Determinisme

Niemand weet precies hoe lang geleden het is hè? De oerknal. Eigenlijk is het ook niet te berekenen, want tijdens de oerknal bestond de tijd nog niet. Maar over één ding zijn we het eens: het is heel lang geleden. Héél lang.

Zou het kunnen dat tijdens de oerknal al vastlag dat er, naast tijd en ruimte, ook ooit ergens een aarde zou onstaan? En dat daar dan nòg later mensen rond zouden gaan lopen van wie er één dit blogje zou schrijven? Mijzelf lijkt dat absurd, maar het is een filosofisch idee dat heel veel invloed heeft: het determinisme.

Deterministen stellen dat, als je op een bepaald moment de exacte positie en snelheid van alle deeltjes in het universum kent én de natuurwetten begrijpt, je daarmee de positie en snelheid van die deeltjes op elk later moment precies kunt berekenen. Er is geen speld tussen de wereld van vandaag en morgen te krijgen. Volgens het determinisme is de wereld volledig voorspelbaar; het enige wat ons misschien tegenhoudt, is een gebrek aan kennis, data en rekenkracht.

Het gaat deterministen niet persé om snelheid van deeltjes natuurlijk. Alles om ons heen is immers opgebouwd uit deeltjes en alles wat gebeurt, is het resultaat van botsingen van die deeltjes. Dus als we de deeltjes kennen, kunnen we al het andere waar we ons druk over maken afleiden: de temperatuur in Nederland vandaag, de vorm van mijn huis, de konijnen die hier aan mijn voeten scharrelen, de geur in deze ruimte, mijn gedachten terwijl ik dit schrijf, jouw gedachten terwijl je dit leest. Het lag allemaal allang vast bij oerknal.

Als je dit een absurd idee vindt, heb ik goed nieuws: je hebt al ongeveer een eeuw lang de natuurkunde aan je kant. Er zijn twee takken van de natuurkunde die er vanuit gaan dat de wereld fundamenteel onvoorspelbaar is. De natuurkunde van kleine deeltjes, de quantummechanica en de natuurkunde van complexe systemen, de chaostheorie.

De quantummechanica beschrijft de kleinste bouwstenen van de materie: atomen en de deeltjes waar die weer uit zijn opgebouwd. Deze deeltjes hebben vreemde eigenschappen: ze zijn tegelijk een deeltje en een golf, onze waarneming beïnvloedt ze, en ze kunnen op meerdere plekken tegelijk zijn. Toeval speelt hierbij een grote rol. Quantummechanica is vreemde natuurkunde. Zo vreemd dat er zelfs natuurkundigen zijn die niet willen geloven dat deze ideeën kloppen. En toch tonen experimenten keer op keer aan dat het klopt, inclusief de rol van toeval.

De chaostheorie gaat over systemen die met elkaar verbonden zijn. Dit kan iets eenvoudigs zijn, zoals een paar bewegende staafjes, of iets complexers, zoals alle factoren die een rol spelen in het weer en klimaat. Chaostheorie laat zien dat kleine verstoringen in zulke systemen grote en onvoorspelbare gevolgen kunnen hebben. Er is best discussie mogelijk over de vraag of die onvoorspelbaarheid nu een eigenschap van de natuur is of komt door ons gebrek aan kennis en rekenkracht. Maar hoe je het ook bekijkt: onvoorspelbaarheid blijft, zeker omdat zo’n kleine verstoring zelfs kan ontstaan door het onvoorspelbare gedrag van een quantumdeeltje.

Al met al is er genoeg bewijs dat in, of vlak na, de oerknal nog niet vastlag dat ik vandaag dit blogje zou schrijven. De grote vraag is waarom zoveel mensen -ik noem geen namen, maar er zitten werkelijk briiante geesten tussen- vast blijven houden aan het determinisme. Hangen ze nog steeds aan de natuurkunde van de 19e eeuw? Worden ze onzeker van het idee dat toeval echt bestaat? Of speelt er nog iets anders?

