Minimale voorwaarden voor een grondtoestand

Artikel 3 van de reeks: Op zoek naar de grondslagen van de werkelijkheid.

Verantwoording. De in deze artikelen beschreven ideeën zijn speculatief en niet experimenteel bevestigd. Zij vormen een filosofisch-ontologische verkenning van mogelijke onderliggende structuren van de fysische werkelijkheid, en geen vervanging van experimenteel bevestigde natuurkunde. Voor zover momenteel kan worden vastgesteld, zijn de hier beschreven hypothesen niet strijdig met de experimenteel bevestigde resultaten van theorieën zoals de kwantummechanica en de relativiteitstheorie. De centrale vraag is niet hoe deze theorieën vervangen kunnen worden, maar of hun beschrijvingen conceptueel kunnen voortkomen uit een meer fundamentele onderliggende structuur.

1. Waarom ‘niets’ wellicht niet bestaat

De vraag die in het vorige artikel centraal stond — waarom er überhaupt fysische werkelijkheid bestaat — vraagt om een andere benadering dan gebruikelijk in de natuurkunde. De traditionele natuurkunde vertrekt vanuit waarneembare verschijnselen en beschrijft deze met modellen en wiskunde. Die aanpak is uiterst succesvol, maar richt zich primair op hoe de werkelijkheid zich gedraagt, niet op de voorwaarden waaronder zij überhaupt kan bestaan. De vraag die mij altijd heeft beziggehouden is eenvoudig te formuleren: hoe is het mogelijk dat er überhaupt iets bestaat? En als we ons voorstellen dat er nog ‘niets’ is, hoe kan een werkelijkheid daaruit dan voortkomen? Anders gezegd: wat zou dat ‘niets’ moeten zijn om een fysische werkelijkheid mogelijk te maken?

Deze artikelen kiezen daarom een andere invalshoek. Niet de verschijnselen zelf staan centraal, maar de vraag naar de minimale voorwaarden waaraan een grondtoestand moet voldoen om fysische werkelijkheid mogelijk te maken. Wat is de eenvoudigste dynamische structuur die aan die voorwaarden kan voldoen?

‘Niets’ is daarbij een misleidend begrip. Lege ruimte, het vacuüm, is namelijk al iets: zij heeft structuur, er bestaan velden, er treden fluctuaties op. In het eerste artikel opperde ik nog dat ‘niets’ wellicht een toestand met inherente potentie is. Dit artikel scherpt dat aan: zo’n toestand-met-potentie is strikt genomen al geen ‘niets’ meer — en precies daar begint het onderzoek. Met ‘niets’ bedoel ik hier iets radicalers: een grenstoestand zonder ruimte, tijd, materie, structuur of velden — een toestand waarin geen enkele fysische grootheid betekenis heeft. De vraag is of zo’n toestand fysisch betekenisvol kan zijn.

Mijn antwoord is eenvoudigweg: nee.

Een toestand die volledig inert is, zonder enige vorm van dynamiek of onderscheid, kan per definitie niets voortbrengen: er is niets dat kan veranderen, niets dat kan verschillen, niets waaruit structuur zou kunnen groeien. Een volstrekt ‘niets’ is daarmee natuurkundig betekenisloos — niet omdat het experimenteel is uitgesloten, maar omdat er principieel niets uit kan volgen. Kortom: mijn werkhypothese is dat een werkbare grondtoestand noodzakelijk een minimale dynamiek moet bezitten. Zonder zo’n minimale dynamiek kan geen enkele vorm van fysische werkelijkheid ontstaan.

Deze conclusie vormt een essentieel onderdeel mijn betoog. Uit deze conclusie volgt nog iets, en dat verdient explicitering. Men zou immers kunnen denken dat het volstrekte ‘niets’ weliswaar onvruchtbaar is, maar het zich toch érgens of óóit zou kunnen voordoen — een leeg gebied, een lege periode. Dat kan niet, en wel om de volgende, subtiele reden. ’Ergens’ veronderstelt ruimte en ‘ooit’ veronderstelt tijd — en ruimte en tijd zijn al iets. Een situatie van niets is daarmee geen situatie. Waar niets is, is er geen ‘waar’; wanneer er niets is, is er geen ‘wanneer’. Het volstrekte niets kan zich dus niet alleen nergens voordoen: het kan zich niet ‘voordoen’, punt. Het is geen mogelijke toestand naast andere toestanden, maar een zichzelf uitsluitend grensbegrip.

