Het zelf-waarnemende heelal: De kwantum-kosmologie van John Wheeler

“The future is not what it used to be.” (Paul Valéry)

Waarom bestaat de realiteit-als-geheel? Aangezien per definitie niets buiten dat geheel bestaat (anders zou het niet het geheel zijn), moet de oorzaak van het bestaan ervan in het geheel zelf liggen. De realiteit-als-geheel moet zijn eigen oorzaak bevatten en moet in die zin zelfveroorzakend zijn (“causa sui”). Dit idee van zelfveroorzaking lijkt absurd zolang we uitgaan van normale fysische causaliteit, waarbij oorzaken altijd temporeel aan hun oorzaken voorafgaan; de zelfveroorzakende entiteit zou dan al moeten bestaan voordat het z’n eigen bestaan tot gevolg kan hebben. 

In de klassieke metafysica, van Plotinus tot en met Spinoza, wordt dit probleem meestal zo omzeild dat de zelfveroorzakende entiteit, die aan alles ten grondslag moet liggen – a.k.a. God –, geacht wordt buiten de tijd te bestaan. De zelfveroorzakende oorzaak van de realiteit-als-geheel moet tijdloos zijn. Daar zit een zekere logica in: de tijd is immers onderdeel van de realiteit-als-geheel en hangt als zodanig onlosmakelijk samen met ruimte, materie, zwaartekracht en entropie (zoals Einstein en de thermodynamica hebben laten zien). De oorzaak van alles moet aan alles ‘voorafgaan’ en dus ook ‘eerder’ zijn dan de tijd…

Er lijkt echter nog een andere, (iets) minder metafysische oplossing mogelijk voor de temporele paradox van zelfveroorzaking, namelijk de ogenschijnlijke mogelijkheid van retrocausatie in de kwantummechanica. Hoewel dit onder natuurkundigen een omstreden onderwerp is, lijkt het in de kwantummechanica mogelijk dat de normale temporele opeenvolging van oorzaak en gevolg omgekeerd verloopt, zodanig dat de werking van een oorzaak ‘terug in de tijd’ gaat en gevolgen heeft voor het (mogelijk verre) verleden. De zogenoemde delayed-choice-experimenten lijken deze mogelijkheid empirisch aan te tonen. Maar, zo kunnen we dan vragen, als retrocausatie mogelijk is, komt het fysische standaard-argument tegen de mogelijkheid van zelfveroorzaking dan niet te vervallen? Als oorzaken terug in de tijd kunnen werken, kan de oorzaak van het heelal dan niet een gebeurtenis in het heelal zelf zijn, een gebeurtenis G die retroactief werkt en zo het heelal doet ontstaan waarvan G zelf deel uitmaakt?

De circulaire strategie van John Wheeler

Zo’n scenario, waarbij het heelal via kwantummechanische retrocausatie z’n eigen bestaan verklaart, wordt aangehangen door sommige natuurkundigen, met name de visionaire pionier John Wheeler en, beïnvloed door hem, de latere Hawking en diens student Hertog (2023). Wheeler zag in dat als we de realiteit-als-geheel willen verklaren, we noodzakelijk een vorm van circulaire verklaring moeten hanteren, omdat er anders een oorzaak buiten dat geheel aangenomen moet worden, een externe oorzaak waarvan het bestaan ook verklaard moet worden door een tweede externe oorzaak, enzovoort tot in het oneindige. “Now tower of turtles”, zegt Wheeler verwijzend naar het mythologische idee dat de wereld rust op een reusachtige schildpad die weer rust op een andere schildpad etc. als metafoor voor de regressieve verklaring van de realiteit in termen van externe oorzaken. “How come existence?” vraagt Wheeler in zijn beknopte versie van Leibniz’ vraag, om vervolgens te betogen dat alleen een causale cirkel (loop) oftewel een vorm van zelfveroorzaking hier enig uitzicht op een bevredigend antwoord kan bieden: 

“Existence is not a globe supported by an elephant, supported by a turtle, supported by yet another turtle, and so on. In other words, no infinite regress. [...] To endlessness no alternative is evident but loop, such a loop as this: Physics gives rise to observer-participancy; observer-participancy gives rise to information; information gives rise to physics.” (Wheeler 1999: 313-4)