Zoiets weet je natuurlijk niet, maar voor velen heeft dit misschien iets met God te maken. De natuurkunde van de 18e en 19e eeuw was wèl deterministisch en zorgde voor een ‘mechanisering van ons wereldbeeld’. Religie was niet langer de ultieme bron van waarheid; voortaan konden we vertrouwen op de wetenschap. Het hielp daarbij dat die wetenschap leek te suggereren dat de natuur zich volledig wetmatig gedroeg. In zo’n systeem van eeuwige natuurwetten was geen plaats voor goddelijke interventie.

Nu toeval en instabiliteit weer deel uit maken van die natuurkunde is het even slikken. We hebben de absolute zekerheid van een alwetende God vervangen door de absolute zekerheid van eeuwig geldende natuurwetten. Maar als we toeval toelaten, geven we dan niet weer ruimte aan allerlei vormen van spiritisme en religie? Wie bepaalt waar het quantumdeeltje precies is? Wie veroorzaakt die kleine verstoringen in instabiele systemen? Is de volgende stap niet dat we een soort ‘intelligentie’ in onze theorieën gaan opnemen, die via toeval invloed uitoefent op wat er in de wereld gebeurt?

Het antwoord is volgens mij nee. Toeval is in de natuurkunde net zo’n fundamenteel begrip als kracht of deeltje of veld. Het is kiezen of delen. Of je accepteert dat dingen in de natuur soms spontaan gebeuren, zonder dat daar iets of iemand achter zit. Of je blijft het idee koesteren dat het allemaal, in minitueus detail al vastlag, nog voordat de tijd bestond. Als dit de keuze is, vind ik het nog niet zo gek om in toeval te geloven.

Meer lezen?
Ik schreef over de rol van toeval in de quantummechanica in EPR. Over complexiteit schreef ik ook eerder, hoewel ik daar de chaostheorie niet bespreek. Determisme speelt een grote, soms onzichtbare rol, in de discussie over de vrije wil waar ik al eens over sprak

2 reacties Een reactie plaatsen

In opdracht van de tijd

In 1917 brak in Rusland een zeer gewelddadige en langdurige revolutie uit. Geïnspireerd door het boek “Das Kapital” van Karl Marx, greep de Bolsjewistische partij van Vladimir Lenin de macht. Het zou het begin worden van meer dan een halve eeuw communisme.

“In opdracht van de tijd”, zo zagen Lenin en de zijne hun revolutionaire werk. Karl Marx had in “Das Kapital” de mechanismen van het kapitalisme blootgelegd en vastgesteld dat het systeem zich onvermijdelijk ten gronde zou richten, hetgeen weer zou ontaarden in een revolutie waarin de werkende klasse de macht greep. De “opdracht” die “de tijd” aan Lenin gegeven had, was het in gang zetten van deze onvermijdelijke revolutie. Met de kennis van nu lijkt het misschien een wat merkwaardige rechtvaardiging voor een revolutie: de geschiedenis die er toch wel aan komt te willen bespoedigen. Maar Lenin was intellectueel gezien de minste niet. In de visie van Karl Marx zouden die laatste jaren van het kapitalisme met veel onderdrukking gepaard gaan. Het was dus niet onredelijk om er maar alvast mee te beginnen.

Vooruit: er is wel van alles mis met die redenering, maar ze is zeker niet uitgestorven. We gebruiken nog elke dag volop argumenten van deze vorm. Hoog tijd voor een nadere beschouwing dus.

Het probleem met het argument van Lenin is dat er een volledig verschillend wereldbeeld schuilt achter de twee verschillende poten waar het op rust. De theorie van Marx, waar Lenin zich op baseerde is deterministisch van karakter. In een deterministisch wereldbeeld is de toekomst volledig voorspelbaar, zolang je maar weet hoe die er nu uit ziet en wat de mechanismen zijn waarlangs deze zich ontwikkeld. Volgens Marx kon het niet anders gaan dan dat het kapitalisme zichzelf ten gronde zou richten, dat zat in het systeem ingebakken. In een deterministisch wereldbeeld spelen menselijke acties een minimale rol. Ook die zijn ingegeven door de grotere krachten in het universum en dus geen ‘vrije’ keuzes van een individu of van een groep. Dat Lenin een determinist was is overigens niet vreemd: in die tijd was bijna iedereen een determinist.

