DE ONZICHTBARE HAND

Sommige geleerden doen grandioze experimenten met deeltjesversnellers of kunstmanen en honderden medewerkers. Hun ontdekkingen prijken in kapitalen op de voorpagina. Andere onderzoekers ontdekken in hun eentje, door heel goed naar de details te kijken, een wereld in een atoom en een straaltje licht. Ook zij verdienen net als Koos van Zomeren een plaatsje links onderaan op de voorpagina. Zij kunnen met licht een atoom afremmen en stilzetten zodat het met het blote oog te zien is. Zij kunnen van het atoom een knipperlicht maken dat op willekeurige tijden aan- en uitgaat. Ogenschijnlijk is dat niet erg opzienbarend, toch had professor Gerard Nienhuis dit gekozen voor zijn eerste college aan de Rijksuniversiteit Leiden. Hij wist zijn gehoor een uur lang te boeien, want tijdens zijn college veranderde het onooglijk straaltje licht en dat ene knipperende atoom in een fascinerende wereld van vreemde verschijnselen uit de moderne fysica.

In een gas bij normale temperaturen hebben atomen of moleculen snelheden van honderden meters per seconde, ofwel duizenden kilometers per uur en het is niet eenvoudig om één van die atomen gedurende langere tijd waar te nemen. Met laserlicht kunnen ze worden stil gezet. Als een atoom een foton van de laser invangt en het in een andere richting weer uitzendt, verandert de impuls, de beweging, van het foton. Omdat de totale impuls net als de totale energie niet kan veranderen, moet het atoom de impulsverandering van het licht compenseren, zodat de snelheid van het atoom verandert. Het foton stuit af op het atoom en het atoom ondervindt daarvan een terugstoot, zoals het hoofd van een voetballer bij een kopbal. Onder alledaagse omstandigheden is de kracht die het licht uitoefent te gering om waar te kunnen nemen, maar goed gekozen experimenten laten een verrassend groot effect zien.

Als we een bundel natriumatomen laten lopen in een richting die tegengesteld is aan een laserbundel met de juiste golflengte, dan worden de natriumatomen afgeremd. De snelheidsvermindering bij elke absorptie van een foton zal slechts 3 centimeter per seconde bedragen, ofwel honderd meter per uur. Dat is niet veel, maar omdat de cyclus van absorptie en emissie per seconde wel 300 miljoen maal herhaald kan worden, is de vertraging die het atoom ondervindt toch aanzienlijk. Als het natriumatoom de lichtbundel treft met een normale snelheid van 2000 kilometer per uur dan staat het al na een halve seconde stil, hetgeen overeenkomt met een remweg van minder dan twintig centimeter. In een kleine laboratoriumopstelling is dat goed te realiseren.

Wij kunnen met licht niet alleen een atoom afremmen maar ook zichtbaar maken. Als een atoom wordt beschenen met laserlicht van de juiste golflengte, dan gaat het zelf in alle richtingen licht uitzenden. We nemen een klein lichtvlekje waar dat afkomstig is van één atoom. Soms is dat licht met het blote oog te zien.

We stellen ons voor dat het atoom voortdurend op en neer springt tussen twee energieniveaus. Als een foton uit het laserlicht geabsorbeerd wordt, gaat het atoom naar het hoogste energieniveau. Telkens wanneer het atoom terugvalt naar het laagste energieniveau dan komt het foton weer te voorschijn. Het zijn de uitgezonden fotonen die het atoom zichtbaar maken, maar de sprongen op en neer tussen de energieniveaus zijn niet afzonderlijk te zien. Daarvoor volgen ze elkaar te snel op, wel een miljard maal per seconde. We zien alleen een continu schijnsel.

Kiezen we echter een atoom waarvan het bovenste energieniveau zwak gekoppeld is met een derde niveau, zodat een sprong naar dit derde niveau een paar maal per minuut plaats vindt, dan zendt het atoom een paar maal per minuut geen licht uit. We zien het lichtvlekje op willekeurige momenten aan- en uitgaan. Volgens Nienhuis is het "alsof een onzichtbare hand aan de schakelaar zit. Wanneer deze onzichtbare hand de schakelaar omzet wordt door niets bepaald en door niemand beslist. De verschillen in de duur van de donkere periodes is in de meest zuivere betekenis een effect zonder oorzaak'.

Hier is het vreemde van de quantummechanica met het blote oog te zien. De tijdstippen waarop de sprongen in het atoom plaats vinden zijn onvoorspelbaar. Toch heeft professor Nienhuis op basis van de quantummechanica de kansverdeling van de sprongmomenten met grote nauwkeurigheid kunnen berekenen, uitgaande van de precieze frequenties van het laserlicht en de energieniveaus in het atoom. Dit betekent dat de verschillen in tijd, tussen donkere en lichte periodes, volstrekt willekeurig zijn. Het gaat steeds om hetzelfde atoom dat steeds in identiek dezelfde energietoestand wordt gebracht. Toch blijft volgens de quantummechanica het moment onvoorspelbaar waarop het foton geabsorbeerd en weer uitgezonden wordt. Het atoom vertoont in identieke situaties verschillend gedrag en de verschillen in tijd hebben geen oorzaak. God lijkt hier dus echt te dobbelen. Men zou natuurlijk ook kunnen zeggen dat het atoom kennelijk niet steeds precies in dezelfde toestand is, dat er toch nog verborgen verschillen zijn die door de quantummechanica niet worden beschreven.

Voor de niet-ingewijde waarnemer is het effect niet spectaculair: men ziet eenvoudig een onbetekenend lichtvlekje, dat soms verdwijnt en na een tijdje weer verschijnt. Wie zich in de details van het experiment verdiept, beseft dat hier quantumsprongen in een atoom worden waargenomen. De waarneming van de sprongen is een echte meting, maar met het blote oog, van een quantummechanisch effect. Er wordt vaak beweerd dat het helemaal niet verbazend is dat het gedrag van direct zichtbare en tastbare objecten als kogels en slingers wél voorspelbaar is en van elektronen, fotonen en atomen niet, omdat microscopische deeltjes niet direct waarneembaar zijn. In het onderzoek van professor Nienhuis blijft van het onderscheid tussen het microscopische en het macroscopische niet veel over. De fundamentele onbepaaldheid van sommige fysische verschijnselen is zichtbaar voor iedereen die kan zien. Het is zoals Stephen J. Gould tegen Wim Kayzer zei: "God lives in the details'.