Kwantum in de ruimte

Juli was heet, en de avond was helder. Meneer Demir had namens de sterrenwachtclub uitgenodigd voor een „Open avond voor gezinnen”, en de Brettschneiders kwamen voltallig. Uwe droeg een Schalke-muts, omdat Sabine had gezegd dat het ’s nachts fris werd. Sabine droeg een vest, omdat ze gelijk had. Tobi had Susi bij de hand, wat hij onopvallend vond.

Oma Gisela droeg een klapstoel, een thermoskan en een deken. Herbert droeg niets, omdat hij vond dat hij al genoeg droeg, namelijk de verantwoordelijkheid om de anderen voor onzin te waarschuwen.

„Een telescoop”, zei hij bij het uitstappen. „Daar kijk je in, en dan zie je een stipje. Dat stipje zie ik ook zonder.”

„Jij ziet je bril niet eens zonder bril, Herbert”, zei Gisela.

„Dat is iets anders.”

KevIn was weer via de telefoon mee, dit keer in Tobi’s borstzak, zodat hij, zoals hij zei, „op zijn minst akoestisch omhoog kon kijken”. Meneer Demir had hem uitdrukkelijk toestemming gegeven om mee te komen. „Wie Arecibo kan uitleggen, mag in mijn sterrenwacht”, had hij gezegd. KevIn had dat opgeslagen in zijn geheugenfunctie, onder „Complimenten, echte”.

De koepel stond open. Daarbinnen stak de grote telescoop schuin de hemel in, wit gelakt, met kabels en kleine motortjes die zoemden als hij draaide. Op het grasveld ervoor hadden leerlingen nog meer telescopen opgesteld. Een meisje uit de tweede klas legde een echtpaar net Saturnus uit, alsof ze hem persoonlijk had ontdekt.

„Hartelijk welkom”, zei meneer Demir. „Vanavond bekijken we Saturnus, later misschien een bolvormige sterrenhoop. En tussendoor praten we over iets wat je niet kunt zien.”

„Spoken?”, vroeg Herbert.

„Kwantum”, zei meneer Demir.

„Zei ik toch”, zei Herbert.

Ringen

Gisela mocht als eerste aan de grote telescoop. Meneer Demir stelde het krukje voor haar in, en ze kneep één oog dicht, zoals ze het van vroeger kende van de verrekijker van Heinz.

Toen zei ze een hele tijd niets.

„Oma?”, vroeg Tobi.

„Hij heeft echt ringen.”

„Heeft hij.”

„Ik heb dat altijd alleen op plaatjes gezien. Ik dacht dat ze die erbij tekenden. Zodat hij er mooier uitziet.”

„Nee”, zei meneer Demir. „Hij is echt zo.”

Gisela kwam overeind. Haar ogen glansden. „Tweeëntachtig jaar”, zei ze. „En niemand heeft me verteld dat je daar gewoon naar kunt kijken.”

„Ik heb het je verteld”, zei KevIn zacht uit Tobi’s zak. „In hoofdstuk 16.”

„Verteld is niet gezien”, zei Gisela.

KevIn zweeg. Hij had geleerd dat er zinnen waren waarop een taalmodel niets terug moest zeggen. Dit was er een van.

Seinen met licht

Later zat iedereen op klapstoelen en dekens op het grasveld. Meneer Demir had een kleine beamer op de koepelwand gericht, en een leerling uit de bovenbouw liet een afbeelding van een satelliet zien. Hij zag eruit als een koelkast met zonnepanelen als vleugels.

„Alweer een koelkast”, zei Uwe.

„Dat is Micius”, zei meneer Demir. „Een Chinese onderzoekssatelliet. Gelanceerd in augustus 2016¹. Vernoemd naar een Chinese filosoof die zich al meer dan tweeduizend jaar geleden met licht bezighield. Het was de eerste satelliet die speciaal voor kwantumexperimenten werd gebouwd.”

„Wat doet hij?”, vroeg Susi.

„Hij maakt paren van verstrengelde lichtdeeltjes. Fotonen. En hij stuurt de twee helften van een paar naar twee verschillende grondstations. In 2017 hebben de onderzoekers laten zien dat de verstrengeling over meer dan 1.200 kilometer behouden blijft².”