De tweede poot van het argument rust juist op een wereldbeeld waar menselijke acties er alles toe doen. Laten we dit het constructivistische wereldbeeld noemen. Volgens constructivisten is de toekomst is het gevolg van menselijke keuzes. De Bolsjewieken waren in zoverre constructivisten dat ze geloofden dat door hun acties de revolutie versneld zou kunnen worden. Daarmee haalden ze natuurlijk wel de deterministische poot onderuit. Het is kiezen of delen: menselijk handelen doet er toe of het doet er juist niet toe. Als menselijk handelen de revolutie kan versnellen, is de revolutie dus ook niet onvermijdelijk. Er zijn verschillende manieren om het argument van Lenin te redden, maar in de kern is het kreupel.

En het is een type argument dat nog elke dag gebruikt wordt. Mogelijk ook door jou. Veel mensen gebruiken het bijvoorbeeld in verband met technologie. In de jaren 70 van de twintigste eeuw bracht Jacques Ellul de visie naar voren dat technologie deterministisch is. Technologie zou volgens Ellul zijn eigen ontwikkelingspad uitstippelen en zich niet door mensen laten sturen. Volgens Ellul was het de technologie die onze denkbeelden bepaalde en de economische krachten om zich heen vormde, niet andersom. Dit zogenaamde technologisch determinisme is niet meer in de mode, maar in het alledaagse leven is het niet zo’n gekke visie. Wij, gewone consumenten uit Nederland, hebben immers niet veel invloed op alle nieuwe gadgets die uit Silicon Valley komen stromen. Ten opzichte van de technologische ontwikkelingen lijken we machteloos te staan. Mijn moeder liet zich vaak ontvallen dat ‘de vooruitgang’ nu eenmaal niet te stoppen was.

En omdat de ontwikkelingen niet te stoppen zijn ondernemen we actie. Een collega van me is druk bezig te verkennen hoe iPads in het onderwijs in te passen zijn. Niet omdat hij daarin gelooft. Hij vindt de inpassing van die apparaten vaak eerder een verarming van het onderwijs dan een verrijking. Maar zijn school is voorhoedeschool. iPads ‘zijn de toekomst’ – als ze daar niet in meegaan haalt de tijd ze in en doen ze hun leerlingen tekort. Een ander voorbeeld is streaming muziek. Veel mensen stappen er op over, niet omdat ze CD’s slecht vinden, maar omdat het de toekomst is. Oven een paar jaar zijn CD’s toch niet meer te krijgen; en trouwens, de jeugd luistert alles al online. De crux is natuurlijk dat we met deze redenering de toekomst die we alleen maar denken te voorspellen ook helpen te veroorzaken. Ongeveer zoals Lenin de revolutie die hij voorspelde zelf in gang zette. Het is wat door psychologen een selffulfilling prophecy genoemd wordt.

Trends, technologisch of niet, zijn namelijk niet autonoom. Trends sturen zichzelf niet, ze worden door ons gestuurd. Trends zijn het gevolg van de keuzes die we collectief maken. Trends geven een indicatie van gemiddelde veranderingen in menselijk gedrag weer, meer niet. Het is pas als wij ze als onvermijdelijke ontwikkelingen gaan zien dat ze dat ook worden. iPads zijn alleen maar de toekomst omdat wij ze in ons onderwijs in proberen te passen. CD’s zijn niet meer te koop omdat we gaan streamen. Lenin startte de revolutie misschien omdat hij er toch aan zat te komen, maar kwam er toch vooral omdat Lenin hem startte. We zijn, kortom, vaak precies zo afhankelijk van ontwikkelingen en trends als dat we zelf willen.