Daarmee kantelt ook de positieve conclusie. Ook hier ligt een taalval op de loer. De formulering in een eerder artikel dat “de minimale dynamiek zich overal en altijd voordoet” smokkelt ongemerkt ruimte en tijd weer naar binnen. De verhouding moet juist worden omgekeerd. De grondtoestand bevindt zich niet in ruimte en tijd; indien deze hypothese juist is, kunnen ruimte en tijd juist uit de grondtoestand voortkomen. Elk ‘waar’ en elk ‘wanneer’ veronderstelt haar reeds. Zij vult ruimte en tijd dus niet; ruimte en tijd zijn, indien deze hypothese juist is, een emergente beschrijving van die grondtoestand. Haar universaliteit is daarom niet te vergelijken met lucht die een kamer vult, maar met het weefsel van een tapijt: er bestaat geen plek in het tapijt die niet uit weefsel bestaat, omdat een plek in het tapijt niets anders ís dan weefsel.

2. Drie uitgangspunten

2.1 De natuurwetten gaan niet aan de grondtoestand vooraf — zij vallen ermee samen.

Allereerst lijkt het noodzakelijk dat de natuurkundige wetmatigheden zich reeds in de grondtoestand manifesteren. De grondtoestand kan immers niet worden opgevat als iets dat aan de natuurwetten voorafgaat, omdat diezelfde wetten bepalen wat fysisch mogelijk is. Wellicht blijken sommige wetten later afleidbaar als emergente regelmatigheden van hogere ordeningslagen, maar de grondtoestand zelf kan niet anders dan door fysische wetmatigheid worden gedefinieerd.

Dit leidt tot een gedachte die in dit artikel een dragende rol speelt: natuurwet en grondtoestand zijn wellicht geen twee verschillende dingen, maar twee beschrijvingen van hetzelfde. De wet is dan niet iets dat de structuur van buitenaf dwingt; de wet ís de structuur. Deze formulering heeft een belangrijk voordeel: zij ontwijkt de oneindige regressie die anders onvermijdelijk opdoemt (“en waar komen de wetten dan vandaan?”). Er blijft welgeteld één open vraag over — waarom déze structuur en geen andere — en dat is precies de vraag waarop ook de moderne natuurkunde tot op heden het antwoord schuldig moet blijven.

2.2 Minimaal: de Planckschaal als korrel, niet als korreltje

Een tweede uitgangspunt is dat gezocht moet worden naar een minimale grondtoestand. Wie zoekt naar een minimale fysisch betekenisvolle structuur, komt vanzelf uit bij de Planckschaal (orde van grootte 10⁻³⁵ meter): de schaal waarop onze huidige natuurkundige beschrijvingen hun geldigheid beginnen te verliezen, en waaronder begrippen als afstand, tijdsduur, plaats en beweging vermoedelijk hun betekenis verliezen.

Filosofisch gezien is dat een opmerkelijke situatie. Zij suggereert het bestaan van een niveau waaronder niet alleen onze theorieën tekortschieten, maar waarop wellicht niet langer over een fysieke werkelijkheid in de gebruikelijke zin van het woord kan worden gesproken. Pas vanaf de Planckschaal lijkt een wereld denkbaar waarin ruimte, tijd, materie en oorzaak-gevolgrelaties zich kunnen manifesteren.

Eén precisering is hier essentieel. De Planckschaal moet binnen dit concept niet worden opgevat als de afmeting van de fundamentele elementen — alsof het hierna te introduceren element een korreltje van 10⁻³⁵ meter zou zijn. Als ruimte zelf emergent is, dan hebben de fundamentele elementen geen grootte, geen vorm en geen plaats: dat zijn begrippen die pas óp het emergente niveau betekenis krijgen. De Plancklengte is in deze lezing niet de diameter van een bouwsteen, maar de korrel van de emergente ruimtelijke beschrijving: de schaal waaronder het woord ‘lengte’ ophoudt iets aan te duiden.

2.3 Geen ether — maar wat is het vacuüm dan wél?

Het derde uitgangspunt komt voort uit de historische discussie tussen Lorentz en Einstein over het bestaan van een ether. Die discussie werd beslecht in het voordeel van Einstein, mede op grond van het Michelson-Morley-experiment (1887), dat geen enkele aanwijzing vond voor beweging van de aarde door een lichtdragend medium. Daarmee verdween de klassieke ether — een medium mét een rusttoestand — terecht uit de natuurkunde.

Toch bleef er een conceptuele vraag liggen, en het is leerzaam te zien hoe Einstein die zelf onder woorden bracht. In zijn Leidse rede van 1920 betoogde hij dat de algemene relativiteitstheorie de ruimte wel degelijk fysische eigenschappen toekent, en dat men die structuur desgewenst ‘ether’ mag noemen — op één strikte voorwaarde: aan deze structuur mag geen bewegingstoestand worden toegeschreven. Geen rusttoestand, geen snelheid, geen ‘stilstaan ten opzichte van’.

