Tagarchief: kwantummechanica

Een onzekere wetenschap.

De wetenschappelijke methodiek…verandert en transformeert haar object: een procedure kan niet langer onafhankelijk gezien worden van de invloed van de onderzoeker op het onderzochte object.”  Werner Heisenberg, 1958.

Wat beoogt Heisenberg hier duidelijk te maken?

Nobelprijswinnaar Wener Heisenberg (1901-1976) is één van de grondleggers van de kwantumfysica geweest, en de onzekerheidsrelatie van Heisenberg is wellicht zijn belangrijkste contributie. Kwantumfysica is de wetenschap van de onzekerheid en dubbelzinnigheid. Het biedt een alternatief kader van de werkelijkheid waarbij alle gebeurtenissen niet op voorhand bepaald kunnen worden. De realiteit gereduceerd tot kansberekening, toeval zelfs. Dat komt omdat de allerkleinste deeltjes van materie wonderbaarlijke eigenschappen hebben waarbij de deeltjes zich voor een meting tegelijkertijd in een combinatie van mogelijkheden kan bevinden. De daadwerkelijke meting dwingt het kwantumsysteem pas om te kiezen tussen één van deze mogelijkheden. Dit was (en is) een geweldige breuk met de klassieke Newtoniaanse fysica omdat de toestand van het hele universum op ieder moment nu niet meer te voorspellen is. Wat Heisenberg met de bovengenoemde citaat illustreert is dat door de basisprincipes van kwantummechanica het onmogelijk is om een fysiek object te bestuderen zonder het op een bepaalde manier te beïnvloeden. Met andere woorden: er kan geen meting plaatsvinden zonder verstoring. Dit is de kern van Heisenbergs onzekerheidsrelatie gepubliceerd in 1927. Wat vele echter niet weten is dat deze onzekerheidsrelatie een theoretische voorspelling was op basis van zijn intuïtie, en die nu bijna een eeuw later empirisch is vastgesteld!

Kwantumfysica is natuurlijk een geweldige kweekvijver geworden niet alleen voor natuurkundigen maar ook voor filosofen. Als ik helemaal voor mijzelf mag spreken vind ik het een bijzonder interessant werkterrein. Toch moeten we de eigenschappen van kwantumsystemen niet uit hun verband trekken, het gaat hier om het gedrag van subatomaire deeltjes en niet het gedrag van de objecten die wij dagelijks met het blote oog waarnemen. Desalniettemin wordt kwantumfysica vaak door filosofen gebruikt als legitimatie voor de vrije wil, omdat de inherente onvoorspelbaarheid van kwantumfysica indeterminisme mogelijk maakt. Omdat een handeling enkel vrij is als ze niet gedetermineerd is, zou indeterminisme de randvoorwaarde voor vrije wil scheppen. Maar natuurlijk ook voor het toeval, en zijn wij hierdoor dan nog wel baas in eigen brein?

Hoe dan ook, men kan deze uitspraak van Heisenberg ook vanuit een wetenschapsfilosofisch perspectief interpreteren. In de wetenschap speelt “zintuigelijke kennis” (= observaties) een grote rol. Maar een wetenschapper is natuurlijk meer dan enkel een waarnemer. Geobserveerde gegevens moeten geïnterpreteerd worden en vervolgens verwoord/vertaald worden in wetenschappelijke theorieën en hypothesen. “De realiteit die we onder woorden kunnen brengen is nooit de werkelijkheid zelf”, een andere veelzeggende uitspraak van Heisenberg. Een interpretatie is a priori subjectief gegeven. Bovendien worden interpretaties gekaderd binnen een bepaald paradigma, en dat is natuurlijk ook gekleurd door het standpunt dat een wetenschapper verdedigt. De grondlegger van de wetenschapsfilosofie, Karl Popper, opperde dat objectieve kennis niet door verificatie maar door falsificatie gefundeerd werd. Dus niet enkel toetsbaarheid en reproduceerbaarheid van wetenschappelijke hypothesen, maar hun ontkrachting zijn de kernpunten van de objectieve wetenschap. Deze eigenschap verheft wetenschap tot een empirische activiteit waarbij heel nadrukkelijk wordt aangegeven en getoetst op welke grond een wetenschappelijke theorie zou moeten worden verworpen (dit in tegenstelling tot pseudowetenschap). Dit vereist dat de uitkomst van experimenten voorspelbaar moet zijn en een hypothese bevestigd of tegenspreekt. Dit spel van advocaat van de duivel is m.i. de essentie van goede wetenschap bedrijven.