Met deze causale loop in termen van fysische informatie door “observer-participancy” bedoelt Wheeler de bovengenoemde retrocausatie die mogelijk lijkt in de kwantummechanica, waar waarnemers sowieso een constitutieve rol spelen met betrekking tot de fameuze collapse of the (probability) wave function. Volgens de kwantummechanica ontstaat de “klassieke realiteit” (de eenduidige realiteit, zoals wij die ervaren) pas als fysische kwantumsystemen door ons waargenomen worden, waardoor hun probabilistische superpositie van simultane maar elkaar uitsluitende toestanden “ineenstort” tot slechts één enkele actuele (“klassieke”) toestand. In de delayed-choice-experimenten, die oorspronkelijk door Wheeler eind jaren ‘70 en begin jaren ‘80 als gedachte-experimenten ontwikkeld zijn, maar daarna daadwerkelijk zijn uitgevoerd, blijkt deze constitutieve act van waarneming ook retroactief te kunnen werken, zodanig dat een waarneming in het heden een superpositie in het verleden kan doen instorten. 

Het delayed-choice-experiment

Delayed-choice-experimenten zijn variaties op de bekende double-slit-experimenten, die de kwantummechanische eigenschappen van met name licht en de waarneming daarvan aantonen, dwz. enerzijds het probabilistische golfkarakter van licht dat zich in een superpositie van meerdere toestanden tegelijk bevindt zolang het niet wordt waargenomen en anderzijds de ineenstorting van deze superpositie zodra er waarneming plaatsvindt, waarop het licht zijn klassieke deeltjeskarakter manifesteert. In een typisch double-slit-experiment wordt idealiter één enkele foton door een lichtbron uitgezonden richting een eerste scherm met daarin twee spleten A en B; op enige afstand daarachter bevindt zich een tweede, fotografische scherm dat de impact van het foton registreert. Zolang er geen waarneming plaatsvindt, gaat het in superpositie verkerende foton door beide spleten tegelijk, waarna het golfkarakter van de ene toestand van het foton (die door spleet A is gegaan) interfereert met het golfkarakter van zijn andere toestand (die door B is gegaan), zodat er op het fotografische scherm een interferentiepatroon zichtbaar wordt (iets dat echter alleen opvalt als er meerdere fotonen één-voor-één afgevuurd worden). 

Het ene foton interfereert dus met zichzelf omdat het, in superpositie verkerend, door beide spleten tegelijk is gegaan; dit demonstreert het kwantum-mechanische golf-karakter van licht. Vindt hetzelfde experiment echter plaats terwijl het wordt waargenomen, dan zien we op het fotografische scherm geen interferentiepatroon ontstaan maar een puntsgewijze registratie van het foton achter slechts één van de spleten. Dwz. door de waarneming is de superpositie van het foton van meet af aan ingestort tot een eenduidig puntdeeltje, dat ofwel door A ofwel door B gaat. Dit demonstreert het kwantummechanische belang van waarneming als oorzaak van de wave function collapse.

De innovatie die Wheeler aan het double-slit-experiment toevoegde, was om de waarneming pas uit te voeren nadat het foton voorbij de spleten was gereisd (vandaar “delayed choice”) – bijvoorbeeld door middel van een derde, ondoorzichtig scherm tussen de experimentele set-up en de waarnemer, dat razendsnel opzij geschoven kan worden nadat het foton voorbij de spleten is gegaan, maar nog voordat het foton het fotografische scherm heeft bereikt. Het derde scherm voorkomt dus waarneming van het foton, totdat het opzij wordt geschoven. Wat er dan gebeurt, zo redeneerde Wheeler consequent vanuit kwantummechanische principes, is iets opzienbarends dat de normale tijdsvolgorde van oorzaak en gevolg op z’n kop zet. De lichtbron zendt het foton in niet-waargenomen toestand uit en dus in een superpositie van meerdere toestanden, waardoor het de facto door beide spleten A en B tegelijk gaat en in principe een interferentiepatroon op het fotografische scherm zou moeten veroorzaken. Ware het niet dat, vlak voordat het foton het fotografische scherm raakt, het derde scherm plots wordt weggetrokken en er waarneming plaatsvindt: plotsklaps stort de superpositie van het foton ineen en raakt het als één enkel puntdeeltje het fotografische scherm, precies achter één van de twee spleten.