Of het nu een manke rechtvaardiging is of niet, ook vandaag de dag doen we nog erg veel dingen “in opdracht van de tijd”. Daarmee maken we onszelf afhankelijk van onze eigen voorspellingen (of waanbeelden) over de toekomst. Als we een rechtvaardiging zoeken om aan iets nieuws te beginnen is de vraag dus niet of ‘het er aan zit te komen’. De vraag is of we het willen. Als dat zo is moeten we zeker mee in de ontwikkeling en als dat niet zo is zeker niet. Niemand kan het tij in zijn eentje keren, maar samen kunnen we dat wel en hoe minder serieus we voorspellingen over de toekomst nemen hoe sterker we staan.

En ja, Lenin wilde revolutie. Hij dacht niet alleen dat de revolutie onvermijdelijk was, hij dacht ook dat er een heilstaat op zou volgen. Wat dat betreft haalde de tijd hem in.

Meer lezen?

Dit is mijn eerste blogje over het kennen van de toekomst. Ik wel schreef al eerder over determinisme in EPR. In waarheidsinjecties schreef ik al over, en brak een lans voor idealisme. In waardendragers over menselijke gevoeligheid voor autoriteiten.

11 reacties Een reactie plaatsen

EPR

In mijn blogje over gedachtenexperimenten haalde ik het Einstein – Podolsky – Rosen (ofwel het EPR) experiment al even aan. Ik beloofde toen dat ik er nog eens een apart blogje over zou schrijven. Nu het EPR experiment in Delft opnieuw in het echt is uitgevoerd en opnieuw Einsteins ongelijk aantoont kom ik daar natuurlijk niet meer onder uit. Opnieuw, inderdaad, want het experiment was al eens uitgevoerd, maar daar kom ik zo op terug. Eerst maar even de kwestie zelf. Om te kunnen snappen waarom het EPR experiment zo tot de verbeelding spreekt is het misschien nodig iets van de geschiedenis van de moderne natuurkunde te weten.

Het EPR experiment draait om de rol van toeval in de quantummechanica. Die quantummechanica is de natuurkunige theorie die het gedrag van kleine deeltjes (atomen en nog veel kleiner) beschrijft. De theorie is altijd onderwerp geweest van hevige discussie vanwege haar vreemdheid. Op het niveau van de kleinste deeltjes gebeuren dingen die je in het alledaagse leven weinig tegen komt. Zo blijkt dat de warmte in een warm voorwerp alleen vrij kan komen in de vorm van kleine energie brokjes, die een minimum grootte hebben. De manier waarop warmte uit een voorwerp komt is dus eerder te vergelijken met een emmer knikkers, waar je er één voor één een uit kan halen, dan met een emmer water waar je ook hele minuscule druppeltjes uit kan halen. Eigenlijk kun je zeggen dat de natuur digitaal is en niet analoog. Of zoals natuurkundigen het zien: energie blijkt gekwantiseerd te zijn; daaraan dankt de quantummechanica zijn naam. Dit idee is voor het eerst geopperd door Max Planck in 1900.

Misschien vind je het idee van gekwantiseerde engerige geen opzienbarende ontdekking, maar Planck vond het idee van kwanta zo raar, dat hij er zelf eerst niet echt in geloofde. De enige reden dat hij het opperde was dat de straling die van een warm voorwerp af komt op deze manier goed te beschrijven is. Albert Einstein gaf de quantumtheorie vervolgens een flinke impuls toen hij in 1905 liet zien dat ook het foto-elektrisch effect, het ontstaan van elektriciteit als licht op een metalen plaat valt, goed te verklaren is door de aanname van gekwantiseerde energie. Nu waren er dus twee verschijnselen waar het idee van kwanta voor werkte en two makes a crowd. Voor deze ontdekking kreeg Einstein later de Nobelprijs. Wat volgde in de natuurkunde, waren een aantal duizelingwekkende jaren. Na het idee van energiepakketjes volgde namelijk nog een reeks natuurkundige theorieën die elkaar in vreemdheid naar de kroon staken, maar waarmee wel vaak de uitkomsten van experimenten verklaard en voorspeld konden worden. Einstein zelf was niet onverdeeld positief over deze nieuwe natuurkunde. Hoewel hij er eigenlijk zo’n beetje het startschot voor gegeven had en hoewel hij met zijn relativiteitstheorie toch had laten zien niet wars te zijn van vreemde ideeën over de natuur, zat één aspect van de quantummechanica hem erg dwars. Dit was de rol die toeval toebedeeld kreeg.

