What is Physics For? Why Classical Physics is not the Limit of Quantum Mechanics

Al meer dan een eeuw is de meest succesvolle theorie in de geschiedenis van de wetenschap de kwantummechanica. Het is de verzameling regels die het gedrag van de kleinste dingen in het universum beheerst, van atomen tot het licht dat zij uitzenden. Het voorspelt experimentele resultaten met een dergelijke precisie dat het vaak wordt omschreven als de meest nauwkeurige theorie ooit gecreëerd. Toch kunnen wetenschappers het, ondanks dit triomf, nog steeds niet eens worden over wat de theorie eigenlijk betekent. De wiskunde werkt perfect, maar het verhaal dat het vertelt over de werkelijkheid blijft een onderwerp van hevige discussie. In het hart van deze verwarring ligt een eenvoudige vraag: hoe verbindt de vreemde, vage wereld van het zeer kleine zich met de solide, voorspelbare wereld die we om ons heen zien? Het standaardantwoord is lang geweest dat onze alledaagse wereld simpelweg een speciaal geval is van de kwantumwereld, een versie die verschijnt wanneer dingen groot genoeg worden. Dit idee suggereert dat de klassieke fysica, de wetenschap van alledaagse objecten, slechts een limiet is van de kwantummechanica, vergelijkbaar met hoe een platte kaart een vereenvoudigde versie is van een ronde aardbol.

Een nieuw artikel daagt deze comfortabele aanname uit. Een team van natuurkundigen en filosofen betoogt dat de diepe puzzels waar we voor staan in de kwantummechanica niet door de theorie zelf zijn gecreëerd. In plaats daarvan suggereren zij dat deze puzzels al die tijd verborgen lagen in de klassieke fysica. De auteurs stellen voor dat de moeilijkheid in het begrijpen van de kwantummechanica niet voortkomt uit het feit dat zij de regels van de oude wereld breekt, maar omdat zij ons dwingt de aannames onder ogen te zien die we over de oude wereld maakten zonder dat we ons daarvan bewust waren. Zij betogen dat het idee van een volledig gescheiden, objectieve realiteit die bestaat onafhankelijk van wie er ook naar kijkt, een filosofische keuze is en geen wetenschappelijk feit. Door de geschiedenis van de natuurkunde en de aard van meting te onderzoeken, laten de onderzoekers zien dat de kloof tussen de waarnemer en het waargenomene altijd een blinde vlek was, en dat de kwantummechanica die blinde vlek simpelweg onmogelijk maakte om te negeren.

Het artikel begint met te kijken naar hoe wetenschappers gewoonlijk denken over de relatie tussen verschillende theorieën. In veel gebieden van de natuurkunde bevat een nieuwere, complexere theorie een oudere als een speciaal geval. Zo bevat de relativiteitstheorie, die gaat over zeer hoge snelheden, de oudere wetten van beweging als een limiet voor lage snelheden. Het is natuurlijk om aan te nemen dat hetzelfde geldt voor de kwantummechanica: dat de klassieke wereld van vaste objecten slechts is wat er gebeurt wanneer kwantumeffecten te klein worden om op te merken. De auteurs erkennen dat dit standpunt in veel praktische situaties nuttig is. Echter, zij wijzen erop dat, in tegen tegenstelling tot andere voorbeelden, er geen enkele, universele manier is om de kwantummechanica in de klassieke fysica te transformeren. Belangrijker nog, zij betogen dat het probleem niet alleen wiskundig is; het gaat over hoe we de interpretatie van wat de theorieën ons over de werkelijkheid vertellen, begrijpen.

