FlashMovie/Shutterstock
In 2022 werd de Nobelprijs voor natuurkunde toegekend voor experimenteel werk waaruit blijkt dat de kwantumwereld een aantal van onze fundamentele intuïties over hoe het universum werkt moet doorbreken.
Velen kijken naar die experimenten en concluderen dat ze de “lokaliteit” – de intuïtie dat verre objecten een fysieke bemiddelaar nodig hebben om met elkaar in contact te komen – uitdagen. En inderdaad, een mysterieuze verbinding tussen verre deeltjes zou één manier zijn om deze experimentele resultaten te verklaren.
Anderen denken juist dat de experimenten het “realisme” – de intuïtie dat er een objectieve stand van zaken ten grondslag ligt aan onze ervaring – in twijfel trekken. Tenslotte zijn de experimenten alleen moeilijk te verklaren als men denkt dat onze metingen overeenkomen met iets werkelijks. Hoe dan ook, veel natuurkundigen zijn het eens over wat wel “de dood door het experiment” van het lokale realisme wordt genoemd.
Maar wat als beide intuïties gered kunnen worden, ten koste van een derde? Een groeiende groep deskundigen vindt dat we in plaats daarvan de aanname moeten laten varen dat huidige acties geen invloed kunnen hebben op gebeurtenissen in het verleden. Deze optie, “retrocausaliteit” genoemd, beweert zowel lokaliteit als realisme te redden.
Dit artikel gaat vergezeld van een podcastserie genaamd Great Mysteries of Physics waarin de grootste mysteries waar natuurkundigen vandaag de dag mee te maken hebben aan het licht komen – en de radicale voorstellen om ze op te lossen worden besproken.
Causatie
Wat is causaliteit eigenlijk? Laten we beginnen met de regel die iedereen kent: correlatie is geen oorzakelijk verband. Sommige correlaties zijn oorzakelijk, maar niet alle. Wat is het verschil?
Neem twee voorbeelden. (1) Er is een correlatie tussen een barometernaald en het weer – daarom leren we over het weer door naar de barometer te kijken. Maar niemand denkt dat de naald van de barometer het weer veroorzaakt. (2) Het drinken van sterke koffie is gecorreleerd met een verhoogde hartslag. Hier lijkt het juist om te zeggen dat het eerste het tweede veroorzaakt.
Het verschil is dat als we de barometernaald “wiebelen”, we het weer niet veranderen. Het weer en de barometernaald worden beide gecontroleerd door een derde ding, de atmosferische druk – daarom zijn ze gecorreleerd. Als we de naald zelf bedienen, verbreken we de link met de luchtdruk, en verdwijnt de correlatie.
Maar als we ingrijpen om iemands koffiegebruik te veranderen, veranderen we meestal ook zijn hartslag. Causale verbanden zijn verbanden die blijven bestaan als we een van de variabelen veranderen.
Tegenwoordig heet de wetenschap van het zoeken naar deze robuuste correlaties “causale ontdekking”. Het is een grote naam voor een eenvoudig idee: uitzoeken wat er nog meer verandert als we de dingen om ons heen bewegen.
In het gewone leven nemen we meestal aan dat de effecten van een wiebel later zichtbaar worden dan de wiebel zelf. Dit is zo’n natuurlijke veronderstelling dat we niet merken dat we die maken.
Maar niets in de wetenschappelijke methode vereist dat dit gebeurt, en het wordt gemakkelijk losgelaten in fantasiefictie. Evenzo bidden we in sommige religies dat onze geliefden tot de overlevenden van bijvoorbeeld de scheepsramp van gisteren behoren. We stellen ons voor dat iets wat we nu doen iets in het verleden kan beïnvloeden. Dat is retrocausaliteit.
Quantum retrocausaliteit
John Bell.
wikipedia/cern, CC BY-SA
De kwantumdreiging voor lokaliteit (dat verre objecten een fysieke bemiddelaar nodig hebben om met elkaar in contact te komen) komt voort uit een argument van de Noord-Ierse natuurkundige John Bell in de jaren zestig. Bell beschouwde experimenten waarin twee hypothetische fysici, Alice en Bob, elk deeltjes ontvangen van een gemeenschappelijke bron. Elk kiest een van de verschillende meetinstellingen en registreert vervolgens een meetresultaat. Vele malen herhaald genereert het experiment een lijst van resultaten.
Bell realiseerde zich dat de kwantummechanica voorspelt dat er vreemde correlaties (nu bevestigd) in deze gegevens zullen voorkomen. Deze leken te impliceren dat de keuze van Alice voor de instelling een subtiele “niet-lokale” invloed heeft op de uitkomst van Bob, en vice versa – ook al zijn Alice en Bob lichtjaren van elkaar verwijderd. Het argument van Bell zou een bedreiging vormen voor de speciale relativiteitstheorie van Albert Einstein, een essentieel onderdeel van de moderne natuurkunde.
