Emergentie is de rode draad in dit verhaal. Als je er oog voor hebt is het overal zichtbaar.

Muziek kan mensen ontroeren. Eén enkele noot kan dat meestal niet. Duizenden willekeurige noten ook niet. Het is de juiste samenhang van de noten en de interactie met de luisteraar die de muziek maakt.

Ludwig Boltzmann, natuurkundige en filosoof, heeft een mooie uitleg gegeven voor het begrip tijd [1][2]. Een verkorte versie gaat als volgt. Individuele atomen of deeltjes kennen geen tijd. Enkele deeltjes bij elkaar in isolatie ook niet. Hun bewegingen zijn omkeerbaar. Maar bij heel veel deeltjes, en in samenhang met het universum, ontstaat tijd. Want de kans dat bewegingen dan nog omkeerbaar zijn is verwaarloosbaar geworden.
Vergelijk dit met een emmer water die je leeg gooit in de zee en je probeert dit om te keren en precies hetzelfde water weer in de emmer te krijgen. Het verloop van gebeurtenissen heeft dan een richting gekregen. Meer is anders. Tijd, en de richting van de tijd, zijn emergente verschijnselen.

Hoewel iedereen er voortdurend mee te maken heeft is emergentie als begrip tamelijk onbekend. Onze spellingscontrole kent het woord nog steeds niet. Probeer eens boeken te vinden over emergentie. Het verschijnsel heeft lange tijd weinig aandacht gekregen, omdat we het niet kunnen begrijpen langs de analytische weg. Maar daar kan verandering in komen. Er is een andere weg: Quantum Information Theory. Een Nederlandse term is er nog niet. Laten we het kwantuminformatietheorie noemen. Het is voortgekomen uit de kwantummechanica waarvoor de eerste stappen zijn gezet aan het begin van de 20^ste eeuw. Later kwam er uitbreiding naar andere gebieden zoals de kwantumchemie en kwantumbiologie. En nu dus kwantuminformatie. Het vraagt om een volstrekt andere manier van denken. Dat is niet makkelijk, maar we zullen proberen om zoveel mogelijk in gewone taal de belangrijkste kenmerken (eigenaardigheden) te bespreken in de hoop je nieuwsgierig te maken naar meer.

Denken in termen van informatie
Veel natuurkundigen die zich bezighouden met kwantummechanica en kwantuminformatie zeggen dat we moeten leren denken in termen van informatie [3] [4] [5]. Niet als informatie uit de krant, maar informatie als vertegenwoordiger van alles, ook van materie (deeltjes) en energie. We bespreken dit kort in twee stappen. De kleinste eenheid van klassieke informatie is de bit. De bit kan twee waarden aannemen, ja of nee, op of neer, open of dicht, aan of uit, 1 of 0. Een mooie beschrijving uit de (klassieke) informatietheorie is: Informatie ontstaat wanneer een gebeurtenis plaatsvindt waarvan vooraf onzeker was of deze daadwerkelijk zou gebeuren. Zo gezien is alles (ook) informatie. Biologie is informatietheorie. Ons lichaam is een informatieprocessor. Informatie zit niet alleen in de instructies van genen, geheugen zit niet alleen in het brein, maar in alle (onderdelen van) cellen. Richard Dawkins, evolutiebioloog, zegt het zo: “Als je iets over het leven wilt weten dan moet je nadenken over informatietheorie” [6]. Met deze aanname wordt een nieuwe weg ingeslagen die invloed heeft op alle wetenschapsgebieden. Informatie is fundamenteler dan materie en energie. Materie volgt uit informatie. “It from bit”, zei John Wheeler [7], theoretisch natuurkundige.
Zo, dat is één.

Van ‘it from bit’ naar ‘it from qubit’.
Terwijl de klassieke bit alleen de waarden 0 óf 1 kan aannemen, kan de kwantummechanische qubit, beide aannemen. Tegelijkertijd!! Dit is essentieel anders dan hoe tot voor kort werd gedacht over informatietheorie, waarbij de huidige computers als voorbeeld dienden. Computers die binair (0 of 1) en stap-voor-stap werken. Het concept van meerdere waarden tegelijkertijd is noodzakelijk om te kunnen begrijpen dat oneindig veel verandering samen-en-tegelijkertijd kan optreden. Een beschrijving die beter past bij informatie met meerdere waarden tegelijkertijd is: Informatie ontstaat wanneer een gebeurtenis plaatsvindt waarvan vooraf onzeker was wat die gebeurtenis zou zijn.

Voor een basaal begrip van de gang van zaken op kwantumniveau volgen hier enkele belangrijke eigenschappen van kwantumdeeltjes [8]. We hebben gekozen voor formuleringen uit Wikipedia, omdat het een toegankelijke bron is.

• Superpositie van een deeltje betekent dat bijvoorbeeld de spin (eigenschap van een elementair deeltje) hiervan (normaal maar één mogelijke waarde) alle mogelijke waarden tegelijkertijd kan aannemen. Pas als men iets doet om de spin te meten, pas dán zal het deeltje terugvallen naar één waarde. De superpositie is dan verstoord geraakt.
• Kwantumverstrengeling van twee gepaarde elementaire deeltjes betekent dat er een verbinding bestaat tussen deze twee deeltjes, die onafhankelijk is van de onderlinge afstand. Als de toestand van een deeltje gemeten wordt weet men ook onmiddellijk wat de toestand van het andere deeltje is, hoever zij ook van elkaar verwijderd zijn.
• Interferentie is het verschijnsel waarbij het golfkarakter van een kwantumdeeltje versterkt of uitdooft door een ander kwantumdeeltje.

