Doe je ogen dicht. Wat zie je?

Nee, het antwoord is niet ‘niets’. Je oogleden zijn dun genoeg om nog steeds licht door te laten uit de omgeving. Volledige duisternis is zeldzaam. Zelfs op een pikdonkere nacht zonder maan of lichtvervuiling vangt je oog nog altijd miljoenen fotonen per seconde op, alleen al van het zwakke licht van de sterrenhemel.

Toch kunnen we in zulke omstandigheden met weinig licht nog steeds zien zodra onze ogen eraan gewend zijn. Dat hebben we te danken aan staafjes: cellen die speciaal zijn afgestemd op nachtzicht. Deze staafjes hebben een pigment genaamd rodopsine dat geactiveerd wordt door fotonen en een signaal naar de hersenen stuurt: licht gedetecteerd.

Maar zelfs in de donkere nachtlucht wemelt het dus nog van de fotonen. In het Löffler Lab van het Leids Instituut voor Onderzoek in de Natuurkunde (LION) wordt een vraag gesteld die de grenzen van onze waarneming aftast: kunnen mensen bewust één enkel foton zien?

Wolfgang Löffler en zijn team maken deel uit van de afdeling Quantum Matter and Optics. Deze groep onderzoekt hoe licht in wisselwerking staat met fysieke materie, van afzonderlijke atomen tot de complexe systemen van het menselijk oog. Löffler werkt al meer dan vijftien jaar in de kwantumfysica, maar blijft onverminderd enthousiast over wat er nog allemaal te ontdekken valt.

Nobelprijs

‘De kwantumfysica begon zo’n honderd jaar geleden, maar ongeveer vijfentwintig jaar geleden werd duidelijk dat we echt aan het begin staan van een nieuwe kwantumrevolutie. Zo begon ik mijn carrière: ik wil altijd bezig zijn met het “volgende ding”. We moeten nieuwe wegen inslaan en nieuwe uitdagingen aangaan in de natuurkunde.’

Samen met collega Tom van der Reep verdiept Löffler zich momenteel in de vraag hoe de hersenen in wisselwerking staan met de kwantumwereld.

Enkele fotonen zijn het kleinste kwantum, oftewel energie-eenheid, van licht. ‘Wat wordt hier bedoeld met “klein”? Nou, er zijn allerlei experimenten gedaan met licht. Als je de intensiteit ervan steeds verder verlaagt, zie je op een gegeven moment dat het licht óf wordt geabsorbeerd in veelvouden van een bepaalde energie, óf juist helemaal niet.’

Met andere woorden, er bestaat niet zoiets als een half foton. Dit feit is al meer dan een eeuw bekend. ‘Einstein wist dit al in 1905. Als je licht op een metaal schijnt, komen er soms elektronen vrij, en dat hangt alleen af van de golflengte van het licht, niet van de intensiteit.’ Dit heet het foto-elektrisch effect, en het leverde Einstein de Nobelprijs op. ‘Toen werd al snel duidelijk dat we een hele nieuwe beschrijving van de wereld nodig hadden.’ Zo werd de basis gelegd voor de kwantummechanica.

Op microscopisch niveau gedragen deeltjes zich vreemd. Fotonen kunnen bijvoorbeeld op twee plaatsen tegelijk zijn. Maar Löffler legt uit dat zelfs grote moleculen deze vreemde kwantumeigenschappen kunnen vertonen. ‘1500 atomen, dat is het record.’ En de limiet? Volgens Löffler bestaat die waarschijnlijk niet – in theorie vertoont alles kwantumgedrag.

Hij heeft geen bezwaar tegen het idee dat alles eigenlijk kwantum is. ‘Ik kan me er wel in vinden. Het idee dat onze wereld spannender is dan wat ik met eigen ogen kan zien, vind ik juist mooi. Dat wil niet zeggen dat ik het helemaal begrijp. Je moet het gewoon accepteren, anders ga je er wakker van liggen.’

Fotonen horen

Op een karretje in het kantoor van Löffler staat een peperduur apparaat met een donkere deken eromheen gewikkeld. ‘Een momentje’, zegt hij terwijl hij het licht uitdoet en verschillende kabels aansluit op een circuit. Een speaker, een stroombron en het pronkstuk van vijfduizend euro: een enkelfotondetector. Hij zet het apparaat aan en er klinkt een snel klikkend geluid uit de speaker, alsof je met een geigerteller door een radioactief gebied loopt. Met dit apparaat kun je individuele fotonen hóren.

‘Het detecteert 100 tot 200 fotonen per seconde.’ Elke klik staat voor een foton dat de machine bereikt. En dat terwijl de detector nog steeds strak in de deken is gewikkeld, duizend keer donkerder dan sterrenlicht.

Löffler trekt een stukje van de deken iets omhoog. Het apparaat is niet eens blootgesteld maar het geklik wordt duidelijk luider. De bovengrens van de detector ligt bij een miljoen fotonen per seconde dus veel luider dan dit wordt het niet, ook al is het apparaat nog steeds in het donker gehuld.