De natuurwetenschap vanaf de Verlichting tot aan de 19de eeuw was vaak zuiver descriptief en derhalve fenomenologisch te noemen. Er was weinig inmenging van de onderzoeker/experimentator op het waargenomene. Vanaf de late 19de eeuw tot en met nu wordt steeds vaker het onderliggende mechanisme van bepaalde natuurwetten blootgelegd. Dit heeft als gevolg dat onderzoekers in feite de werkelijkheid beïnvloeden door proeven te ontwerpen om het gedrag van de materie met de omgeving op (moleculair en) mechanistisch niveau te verklaren. Dit schept een heel belangrijke valkuil waar naar mijn idee Heisenberg op zinspeelt in bovengenoemd citaat: de resultaten-bias van experimenten. Met andere woorden, de vertekening van de werkelijkheid (en dus kennis!) door proeven te ontwerpen die enkel een model kunnen bevestigen (en dus niet ontkrachten). Dit betekend dat proeven op zo’n manier ontworpen moeten worden waarbij ook alternatieve verklaringen gefundeerd kunnen worden. Strikt genomen mag er geen enkele bias in proeven verstopt zitten, alleen is dit veelal onmogelijk te bewerkstelligen. De valkuil waar Heisenberg voor waarschuwt kan men misschien beter de waarnemingsbias genoemd worden. Het selectief omgaan met waarnemingen zodat enkel een model bevestigd wordt. Als dit met opzet gedaan wordt spreken we van wetenschappelijk fraude, alleen gebeurt dit m.i. vaak op onbewust niveau. Het menselijk brein is zo geëvolutioneerd dat wij patronen, samenhang, en orde zeer snel opmerken en herkennen. “Zoek en zij zult vinden” is een wezenlijk gevaar wat we niet moeten onderschatten. Wij zien alleen zaken die we herkennen, het onbekende wordt haast letterlijk niet door ons brein geïnterpreteerd en dus ook niet gezien. Op het moment dat wij proeven doen en waarnemingen denken te maken moet men op deze valkuil bedacht zijn, want het is menseigen om verbanden te zoeken die wellicht helemaal niet causaal zijn. Op die manier passen we de natuur kunstmatig binnen onze (beperkte) verklaringsmodellen. Zo reconstrueren we als het ware de werkelijkheid, maar het is maar de vraag of zij de werkelijk realiteit is.

Copyright © 2015 dwarsliggersschrijven.nl

Planten: sleutel tot het vrije wil debat?

Het ontbrekende wetenschappelijke bewijs dat wij kunnen beschikken over een vrije wil is gevonden; in planten welteverstaan.

In onze westerse samenleving hechten wij grote waarden aan individualiteit en autonomie. Door middel van onze vrije wil maken wij dagelijks bewuste keuzes hoe wij ons leven leiden. Wij worden zo niet geleefd; wij leven. Hoe anders ontstaan poëzie, kunst, muziek, en zelfs wiskunde als ze geen expressie zijn van onze vrije geest? Bekende neurowetenschappers zoals Dick Swaab en Victor Lamme waarschuwen dat onze ervaring van vrije wil geen betrouwbare aanwijzing is dat ze ook werkelijk bestaat. “Wij zijn ons brein” en stellen dat vrije wil niet meer dan een illusie is.

Volgens neurowetenschappers wordt alles wat in ons universum gebeurt, zo ook ons denken en handelen, bepaald door natuurwetten. Via de wetten van de klassieke newtoniaanse natuurkunde kan zeer nauwkeurig het gedrag van alle toekomstige en verleden toestanden vanuit een gegeven begintoestand worden bepaald. Door dit gedetermineerde wereldbeeld lijkt er dus niets te kiezen en is ons levenspad al lang vóór onze geboorte uitgestippeld. Dit voelt voor de meeste mensen toch niet helemaal lekker, en dat is maar goed ook want er staat veel op het spel. Het ontkennen van vrije wil brengt twee wezenlijke problemen met zich mee: die van verantwoordelijkheid en van moraliteit. Het zit in onze natuur het goede te streven. Rechtvaardigheid is geïnstitutionaliseerd en slecht gedrag wordt bestraft. De ultieme woordvoerder van vrije wil, de filosoof, schroomt er ook niet voor om op de barricades te staan om ons “recht” tot zelfbeschikking stem te geven. Zo ontaard het vrije wil debat in een heuse titanenstrijd tussen neurowetenschappers en filosofen, opgezweept door de gewone sterveling als joelend publiek.

De kern van het vrije wil debat draait om causaliteit: het verband tussen oorzaak en gevolg. Zus veroorzaakt zo. Dit is hét cruciale twistpunt tussen neurowetenschappers en filosofen. In ons universum betekent dat “zus” niet anders dan “zo” kon veroorzaken. Immers de keten van oorzaak en gevolg wordt bepaald door natuurwetten en is als zodanig gedetermineerd ten tijde van de oerknal. In termen van het vrije wil debat moet ons denken werkelijk de oorzaak van onze handelingen zijn. Omdat hersenprocessen volledig gedetermineerd zijn en vrije wil volgens neurowetenschappers niet een onafhankelijk van de hersenprocessen bestaand mentaal vermogen is, kan er dus geen sprake kan zijn van vrije wil. Filosofen nuanceren deze stelling en opperen dat we altijd nog over handelingsruimte beschikken binnen zo’n gedetermineerde wereld. Bovendien hebben gedachten eigenschappen die fundamenteel anders zijn dan de eigenschappen van hersencellen – ze gaan ergens over. Het denken zou daarom niet perse aan natuurwetten gebonden zijn.

