Je kijkt naar een appel. Je weet dat deze appel rood is, ook als je er niet naar kijkt. Dat is wat we “echt” noemen.
Maar wat als ik je vertel dat de wetenschap heeft ontdekt dat dit misschien niet helemaal waar is?
Dat objecten niet echt een vaste eigenschap hebben, zoals de kleur rood, of de ronde vorm tenzij we ernaar kijken. Dit is een van de vreemde ontdekkingen die wetenschappers hebben gedaan in de wereld van de kwantumfysica.
Dit idee gaat volledig in tegen wat we in ons dagelijks leven ervaren. Zoals Albert Einstein ooit zei: “Geloof je echt dat de maan er niet is als je er niet naar kijkt?”
Dit idee, dat de realiteit niet lokaal is, heeft altijd veel wetenschappers geirriteerd en werd over het algemeen gezien als een slechte zet richting verdere wetenschap over kwantummechanica.
John Clauser, Alain Aspect en Anton Zeilinger
Drie natuurkundigen, John Clauser, Alain Aspect en Anton Zeilinger, hebben de Nobelprijs voor Natuurkunde 2022 gewonnen voor hun experimenten die dit idee ondersteunen.
Ze hebben aangetoond dat deeltjes niet alleen worden beïnvloed door hun directe omgeving, maar ook door andere deeltjes, ongeacht hoe ver weg ze zijn. Dit wordt “verstrengeling” genoemd.
Dit idee was zo radicaal dat het lange tijd werd genegeerd of zelfs belachelijk gemaakt. Maar tegenwoordig is het een van de meest opwindende gebieden in de natuurkunde. Het helpt ons om dingen te begrijpen zoals zwarte gaten, kwantumsensoren en kwantumcomputers.
Een van de belangrijkste dingen die kwantumcomputers “kwantum” maken, is deze verstrengeling. Zonder het werk van deze Nobelprijswinnaars zouden we waarschijnlijk geen kwantumcomputers kunnen bouwen.
Wat is verstrengeling?
Stel je voor dat je twee dobbelstenen hebt. Normaal gesproken, als je ze allebei gooit, krijg je twee willekeurige getallen. Maar stel je nu voor dat deze dobbelstenen “verstrengeld” zijn op een magische manier. Dit betekent dat als je de ene dobbelsteen gooit en een 6 krijgt, de andere dobbelsteen ook automatisch een 6 laat zien, ongeacht hoe ver weg ze zijn van elkaar. Het is alsof ze op de een of andere manier met elkaar kunnen communiceren, zelfs als ze aan de andere kant van het universum zijn.
Dit is wat kwantumverstrengeling inhoudt. Het is een fenomeen in de kwantummechanica waarbij twee of meer deeltjes op zo’n manier met elkaar verbonden zijn dat de toestand van het ene deeltje onmiddellijk – sneller dan het licht – de toestand van het andere beïnvloedt, ongeacht hoe ver ze van elkaar verwijderd zijn.
Kwantummechanica als een feilloze wetenschap
Het probleem met de kwantummechanica was nooit dat het verkeerde voorspellingen deed. Het beschrijft de microscopische wereld uitstekend. Het probleem was dat het ideeën over de realiteit naar voren bracht die voor ons heel vreemd zijn.
Een manier om dit te begrijpen is door een gedachte-experiment. Stel je voor dat we paren van deeltjes in verschillende richtingen sturen, naar twee waarnemers, Alice en Bob, die zich aan tegenovergestelde uiteinden van het zonnestelsel bevinden.
De kwantummechanica zegt dat het onmogelijk is om te weten wat de spin (een eigenschap van de deeltjes) zal zijn voordat we meten. Maar zodra Alice haar deeltje meet, weet ze meteen dat het deeltje van Bob de tegenovergestelde spin moet hebben.
Dit lijkt op het eerste gezicht niet zo vreemd. Maar volgens de kwantummechanica bepalen de deeltjes pas hun spin bij de meting. Dus hoe weet het deeltje van Alice wat het deeltje van Bob gaat doen, zelfs als ze miljarden kilometers uit elkaar zijn?