Einstein was namelijk een determinist. Hij geloofde, dat als je vandaag een oneindig precieze meting zou doen van het universum en je zou perfecte natuurkunde hebben, dat het universum van morgen precies te voorspellen moest zijn. De quantummechanica sprak dit idee tegen. Één probleem was het onzekerheidsprincipe van Werner Heisenberg. Dit principe was een van die nieuwe natuurkundige theorieën. Heisenberg stelde dat je nooit tegelijk de snelheid en de plaats van een deeltje precies kon vaststellen. Volgens Heisenberg kon je de eigenschap van een deeltje alleen te weten komen door het te beïnvloeden. Als je de snelheid van een deeltje probeerde te meten beïnvloedde je de plaats en andersom. Met dit onzekerheidsprincipe stak hij een spaak in het deterministische wiel. Hij stelde namelijk dat het heelal onmeetbaar was. Je kun nooit precies weten hoe snel alle deeltjes gingen, tenminste niet als je ook wist waar die deeltjes waren. Het heelal voorspellen zat er dan ook niet in en teletransportatie trouwens ook niet. Toen de schrijvers van Star Trek kritiek kregen op hun verhalen over teletransportatie, omdat dit volgens het principe van Heisenberg onmogelijk was, bedachten ze snel een apparaat dat de Heisenberg compensator genoemd werd. Zo werd de serie gered van de werkelijkheid.

Nu is stellen dat de toestand van het heelal niet precies meetbaar is, nog iets anders dan stellen dat de natuur zich in het geheel niet voorspelbaar gedraagt. Heisenberg beweerde ook niet dat de natuur niet deterministisch is, maar anderen deden dat al heel snel wel. Onzekerheid, zo stelden zij, zit in de natuur ingebakken. Zelfs met een precieze meeting van het heelal, perfecte natuurkunde en eventueel een Heisenberg compensator, zou je volgens hen nog niet kunnen weten hoe het heelal er morgen uit ziet. Dat hangt helemaal van het toeval af. Hun kernidee was het idee van superpositie. Een deeltje dat in superpositie is, is in meerdere toestanden tegelijk. Electronen hebben bijvoorbeeld spin, ze kunnen bij wijze van spreken ¹ rechtsom en linksom draaien. Het idee van superpositie stelt dat elektronen tegelijk linksom en rechtsom kunnen draaien. Pas als we de spin gaan meten ‘kiezen’ de elektronen een kant. Dit is een absurd idee en dat vond Einstein ook. Maar dat elektronen blijkbaar twee kanten tegelijk op kunnen draaien, was helemaal niet wat hem het meest dwars zat. Wat Einstein niet beviel was een gevolgtrekking uit deze theorie: als deeltjes in meerdere toestanden tegelijk kunnen zijn totdat ze gemeten worden, dan is de natuur niet deterministisch meer. Zij wordt fundamenteel onvoorspelbaar. Dat vond Einstein maar niets: “God dobbelt niet”, zei hij.

En dus ging Albert Einstein met Boris Podolsky en Nathan Rosen zitten om een gedachtenexperiment te verzinnen waardoor je meteen kon zien dat het idee van superpositie gewoonweg niet waar kon zijn. Om het ongelijk van aanhangers van superpositie aan te tonen gebruikten Einstein, Podolsky en Rosen het idee van tweelingdeeltjes. De toestanden van die deeltjes zijn gekoppeld. We kunnen dus twee deeltjes hebben waarvan we niet weten in welke toestand ze zijn (volgens het superpositieprincipe), maar waarvan we wel weten dat ze een tegengestelde spin hebben. Stel je een tweelingdeeltje voor zeiden de EPR auteurs, waarvan de afzonderlijke deeltjes heel ver, misschien wel een lichtjaar uit elkaar zijn gedreven. Vervolgens meten de we de spin van één deeltje. Dat springt volgens het superpositieprinciepe pas door die meting in een bepaalde spin. Het andere deeltje moet dat dan ook doen: maar… hoe ‘weet’ het ene deeltje dat een ander deeltje een lichtjaar verderop gemeten wordt?. Volgens Einstein kan er niets sneller bewegen dan het licht, dus even een boodschap over zenden kan niet. Er moet een magische werking op afstand zijn òf het superpositieprincipe klopt niet.