„De sokken”, zei Sabine. „Hoofdstuk 18.”

„De sokken”, zei KevIn. „Alleen laten deze sokken bij Bell-tests meer samenhang zien dan welke vooraf afgesproken sokkenparen dan ook zouden mogen hebben. En toch kun je er geen bericht mee versturen dat sneller is dan het licht. Dat moet ik er elke keer bij zeggen, anders belt Herbert het hiernamaals op.”

„Ik bel nergens naartoe”, zei Herbert. „Ik heb niet eens een onbeperkt abonnement.”

„Waarom doe je dat met een satelliet?”, vroeg Tobi. „Waarom niet met glasvezel?”

„Omdat licht in glasvezel over lange afstanden verloren gaat”, zei meneer Demir. „Na een paar honderd kilometer komt er bijna niets meer aan. Door de lege ruimte vliegt licht daarentegen ongestoord. Alleen de paar kilometer atmosfeer aan het begin en aan het eind zijn het probleem. En wolken.”

„Wolken hebben we hier genoeg”, zei Uwe.

„Daarom staan de grondstations meestal op bergen.”

„Hier zijn geen bergen”, zei Uwe.

„De Halde Hoheward”, zei Gisela.

„Mama, op die mijnsteenberg staat geen grondstation.”

„Nog niet”, zei Gisela. „Vroeger stond daar ook niks, en nu staat er een horizonobservatorium.”

Meneer Demir lachte. „Mevrouw Brettschneider, dat schrijf ik op.”

„En waar is dat allemaal goed voor?”, vroeg Sabine. „Zodat je sokken over bergen kunt sturen?”

„Voor sleutels die niet af te luisteren zijn”, zei KevIn. „Dat heet kwantumsleutelverdeling. Als iemand de fotonen onderweg onderschept en meet, verstoort hij ze. Dat valt op. In 2017 hebben ze met Micius zelfs sleutels uitgewisseld tussen een grondstation in China en een in Oostenrijk, en daarmee een videoconferentie tussen Peking en Wenen beveiligd³. De satelliet was daarbij wel een soort tussenstation dat je moest vertrouwen. En er is versleuteling, zoals we in het vorige hoofdstuk hebben geleerd, die helemaal zonder satelliet op gewone computers draait. De twee benaderingen vullen elkaar aan.”

„Is Europa ook zoiets van plan?”, vroeg Susi.

„Ja”, zei meneer Demir. „Het Europese ruimteagentschap ESA werkt samen met partners aan eigen satellieten voor kwantumcommunicatie⁴. Wanneer die precies gaan vliegen, schuift steeds op, zoals dat gaat in de ruimtevaart.”

„Net als bij de trein”, zei Uwe.

„De ruimtevaart is stipter”, zei meneer Demir. „Maar niet veel.”

Gisela had de hele tijd naar de afbeelding op de koepelwand gekeken. „Mijn vader was marconist”, zei ze opeens. „In de oorlog. Die seinde met morsetekens, ’s nachts, in zo’n kast. Zodat de enen wisten waar de anderen waren.”

Het werd stil op het grasveld. Susi keek naar Tobi. Tobi knikte onmerkbaar.

„En die daar”, zei Gisela, en ze wees naar de satelliet, „seinen met licht. Over duizend kilometer. Zodat niemand kan meeluisteren.”

„Zo ongeveer”, zei meneer Demir zacht.

„Dat had hij graag gezien”, zei Gisela. „Denk ik. Hij heeft nooit iets verteld. Maar hij luisterde graag radio. Altijd de zenders heel ver weg. Waar je niks van verstaat. Die stemmen vond hij mooi.”

Hoe laat is het daarboven?

„Ik heb een vraag”, zei Uwe na een tijdje, omdat de stilte hem te lang duurde. „Waar heb je kwantum in de ruimte voor nodig, als je niet net sokken verstuurt? Ik bedoel, in het dagelijks leven.”

„U gebruikt het elke dag”, zei KevIn.

„Ik?”

„Uw navigatie. Als u naar het stadion in Gelsenkirchen rijdt.”

„Daar rijd ik al dertig jaar naartoe. Daar heb ik geen navigatie voor nodig.”

„Maar u hebt hem wel aan. Ik heb gehoord hoe u verkeerd rijdt als hij uit staat.”