De daaruit volgende conclusie is uiterst bizar maar logisch onvermijdelijk: de waarneming heeft een retroactieve werking. In het delayed-choice-experiment, aldus Wheeler, “we have a strange inversion of the normal order of time. We, now, by moving [the screen] in or out have an unavoidable effect on what we have a right to say about the already past history of that photon.” (Wheeler 1983: 184) Het foton was immers al in superpositie verkerend en dus als een probabilistische golf door beide spleten tegelijk gegaan; dat is een vastliggend feit over het verleden. Maar als gevolg van de daaropvolgende waarneming blijkt het foton toch niet als probabilistische golf maar als puntdeeltje door een van de spleten te zijn gegaan. Met andere woorden: het reeds vastliggende verleden van het foton (in superpositie door beide spleten heen) wordt door de waarneming veranderd in een ‘nieuw’ verleden (waarin de superpositie van begin af aan is ingestort en het foton als puntdeeltje door een van de spleten gaat). De causaliteit van de waarneming moet terug in de tijd hebben gewerkt.

Het ontologisch belang van de kwantum-mechanica

Zoals gezegd heeft Wheeler zijn delayed-choice-experiment oorspronkelijk ontwikkeld als een uiterst scherpzinnig gedachte-experiment, omdat destijds (eind jaren ‘70) de technologie nog niet in staat was het daadwerkelijk uit te voeren. In de daaropvolgende decennia is de technologie echter zodanig verbeterd dat het experiment technisch mogelijk werd. Inmiddels is het meerdere keren en met verschillende experimentele set-ups uitgevoerd, met steeds hetzelfde resultaat, precies zoals voorspeld door Wheeler: een waarneming in het heden zorgt retroactief voor de ineenstorting van een kwantum-superpositie in het verleden. Dat er in de delayed-choice-experimenten een retroactief proces plaatsvindt is nu vrij algemeent geaccepteerd onder natuurkundigen, al is er discussie over de vraag of dit ook “(retro-)causatie” genoemd mag worden. 

Dit is echter vooral een semantische discussie, draaiend om de vraag wat “causatie” precies betekent (een definitiekwestie dus). Als we uitgaan van de uiterst algemene maar ook tamelijk vanzelfsprekende definitie van de causale relatie “A veroorzaakt B” als de situatie waarin A voldoende reden is voor het plaatsvinden van B, dan is de waarneming in het delayed-choice-experiment overduidelijk de oorzaak van wave function collapse in het verleden. Deze kwantum-ineenstorting vindt immers uitsluitend plaats (of beter gezegd: heeft plaatsgevonden) dankzij de latere waarneming. Als de uitgestelde waarneming níet was gedaan, zou het in superpositie verkerende foton als probabilistische golf door beide spleten zijn gegaan. In die zin is er in de delayed-choice-experimenten duidelijk sprake van retrocausatie.

Zoals gezegd ziet Wheeler hierin de causale loop oftewel zelfveroorzaking die nodig is om Leibniz’ vraag te kunnen beantwoorden. In een uiterst gedurfde speculatieve wending gebruikt Wheeler de ontologische noodzaak van causale loop om het verbluffende mysterie van de kwantummechanica – de spreekwoordelijke quantum weirdness – op te helderen. Wheeler gebruikt, kortom, zijn antwoord op de vraag “How come existence?” als sleutel tot de vraag “How come the quantum?”, dwz. waarom is de kwantumrealiteit zoals zij is? Daarmee biedt hij een van de zeer weinige filosofische interpretaties van de kwantummechanica, die een serieuze poging doen om de mysterieuze kwantumrealiteit vanuit diepere gronden te begrijpen. 