In het EPR experiment staat dus met het superpositieprinciepe de vraag of de natuur deterministisch is op het spel. Dat is nogal wat. Toegegeven: het EPR experiment is niet het makkelijkst te begrijpen gedachtenexperiment dat ooit bedacht is, maar als gedachtenexperiment is het vrij overtuigend. Het superpositieprincipe zelf is al niet erg intuïtief, maar als er ook nog magische werking op afstand bij komt kijken, dan kan het toch bijna niet waar zijn. Exit toeval in de kwantummechanica. Toch? Nee dus. De man die Einstein in het ongelijk stelde heette Alain Aspect. Hij voerde in de jaren 80 van de vorige eeuw een experiment uit in de kelders van zijn laboratorium in Parijs waarmee door metingen aan deeltjes vastgesteld kon worden of de werking op afstand die in het EPR gedachtenexperiment zo een belangrijke rol speelt, bestaat. En zijn antwoord was ja. Deze deeltjes blijken te reageren zoals het superpositieprincipe voorspelt. Einstein had ongelijk en de natuur was ondeterministisch.

Hoe spectaculair het experiment van Alain Aspect ook was, het probleem met echte experimenten is dat de uitkomst ook bepaald kan zijn door de experimentele opstelling. Werden de metingen in Aspects experiment wel snel genoeg uitgevoerd? En zaten er geen andere fouten in de opstelling? Het experiment dat de Delfste wetenschappers eind Oktober gedaan hebben zou waterdicht moeten zijn. Alle mogelijke fouten in het experiment van Aspect, zijn geadresseerd. Er is ongelofelijk precieze apparatuur gebruikt. De opstelling gebruikt daarnaast glasvezels die over de hele campus liggen en is daarmee kilometers groot. Met al deze verbeteringen toonde het definitief Einsteins ongelijk aan. Nou ja definitief… ook het Delftse experiment zal wel weer ten prooi vallen aan allerlei kritiek op de details van de opstelling. Want dat is natuurlijk het probleem met echte experimenten: dat er foutjes in kunnen sluipen.

En dat soort foutjes geven weer ruimte om de controverse nog een tijdje te laten bestaan. Tot een nog groter en nog duurder experiment Einsteins ongelijk opnieuw aantoont of tot dat er een theorie bedacht wordt die ook de metingen verklaart, maar die intuïtiever is. Ik zou zelf inzetten op het laatste denk ik. Maar tot een dergelijke theorie gevonden is, is de wereld nog even ondeterministisch. Is dat erg? Ach, misschien is het ook alleen maar erg voor theoretisch natuurkundigen.

Meer Lezen?

Er is rondom het Delftse experiment natuurlijk veel pers geweest, waarvan ik het beeldverhaal over het experiment, dat de Volkskrant publiceerde het meest leeswaardig vond.

Ik schreef zelf al eerder een blogje over gedachtenexperimenten in het algemeen. En over het nut van echte experimenten in de blogjes “waardendragers” en “eksters”. Ook het blogje lableven over Bruno Latour’s studie naar de gang van zaken in een biomedisch laboratorium is gerelateerd aan dit blogje.

[1] Dit is echt ‘bij wijze van spreken’. Electronen kun je niet ‘zien’, ze zien er niet uit als balletjes en ze draaien waarschijnlijk al helemaal niet. Spin is een van de eigenschappen van electronen, maar het is een heel theoretisch/wiskundig concept.

5 reacties Een reactie plaatsen