Is er dan sprake van een impasse? Nee, niet helemaal. Een mogelijke oplossing voor beide kampen komt uit een onverwachte hoek: de kwantummechanica. Dit is de wetenschap van de onzekerheid en dubbelzinnigheid, meestal beoefend op stoffige schoolborden van theoretisch fysici. De implicaties zijn echter fenomenaal. Het biedt een alternatief kader van de werkelijkheid waarbij alle gebeurtenissen niet op voorhand bepaald kunnen worden. De realiteit gereduceerd tot kansberekening.

Kwantummechanica lijkt soms meer weg te hebben van science fiction dan serieuze wetenschap. Binnen de kwantumwereld zijn fenomenen zoals teleportatie en superpositie doodnormaal. Dat komt omdat de allerkleinste deeltjes van materie wonderbaarlijke eigenschappen hebben waarbij de deeltjes zich voor een meting tegelijkertijd in een combinatie van mogelijkheden kan bevinden. De daadwerkelijke meting dwingt het kwantumsysteem pas om te kiezen tussen één van deze mogelijkheden. Deze onvoorspelbaarheid maakt indeterminisme mogelijk. Omdat een handeling enkel vrij is als ze niet gedetermineerd is, schept indeterminisme de randvoorwaarde voor vrije wil. Kwantum-indeterminisme verandert waarschijnlijkheid in werkelijkheid. Vrije wil is dan geen illusie, maar het dobbelen met vastgelegde mogelijkheden.

De microscopische goocheltrucs van de kwantummechanica zijn echter van oudsher enkel waargenomen onder de strikt gecontroleerde en ijskoude condities (dichtbij het absolute nulpunt van −273°C) van een natuurkundig laboratorium. Hierdoor werd kwantummechanica als oplossing voor het vrije wil debat resoluut van tafel geschoven. Kan niet. Ook al bestaan onze hersenen uit dezelfde deeltjes van de materie, hun omgevingstemperatuur is te hoog is om kwantummechanische verschijnselen te realiseren. De informatieoverdracht tussen hersencellen is en blijft gedetermineerd. Punt! Dat is, tot biologen het eerste bewijs voor kwantummechanica in zeealgen gevonden hebben. Door fotosynthese; het proces waarbij planten zonlicht in energie omzetten, te bestuderen hebben de biologen onder leiding van Prof. Niek van Hulst kwantummechanische eigenschappen van biomoleculen gevonden onder fysiologische omstandigheden. Dat wil zeggen in de subtropische temperaturen waarbij u en ik gedijen: kamertemperatuur, zo’n 20 graden Celsius. Hun baanbrekende resultaten zijn recent (21 Juni 2013) gepubliceerd in het toonaangevende weekblad Science.

Vraag is of de argumentatie van de neurowetenschappers nog wel houdbaar is met de vaststelling dat kwantummechanische processen ook bij hogere temperaturen en met biologisch relevante moleculen tot stand kunnen komen. Het woord is nu aan de heren en dames neurowetenschappers en filosofen. Wordt vast vervolgd!

Schrödingers kat: kwantummechanica in een notendop.
Erwin Schrödinger, de grootvader van de kwantumtheorie en Nobelprijswinnaar in 1933, heeft via het inmiddels alom beroemende en bekritiseerde gedachte-experiment en paradox van Schrödingers kat geprobeerd de essentie van kwantummechanica te vatten.

adapted from en.wikipedia.org/wiki/Schrödinger's_cat

adapted from en.wikipedia.org/wiki/Schrödinger’s_cat

Stop een kat met wat vergif in een gesloten doos. Totdat je de doos opent weet je niet zeker of de kat levend of dood is. De kat is dat moment tegelijkertijd levend en dood. Zodra je de doos echter opent om de macabere meting te bepalen, is de kat ofwel dood of levend. Dit bovengenoemde scenario illustreert hoe contra-intuïtief kwantummechanica werkt: een kat die zowel levend en dood is, afhankelijk van een vroegere willekeurige gebeurtenis (het eten van het gif). Het lijkt een volstrekt absurde notie, maar met experimenten is inmiddels aangetoond dat de kat inderdaad in beide toestanden tegelijk kan verkeren. Mocht u dit toch een wat eigenaardige theorie vinden, u bevindt zich in goed gezelschap. Richard Feynman, één van de grondleggers van de kwantummechanica en Nobelprijswinnaar in 1965 zei ooit “Ik denk dat ik kan gerust zeggen dat niemand kwantummechanica begrijpt”.

Nota bene: dit is de tekst van mijn eerste vrije opdracht wetenschapsjournalistiek die ik volg bij Stichting Cursussen Wetenschapscorrespondentie (http://wetenschapsjournalistiek.nl). Het is bedoeld voor een rubriek opinie & debat.

Copyright © 2013 dwarsliggersschrijven.nl