Kwantumfysicus observeert

Het einde van de objectieve werkelijkheid

Einstein maakte van tijd en plaats relatieve grootheden, en nu gaan natuurkundigen een stap verder: of iets plaatsvindt of niet, kan afhangen van de waarnemer. Alleen een bewuste kwantumcomputer kan uitwijzen of objectieve werkelijkheid bestaat.

Einstein maakte van tijd en plaats relatieve grootheden, en nu gaan natuurkundigen een stap verder: of iets plaatsvindt of niet, kan afhangen van de waarnemer. Alleen een bewuste kwantumcomputer kan uitwijzen of objectieve werkelijkheid bestaat.

Claus Lunau

Als er een boom in het bos omvalt, maar geen mens ziet het, is de boom misschien toch niet gevallen.

Het klinkt absurd, maar kwantumfysici leven al tientallen jaren met deze paradox. Atoomdeeltjes veranderen pas van een diffuse wolk van mogelijkheden in echte deeltjes op het moment dat we ze meten. Dit is hetzelfde als zeggen dat de boom wel én niet omgevallen is, tenzij we het in het bos gaan checken.

Nu maakt een baanbrekend experiment de kwantumwereld nog absurder.

Natuurkundigen van de Griffith University in Australië simuleerden met behulp van lasers en prisma’s een gedachte-experiment waarbij vier natuurkundigen kwantummetingen verrichten en tegelijkertijd elkaar meten.

In het experiment zou het viertal altijd hetzelfde resultaat moeten krijgen – maar zo verliep het niet. Dus als twee natuurkundigen de boom zien vallen, kan het zijn dat hij toch nog overeind staat.

Nora Tischler

Natuurkundige Nora Tischler is gealarmeerd door haar eigen experiment, dat aantoont dat de werkelijkheid afhankelijk kan zijn van de waarnemer, want zonder betrouwbare meetresultaten komt de wetenschap op losse schroeven te staan.

© Griffith University

De vooruitzichten zijn bijna gekmakend.

Want als de kwantummechanica niet consistent is, moeten we de theorie overboord zetten. Dat is nogal wat, want ze verklaart alle bekende natuur- en scheikundige reacties en vormt de basis van alle moderne technologie.

Maar als de kwantummechanica wél overeind blijft, zijn de gevolgen nog gekmakender, omdat de werkelijkheid dan verschillend kan zijn voor twee waarnemers – wat betekent dat er geen objectieve werkelijkheid is.

Terwijl een deeltje voor de ene onderzoeker werkelijkheid wordt, kan de werkelijkheid anders zijn voor een collega die hem of haar meet.

Daarmee hebben natuurkundigen weer een belangrijk stuk ontmanteld van de werkelijkheid zoals wij die intuïtief ervaren – een proces dat ruim een eeuw geleden met Einstein begon.

Relativiteit sluipt erin

De moderne wetenschap danken we aan Isaac Newton, en van de 17e tot begin 20e eeuw was het natuurkundig wereldbeeld deterministisch.

Natuurkundigen dachten dat de tijd altijd van verleden naar toekomst loopt en dat elk proces lokale oorzaken heeft, als een rij dominostenen. Kortom, ze waren ervan overtuigd dat de werkelijkheid absoluut was en precies zo werkte als wij haar zien, wegen en meten.

Maar met Einsteins relativiteitstheorie stortte dat wereldbeeld in.

De theorie toont aan dat tijd en plaats geen absolute grootheden zijn. Als een ster ergens in de Melkweg explodeert, en astronomen op aarde en op een verre planeet meten waar en wanneer de explosie plaatsvond, komen ze met heel verschillende resultaten.

Eén ding was echter zeker: dát de ster explodeerde. Maar ook die zekerheid is nu op losse schroeven komen te staan met het nieuwe Australische experiment.

Kat is dood en levend

Atomen en hun bouwstenen zijn lang niet zo tastbaar als de voorwerpen die ze vormen.

In onze macroscopische werkelijkheid is een biljartbal rond, hard en zwaar, en plant licht zich ondubbelzinnig voort als golven. Maar in de kwantumwereld zijn atomen en hun afzonderlijke delen zowel deeltjes als golven tegelijk.