In de klassieke fysica is het altijd gemakkelijk geweest om zich de wereld voor te stellen zoals zij is. We gaan ervan uit dat een rots een specifieke positie en snelheid heeft, of we er nu naar kijken of niet. We gaan ervan uit dat de waarnemer gescheiden is van het object dat wordt waargenomen, zoals een persoon die naar een passerende auto kijdt. Het artikel betoogt dat deze scheiding een illusie is. De auteurs herleiden dit idee naar de 18e-eeuwse filosoof Immanuel Kant, die erop wees dat we de wereld nooit precies kunnen kennen zoals zij op zichzelf is, onafhankelijk van onze geest. We kennen de wereld alleen zoals zij aan ons verschijnt via onze zintuigen en onze methoden van onderzoek. In de klassieke fysica werd dit filosofische probleem grotendeels genegeerd omdat de technologie van die tijd wetenschappers in staat stelde om te doen alsoverlijk dat hun metingen de objecten die zij bestudeerden niet verstoorden. Ze konden doen alsof ze de wereld zagen vanuit een "standpunt van nergens", een perfect, objectief perspectief dat aan niemand in het bijzonder toebehoorde.

De kwantummechanica verbrijzelde deze illusie. In de kwantumwereld verandert de handeling van het meten iets. Je kunt de positie van een deeltje niet meten zonder de snelheid te beïnvloeden, en je kunt een systeem niet observeren zonder ermee te interageren. Het artikel benadrukt dat dit geen technische fout of een beperking van onze instrumenten is; het is een fundamenteel kenmerk van de natuur. De onderzoekers betogen dat dit niet betekent dat de kwantumwereld magisch is of dat de klassieke fysica onjuist is. In plaats daarvan betekent het dat het klassieke idee van een realiteit die volledig los van ons bestaat, nooit zo solide was als we dachten. De "blinde vlek" van objectiviteit was er altijd al; we zagen hem alleen niet totdat de kwantumwereld ons dwong ernaar te kijken.

De auteurs verkennen twee hoofdzaken om dit standpunt te ondersteunen. De eerste is de splitsing tussen het subject (de waarnemer) en het object (het ding dat wordt waargenomen). In de klassieke fysica gaan we ervan uit dat een object met eigen eigenschappen bestaat voordat we het meten. In de kwantumfysica hebben de eigenschappen van een systeem vaak geen definitieve staat totdat een meting wordt verricht. Het artikel suggereert dat dit geen nieuwe ontdekking is, maar een verheldering van een oude waarheid. Zelfs in de klassieke fysica zijn de eigenschappen die we meten het resultaat van de interactie tussen het object en de waarnemer. We dachten vroeger alleen dat we de bijdrage van de waarnemer konden aftrekken om het "zuivere" object te verkrijgen. De kwantummechanica laat ons zien dat dat niet kan. De waarnemer is onderdeel van het systeem, en de realiteit die we beschrijven, wordt mede gecreëerd door de interactie.

Het tweede idee heeft betrekking op hoe we de wereld representeren. We denken vaak dat wetenschappelijke modellen afbeeldingen of kaarten zijn die de werkelijkheid spiegelen. We stellen ons voor dat een theorie een getrouwe kopie van de wereld is, zoals een foto. Het artikel betoogt dat dit een misverstand is. Wetenschappelijke modellen zijn geen spiegels; het zijn instrumenten. Ze zijn ontworpen om ons te helpen voorspellingen te doen en de wereld te navigeren, niet om een perfecte snapshot te bieden van de werkelijkheid zoals die in isolatie bestaat. De auteurs wijzen erop dat zelfs in de klassieke fysica de wiskundige instrumenten die we gebruiken abstract zijn en niet lijken op de dingen die ze beschrijven. Bijvoorbeeld, de manier waarop we de beweging van een planeet beschrijven met complexe wiskundige ruimtes, betekent niet dat de planeet daadwerkelijk door die onzichtbare ruimtes beweegt. Het model is een manier om onze ervaring te organiseren, niet een direct venster naar een verborgen realiteit.