Verborgen eigenschappen en natuurwetten
Dit is het vreemde aan de kwantummechanica: deeltjes lijken met elkaar te communiceren, ongeacht de afstand. Sommige natuurkundigen dachten dat dit kon worden verklaard door “verborgen variabelen”, factoren die we niet kunnen waarnemen, die informatie bevatten over de toekomstige toestand van een deeltje. Maar experimenten hebben aangetoond dat dit waarschijnlijk niet het geval is.
Er bestaat dus een niet-lokale realiteit
Het idee van niet-lokale realiteit bleef decennia lang een probleem, totdat John Bell een manier bedacht om het te testen. Hij bedacht een experiment dat kon bewijzen welke theorie juist was. Als de resultaten onder een bepaalde grens bleven, zou dit suggereren dat verborgen variabelen echt zijn; als ze die grens overschreden, zouden de vreemde aspecten van de kwantummechanica overheersen.
John Clauser en zijn student Stuart Freedman voerden het eerste van deze experimenten uit. Ze vonden sterk bewijs tegen de theorie van verborgen variabelen. Maar hun experiment had enkele tekortkomingen, dus het was niet definitief.
Later voerde Alain Aspect een verbeterd experiment uit dat de resultaten van Clauser bevestigde. En nog later voerde Anton Zeilinger een experiment uit over een afstand van 1.200 kilometer, wat de resultaten nog sterker maakte.
Conclusie
Deze experimenten hebben ons begrip van de realiteit veranderd. Maar ze hebben ook veel debat veroorzaakt. En hoewel we nog steeds proberen te begrijpen wat dit allemaal betekent, gaan we verder met ons dagelijks leven, met appels en manen die er nog steeds zijn, of we er nu naar kijken of niet.
Een van de verontrustende ontdekkingen in de afgelopen halve eeuw is dat het universum niet lokaal echt is. In deze context betekent “echt” dat objecten definitieve eigenschappen hebben die onafhankelijk zijn van observatie – een appel kan rood zijn, zelfs als niemand ernaar kijkt.
“Lokaal” betekent dat objecten alleen beïnvloed kunnen worden door hun omgeving en dat elke invloed niet sneller kan reizen dan het licht. Onderzoek aan de grenzen van de kwantumfysica heeft aangetoond dat deze twee principes niet tegelijkertijd waar kunnen zijn.
In plaats daarvan toont het bewijs aan dat objecten niet uitsluitend beïnvloed worden door hun omgeving en dat ze mogelijk ook geen definitieve eigenschappen hebben vóór de meting.
Dit staat uiteraard haaks op onze dagelijkse ervaringen. Zoals Albert Einstein ooit tegen een vriend klaagde: “Geloof je echt dat de maan er niet is als je er niet naar kijkt?”
Om een zin van auteur Douglas Adams aan te passen, heeft het verdwijnen van lokaal realisme veel mensen woedend gemaakt en is het algemeen beschouwd als een slechte zet.
De verantwoordelijkheid voor deze prestatie wordt nu volledig toegeschreven aan drie natuurkundigen: John Clauser, Alain Aspect en Anton Zeilinger.
Zij hebben gezamenlijk de Nobelprijs voor Natuurkunde 2022 ontvangen “voor experimenten met verstrengelde fotonen, waarbij de schending van de Bell-ongelijkheden werd aangetoond en de pioniersrol in de kwantuminformatiewetenschap werd gevestigd”.
“Bell-ongelijkheden” verwijst naar het baanbrekende werk van de Noord-Ierse natuurkundige John Stewart Bell, die in de vroege jaren 1960 de basis legde voor de Nobelprijs voor Natuurkunde 2022.
Collega’s waren het erover eens dat het trio het verdiende, omdat ze de realiteit zoals we die kennen omver hebben geworpen. “Het was hoog tijd”, zegt Sandu Popescu, een kwantumnatuurkundige aan de Universiteit van Bristol in Engeland. “Zonder enige twijfel is de prijs zeer verdiend.”