Dit blijkt uit een beroemd experiment uit 1927, waarbij een elektron wordt afgevuurd op een plaat met twee spleten. Als een detector vlak achter de spleten wordt geplaatst, gaat het elektron als een puntvormig deeltje door één van de spleten. Maar wanneer de detector verder van de plaat af wordt gezet, ontstaat een lichtpatroon, waaruit blijkt dat het elektron ook als een golf door beide spleten is gegaan.

Een elektron dat door twee spleten gaat, is zowel een deeltje als een golf. Het resultaat hangt af van onze meetwijze.

En de kwantummystiek gaat nog een paar niveaus dieper. Wanneer je tegen een biljartbal stoot en deze over het groene laken rolt, kun je op elk moment met absolute zekerheid zijn positie en snelheid meten.

Maar niet in de atoomwereld. Hier kun je de positie van een elektron in de ruimte wel nauwkeurig bepalen, maar niet tegelijkertijd zijn snelheid. En vice versa. De eigenschap die we niet precies kunnen meten, kan alleen aannemelijk worden gemaakt door berekening.

Het grootste mysterie is echter dat de meting het deeltje pas reëel maakt. Vóór de meting is het elektron een diffuse wolk van al zijn mogelijke kwantumtoestanden – een elektron draait bijvoorbeeld tegelijkertijd met de klok mee als ertegenin. Het bevindt zich in natuurkundige termen in superpositie. Maar pas als iemand het meet, kiest het een concrete toestand – zoals een draaiing tegen de klok in – en wordt het werkelijkheid.

Volgens de kwantummechanica bevinden ongestoorde deeltjes zich in alle toestanden tegelijk. Pas wanneer wij ze meten, worden ze werkelijkheid – maar hun positie en snelheid zijn niet tegelijkertijd vast te stellen.

Kwantumfysica 3D-illustratie
© Shutterstock

1. Elektron is een wolk van mogelijkheden

Ongestoorde atomen en elementaire deeltjes, zoals elektronen, zijn niet op dezelfde manier concreet als biljartballen. Het elektron bevindt zich in superpositie: het heeft alle mogelijke kwantumtoestanden en draait bijvoorbeeld met de klok mee én ertegenin.

Kwantumfysica 3D-illustratie
© Shutterstock

2. Bewuste meting maakt het elektron echt

Het elektron wordt pas werkelijk wanneer een wetenschapper er een meting aan verricht. Dan stopt de superpositie van het elektron en begint het deeltje een kant op te draaien, terwijl de andere mogelijke toestand verdwijnt.

© Shutterstock

3. Meting vertelt niet alles

We kunnen de positie en snelheid van een biljartbal op elk moment exact meten. Maar niet die van een elektron. Als we de positie van het elektron bepalen (l), kunnen we niet tegelijkertijd de snelheid meten (r) – alleen berekenen.

Het meetprobleem zat de Oostenrijkse natuurkundige Erwin Schrödinger zozeer dwars dat hij in 1935 met een gedachte-experiment kwam dat de absurditeit van de kwantummechanica blootlegde. In gedachten zette hij een kat in een dichte doos met een radioactief atoom, een hamer en een fles waterstofcyanide. Als het atoom vervalt, slaat de hamer de fles kapot en doodt het blauwzuur de kat.

Maar radioactiviteit is een onbepaald kwantumproces, dus je kunt niet precies voorspellen wanneer het verval zal optreden, en na enige tijd is het dus onmogelijk van buitenaf te zeggen of het dier leeft of niet. Met andere woorden, de kat bevindt zich in superpositie en is zowel dood als levend, wat onmogelijk is in onze belevingswereld.

Schrödingers doos

Deeltjes zijn in alle kwantumtoestanden tegelijk, totdat we ze meten. Het is als een kat in een doos die zowel dood als levend is totdat we de doos openen en kijken.

© Shutterstock

De enige manier om uitsluitsel te krijgen is een meting uit te voeren door te kijken of er een dode of levende kat in de doos zit.

Natuurkundige sluit zijn vriend op

In 1967 daagde de Hongaarse natuurkundige Eugene Wigner de paradoxen van meting en superpositie verder uit met een nieuw gedachte-experiment: hij betrok het bewustzijn erbij.

