Het absurde idee van de jonge Werner Heisenberg: een voorproefje uit Helgoland

In zijn nieuwe boek Helgoland duikt de Italiaanse fysicus en bestsellerauteur Carlo Rovelli in de mysteriën van de quantummechanica. De redactie van New Scientist riep het boek al uit tot Boek van de Maand. Omdat we er zo enthousiast over zijn, volgt hier als voorproefje een deel van het eerste hoofdstuk, over wat de Duitse natuurkundige Werner Heisenberg in 1925 ontdekte.

Om ongeveer drie uur ’s nachts lag het eindresultaat van mijn berekeningen voor me. Ik voelde me diep geschokt. Ik was zo opgewonden dat er aan slapen niet te denken viel. Ik ging naar buiten en begon in de naderende ochtend­schemering langzaam te lopen. Ik klom naar een boven de zee uitstekende rots, op de punt van het eiland, en wachtte daar op de zonsopgang…

Ik heb me vaak afgevraagd wat de jonge Heisenberg dacht en voelde toen hij op die boven de zee uitstekende rots was geklom­men op dat kale en winderige Noordzee-eiland Helgoland, terwijl overal vóór hem de golven zich uitstrekten, nadat hij als eerste een blik had geworpen op een van de duizelingwek­kendste geheimen van de natuur die de mensheid ooit heeft aanschouwd. Hij was toen drieëntwintig jaar.

Hij was daar om verlichting te zoeken voor zijn hooikoorts. Op Helgoland – de naam betekent ‘heilig land’ – staan bijna geen bomen en er is heel weinig stuifmeel. ‘Helgoland, met zijn eenzame boom’ noemt Joyce het in zijn Ulysses. Hij was daar vooral om zich helemaal onder te dompelen in het pro­bleem dat hem obsedeerde: de hete aardappel die Niels Bohr hem in handen had gespeeld. Hij sliep heel weinig en bracht zijn tijd in eenzaamheid door, terwijl hij iets probeerde uit te rekenen dat de onbegrijpelijke regels van Bohr zou verklaren. Zo nu en dan onderbrak hij zijn berekeningen om de rotsen van het eiland te gaan beklimmen. Tijdens korte rustmomenten leerde hij gedichten uit de West-oostelijke divan uit zijn hoofd, de dicht­bundel waarin de grote Duitse dichter Goethe zijn liefde voor de islam bezingt.

Hete brij

Niels Bohr was toen al een beroemd wetenschapper. Hij had eenvoudige maar vreemde formules bedacht die de eigenschap­pen van chemische elementen voorspelden, nog voordat ze werden gemeten. Ze voorspelden bijvoorbeeld de frequentie van het licht dat elementen uitzenden als ze worden verhit, dat wil zeggen de kleur van dat uitgezonden licht. Die formu­les waren echter onvolledig: de intensiteit van dat licht kon je er niet uit afleiden.

Maar bovenal was er iets absurds aan deze formules: er werd zonder reden aangenomen dat de elektronen in de atomen rond de kern draaiden in exact bepaalde banen, op exact bepaalde afstanden van de kern, met exact bepaalde energieën. En dan ‘sprongen’ ze ook nog eens op magische wijze van de ene baan naar de andere. Dat waren de eerste ‘kwantumsprongen’. Waar om alleen díe banen? Wat zijn dat dan voor ongerijmde ‘sprongen’ van de ene baan naar de andere? Welke onbekende kracht kan een elektron zo aansturen dat het zulk bizar gedrag vertoont?

Atomen zijn de elementaire bouwstenen van alles. Hoe functioneren ze? Hoe bewegen de elektronen in het inwendige ervan? Bohr en zijn collega’s draaiden al meer dan tien jaar om de hete brij van deze vragen heen. Tevergeefs.

Radicale ideeën

Als een renaissanceschilder in zijn atelier had Bohr in Kopenhagen de briljantste jonge fysici om zich heen verzameld die hij kon vinden, om met hen de mysteries van het atoom te onderzoeken. Onder hen bevond zich ook de voortreffelijke Wolfgang Pauli, zeer intelligent, arrogant, aanmatigend, vriend en studiegenoot van Heisenberg. Ondanks zijn arrogantie had Pauli zijn vriend Heisenberg bij Bohr aanbevolen, door hem te zeggen dat als hij verder wilde komen, hij Heisenberg erbij moest halen. Bohr had daarmee ingestemd en in de herfst van 1924 had hij ook Heisenberg, assistent van de fysicus Max Born in Göttingen, uitgenodigd om naar Kopenhagen te komen. Heisenberg had daar enkele maanden doorgebracht en had met Bohr staan discussiëren voor schoolborden vol formules. De student en de meester hadden samen lange bergwandelin­gen gemaakt. Daarbij hadden ze gesproken over de mysteries van het atoom, over fysica en filosofie.

Heisenberg had zich volledig op het probleem gestort. Het was voor hem een obsessie geworden. Net als de anderen had hij al van alles geprobeerd, maar niets werkte. Geen enkele rede­lijke kracht leek de elektronen langs Bohrs vreemde banen te leiden en tot zijn vreemde sprongen aan te zetten. En toch leid­den die banen en sprongen tot goede voorspellingen van de atomaire verschijnselen. Verwarring alom.

Moedeloosheid zet aan tot het zoeken naar extreme op­lossingen. In de eenzaamheid van dat Noordzee-eiland had Heisenberg besloten om radicale ideeën uit te proberen.

Fysica overhoop

In wezen waren dat de radicale ideeën waarmee Einstein twintig jaar eerder de wereld versteld had doen staan. Het radi­calisme van Einstein was effectief gebleken. Pauli en Heisen­berg waren verliefd geraakt op zijn theorieën. Einstein was hun idool. Misschien, zo vroegen ze zich af, was het moment daar om een even radicale stap te wagen en daarmee uit de impasse te raken van de elektronen in de atomen? Als zij er nu eens in zouden slagen om zo’n stap te zetten? Als je twintig bent zijn je dromen onbegrensd.

Einstein had aangetoond dat de diepst gewortelde over­tuigingen verkeerd kunnen zijn; dat wat vanzelfsprekend lijkt, onjuist kan zijn. Vanzelfsprekend lijkende aannames opgeven kan leiden tot een beter begrip. Hij had erop gewezen dat we ons alleen moeten baseren op wat we zien, niet op wat we den­ken dat móet bestaan.

Pauli had deze ideeën vaak tegenover Heisenberg herhaald. Beiden hadden ze zich gelaafd aan deze giftige honing. Ze had­den de discussies gevolgd die in het begin van de eeuw in de Oostenrijkse en Duitse filosofie werden gevoerd over de relatie tussen werkelijkheid en ervaring. Ernst Mach, die een beslis­sende invloed op Einstein had uitgeoefend, predikte de nood­zaak om kennis alleen te baseren op waarnemingen en ontdeed zich van elke impliciete aanname van ‘metafysische’ aard. Dat zijn de verschillende ingrediënten in het denken van de jonge Heisenberg, om zo te zeggen de chemische componenten van een explosief mengsel, wanneer hij zich in de zomer van 1925 terugtrekt op het eiland Helgoland.

En daar kreeg hij een idee. Het soort idee dat alleen kan ontspruiten in het brein van een ongebreideld radicale twin­tiger. Een idee dat ertoe was voorbestemd om de hele fysica overhoop te halen, de hele wetenschap, ons hele denken over de wereld. Een idee dat de mensheid volgens mij nog steeds niet goed heeft verwerkt.