Reisangst en quantum-onzekerheid

In zijn knappe college gegeven op 16 november 2012, over de reis naar "het Allerkleinste" noemde Robbert Dijkgraaf meermalen de electronenmicroscoop, waarmee je naar het kleinste kan kijken. Hij bedoelde eigenlijk de rastertunnelmicroscoop (STM), waarmee je met een dunne naald het oppervlak van bijvoorbeeld een goudlaagje aftast: Je kan dan de afzonderlijke atomen zien!

Turen naar beelden in de Philips electronenmicroscoop EM200 in 1966.

In 1966 legde de heer A.C. van Dorsten ons de werking van het electronenmicroscoop uit. Hij besprak de stralengang vanaf het electronenkanon via electromagnetische lenzen, door het dunne object tot op het groene fluorescentiescherm. Daarop kon je door een dikke laag loodglas met een binoculair naar het beeld turen. Het waren geheimzinnige afbeeldingen van objecten die tien- tot wel honderdduizend maal vergroot waren. Groot genoeg om bacteriën en DNA-moleculen te kunnen zien; maar niet de atomen!

 Af en toe kon de Philips-man filosofisch worden. Hij vertelde dan van het angstgevoel dat hij kreeg als hij zich probeerde voor te stellen hoe je met de electronenmicroscoop kan doordringen in moleculen en atomen, naar het Allerkleinste, op weg naar het oneindig kleine, het "niets"....

De "schaal der dingen". In een helium-atoom is de atoomstraal 10,000 keer groter dan de straal van de kern. De grijze cirkel of electronenwolk geeft de waarschijnlijkheid aan waar de 2 electronen zich kunnen bevinden. "nm" staat voor nanometer, een miljoenste van een milimeter; "fm" staat voor femtometer, een miljoenste van een nanometer. Als de straal van de kern 1 cm zou zijn, dan is de straal van de grijze cirkel 100 meter!

Als ik toen de animatie van Robbert Dijkgraaf had kunnen zien, had ik de beklemming van de heer van Dorsten beter kunnen invoelen: Het filmpje toonde een atoom van wellicht helium, ter grootte van een collegezaal of een bol met een straal van 100 meter (zie figuur). Vervolgens reisde het filmpje vanaf de rand van het atoom naar binnen, naar de kern die op deze schaal een straal heeft van 1 cm. Die afgelegde afstand van ~100 m (in werkelijkheid 0.03 nm) door een lege atoom-ruimte, die moet van Dorsten zo'n angst hebben ingeboezemd. Ik kan het me nu beter indenken; wie heeft dit in Godsnaam allemaal zo bedacht?

Tijdens het beantwoorden van vragen na zijn college probeerde Dijkgraaf uit te leggen dat de ruimte tussen electronen en kern natuurlijk niet gevuld is met partikels, maar toch, op nog onbegrepen wijze, niet echt "leeg" te noemen is. Ook probeerde hij duidelijk te maken dat de quantumtheorie, één van de theorieën waarmee men deze zaken probeert te begrijpen, alléén geldt op de schaal van elementaire deeltjes. Als quantum-effecten ervoor kunnen zorgen dat deeltjes een kans hebben om óf hier óf daar te zijn en als deeltjes op grote afstand met elkaar verbonden kunnen zijn, dan geldt dat niet voor een grotere schaal zoals die voor mensen of werelden. Niettemin geloven velen van ons dat deze quantumeffecten een verklaring zijn voor mystieke gebeurtenissen zoals bijvoorbeeld dat "alles met alles op een betekenisvolle manier verbonden is." Een andere uitspraak van Dijkgraaf was dat het niet geheel begrijpen van de quantumtheorie tot onzekerheid leidt en dat een wetenschapper met die onzekerheid moet leren leven. Wil of kan hij dat niet dan valt er nog in van alles te geloven, waarin de schaal der dingen kan worden overschreden. Maar de angst voor een reis naar het oneindig grote of het oneindig kleine zal voor sommigen wel blijven bestaan.