Wigners doel was de stelling te testen dat bijvoorbeeld een elektron alleen werkelijk wordt – dus dat het een bepaalde toestand kiest, zoals tegen de klok in draaien – door een bewuste meting. Met andere woorden: ons eigen bewustzijn creëert de werkelijkheid.

In het gedachte-experiment verving hij Schrödingers kat door een vriend die een meting verricht aan een elektron in een afgesloten laboratorium. Wigners vriend maakt vrije keuzes en meet het elektron wanneer hij wil. Ondertussen modelleert Wigner diens experimenten van buitenaf met kwantummechanische berekeningen.

De vraag is wanneer de werkelijkheid reëel wordt: zodra de vriend het elektron meet of pas wanneer Wigner weet wat het meetresultaat is?

Zolang Wigner niet weet of de meting is verricht en niet weet wat het resultaat ervan is, zijn het elektron, de vriend, het meetinstrument en het laboratorium volgens de wiskunde in superpositie. Die toestand wordt pas vervangen door de werkelijkheid wanneer de vriend Wigner het resultaat meedeelt.

Eugene Wigner zelf twijfelde er echter niet aan dat de superpositie al bij de eerste meting wordt vervangen door de werkelijkheid, dus als zijn vriend het meetresultaat ziet. En hij vond het onzin om te denken dat bewuste mensen in superpositie kunnen worden gebracht.

Eugene Wigner

Volgens de Hongaarse natuurkundige Eugene Wigner creëert ons eigen bewustzijn de werkelijkheid wanneer we een deeltje meten.

© Ritzau Scanpix

De meest waarschijnlijke kwantummechanische verklaring hiervoor is simpel. Wanneer een voorwerp groot genoeg is en voldoende atomen bevat, storten de superposities van de atomen vanzelf in, en daarom kunnen natuurkundigen en katten zich niet in twee tegenstrijdige toestanden tegelijk bevinden.

Dat klinkt heerlijk zinnig en geruststellend. Maar wat als de Hongaarse Nobelprijswinnaar het mis had?

Kwantummechanica beheerst ons

De vraag dringt zich om twee redenen op. Ten eerste voorspellen de moderne natuurkundetheorieën dat de kwantummechanica niet alleen de wereld van atomen beheerst, maar ook het mechanisme is achter zwaartekracht, tijd en ruimte. En als kwantummechanica het hele heelal beheerst, zijn bewuste mensen vast geen uitzondering.

Ten tweede beginnen natuurkundigen nu de grenzen op te zoeken van grote systemen die ze experimenteel in superpositie kunnen brengen.

Als de wetten van de kwantummechanica alles in het heelal beheersen, beheersen ze vast ook het menselijk bewustzijn.

In 2021 vestigde kwantumfysicus Shlomi Kotler van het Amerikaanse National Institute of Standards and Technology een nieuw record: hij wist twee aluminium membranen door microgolven zodanig te laten bewegen dat ze tegelijkertijd naar boven en naar beneden trilden.

De membranen waren 0,01 millimeter lang en half zo breed, en bevatten een biljoen atomen. Vergeleken met één elektron, waarvan elk aluminiumatoom er 13 bevat, zijn het gigantische systemen.

Beerdiertjes zijn maar 20 keer zo lang, en diverse onderzoeksgroepen willen nu nagaan of ze twee iets grotere membranen in superpositie kunnen brengen om er beerdiertjes op te plaatsen.

Beerdiertje

Wetenschappers hebben kleine membranen tegelijk op en neer laten trillen. Nu willen ze beerdiertjes van 0,2 mm op zulke membranen plaatsen, zodat die als deeltjes in superpositie worden gebracht.

© Shutterstock

In dit geval zullen de beerdiertjes tegelijk met de membranen op en neer gaan, en dus op twee plaatsen tegelijk zijn. En als je beerdiertjes in superpositie kunt brengen, waarom mensen dan niet?

Verstrengeling opent de deur

Zes jaar geleden kwam de kwantumfysicus Caslav Brukner van de universiteit van Wenen met een nieuwe versie van Wigners gedachte-experiment. Hij wilde nagaan of Wigners theorie – dat een deeltje in de kwantumwereld echt wordt zodra de vriend in het laboratorium de toestand ervan meet – steek houdt.