Wanneer een kwantumdeeltje van A naar B is gegaan, dan heeft het niet alleen de kortste route tussen A en B afgelegd, maar alle denkbare routes tussen A en B [9]. De locatie van een kwantumdeeltje is onbepaald, zegt men, zolang het niet gemeten wordt. Al deze wonderlijke eigenschappen passen niet bij een-op-een oorzaak-gevolg relaties. Ze houden zich niet aan stap-voor-stap processen, maar maken onvoorspelbare sprongen, samen-en-tegelijkertijd. Bedenk dat onze werkelijkheid is opgebouwd uit kwantumdeeltjes, of liever: kwantuminformatie.

Onbepaaldheid op kwantumniveau
Wanneer het gaat over kwantumdeeltjes moet je niet denken aan dingen, bolletjes of zo. Op kwantumniveau kan een ‘deeltje’ worden voorgesteld als een veld, een functie die aan ieder punt van de ruimte een waarde toekent. De term ‘deeltje’ suggereert dat het zou gaan om een afgebakend, geïsoleerd iets. Het is echter de vraag of isolatie überhaupt bestaat. Mogelijk is het begrip isolatie alleen een theoretische voorstelling om in modellen te kunnen denken.
Een kwantumdeeltje kun je opvatten als een set van eigenschappen (locatie, impuls, spin, polarisatie) inclusief een kansverdelingen voor een waarde van deze eigenschappen. Een kansverdeling, want de waarde zelf is onbekend. Zonder meting kun je de waarde van deze grootheden niet kennen. Die is nog ‘onbepaald’, zegt men. Om op een klassieke manier met kwantumdeeltjes te kunnen werken beschrijft men ze ook wel als een golffunctie. Net als bij een golf aan een wateroppervlak zal bij het treffen van een andere golf (een interactie, meting, waarneming) het resultaat van dit treffen een versterking, verzwakking of uitdoving zijn.
Samengevat: een kwantumdeeltje is niet meer (en niet minder) dan een ‘set van kansen’, de superpositie van meerdere waarden tegelijkertijd. Op macroniveau heeft ‘deeltje’ een andere betekenis.

Maak je geen zorgen als je kwantummechanica lastig vindt. Je bevindt je in goed gezelschap. Erwin Schrödinger, een van de grondleggers, bedacht het door ons eerder genoemde gedachte-experiment van de kat die zowel dood als levend is. Hij wilde daarmee laten zien dat het verschijnsel superpositie voor macrotoestanden problematisch is. Op kwantumniveau was het voor hem, en anderen, al snel geaccepteerd. Maar nog steeds wordt de arme kat ten tonele gevoerd om te laten zien hoe raadselachtig het is. Albert Einstein zei dat hij niet kon geloven in kwantummechanica, omdat natuurkunde niet te rijmen valt met het idee van spookachtige actie op afstand [10]. Hij verwees hiermee naar kwantumverstrengeling. En hij zei ook: “Ik ben ervan overtuigd dat hij (God) niet met dobbelstenen speelt” [11]. Hij bedoelde dat hij niet kon geloven in superpositie, de fundamentele onberekenbaarheid van kwantummechanica. Inmiddels is het allemaal geen theorie meer, maar zijn alle genoemde verschijnselen met experimenten aangetoond [12]. De wereld lijkt van toeval (strikt genomen is waarschijnlijkheid een betere term) aan elkaar te hangen.
De kritische houding van genieën zoals Einstein en Schrödinger is van groot belang geweest voor de ontwikkelingen van de kwantummechanica. Het stimuleerde zorgvuldig denken en onderzoek. Inmiddels zijn er weer andere zaken waarover discussie bestaat. Het overwegen van nieuwe gezichtspunten vraagt om een kritische maar ook soepele houding. Soms kunnen nieuwe theorieën en modellen zo schokkend zijn dat ze weerstand oproepen. Men gebruikt dan wel eens de term paradigm paralysis; het onvermogen of de weigering om verder te kijken dan de huidige denkmodellen. De natuurkundige Kelvin beweerde aan het eind van de 19^e eeuw bijvoorbeeld: “Er is nu niets nieuws meer te ontdekken in de natuurkunde. Het enige dat overblijft zijn steeds nauwkeurigere metingen.” Bij de eeuwwisseling kwam Max Planck, theoretisch natuurkundige, met de ontdekking van de eerste kwantumverschijnselen en vijf jaar later publiceerde Albert Einstein zijn speciale relativiteitstheorie. Dit zette de tot dan toe geldende theorieën volledig op zijn kop.

Het gaat ons niet om moeilijke wetenschap. Wij willen alleen het idee wegnemen dat alles via de weg van analyse verklaard kan worden. En je hoeft niet alles te begrijpen van onvoorspelbaarheid om ermee te kunnen werken. Richard Feynman, een reus op het gebied van kwantummechanica, stelde het zo: “Ik kan gerust zeggen dat niemand kwantummechanica begrijpt” en “Als iemand zegt dat hij kwantummechanica begrijpt, dan begrijpt hij het niet” [13]. Er waren al toepassingen van kwantummechanica in de chemie toen er nog niets of weinig van bekend was. MRI-scans, computers en mobiele telefoons bevatten kwantummechanische technologie. De makers ervan begrepen echter lang niet alle eigenaardigheden. Misschien is het voldoende om te accepteren dat het kansen biedt die je kunt gebruiken. De oplossingsgerichte aanpak die we in dit boek bespreken is een voorbeeld van een werkvorm waar men oorzaak en gevolg loslaat. Feedback selecteert wat nuttig is en waarmee wordt doorgewerkt. Wat niet nuttig is mag uitdoven.