Bricolage/Shutterstock
Het is moeilijk om de intuïtie dat er een echte en objectieve fysieke wereld bestaat van je af te schudden. Als ik een paraplu boven op een plank zie staan, neem ik aan dat jij dat ook doet. En als ik niet naar de paraplu kijk, verwacht ik dat hij daar blijft liggen zolang niemand hem steelt. Maar de theorie van de kwantummechanica, die de microwereld van atomen en deeltjes regelt, bedreigt dit gezond verstand.
De vierde aflevering van onze podcast Great Mysteries of Physics – gepresenteerd door mij, Miriam Frankel, wetenschapsredacteur bij The Conversation, en ondersteund door FQxI, het Foundational Questions Institute – gaat over de vreemde wereld van de kwantummechanica.
Volgens de kwantumtheorie kan elk systeem, zoals een deeltje, worden beschreven door een golffunctie, die in de tijd evolueert. Door de golffunctie kunnen deeltjes meerdere tegenstrijdige eigenschappen bezitten, zoals op verschillende plaatsen tegelijk zijn – dit wordt een superpositie genoemd. Maar vreemd genoeg is dit alleen het geval als niemand kijkt.
Hoewel elke potentiële plaats in een superpositie een bepaalde waarschijnlijkheid heeft om te verschijnen, kiest het deeltje op het moment dat je het waarneemt er willekeurig een – en verbreekt daarmee de superpositie. Natuurkundigen noemen dit vaak het instorten van de golffunctie. Maar waarom zou de natuur zich anders gedragen naargelang wij kijken of niet? En waarom zou het willekeurig zijn?
Niet iedereen maakt zich zorgen. “Als je alles wat we in onze experimenten kunnen waarnemen wilt verklaren zonder willekeur, moet je door een aantal heel rare en langdradige verklaringen heen waar ik me veel minder prettig bij voel,” betoogt Marcus Huber, hoogleraar kwantuminformatie aan de Technische Universiteit van Wenen. En inderdaad, je kunt van willekeur afkomen als je accepteert dat de toekomst het verleden kan beïnvloeden, dat er meer dan één uitkomst is voor elke meting of dat alles in het universum sinds het begin der tijden voorbestemd is.
Een ander probleem is dat kwantummechanica aanleiding lijkt te geven tot tegenstrijdige feiten. Stel je een wetenschapper voor, Lisa, die in een laboratorium de locatie van een deeltje meet. Voordat haar collega, Nikhil, op de deur van het lab klopt en vraagt welk resultaat zij zag, zou hij Lisa meten als zijnde in een superpositie van beide takken – één waar zij het deeltje hier ziet en één waar zij het deeltje daar ziet. Maar tegelijkertijd kan Lisa er zelf van overtuigd zijn dat zij een definitief antwoord heeft op de vraag waar het deeltje zich bevindt.
Dat betekent dat deze twee mensen zullen zeggen dat de toestand van de werkelijkheid verschillend is – ze zouden verschillende feiten hebben over waar het deeltje is.
Er zijn ook andere eigenaardigheden in de kwantummechanica. Deeltjes kunnen verstrengeld zijn op een manier die hen in staat stelt om op de een of andere manier onmiddellijk informatie te delen, zelfs als ze lichtjaren van elkaar verwijderd zijn, bijvoorbeeld. Dit betwist een andere gangbare opvatting: dat objecten een fysieke bemiddelaar nodig hebben om met elkaar in contact te komen.
Fysici hebben daarom lang gedebatteerd over hoe de kwantummechanica moet worden geïnterpreteerd. Is het een ware en objectieve beschrijving van de werkelijkheid? Zo ja, wat gebeurt er dan met alle mogelijke uitkomsten die we niet meten? De vele werelden interpretatie stelt dat ze wel gebeuren, maar in parallelle universa.
Een andere reeks interpretaties, gezamenlijk bekend als de Kopenhagen interpretatie, suggereert dat kwantummechanica tot op zekere hoogte een gebruiksaanwijzing is in plaats van een perfecte beschrijving van de werkelijkheid. “Wat de Kopenhagen-interpretaties gemeen hebben is op zijn minst een gedeeltelijke stap terug van het volledige beschrijvende doel van de natuurkunde,” legt Chris Timpson uit, een natuurkundefilosoof aan de Universiteit van Oxford. “Dus de kwantumtoestand, dat ding dat deze mooie superposities beschrijft, is slechts een hulpmiddel om voorspellingen te doen over het gedrag van macroscopische meetscenario’s.”
Maar waarom zien we geen kwantumeffect op de schaal van de mens? Chiara Marletto, een kwantumfysicus aan de Universiteit van Oxford, heeft een meta-theorie ontwikkeld die constructortheorie heet en die de hele natuurkunde wil omvatten, uitsluitend gebaseerd op eenvoudige principes over welke fysische transformaties in het universum uiteindelijk mogelijk zijn, welke onmogelijk zijn, en waarom.
Ze hoopt dat het ons kan helpen begrijpen waarom we kwantumeffecten niet zien op de macroscopische schaal van de mens. “Er is niets [in the laws of physics] dat zegt dat het onmogelijk is om kwantumeffecten te hebben op de schaal van een mens,” zegt ze. “Dus of we ontdekken een nieuw principe dat zegt dat ze echt onmogelijk zijn – wat interessant zou zijn – of bij gebrek daaraan is het meer een kwestie van harder proberen de omstandigheden in het laboratorium te scheppen om deze effecten tot stand te brengen.”
Een ander probleem met kwantummechanica is dat het niet verenigbaar is met algemene relativiteit, die de natuur op de grootste schaal beschrijft. Marletto gebruikt de constructeurstheorie om manieren te vinden om de twee te combineren. Ze heeft ook enkele experimenten bedacht die zulke modellen kunnen testen – en bepaalde interpretaties van de kwantummechanica kunnen uitsluiten.
U kunt Great Mysteries of Physics beluisteren via een van de bovenstaande apps, onze RSS-feed, of hier ontdekken hoe u anders kunt luisteren. U kunt ook een transcriptie van de aflevering hier lezen.
Chiara Marletto heeft financiering ontvangen van Moore Foundation, John Templeton Foundation, Eutopia Foundation, FQxi, Templeton World Charity Foundation. Marcus Huber heeft financiering ontvangen van het Oostenrijks wetenschapsfonds (fwf), de Europese onderzoeksraad (ERC), de Europese commissie (EC), het fqxi instituut, de Templeton foundation en de Oostenrijkse academie van wetenschappen. Christopher Timpson heeft financiering ontvangen van de Arts and Humanities Research Council; John Templeton Foundation; Templeton World Charity Foundation; The Foundational Questions Institute.