Brukner introduceerde het wonderlijkste kwantumfenomeen dat er is: verstrengeling. Met twee verstrengelde lichtdeeltjes als sleutel kunnen natuurkundigen als het ware de deur openen en de verborgen werkelijkheid van het afgesloten laboratorium zien.

Verstrengeling treedt op wanneer twee lichtdeeltjes (fotonen) als een paar worden geproduceerd. De kwantumeigenschappen van de deeltjes zijn gebonden, dus ze vormen één systeem. En het is experimenteel bewezen dat verstrengeling blijft bestaan, zelfs wanneer de deeltjes zo ver uit elkaar worden gehaald dat ze niet met elkaar kunnen communiceren.

Op hun reis zijn de fotonen in superpositie en trillen ze dus in verticale én horizontale golven, maar zodra een detector meet dat het ene deeltje bijvoorbeeld verticaal trilt, kiest het andere ervoor om horizontaal te trillen.

Twee onderzoekersstellen werken samen

In Caslav Brukners versie van Wigners gedachte-experiment spelen twee natuurkundigen, Alice en Bob, de rol van Wigner, en Charlie en Dorthe spelen Wigners vriend. Charlie en Dorthe zitten elk in een afgesloten laboratorium, terwijl Alice en Bob buiten staan.

Een paar verstrengelde lichtdeeltjes wordt gescheiden zonder ze te meten, het ene wordt naar Charlie gestuurd en het andere naar Dorthe. Als ze de deeltjes ontvangen, zijn die in superpositie en trillen ze bijvoorbeeld verticaal en horizontaal.

Dan meet Charlie zijn foton, dat daarna alleen verticaal trilt, en vanwege de verstrengeling laat Dorthes gelijktijdige meting zien dat haar foton horizontaal trilt.

Na de meting stuurt Charlie zijn foton naar Alice, terwijl Dorthe haar foton naar Bob stuurt. Alice en Bob gooien nu allebei een munt op om te bepalen of ze hun lichtdeeltjes direct meten of wachten.

Als het kop is, meten ze meteen. Dit staat gelijk aan het openen van de deuren naar hun vrienden en vragen om hun resultaten. Experimenten wijzen uit dat een nieuwe meting kort na de eerste altijd hetzelfde resultaat oplevert.

Vanuit het oogpunt van Alice en Bob bevinden hun collega’s Charlie en Dorthe zich in superpositie, net als de deeltjes die zij meten.

Als het munt wordt, zullen ze later meten. Dan kennen ze de meetresultaten van hun vrienden niet, en tot hun eigen meting zijn zowel de lichtdeeltjes als Charlie en Dorthe zelf in superpositie vanuit het perspectief van Alice en Bob. Na het experiment enkele duizenden keren herhaald te hebben, berekenen Alice en Bob de meetresultaten van Charlie en Dorthe.

In Eugene Wigners experiment met zichzelf als waarnemer werd het meetresultaat van de vriend wiskundig beschreven als een verborgen variabele, maar in Caslav Brukners versie zijn de berekeningen verankerd in de realiteit van deeltjesverstrengeling, en kunnen vele kwantumtoestanden worden uitgesloten.

Alice en Bob weten namelijk dat hun vrienden ofwel 1-0 (verticaal-horizontaal) ofwel 0-1 hebben gemeten, maar nooit 1-1 of 0-0, aangezien een verstrengeld deeltje altijd de tegengestelde toestand heeft van zijn partner zodra die wordt gemeten.

Twee onderzoeksteams meten dezelfde deeltjes. Die zijn in superpositie, maar het is niet zeker of ze werkelijk worden bij de eerste of bij de tweede meting. Daardoor zijn de resultaten nooit voor alle waarnemers hetzelfde.

3D-illustratie
© Shutterstock

1. Twee onderzoekers controleren twee andere

Twee fotonen bereiken Charlie en Dorthe in hun afgesloten laboratoria, waar Alice en Bob de wacht houden. De fotonen zijn in superpositie en trillen zowel horizontaal als verticaal, en ze zijn verstrengeld, dus een meting aan het ene foton heeft direct effect op het andere.