De kwantumrealiteit is zoals zij is, aldus Wheeler, omdat zij de retrocausaliteit van het delayed-choice-experiment mogelijk maakt én omdat de realiteit-als-geheel deze retrocausaliteit nodig heeft om zichzelf tot (klassieke) realiteit te verheffen: “The strange necessity of the quantum as we see it everywhere in the scheme of physics comes from the requirement that – via observer-participancy – the Universe should have a way to come into being.” (Wheeler 1983: 206) Voor Wheeler is de diepere betekenis van de kwantummechanica dus uiteindelijk ontologisch van aard en ten nauwste verbonden met Leibniz’ vraag: de kwantumrealiteit is het middel voor het klassieke heelal om zich – via de retrocausaliteit van de waarneming – te realiseren (en “klassiek” duidt in dit verband op het complement van “kwantum”, dwz. de eenduidige realiteit die ontstaat met het ineenstorten van kwantum-superposities). 

Delayed choice op kosmische schaal

Wheelers overkoepelende hypothese is dat de retrocausale werking van de waarneming niet alleen optreedt in de zeer specifieke laboratorium-omstandigheden van delayed-choice-experimenten, maar ook in het algemeen daarbuiten, elke keer als we iets nieuws leren over het heelal. Hoe meer we van het heelal waarnemen en begrijpen, hoe meer de kwantum-superpositie van het tot dan toe onbekende heelal ineenstort en tot klassieke realiteit ‘uitkristalliseert’.

Om deze retrocausale werking van waarneming op kosmische schaal te illustreren, ontwikkelde Wheeler een intergalactische versie van zijn delayed-choice-gedachte-experiment, waarbij een ver van ons verwijderde quasar (een van de meest heldere lichtbronnen in het heelal) door ons op aarde wordt waargenomen met behulp van het gravitationele lenseffect van een tussenliggend sterrenstelsel. In een gravitationeel lenseffect – in 1919 ontdekt door Eddington, waarmee hij tevens de experimentele bevestiging leverde voor Einsteins zwaartekrachttheorie – wordt licht door het zwaartekrachtveld van een superzwaar object afgebogen, zodat de ruimtelijke positie van de lichtbron verschoven lijkt. In het gedachte-experiment van Wheeler heeft het licht van de quasar de mogelijkheid om linksom of rechtsom gebogen langs het superzware sterrenstelsel te reizen, om uiteindelijk de aarde te bereiken. Zo recreëert Wheeler op kosmische schaal de omstandigheden van een typisch double-slit-experiment: het licht kan slechts via twee banen het fotografische scherm, respectievelijk de aarde bereiken. Aangezien het licht in niet-waargenomen toestand vanuit de quasar vertrekt en dus in superpositie verkeert, zal het feitelijk langs beide banen tegelijk reizen, net zoals het niet-waargenomen foton in het double-slit-experiment door beide spleten tegelijk gaat. 

Als echter het licht van de quasar eenmaal voorbij het sterrenstelsel is gereisd, wordt het uiteindelijk door waarnemers op aarde waargenomen, waarop de superpositie van het licht ineenstort. Het gevolg is dat het (nu klassieke) licht van de quasar slechts aan één kant van het tussenliggende sterrenstelsel te zien is, niet aan beide kanten tegelijk, net zoals het waargenomen foton in het double-slit-experiment door slechts een van de spleten gaat. Maar – en dat maakt dit gedachte-experiment tot een kosmische variant van het delayed-choice-experiment – het licht van de quasar was allang in superpositie zowel linksom als rechtsom om het sterrenstelsel heen gereisd. De conclusie die we volgens Wheeler moeten trekken, is dat de waarneming op aarde met terugwerkende kracht de superpositie van het licht heeft doen instorten en zo gedwongen heeft ofwel linksom, ofwel rechtsom langs het sterrenstelsel te reizen. Precies dezelfde situatie als in een delayed-choice-experiment, kortom, met dit cruciale verschil dat de tijdsspanne in het laatste geval slechts een minuscule fractie van een seconde bedraagt, terwijl het bij de quasar gaat om miljoenen, mogelijk zelfs miljarden jaren in het verleden. 