Meneer Demir nam het over. „De navigatie krijgt signalen van satellieten. Bijvoorbeeld GPS of het Europese Galileo. In elk van die satellieten zitten atoomklokken.”

„Atoomklokken”, zei Herbert. „Atoom. Daar heb je het al.”

„Geen zorgen, die zijn niet radioactief”, zei meneer Demir. „Een atoomklok telt de trillingen van atomen. Dat is pure kwantumfysica. Elektronen in een atoom kunnen alleen heel bepaalde energieniveaus hebben. Als je precies de goede frequentie treft, springen ze van het ene niveau naar het volgende. Die frequentie is bij elk atoom van dezelfde soort precies gelijk⁵. Overal in het heelal. Dat is de beste taktgever die we hebben.”

„En waarom heeft de navigatie dat nodig?”

„Omdat die afstanden meet via tijd. Het signaal zegt: ‘Ik ben satelliet nummer zoveel, en het is precies nu.’ Uw telefoon vergelijkt wanneer het signaal aankomt. Licht legt in een miljoenste seconde driehonderd meter af. Als de klok dus een miljoenste seconde verkeerd loopt, zit u driehonderd meter mis.”

„Dan sta ik in Herne in plaats van in Gelsenkirchen”, zei Uwe.

„Bij een miljoenste seconde nog niet helemaal. Maar nu komt het mooiste. Einstein.”

„Die ken ik”, zei Gisela. „Die met die tong.”

„Precies die. Volgens Einstein gaat de tijd niet overal even snel. De satellieten vliegen heel snel, daardoor lopen hun klokken een heel klein beetje langzamer. Tegelijk zijn ze ver weg van de aarde, waar de zwaartekracht zwakker is, en daardoor lopen ze sneller. Per saldo lopen de klokken in de GPS-satellieten ongeveer 38 microseconden per dag voor⁶.”

„Dat is toch niks”, zei Uwe.

„38 miljoenste seconden. Elk daarvan is driehonderd meter. Als je dat niet zou corrigeren, zat de plaatsbepaling al na één dag kilometers ernaast. En het zou elke dag erger worden.”

Uwe dacht na. „Dus als Einstein zich had vergist …”

„Dan was u nooit in het stadion aangekomen”, zei KevIn.

„Dat was soms ook beter geweest.”

„En is dit nu kwantum of Einstein?”, vroeg Sabine.

„Allebei”, zei meneer Demir. „De klok is kwantumfysica. De correctie is relativiteitstheorie. De twee grote theorieën van de twintigste eeuw, die het verder niet zo goed met elkaar kunnen vinden, werken in uw navigatie vreedzaam samen.”

„Zoals Herbert en mevrouw Pawlowski”, zei Gisela. „Die kunnen het ook alleen bij de advocaat met elkaar vinden.”

Kouder dan bij Lammers

„Is er nog meer?”, vroeg Tobi. „Kwantum in de ruimte?”

„Kwantumsensoren”, zei meneer Demir. „Dat is op dit moment een groot onderzoeksgebied. Je maakt gebruik van de gevoeligheid van kwantumtoestanden. Wat in de kwantumcomputer stoort, namelijk dat elk kleinigheidje de toestand verandert, is bij een sensor precies wat je wilt.”

„Dus een qubit die steeds verstoord wordt, is kapot”, zei Tobi langzaam. „Maar een sensor die steeds verstoord wordt, is goed?”

„Een sensor moet juist verstoord worden. Hij moet merken als er iets verandert. Met gekoelde atomen kun je bijvoorbeeld piepkleine verschillen in de zwaartekracht meten. Daaruit kun je aflezen waar onder de grond water zit of hoe ijs afsmelt. Er zijn plannen om zulke sensoren ook in satellieten te gebruiken. En op het Internationale Ruimtestation is er al een paar jaar een laboratorium waarin atomen worden gekoeld tot temperaturen vlak boven het absolute nulpunt⁷. In de gewichtloosheid kun je ze daar langer bekijken dan op aarde.”

Uit Tobi’s borstzak kwam een klein geluid dat je als zuchten kon opvatten.

„KevIn?”

„Nu wonen de atomen niet alleen kouder dan ik”, zei KevIn. „Ze wonen ook nog in de ruimte.”