Om te illustreren hoe deze verschuiving in het denken werkt, kijkt het artikel naar twee specifieke interpretaties van de kwantummechanica die deze ideeën omarmen. De ene is het werk van Fritz London en Edmond Bauer uit 1939, die een tak van de filosofie genaamd fenomenologie gebruikten om te betogen dat de waarnemer en het waargenomene onscheidbaar zijn. Zij suggereerden dat het kwantumformalisme reeds een theorie bevat over hoe wij ons tot de wereld verhouden, een theorie die het idee van een losgekoppelde, objectieve realiteit verwerpt. Het andere voorbeeld is een moderne interpretatie genaamd QBism. Dit standpunt behandelt de kwantummechanica niet als een beschrijving van een externe wereld, maar als een instrument voor een actor om de verwachtingen te beheren over wat hij zal ervaren. In dit licht is de "realiteit" van een kwantumtoestand niet iets dat daar buiten wacht om gevonden te worden; het is een gids voor actie, specifiek voor de persoon die het gebruikt. Beider benaderingen verwerpen het idee dat de klassieke fysica slechts een limiet is van de kwantummechanica in de traditionele zin. In plaats daarvan suggereren zij dat de kwantummechanica ons uitnodigt om ons begrip van wat de klassieke fysica altijd probeerde te zeggen, te herzien.

Het artikel trekt ook een parallel met het vakgebied van de metrologie, de wetenschap van het meten. Lange tijd geloofden metrologen dat elke meting een poging was om een enkele, verborgen "ware waarde" te vinden die onafhankelijk van het meetproces bestond. Ze dachten dat als ze de fouten maar genoeg konden reduceren, ze deze perfecte waarde zouden vinden. In de afgelopen decennia is dit standpunt echter veranderd. De moderne metrologie beschouwt meetresultaten nu als waarschijnlijkheidsverdelingen die onze beste kennis reflecteren op basis van de beschikbare informatie. De "ware waarde" wordt niet langer gezien als een verborgen schat die opgegraven moet worden, maar als een concept dat ons helpt onze gegevens te organiseren. De auteurs betogen dat deze verschuiving in de metrologie plaatsvond zonder enige hulp van de kwantummechanica, wat bewijst dat de filosofische problemen van objectiviteit en representatie al aanwezig waren in de klassieke wetenschap. De kwantummechanica bracht deze kwesties simpelweg naar de oppervlakte.

Uiteindelijk concludeert het artikel dat de spanning tussen de klassieke en de kwantumfysica geen teken is dat de kwantumwereld defect is of dat de klassieke fysica verouderd is. Het is een teken dat onze filosofische aannames over hoe wetenschap werkt, geüpdatet moeten worden. De auteurs betogen dat we moeten stoppen met proberen de kwantummechanica in het oude hokje van een losgekoppelde, objectieve realiteit te dwingen. In plaats daarvan moeten we accepteren dat onze kennis van de wereld altijd een partnerschap is tussen de waarnemer en het waargenomene. Dit betekent niet dat de wetenschap subjectief is of dat de realiteit verzonnen is. Het betekent dat de realiteit die we kunnen kennen, de realiteit is die voortkomt uit onze interactie met de wereld. Door het idee van een "standpunt van nergens" los te laten, kunnen we zien dat de kwantummechanica niet breekt met de klassieke fysica; zij onthult de verborgen diepten van de klassieke wereld die er altijd al waren, wachtend om begrepen te worden.

De implicaties van dit standpunt reiken verder dan het laboratorium. Het artikel suggereert dat het vasthouden aan het idee van een losgekoppelde, objectieve realiteit kan leiden tot een disconnect tussen de wetenschappelijke wereld en de menselijke ervaring. Wanneer we onze wetenschappelijke modellen behandelen als perfecte spiegels van een realiteit die los van ons bestaat, riskeren we te vergeten dat deze modellen door mensen zijn gebouwd voor menselijke doeleinden. We riskeren een wereld van abstracte vergelijkingen te creëren die vreemd en irrelevant aanvoelt voor het leven dat we daadwerkelijk leiden. Door te erkennen dat onze kennis altijd gesitueerd is en dat de waarnemer deel uitmaakt van het verhaal, kunnen we de kloof tussen de wereld van de wetenschap en de wereld van de menselijke ervaring overbruggen. Het artikel biedt geen nieuwe natuurkundige theorie of een nieuwe reeks vergelijkingen. In plaats daarvan biedt het een nieuwe manier van denken over de theorieën die we al hebben. Het suggereert dat het mysterie van de kwantummechanica niet een puzzel is die opgelost moet worden door een verborgen mechanisme te vinden, maar een oproep om de fundamenten van hoe we de werkelijkheid begrijpen, opnieuw te onderzoeken.