De experimenten, beginnend met het vroegste experiment van Clauser en de voortzetting ervan, tonen aan dat dit niet alleen filosofisch is, maar echt – en net als andere echte dingen, potentieel nuttig”, zegt Charles H. Bennett, een vooraanstaande kwantumonderzoeker bij IBM.
“Elk jaar dacht ik: ‘Oh, misschien is dit het jaar'”, zegt David Kaiser, een natuurkundige en historicus aan het Massachusetts Institute of Technology. In 2022 “was het echt zo. Het was erg emotioneel – en erg opwindend.”
De reis van de marge naar de mainstream was een lange. Van ongeveer 1940 tot zo laat als 1990 werden studies naar zogenaamde kwantumgrondslagen vaak beschouwd als filosofie op zijn best en als krankzinnigheid op zijn slechtst.
Veel wetenschappelijke tijdschriften weigerden papers over dit onderwerp te publiceren en academische posities die zich bezighielden met dergelijk onderzoek waren vrijwel onmogelijk te krijgen.
In 1985 waarschuwde de adviseur van Popescu hem tegen een promotieonderzoek op dit gebied. “Hij zei: ‘Kijk, als je dat doet, heb je vijf jaar plezier en daarna ben je werkloos'”, zegt Popescu.
Tegenwoordig behoort de kwantuminformatiewetenschap tot de meest levendige subgebieden van de natuurkunde. Het beïnvloedt het ontwerp en de werking van kwantumsensoren, die steeds vaker worden gebruikt om alles te bestuderen, van aardbevingen tot donkere materie.
En het verduidelijkt de vaak verwarrende aard van kwantumverstrengeling, een fenomeen dat cruciaal is voor de moderne materiaalwetenschap en dat de kern vormt van de kwantumcomputer.
“Wat maakt een kwantumcomputer eigenlijk ‘kwantum’?” vraagt Nicole Yunger Halpern, een natuurkundige van het National Institute of Standards and Technology, retorisch.
“Een van de meest populaire antwoorden is verstrengeling, en de belangrijkste reden waarom we verstrengeling begrijpen, is het grote werk dat Bell en deze Nobelprijswinnaars hebben verricht.
Zonder dat begrip van verstrengeling zouden we waarschijnlijk geen kwantumcomputers kunnen realiseren.”
De moeilijkheid met de kwantummechanica was nooit dat deze verkeerde voorspellingen deed – in feite beschreef de theorie de microscopische wereld uitstekend vanaf het moment dat natuurkundigen deze bedachten in de opening van de jaren 20 van de 20e eeuw.
Waar Einstein, Boris Podolsky en Nathan Rosen bezwaar tegen maakten, zoals ze uitlegden in hun iconische paper uit 1935, waren de ongemakkelijke implicaties van de theorie voor de realiteit.
Hun analyse, bekend onder hun initialen EPR, draaide om een gedachte-experiment dat bedoeld was om de absurditeit van de kwantummechanica te illustreren.
Het doel was om aan te tonen hoe onder bepaalde omstandigheden de theorie kan falen – of op zijn minst onzinnige resultaten kan opleveren die in strijd zijn met onze diepste aannames over de realiteit.
Een vereenvoudigde en gemoderniseerde versie van EPR gaat als volgt: Paren van deeltjes worden vanuit een gemeenschappelijke bron in verschillende richtingen gestuurd, naar twee waarnemers – Alice en Bob – die zich aan tegenovergestelde uiteinden van het zonnestelsel bevinden.
De kwantummechanica bepaalt dat het onmogelijk is om de spin, een kwantumeigenschap van individuele deeltjes, te voorspellen voordat deze wordt gemeten.
Maar als Alice haar deeltje meet en ontdekt dat het een spin omhoog heeft, dan weet ze onmiddellijk dat Bob’s deeltje een spin omlaag zal hebben, en vice versa – ongeacht hoe ver ze van elkaar verwijderd zijn.
Maar terwijl de natuurkunde in deze wereld van niet-lokaal realisme nog steeds op zoek is naar evenwicht, heeft de rest van ons nog steeds te maken met de dagelijkse realiteit van appels en manen, ongeacht wie er wel of niet naar kijkt.