Licht vertoont golfverschijnselen: interferentie, diffractie. De vraag is dan niet of er alsnog een klassieke ether moet bestaan — die weg is experimenteel afgesneden — maar of het vacuüm werkelijk afwezigheid van structuur is, dan wel een diepere dynamische grondlaag representeert. Einsteins voorwaarde neem ik daarbij over als harde ontwerpeis: welke grondlaag hier ook wordt geformuleerd, zij mag geen rusttoestand bezitten. Hoe aan die opmerkelijke eis kan worden voldaan, is het onderwerp van een volgend artikel

3. Over de grenzen van de taal

Voordat de grondtoestand zelf wordt geformuleerd, is een waarschuwing over taal op haar plaats — ik ging daar in het eerste artikel van deze reeks reeds op in – want hier gaat het in discussies over funderingsvragen vrijwel altijd mis.

Op elk gewoon niveau betekent de vraag “wat is X?” altijd: waaruit bestaat X, en hoe is het georganiseerd? Water is H₂O in een bepaalde binding; een proton is een gebonden toestand van onderliggende structuur. Maar op het fundamentele niveau is er per definitie geen “waaruit” vraag meer mogelijk — anders was het niveau niet fundamenteel. Daar verandert de vraag “wat is X?” van karakter: het enige dat overblijft, is hoe X, zijnde zelf het fundament, zich gedraagt en in welke relaties X staat. Wie vandaag een fysicus vraagt wat het elektromagnetisch veld is — niet hoe het zich gedraagt, maar wat het is — krijgt stilte, of een gedragsbeschrijving. Die stilte is geen tekortkoming; zij is de correcte toestand van kennis op het huidige fundamentele niveau. Maar of het veld werkelijk het diepste niveau is, staat allerminst vast. Dat is voor mij de uitdaging van deze artikelen: niet de stilte verbreken — op het werkelijk fundamentele niveau keert zij onvermijdelijk terug — maar onderzoeken of zij niet één verdieping te hoog ligt. Wellicht ligt onder het veld een eenvoudiger laag, en hoort de stilte dáár thuis.

Voor dit artikel betekent dit dat gewone woorden — toestand, fluctuatie, cyclus, teller — onvermijdelijk worden gebruikt voor iets waarvoor zij nooit zijn ontworpen. De oplossing is niet het zoeken naar volmaakt neutrale woorden, want die bestaan niet. De oplossing is het verankeren van de betekenis zoals in deze artikelen gebruikt. Daarom volgt hier een klein lexicon; daarna mogen de gewone woorden in de rest van dit artikel als etiketten worden gelezen.

Grondtoestand — de meest elementaire fysisch betekenisvolle toestand waarop de verdere artikelen betrekking hebben. In de volgende bijdrage wordt onderzocht hoe zo’n grondtoestand concreet kan worden gemodelleerd.

Toestand — een punt in een verzameling mogelijke configuraties. Op het fundamentele niveau is dit niet de toestand van een object; de toestand en haar relaties vormen de volledige beschrijving.

Fluctuatie — een relationeel verschil tussen aangrenzende configuraties. Een fluctuatie is geen proces in een reeds bestaande tijd, maar een onderscheid binnen de onderliggende structuur.

Teller — een telbare stap in een opeenvolging van toestandsverschillen. Een teller telt; hij tikt niet. Hij definieert geen duur of tempo, maar uitsluitend ordening en aantal.

In het volgende artikel wordt voorgesteld hoe een minimale dynamische eenheid aan deze definities zou kunnen voldoen. Die werkhypothese krijgt daar de naam nulcyclus.

4. Slot

Dit artikel pretendeert geen nieuwe natuurkunde te ontwikkelen. Het onderzoekt welke minimale voorwaarden een grondtoestand moet vervullen om een fysische werkelijkheid mogelijk te maken.

De centrale conclusie luidt dat een volstrekt inert ‘niets’ daarvoor geen werkbare grondtoestand kan zijn. Indien een werkelijkheid mogelijk is, moet de grondtoestand ten minste ruimte laten voor onderscheid, dynamiek en fysische wetmatigheid. Welke concrete vorm zo’n minimale grondtoestand vervolgens kan aannemen, blijft vooralsnog een open vraag.

De vraag die daarmee op tafel ligt, in haar eenvoudigste vorm, is deze:

Kan uit louter relationele verschillen — zonder vooraf gegeven ruimte en zonder vooraf gegeven tijd — een wereld ontstaan waarin ruimte, afstand, duur en richting als emergente eigenschappen verschijnen?

De volgende artikelen onderzoeken een mogelijke beantwoording van die vraag. Daarbij wordt onder meer gezocht naar een minimale dynamische eenheid die aan de in dit artikel afgeleide voorwaarden voldoet, en wordt tevens onderzocht hoe zo’n grondlaag kan voldoen aan Einsteins eis dat zij geen rusttoestand bezit.