Maar dat komt omdat Bell aannam dat kwantumdeeltjes niet weten welke metingen ze in de toekomst zullen tegenkomen. Retrocausale modellen stellen voor dat de meetkeuzes van Alice en Bob de deeltjes bij de bron beïnvloeden. Dit kan de vreemde correlaties verklaren, zonder de speciale relativiteit te doorbreken.
In recent werk hebben we een eenvoudig mechanisme voorgesteld voor de vreemde correlaties – het gaat om een bekend statistisch verschijnsel dat Berkson’s bias heet (zie onze populaire samenvatting hier).
Er is nu een bloeiende groep wetenschappers die zich bezighoudt met kwantum retrocausaliteit. Maar het is nog steeds onzichtbaar voor sommige deskundigen in het bredere veld. Het wordt verward met een andere opvatting die “superdeterminisme” heet.
Superdeterminisme
Superdeterminisme komt overeen met retrocausaliteit dat meetkeuzes en de onderliggende eigenschappen van de deeltjes op de een of andere manier gecorreleerd zijn.
Maar het superdeterminisme behandelt het als de correlatie tussen het weer en de barometernaald. Het veronderstelt dat er een mysterieus derde ding is – een “superdeterminator” – dat zowel onze keuzes als de deeltjes controleert en correleert, zoals de atmosferische druk zowel het weer als de barometer controleert.
Het superdeterminisme ontkent dus dat meetkeuzes dingen zijn waarmee we naar believen kunnen wiebelen, ze zijn vooraf bepaald. Vrij wiebelen zou de correlatie verbreken, net als in het geval van de barometer. Critici werpen tegen dat het superdeterminisme daarmee de kernaannames ondermijnt die nodig zijn om wetenschappelijke experimenten uit te voeren. Zij zeggen ook dat het betekent dat de vrije wil wordt ontkend, omdat iets zowel de meetkeuzes als de deeltjes beheerst.
Deze bezwaren gelden niet voor retrocausaliteit. Retrocausalisten doen aan wetenschappelijke causale ontdekking op de gebruikelijke vrije, wiebelige manier. Wij zeggen dat mensen die retrocausaliteit verwerpen de wetenschappelijke methode vergeten, als zij weigeren het bewijs te volgen waar het toe leidt.
Bewijs
Wat is het bewijs voor retrocausaliteit? Critici vragen om experimenteel bewijs, maar dat is het gemakkelijke deel: de relevante experimenten hebben net een Nobelprijs gewonnen. Het lastige is te laten zien dat retrocausaliteit de beste verklaring is voor deze resultaten.
We hebben de mogelijkheid genoemd om de bedreiging voor Einstein’s speciale relativiteit weg te nemen. Dat is een vrij grote hint, volgens ons, en het is verrassend dat het zo lang heeft geduurd om dat te onderzoeken. De verwarring met het superdeterminisme lijkt daar vooral debet aan te zijn.
Bovendien hebben wij en anderen betoogd dat retrocausaliteit een betere betekenis geeft aan het feit dat de microwereld van deeltjes zich niets aantrekt van het verschil tussen verleden en toekomst.
We bedoelen niet dat het allemaal koek en ei is. De grootste zorg over retrocausatie is de mogelijkheid om signalen naar het verleden te sturen, wat de deur opent naar de paradoxen van tijdreizen. Maar om een paradox te maken, moet het effect in het verleden gemeten worden. Als onze jonge grootmoeder ons advies om niet met opa te trouwen niet kan lezen, waardoor wij niet zouden bestaan, is er geen paradox. En in het geval van kwantum is het bekend dat we nooit alles tegelijk kunnen meten.
Toch is er nog werk aan de winkel om concrete retrocausale modellen te bedenken die deze beperking dat je niet alles tegelijk kunt meten, afdwingen. Dus sluiten we af met een voorzichtige conclusie. In dit stadium is het de retrocausaliteit die de wind in de zeilen heeft, dus de romp omlaag naar de grootste prijs van allemaal: het redden van localiteit en realisme van de “dood door het experiment”.
Huw Price heeft financiering ontvangen van de Australian Research Council en de Leverhulme Trust.
Ken Wharton werkt niet voor, geeft geen advies, heeft geen aandelen in of ontvangt geen financiering van een bedrijf of organisatie die baat zou hebben bij dit artikel, en heeft geen relevante banden bekendgemaakt buiten zijn academische aanstelling.