Zo staat bijvoorbeeld het Andromedastelsel, een van de dichtstbijzijnde sterrenstelsels, op een afstand van 2,5 miljoen lichtjaar van ons vandaan. Zouden we Andromeda’s zwaartekrachtveld gebruiken als gravitationele lens om een daarachter gelegen quasar te zien, dan zou de retrocausale werking van de waarneming dus minstens 2,5 miljoen jaar terug in de tijd plaatsvinden (of plaatsgevonden hebben). Wheelers punt is dat dit verschil in tijdsspanne er uiteindelijk niet toe doet: de retrocausale werking is in beide gevallen dezelfde. Of het nu gaat om een fractie van een seconde of om miljoenen jaren of zelfs miljarden jaren terug in de tijd, het principe blijft hetzelfde: een waarneming in het heden is verantwoordelijk voor de ineenstorting van een superpositie in het verleden. 

Nemen we bijvoorbeeld de verste ster ooit waargenomen (Earendel, vernoemd naar een personage in The Lord of the Rings), die op een afstand van 28 miljard lichtjaar van ons vandaan staat. Deze ster is pas in 2022 door de Hubble-telescoop ontdekt, wat betekent dat het licht ervan tot dan toe niet werd waargenomen en dus in superpositie moet hebben verkeerd (tenminste, als we de mogelijke aanwezigheid van alien waarnemers buiten beschouwing laten). Deze superpositie stortte in op het moment van de eerste waarneming in 2022, wat betekent dat de retrocausale werking van deze waarneming maar liefst 28 miljard jaar terug in de tijd moet reiken! 

Van universele golffunctie naar klassiek heelal

Dan komen we echter aardig in de buurt van de geboorte van het heelal in de oerknal, volgens kosmologen zo’n 28,3 miljard jaar geleden (Earendel is niet alleen de verste maar ook de oudste ster ooit waargenomen en moet relatief kort na de oerknal zijn ontstaan). Met andere woorden: als we nóg oudere kosmische fenomenen waarnemen (bijvoorbeeld de kosmische achtergrondstraling die kort na de oerknal is uitgezonden), dan komt de retrocausale werking van onze waarneming steeds dichter in de buurt van de oerknal. En stel dat we uiteindelijk in staat zijn om de allereerste manifestatie van de oerknal waar te nemen, dan omvat deze retrocausale werking zelfs de oerknal als zodanig. Maar, en dat is het punt waar Wheeler uiteindelijk naartoe wil, dat zou betekenen dat het heelal als geheel door onze waarneming wordt gevormd. In de oerknal is het heelal immers in z’n totaliteit samengebald in één enkele singulariteit, waaruit vervolgens het uitdijende heelal evolueert. Zolang dit oerheelal niet wordt waargenomen, bevindt het zich volgens de kwantummechanica in één alomvattende superpositie, de zogenoemde “universele golffunctie” (waar de veel-werelden-interpretatie van de kwantummechanica van uitgaat), zodanig dat dit “kwantum-multiversum” zich langs talloze mogelijkheden tegelijk ontwikkelt. Zodra echter de eerste manifestatie van de oerknal wordt waargenomen, stort de universele superpositie van het heelal ineen en ontstaat het klassieke heelal.

Op deze manier, aldus Wheeler, brengt het klassieke heelal zichzelf voort, aangezien de waarnemers (die de universele superpositie doen ineenstorten) zelf ook tot het klassieke heelal behoren en, via biologische evolutie, door het heelal zelf zijn voortgebracht. Bewustzijn, begrepen als het vermogen tot waarneming, is volgens Wheeler dan ook – in scherpe tegenstelling tot de materialistische consensus van de moderne tijd – géén toevallig product van de ontwikkeling van het heelal en de daaruit volgende Darwiniaanse evolutie van het leven, maar juist een intrinsieke eigenschap van het heelal qua zelfveroorzakend geheel. Zoals Wheelers positie door Paul Davies wordt samengevat: “Conventional science assumes a linear logical sequence: cosmos→life→mind. Wheeler suggested closing this chain into a loop: cosmos→life→mind→cosmos.” (Davies 2006: 281) 