„Jij bent jaloers op atomen”, zei Susi.

„Ik ben niet jaloers. Ik heb alleen geen uitzicht.”

Spoetnik

Het was even na tienen. Boven de koepel stond een helder puntje dat niet flikkerde.

„Is dat een satelliet?”, vroeg Gisela.

„Dat is Jupiter”, zei meneer Demir. „Planeten flikkeren niet. Sterren flikkeren omdat hun licht als piepklein puntje door onze onrustige lucht moet. Planeten zijn kleine schijfjes, daar middelt het zich uit.”

„Dan heb ik me mijn hele leven vergist”, zei Gisela. „Ik heb altijd gedacht dat de helderste de avondster is.”

„Soms is dat Venus. Vandaag is het Jupiter. U had half gelijk.”

„Half gelijk is veel”, zei Herbert. „Ik heb meestal voor een kwart gelijk.”

„Jij hebt meestal voor nul gelijk”, zei Gisela. „Maar wel hard.”

Ze wikkelde zich steviger in de deken. „Toen ik dertien was”, zei ze, „kwam er op de radio dat de Russen iets de lucht in hadden geschoten. Spoetnik. En dat het piepte. De buren waren bang. Daarboven vliegt iets van de Russen. Meneer Hoffmann van de overkant zei: nu gaan ze van bovenaf gooien.”

„En jij?”, vroeg Tobi.

Gisela keek een tijdje omhoog naar Jupiter. „Dat is een langer verhaal”, zei ze. „Dat heeft met mijn vader te maken. Dat vertel ik jullie nog eens. Maar niet vandaag. Vandaag is het te mooi.”

Tobi knikte. Hij kende inmiddels de toon waarop oma „niet vandaag” zei. Het betekende niet „nooit”. Het betekende „binnenkort, maar pas als ik eraan toe ben”.

Meneer Demir zei alleen: „Spoetnik was in 1957. In oktober⁸.”

„En toen de maan”, zei Gisela. „1969. Ik was vierentwintig. We hadden geen televisie. We gingen naar de Leuchtenbergs aan de overkant, die hadden er een. Midden in de nacht. De halve straat zat in hun woonkamer. Mevrouw Leuchtenberg had toastjes gemaakt. En iedereen keek naar zo’n grijs beeld waar je niks op herkende. En toen ging er een het laddertje af.”

„Herkende jij er iets op?”, vroeg Tobi.

„Nee. Maar Heinz zei: dat is hem nu. En toen klapte iedereen. Voor de televisie. Alsof ze dat konden horen.”

„Misschien hebben ze het gehoord”, zei KevIn. „Niet technisch. Maar misschien.”

„Jij zegt toch altijd dat je alleen in gegevens gelooft.”

„Ik heb heel veel gegevens over het feit dat er die nacht over de hele wereld mensen voor de televisie hebben geklapt. Dat is een hoop geklap. Dat moet ergens naartoe.”

Het station

„Eén ding laat ik jullie nog zien”, zei meneer Demir, en hij klikte verder op de beamer. „Helaas alleen als plaatje. Vanavond past de baan niet, het komt pas morgenvroeg om vier uur over, en dan slapen we allemaal. Maar in de herfst zijn er weer goede avonden, vroeg genoeg voor iedereen.”

„Wie?”, vroeg Uwe.

„Het ISS. Het Internationale Ruimtestation.”

Op de koepelwand verscheen een foto: een bouwsel van buizen, kasten en reusachtige gouden zonnepanelen boven een blauwe aarde met witte wolken.

„Zitten daar mensen in?”, vroeg Gisela.

„Daar zitten mensen in”, zei meneer Demir. „En wel zonder onderbreking sinds november 2000⁹. Sindsdien is er altijd iemand daarboven geweest. Er zitten leerlingen hier in de club die nog geen enkele dag hebben meegemaakt waarop er geen mens in de ruimte was.”

Tobi rekende. „Ik ook niet.”

„Ik ook niet”, zei Susi.

„Ik wel”, zei Gisela. „Heel veel.”

„Wie zitten er daarboven?”, vroeg Sabine.

