Shrödinger's kat is wereldberoemd, maar wat betekent het eigenlijk? Robert Couse-Baker/Flickr, CC BY-SA
Kwantummechanica, de theorie die de microwereld van atomen en deeltjes beheerst, heeft zeker de X-factor. In tegenstelling tot veel andere gebieden van de natuurkunde is het bizar en contra-intuïtief, wat het duizelingwekkend en intrigerend maakt. Toen de Nobelprijs voor natuurkunde van 2022 werd toegekend aan Alain Aspect, John Clauser en Anton Zeilinger voor hun onderzoek naar de kwantummechanica, leidde dat tot opwinding en discussie.
Maar debatten over kwantummechanica – op chatforums, in de media of in sciencefiction – kunnen vaak in de war raken dankzij een aantal hardnekkige mythes en misvattingen. Hier zijn er vier.
1. Een kat kan dood en levend zijn
Erwin Schrödinger had waarschijnlijk nooit kunnen voorspellen dat zijn gedachte-experiment, de kat van Schrödinger, in de 21e eeuw de status van internet meme zou bereiken.
Het suggereert dat een ongelukkige katachtige die vastzit in een doos met een dodemansknop die wordt geactiveerd door een willekeurige kwantumgebeurtenis – radioactief verval, bijvoorbeeld – tegelijkertijd levend en dood kan zijn, zolang we de doos niet openen om te controleren.
We weten al lang dat kwantumdeeltjes tegelijkertijd in twee toestanden kunnen verkeren – bijvoorbeeld op twee plaatsen. We noemen dit een superpositie.
Wetenschappers hebben dit kunnen aantonen in het beroemde dubbel-spleten experiment, waarbij een enkel kwantumdeeltje, zoals een foton of elektron, tegelijkertijd door twee verschillende spleten in een wand kan gaan. Hoe weten we dat?
In de kwantumfysica is de toestand van elk deeltje ook een golf. Maar als we een stroom fotonen – één voor één – door de spleten sturen, ontstaat een patroon van twee golven die met elkaar interfereren op een scherm achter de spleet. Aangezien elk foton geen andere fotonen had om mee te interfereren toen het door de spleten ging, betekent dit dat het gelijktijdig door beide spleten moet zijn gegaan – interfererend met zichzelf (afbeelding hieronder).
Interferentiepatroon.
grayjay
Maar om dit te laten werken moeten de toestanden (golven) in de superpositie van het deeltje dat door beide spleten gaat “coherent” zijn – een goed gedefinieerde relatie met elkaar hebben.
Deze superpositie-experimenten kunnen worden uitgevoerd met objecten van steeds grotere en complexere omvang. Een beroemd experiment van Anton Zeilinger in 1999 toonde kwantumsuperpositie aan met grote moleculen van Koolstof-60, bekend als “buckyballs”.
Dus wat betekent dit voor onze arme kat? Is hij echt zowel levend als dood zolang we de doos niet openen? Het is duidelijk dat een kat niets is als een individueel foton in een gecontroleerde laboratoriumomgeving, hij is veel groter en complexer. Elke samenhang die de triljoenen en triljoenen atomen waaruit de kat bestaat met elkaar hebben, is van zeer korte duur.
Dit betekent niet dat kwantumcoherentie onmogelijk is in biologische systemen, alleen dat het in het algemeen niet zal gelden voor grote wezens zoals katten of een mens.
2. Eenvoudige analogieën kunnen verstrengeling verklaren
Verstrengeling is een kwantumeigenschap die twee verschillende deeltjes met elkaar verbindt, zodat als je de ene meet, je automatisch en onmiddellijk de toestand van de andere kent – ongeacht hoe ver ze van elkaar verwijderd zijn.
Gangbare verklaringen hiervoor hebben meestal betrekking op alledaagse voorwerpen uit onze klassieke macroscopische wereld, zoals dobbelstenen, kaarten of zelfs paren oneven gekleurde sokken. Stel bijvoorbeeld dat je je vriend vertelt dat je een blauwe kaart in een enveloppe hebt gedaan en een oranje kaart in een andere. Als je vriend een van de enveloppen pakt en opent en de blauwe kaart vindt, weet hij dat jij de oranje kaart hebt.
Maar om de kwantummechanica te begrijpen, moet je je voorstellen dat de twee kaarten in de enveloppen zich in een gezamenlijke superpositie bevinden, wat betekent dat ze tegelijkertijd zowel oranje als blauw zijn (meer bepaald oranje/blauw en blauw/oranje). Bij het openen van één enveloppe komt een willekeurige kleur tevoorschijn. Maar het openen van de tweede brengt altijd de tegenovergestelde kleur aan het licht, omdat deze “spookachtig” verbonden is met de eerste kaart.
Men zou de kaarten kunnen dwingen in een andere reeks kleuren te verschijnen, vergelijkbaar met een ander soort meting. We zouden een envelop kunnen openen met de vraag: “Ben je een groene of een rode kaart?”. Het antwoord zou weer willekeurig zijn: groen of rood. Maar cruciaal is dat als de kaarten verstrengeld zijn, de andere kaart altijd het tegenovergestelde resultaat oplevert als dezelfde vraag wordt gesteld.