Volgens Davies biedt Wheeler daarmee een unieke verklaring van het zogenoemde “antropisch principe” in de kosmologie, dat duidt op de klaarblijkelijke fine-tuning van het heelal (op het meest fundamentele niveau van natuurwetten en fysische constanten) voor het ontstaan van leven (Davies 2006: hfst. 6). In het perspectief van Wheeler volgt deze diepgaande bio-friendliness van het heelal uit het ontologische feit dat het klassieke heelal niet kan bestaan zonder het waarnemerschap van bewuste, levende wezens. Met andere woorden: door z’n eigen waarnemers voort te brengen, brengt het klassieke heelal indirect ook zichzelf voort, via de retrocausale werking van hun waarnemingen. Zo sluit zich de causale loop die volgens Wheeler nodig is om Leibniz’ vraag te kunnen beantwoorden. Aldus Wheeler: “Beginning with the big bang, the universe expands and cools. After eons of dynamic development it gave rise to observership. Acts of observer-participancy ‒ via the mechanism of the delayed-choice experiment ‒ in turn gave tangible “reality” to the universe not only now but back to the beginning.” (Wheeler 1983: 209) Kortom, in de grootse visie van Wheeler is het klassieke heelal zelfwaarnemend en daarmee tegelijk ook zelfveroorzakend.

Tot slot: kosmologisch holisme en zelfwaarneming

Dat het heelal inderdaad zichzelf waarneemt, volgt uit de strikt holistische eenheid van het heelal: aangezien het heelal één integraal geheel is, moeten de individuele waarnemers in het heelal feitelijk begrepen worden als integrale onderdelen ervan, als ‘verlengstukken’ of ‘zintuiglijke organen’ van het heelal. Als wij het heelal waarnemen, dan neemt het heelal eigenlijk – via ons – zichzelf waar: “We are a way for the cosmos to know itself”, aldus Carl Sagan (een idee waarop overigens talloze variaties circuleren, van Schelling, Jay Rosenberg, Spencer-Brown e.a.). Waarnemerschap moet dus als een intrinsiek vermogen van het heelal begrepen worden. Thomas Hertog (2023: 256), die samen met Hawking tijdens diens laatste jaren de Wheeler-visie op het heelal heeft omarmd, spreekt in die zin zelfs van waarnemerschap als “het operationele hoofdkwartier” van het heelal, wat akelig veel lijkt op het idee dat het heelal een soort ‘centraal zenuwstelsel’ of ‘brein’ heeft, alsof het één groot levend organisme is. 

Of een dergelijke organicistische visie op het heelal inderdaad een logisch gevolg is van Wheelers idee van het zelfwaarnemende en zo zelfveroorzakende heelal blijft vooralsnog onduidelijk, maar deze suggestie wordt duidelijk ook door Wheeler gewekt, bijvoorbeeld met zijn befaamde “U-diagram” van het heelal qua “self-excited circuit”: “Starting small (thin U at upper right), it grows (loop of U) and in time gives rise (upper left) to observer-participancy – which in turn imparts “tangible reality” [...] to even the earliest days of the universe.” (Wheeler 1983: 209) Het ‘kosmische oog’ aan de linkerkant, dat begrepen moet worden als de gecombineerde werking van alle individuele waarnemers in het heelal, suggereert een strikte eenheid van al deze waarnemers, alsof zij één enkel kosmisch (zelf-)bewustzijn vormen. Rest ons nog op te merken, met betrekking tot het U-diagram, dat de pijl die van links naar rechts loopt, een schematische weergave is van het bovengenoemde idee, dat waarneming van de oerknal (rechter-bovenkant van het U-diagram) de ineenstorting van de universele superpositie zou betekenen en daarmee de creatie van het klassieke heelal als geheel.

Gebruikte literatuur
– Davies, Paul (2006), The Goldilocks Enigma: Why Is the Universe Just Right For Life? London: Allen Lane.

– Hertog, Thomas (2023), Het ontstaan van de tijd. Amsterdam: Lannoo.

– Wheeler, John A. (1983), “Law Without Law”, in: J.A. Wheeler & W.H. Zurek (eds.), Quantum Theory and Measurement, pp. 182-213. Princeton: Princeton University Press.

– Wheeler, John A. (1999), “Information, physics, quantum: The search for links”, in: W.H. Zurek (ed), Complexity, Entropy, and the Physics of Information. Redwood City, California: Addison-Wesley.