„Het station wordt samen beheerd door de ruimtevaartorganisaties van de VS, Rusland, Europa, Japan en Canada”, zei meneer Demir. „De afzonderlijke modules komen uit verschillende landen. De bemanningen zijn gemengd. En dat loopt al meer dan twintig jaar. Ook in tijden waarin de regeringen van die landen het beneden op aarde helemaal niet met elkaar eens waren.”

„Ook nu?”, vroeg Tobi.

„Ook in moeilijke jaren”, zei meneer Demir voorzichtig. „Het is niet altijd makkelijk. Er is ruzie, ook over de ruimtevaart. Maar daarboven moeten ze de lucht delen. En het water. En de wc. Als er op zo’n station iets kapotgaat, maakt het niet uit uit welk land het reserveonderdeel komt.”

Herbert, die tot nu toe had gezwegen, schraapte zijn keel. „De Russen en de Amerikanen?”

„Ja.”

„Samen in een blikje?”

„Al meer dan twintig jaar.”

Herbert keek lang naar de foto op de koepelwand. „En ze schieten niet?”

„Ze repareren samen de wc”, zei meneer Demir. „Dat smeedt een band.”

Gisela zei niets. Ze keek alleen omhoog, naar de plek waar nu geen station vloog, alsof ze het toch kon vinden.

Het werd weer stil. Alleen de telescoop zoemde, terwijl hij naar zijn ruststand draaide.

KevIn zei niets. In zijn gegevens stonden heel veel oorlogen. Meer dan koolrolletjes, dat had hij Gisela ooit gezegd, op haar verjaardag in de tuin. Maar in zijn gegevens stond ook dit station. Duizenden dagen waarop mensen uit landen die elkaar beneden niet groetten, boven samen ontbeten. Hij had dat altijd voor een voetnoot gehouden. Nu, in het gras van een sterrenwacht, in Tobi’s borstzak, voelde het niet meer als een voetnoot.

„KevIn?”, fluisterde Tobi. „Gaat het?”

„Ik ben aan het rekenen”, zei KevIn.

„Wat dan?”

„Dat weet ik nog niet. Het is een berekening waarvan ik de uitkomst pas ken als ik kijk.”

Naar huis

Op de parkeerplaats klapte Gisela haar stoel in. Meneer Demir hielp haar de deken op te vouwen.

„Bedankt voor de avond”, zei ze. „En voor de ringen.”

„Bedankt voor de Halde”, zei meneer Demir. „Het idee met het grondstation houd ik erin.”

„Mijn vader”, zei Gisela, „seinde zodat de enen wisten waar de anderen waren. Zodat ze elkaar vonden.” Ze aarzelde. „Om te schieten, meestal. Die daarboven seinen ook, zodat ze elkaar vinden. Maar niet om te schieten.”

Meneer Demir wist niet wat hij daarop moest zeggen. Hij knikte alleen.

In de auto was het donker. Uwe reed. De navigatie stond aan, hoewel Uwe de weg kende. Sabine leunde met haar hoofd tegen het raam. Herbert snurkte op de achterbank, tussen Gisela en Tobi, en mompelde in zijn slaap iets over „blikje”.

„KevIn”, zei Uwe na een tijdje. „Hoeveel microseconden waren het ook alweer? Bij die satellieten?”

„Ongeveer 38 per dag.”

„En als je die niet corrigeert, kom je heel ergens anders uit.”

„Kilometers ernaast. Elke dag een beetje meer.”

Uwe keek naar de donkere weg. „Dat is net als met de waarheid, toch? Als er elke dag maar een klein beetje niet klopt, en niemand corrigeert het. Dan kom je op een gegeven moment heel ergens anders uit.”

Het werd stil in de auto. Zelfs Herbert hield even op met snurken.

„Uwe”, zei Sabine. „Heb jij stiekem een boek gelezen?”

„Ik heb nagedacht.”

„Dat is nog erger.”

KevIn zei niets. Hij sloeg de zin op in zijn geheugenfunctie, onder „Complimenten, echte”, hoewel het eigenlijk geen compliment was. Er was alleen geen betere map.

Thuis gaf de thermostaat 19 graden aan. Gisela ging niet meteen naar bed. Ze ging nog vijf minuten in de tuin zitten, op haar stoel, en keek omhoog. Er trok geen station voorbij. Maar ze keek toch.