Albert Einstein probeerde dit te verklaren met klassieke intuïtie, door te suggereren dat de kaarten voorzien konden zijn van een verborgen, interne instructieset die hen vertelde in welke kleur ze moesten verschijnen gegeven een bepaalde vraag. Hij verwierp ook de schijnbare “spookachtige” actie tussen de kaarten die hen schijnbaar in staat stelt elkaar onmiddellijk te beïnvloeden, wat communicatie sneller dan de lichtsnelheid zou betekenen, iets wat verboden is door Einstein’s theorieën.
De verklaring van Einstein werd later echter uitgesloten door het theorema van Bell (een theoretische test bedacht door de natuurkundige John Stewart Bell) en experimenten van de Nobelprijswinnaars van 2022. Het idee dat het meten van de ene verstrengelde kaart de toestand van de andere verandert is niet waar. Kwantumdeeltjes zijn gewoon op mysterieuze wijze gecorreleerd op manieren die we niet kunnen beschrijven met alledaagse logica of taal – ze communiceren niet terwijl ze ook een verborgen code bevatten, zoals Einstein had gedacht. Vergeet dus alledaagse objecten als je aan verstrengeling denkt.
3. De natuur is onwerkelijk en “niet-lokaal
Van het theorema van Bell wordt vaak gezegd dat het bewijst dat de natuur niet “lokaal” is, dat een object niet alleen direct beïnvloed wordt door zijn directe omgeving. Een andere gangbare interpretatie is dat het impliceert dat eigenschappen van kwantumobjecten niet “echt” zijn, dat ze niet bestaan vóór de meting.
Maar het theorema van Bell staat ons alleen toe om te zeggen dat kwantumfysica betekent dat de natuur niet zowel reëel als lokaal is, als we tegelijkertijd een paar andere dingen aannemen. Deze veronderstellingen omvatten het idee dat metingen slechts een enkele uitkomst hebben (en niet meerdere, misschien in parallelle werelden), dat oorzaak en gevolg vooruitgaan in de tijd en dat we niet leven in een “uurwerkuniversum” waarin alles al sinds het begin der tijden is vastgelegd.
Verstrikkingsconcept.
Jurik Peter/Shuttestock
Ondanks het theorema van Bell zou de natuur wel eens echt en lokaal kunnen zijn, als je een aantal andere dingen die wij als gezond verstand beschouwen, zoals het vooruitgaan van de tijd, zou mogen doorbreken. En verder onderzoek zal hopelijk het grote aantal mogelijke interpretaties van kwantummechanica beperken. Maar de meeste opties die op tafel liggen – bijvoorbeeld het teruglopen van de tijd, of de afwezigheid van de vrije wil – zijn minstens zo absurd als het opgeven van het concept van de lokale werkelijkheid.
4. Niemand begrijpt kwantummechanica
Een klassiek citaat (toegeschreven aan de natuurkundige Richard Feynman, maar in deze vorm ook een parafrase van Niels Bohr) veronderstelt: “Als je denkt dat je kwantummechanica begrijpt, begrijp je het niet.”
Deze opvatting is algemeen bekend. Kwantumfysica zou onmogelijk te begrijpen zijn, ook door natuurkundigen. Maar vanuit een 21ste-eeuws perspectief is kwantumfysica noch wiskundig noch conceptueel bijzonder moeilijk voor wetenschappers. Wij begrijpen het buitengewoon goed, tot een punt waarop wij kwantumverschijnselen met grote precisie kunnen voorspellen, zeer complexe kwantumsystemen kunnen simuleren en zelfs kunnen beginnen met het bouwen van kwantumcomputers.
Superpositie en verstrengeling, wanneer uitgelegd in de taal van kwantuminformatie, vereisen niet meer dan middelbare school wiskunde. De stelling van Bell vereist helemaal geen kwantumfysica. Het kan in een paar regels worden afgeleid met behulp van kansrekening en lineaire algebra.
Waar de echte moeilijkheid misschien ligt, is hoe de kwantumfysica te verzoenen met onze intuïtieve werkelijkheid. Het niet hebben van alle antwoorden zal ons niet tegenhouden om verdere vooruitgang te boeken met kwantumtechnologie. We kunnen gewoon onze mond houden en rekenen.
Gelukkig voor de mensheid weigerden Nobelwinnaars Aspect, Clauser en Zeilinger hun mond te houden en bleven ze zich afvragen waarom. Anderen zoals zij kunnen op een dag helpen kwantumwaanzin te verzoenen met onze ervaring van de werkelijkheid.
Alessandro Fedrizzi ontvangt financiering van de UK Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) (EP/T001011/1).
Mehul Malik ontvangt financiering van de UK Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) (EP/P024114/1) en de European Research Council (ERC) Starting Grant PIQUaNT (950402).
