Niet alleen maar licht: Alles is golven, zelfs jij.

Het begrip “golf-deeltje dualiteit” is vooral van toepassing op licht. Maar het geldt ook voor alle materie – inclusief jij zelf. Marcelo Gleiser vat het volgende betoog (namens BigThink van 15 december 2022) mooi samen in drie kernpunten:

Kernpunten

• De Kwantumfysica heeft ons begrip van materie volledig herschreven.
• Al in de jaren 1920 werd de golf-deeltje dualiteit van licht uitgebreid tot alle materiële voorwerpen, van elektronen tot jouw lijf.
• Met geavanceerde experimenten wordt nu onderzocht hoe ook grote biologische moleculen zich zowel als deeltje als ook als golf kunnen gedragen.

In 1905 stelde de toen 26-jarige Albert Einstein iets heel geks voor: dat licht zowel een golf als een deeltje zou kunnen zijn. Dit idee is net zo vreemd als het klinkt. Hoe kan iets twee dingen zijn die zo verschillend zijn? Een deeltje is klein en beperkt tot een kleine ruimte, terwijl een golf iets is dat zich uitspreidt. Deeltjes raken elkaar en verplaatsen zich. Golven breken en breiden zich uit in velden. Zo versterken zij elkaar of heffen elkaar op in zogenaamde superposities. Dit zijn totaal verschillende eigenschappen.

Verstopt in het taalgebruik van de onderzoeker

Het probleem met deze golf-deeltje dualiteit is dat we met onze taal moeite hebben om beide schijnbaar tegenstrijdige gedragingen van hetzelfde object te vatten. Taal is immers opgebouwd uit onze ervaringen en emoties, uit de dingen die we zien en voelen. Fotonen bijvoorbeeld zien en voelen we niet rechtstreeks. We kunnen hun aard alleen onderzoeken met experimentele opstellingen, waarbij we informatie verzamelen via monitors, tellers, camera’s en dergelijke.

Het ‘tweeslachtige’ gedrag van de fotonen blijkt als reactie op de opzet van het experiment. Als licht door smalle spleten gaat, zal het zich als golf voortplanten. Als het foton botst met elektronen, zal het afbuigen als een deeltje. In zekere zin is het dus de opzet van ons experiment – dus de vraag die de onderzoeker formuleert – die de natuurkundige aard van het licht bepaalt. Zo kun je fotonen meten met een camera (dan beschouw je het als lichtgolven) en je kunt ze benaderen als deeltjes (en dan meet je hun gedrag met een fotonenteller). Dit verschijnsel introduceert een nieuw element in de natuurkunde: de interactie tussen de waarnemer en het waargenomene. In extreme zin zou je kunnen zeggen dat de intentie van de onderzoeker de fysieke aard van het waargenomene bepaalt. Meer filosofisch gezegd: dat de geest de fysieke werkelijkheid bepaalt. Dat lijkt eigenlijk te gek voor woorden, maar wat we wel met zekerheid kunnen zeggen is dat licht reageert op de vraag die wij stellen, op de manier waarop we het onderzoek opzetten. Eigenlijk is licht zowel golf als deeltje, en geen van beide.

Dit brengt ons bij het atoommodel van Bohr. Zijn model van het atoom plaatst elektronen in specifieke banen om de atoomkern. Het elektron kan zich slechts in één van deze banen bevinden, alsof het op een treinspoor is gezet. Het kan van de ene naar de andere baan springen, maar het kan er niet tussenin zitten. Hoe werkt dat precies? Voor Bohr was dat een open vraag. Het antwoord daarop kwam voort uit een opmerkelijk staaltje intuïtie van een natuurkundige. Dit intuïtieve inzicht leidde tot een revolutie in onze kijk op de wereld.

Het golfkarakter van een honkbal

In 1924 toonde Louis de Broglie, een Frans historicus die natuurkundige werd, op spectaculaire wijze aan dat de stapvormige banen van het elektron, rond de kern in het atoommodel van Bohr, gemakkelijk te begrijpen zijn als we elektronen voorstellen als staande golven in een cirkel rondom die kern. Dit zijn golven zoals we die zien als we met een touw schudden dat aan het andere uiteinde vastzit, maar dan in een ronde boog. In het geval van het touw ontstaat het staande-golfpatroon door de interferentie tussen golven die langs het touw gaan en terugkomen. In het geval van het elektron verschijnen de staande golven om dezelfde reden, maar nu sluit de elektronengolf zich in zichzelf als een ouroboros, de mythische slang die zijn eigen staart inslikt. Als we sterker met het touw schudden, vertoont het patroon van de staande golven meer pieken. Een elektron in hogere banen komt overeen met een staande golf met meer pieken.

Met de enthousiaste steun van Einstein breidde de Broglie het begrip golf-deeltje dualiteit moedig uit van licht (fotonen) naar de veel grotere elektronen en, ter verdere uitbreiding, naar elk bewegend materieel object. Niet alleen licht, maar alle soorten materie werden geassocieerd met golven.

De Broglie ontwikkelde zo een formule die bekend staat als De Broglie-golflengte om de golflengte te berekenen van elke substantie met massa m die beweegt met snelheid v. Hij koppelde golflengte λ aan m en v – en dus aan momentum p = mv – volgens de relatie λ = h/p, waarbij h de constante van Planck is. De formule kan worden verfijnd voor voorwerpen die zich dicht bij de lichtsnelheid bewegen.

Zo heeft een honkbal die met 70 km per uur beweegt een bijbehorende de Broglie-golflengte van ongeveer 22 miljardste van een triljoenste van een triljoenste van een centimeter (of 2,2 x 10^-32 cm). Het is duidelijk dat daar niet veel golft en we kunnen ons de honkbal terecht voorstellen als een vast voorwerp. Een elektron dat met een tiende van de lichtsnelheid beweegt, heeft daarentegen een golflengte die ongeveer half zo groot is als die van een waterstofatoom (meer precies, half zo groot als de meest waarschijnlijke afstand tussen een atoomkern en een elektron in zijn laagste energietoestand). Terwijl het golfkarakter van een bewegende honkbal irrelevant is om zijn gedrag te begrijpen, is het golfkarakter van het elektron essentieel om zijn gedrag in atomen te begrijpen. Het cruciale punt is echter dat alles golft. Een elektron, een honkbal en jij.

Quantum biologie

De Broglie’s opmerkelijke idee is bevestigd in talloze experimenten. In natuurkundelessen op de universiteit laten we zien hoe elektronen door een kristal breken in de vorm van golven, waarbij superposities donkere en lichte plekken op het scherm veroorzaken. Anton Zeilinger, die dit jaar de Nobelprijs voor natuurkunde kreeg, heeft ervoor gepleit dat deze verschijnselen ook zouden gelden voor steeds grotere objecten, tot en met biologische macromoleculen.

De vraag wordt nu hoe het leven zich op kwantumniveau gedraagt. Kwantumbiologie wordt het nieuwe speerpunt, waarbij de golf-deeltje dualiteit een sleutelrol speelt in het gedrag van levende wezens. Zal de kwantumfysica ons iets meer kunnen vertellen over de aard van het leven?