Gezichtsherkenning

Fotondetectoren zoals deze hebben veel toepassingen. Als je telefoon gezichtsherkenning heeft, wordt er elke keer dat je hem ontgrendelt een zwakke laser op je gezicht afgevuurd. De telefoon registreert hoelang het duurt voordat de fotonen terugkaatsen ‘om te controleren of het wel om een echt gezicht gaat of dat er een foto voor de camera wordt gehouden’.

‘Met zo’n enkelfotondetector kun je de duisternis van een ruimte kwantificeren. Dat is belangrijk, want sommige materialen kunnen ongewenst fotonen afgeven – zelfs het menselijk lichaam.’

Het Löffler Lab heeft ook een oplossing gevonden om volledige duisternis te creëren. Hun onverwachte truc om een écht donkere darkroom te maken: een kweektent voor cannabis. Normaal gesproken houdt het reflecterende tentzeil warmte en licht binnen – ideaal voor het kweken van wiet. Maar binnenstebuiten gedraaid houden ze het licht juist buiten. Door ze in een al donker optisch laboratorium te plaatsen, worden ongewenste fotonen minder frequent.

En toch is dat nog niet genoeg. Of zoals Löffler zichzelf hardop afvraagt: ‘Waarom is dit dan zo’n ingewikkeld probleem?’ Als de kamer donker genoeg is dat enkele fotonen het oog kunnen bereiken, ‘dan zou het allemaal van een leien dakje moeten gaan.’

De grootste uitdaging bij het testen van hoe mensen individuele fotonen waarnemen ligt verrassend genoeg niet in de kwantumonvoorspelbaarheid van de fotonen, maar in de complexiteit van het menselijk lichaam.

Dark activations

‘We moeten kijken naar het rodopsinemolecuul, dat het licht in de staafjes absorbeert’, legt hij uit. Jammer genoeg geeft het soms spontaan een signaal af, ook als er geen foton geabsorbeerd is. Dit fenomeen heet dark activation. Het goede nieuws: ‘Gemiddeld vindt dark activation van één rodopsinemolecuul eens in de duizend jaar plaats.’ Het slechte nieuws: ‘We hebben miljarden van die rodopsinemoleculen. Als we het uitrekenen komen we uit op, eh, enkele tientallen dark activations per seconde.’

Maar daarmee houdt het nog niet op. ‘Onze hersenen zijn dankzij de evolutie natuurlijk zo ontwikkeld dat we die dark activations kunnen negeren, anders zouden we er gek van worden. Het feit dat we kunnen slapen zonder dat er een hele lichtshow afspeelt achter onze ogen, zegt al genoeg: de evolutie heeft ons een handje geholpen. Er zijn verschillende onderdrukkingsmechanismen die de dark activations tegenhouden.’

Maar dat brengt een nieuw probleem met zich mee. Als de hersenen spontane dark activations onderdrukken, kunnen ze misschien ook het echte signaal van een enkel foton tegenhouden. ‘En eerlijk gezegd heb ik daarom geen idee wat de uitkomst van ons experiment zal zijn.’

Om te testen of mensen een enkel foton kunnen waarnemen, moeten de omstandigheden zorgvuldig worden gecontroleerd. Voorafgaand aan het experiment moeten de proefpersonen ongeveer een half uur in volledige duisternis doorbrengen.

stress vs. geluk

‘Het experiment gaat als volgt: als proefpersoon krijg je de vraag of je vóór of na het geluid een foton zag. Dus niet de vraag: “Heb ik een foton gezien of niet?” Met deze methode wordt een belangrijke bron van bias weggenomen. Eerdere studies met zwak licht hebben aangetoond dat sommige deelnemers bij een ja/nee-vraag telkens oprecht antwoorden met “Ik heb geen licht gezien”, zelfs als ze bij een vóór/na-vraag het moment waarop het licht verscheen wél betrouwbaar weten aan te wijzen. Het afdwingen van een beslissing lijkt dus de onbewuste waarneming te activeren.

‘Daarnaast gaan we een parallel experiment opzetten met iets sterkere lichtpulsen en een veel kortere gewenningstijd voor de proefpersonen.’ Het wordt een burgerwetenschapsproject waar iedereen aan mee kan doen. ‘Ons doel is om lichtwaarneming in verband te brengen met allerlei factoren. Van demografische gegevens tot wat neurowetenschappers “hersentoestanden” zouden noemen; zelf zou ik zeggen: hoe gelukkig je bent, of je gestrest bent, of je ziek bent... want er is nog maar weinig bekend over hoe de waarneming van licht verschilt op basis van iemands eigenschappen.’

Met dat project - ‘waarvoor we een beurs hebben ontvangen van de Nationale Wetenschapsagenda’ - hoopt Löffler mensen meer te leren over natuurkunde. ‘Bijvoorbeeld over het kwantumgedrag van fotonen.’ Hij wil het experiment graag op een toegankelijke plek uitvoeren, bijvoorbeeld in een museum, een bibliotheek of ergens op de universiteit. ‘Of misschien zelfs op Leiden Centraal’, grapt hij. ‘Op andere stations staan piano’s, dus een kastje om lichtwaarneming te testen is zo’n gek idee nog niet.’