het karakter van de fysische werkelijkheid toe te staan. Om de toestand van een systeem van deeltjes te kennen, moet men niet alleen hun posities kennen, maar ook hun snelheden en hun massa’s. Gewapend met die informatie voorspelt de klassieke mechanica de toekomstige evolutie van het systeem volledig. De klassieke mechanica is, gezien haar bredere concept van de fysische werkelijkheid, het toonbeeld van Einstein’s gezond verstand.
Met die triomf in gedachten, laten we terugkeren naar de schijnbare Einstein-gekte van de kwantumfysica. Zou die moeilijkheid ook kunnen duiden op een inadequaat begrip van de toestand van de wereld?
Einstein zelf dacht van wel. Hij geloofde dat er verborgen aspecten van de werkelijkheid moesten bestaan, die in de conventionele formulering van de kwantumtheorie nog niet werden onderkend en die Einstein weer gezond zouden maken. In deze opvatting is het niet zozeer dat God niet dobbelt, maar dat het spel dat hij speelt niet fundamenteel verschilt van de klassieke dobbelstenen. Het lijkt willekeurig, maar dat komt alleen door onze onwetendheid over bepaalde “verborgen variabelen”. Grofweg: “God dobbelt, maar hij heeft het spel gemanipuleerd.”
Maar naarmate de voorspellingen van de conventionele kwantumtheorie, vrij van verborgen variabelen, van triomf naar triomf zijn gegaan, is de speelruimte waarin men dergelijke variabelen zou kunnen onderbrengen, klein en ongemakkelijk geworden. In 1964 identificeerde de natuurkundige John Bell bepaalde beperkingen die moeten gelden voor elke natuurkundige theorie die zowel lokaal is (d.w.z. dat fysische invloeden niet sneller reizen dan het licht) als realistisch (d.w.z. dat de fysische eigenschappen van een systeem al voor de meting bestaan). Maar tientallen jaren van experimentele testen, waaronder een “loophole-free” test die vorige maand werd gepubliceerd op de wetenschappelijke preprint site arxiv.org, laten zien dat de wereld waarin wij leven deze beperkingen omzeilt.
Ironisch gezien houdt de conventionele kwantummechanica zelf een enorme uitbreiding van de fysische werkelijkheid in, wat genoeg kan zijn om Einstein Insanity te voorkomen. De vergelijkingen van de kwantumdynamica stellen natuurkundigen in staat de toekomstige waarden van de golffunctie te voorspellen, gegeven de huidige waarde. Volgens de Schrödingervergelijking evolueert de golffunctie op een volkomen voorspelbare manier. Maar in de praktijk hebben we nooit toegang tot de volledige golffunctie, noch nu, noch in de toekomst, zodat deze “voorspelbaarheid” niet haalbaar is. Als de golffunctie de ultieme beschrijving van de werkelijkheid geeft – een controversiële kwestie – dan moeten we concluderen dat “God een diep maar strikt op regels gebaseerd spel speelt, dat er voor ons uitziet als dobbelstenen.”
Einsteins grote vriend en intellectuele sparringpartner Niels Bohr had een genuanceerde kijk op waarheid. Terwijl volgens Bohr het tegendeel van een eenvoudige waarheid een onwaarheid is, is het tegendeel van een diepe waarheid een andere diepe waarheid. Laten we in die geest het concept van een diepe onwaarheid introduceren, waarvan het tegendeel eveneens een diepe onwaarheid is. Het lijkt gepast om dit essay af te sluiten met een epigram dat, in combinatie met het epigram waarmee we begonnen, een mooi voorbeeld geeft:
“Naïviteit is steeds hetzelfde doen, en steeds hetzelfde resultaat verwachten.”
Frank Wilczek kreeg in 2004 de Nobelprijs voor natuurkunde voor zijn werk aan de theorie van de sterke kracht. Zijn meest recente boek is A Beautiful Question: Finding Nature’s Deep Design. Wilczek is de Herman Feshbach Professor in de Natuurkunde aan het Massachusetts Institute of Technology.
Met toestemming overgenomen van Quanta Magazine, een redactioneel onafhankelijke uitgave van de Simons Stichting met als missie het vergroten van het inzicht van het publiek in de wetenschap door het verslaan van onderzoeksontwikkelingen en trends in de wiskunde en de natuur- en levenswetenschappen.