3D-illustratie
© Shutterstock

2. Charlie en Dorthe meten deeltjes

Als Charlie zijn foton meet, eindigt de superpositie onmiddellijk vanuit zijn perspectief. Hij meet dat het foton horizontaal trilt, en aangezien zijn foton verstrengeld is met dat van Dorthe, meet zij dat haar foton verticaal trilt.

3D-illustratie
© Shutterstock

3. De twee onderzoekers zijn in superpositie

Ze sturen de fotonen naar Alice en Bob. Vanuit hun perspectief zijn zowel de fotonen als Charlie en Dorthe zelf in superpositie, totdat zij zichzelf meten, maar de vraag is wanneer de superpositie feitelijk eindigt en de deeltjes echt worden.

3D-illustratie
© Shutterstock

4. Alice en Bob gooien een munt op

Om dat te bepalen gooien Alice en Bob een munt op. Bij kop meten zij meteen – gelijk aan het openen van de deur en vragen naar de uitslag – en stopt de superpositie direct. Bij munt meten ze later, dus eindigt de superpositie ook later. Het experiment wordt vele malen herhaald.

3D-illustratie
© Shutterstock

5. Onenigheid over het resultaat

Dan berekenen Alice en Bob statistisch de resultaten van hun collega’s. Als de superpositie stopt zodra Charlie en Dorthe meten, hebben Alice en Bob het altijd juist – maar dit is niet het geval. Gebeurtenissen zijn dus niet altijd voor iedereen gelijk.

Volgens de wetten van de kwantummechanica moeten Alice en Bob de metingen van Charlie en Dorthe elke keer juist kunnen berekenen – als het deeltje werkelijkheid wordt bij de eerste meting, zoals Wigner dacht.

Prisma’s spelen Charlie en Dorthe

Het gedachte-experiment stond onlangs internationaal in de belangstelling toen de kwantumfysicus Nora Tischler en haar collega’s van de Griffith University in Australië een optisch experiment uitvoerden.

Optische instrumenten zijn dan wel niet bewust, zoals mensen, maar het toont aan dat het in principe mogelijk is het gedachte-experiment in de praktijk uit te voeren.

In dit experiment zijn de natuurkundigen Alice en Bob de meetinstrumenten, terwijl hun collega’s in de afgesloten laboratoria, Charlie en Dorthe, de prisma’s zijn die voor de instrumenten staan. Wanneer een lichtdeeltje in superpositie het prisma raakt, gaat het door één kanaal als het horizontaal trilt, en door een ander als het verticaal trilt. Dit bootst de metingen van Charlie en Dorthe na, die het foton dwingen een modus te kiezen.

De meetinstrumenten Alice en Bob worden bestuurd door een algoritme dat willekeurig beslist of er direct gemeten of even gewacht wordt.

Een onmiddellijke meting bepaalt of het foton door het horizontale of het verticale kanaal kwam. De latere meting wordt pas uitgevoerd nadat het foton door een ander prisma is gegaan, waar de horizontale en verticale kanalen weer samenkomen. Zo zijn de meetresultaten van Charlie en Dorthe verborgen voor Alice en Bob wanneer zij hun eigen metingen verrichten en dus de resultaten van hun collega’s moeten afleiden.

Proefopstelling

Met een optische opstelling is een gedachte-experiment getest waarbij twee stellen wetenschappers dezelfde deeltjes meten. Het doet twijfel rijzen over het bestaan van een objectieve werkelijkheid.

© Griffith University

Aangezien kwantummechanische metingen gebaseerd zijn op statistieken, werd dit 90.000 keer herhaald. In veruit de meeste gevallen leidden Alice en Bob de resultaten van de metingen van Charlie en Dorthe correct af – zoals verwacht als de superpositie stopt en de werkelijkheid materialiseert bij de eerste meting.

Maar soms waren hun bevindingen verkeerd, wat vraagtekens zet bij onze gangbare opvatting van de werkelijkheid.

Werkelijkheid begint te wankelen

De resultaten zijn op twee manieren te interpreteren. Mogelijk is de kwantummechanica inconsistent omdat zij zichzelf niet kan beschrijven. Daarom moet ze als universele theorie worden geschrapt, ondanks haar onbetwistbare succes.

Maar als de kwantummechanica overeind blijft, moeten we misschien afscheid nemen van de objectieve werkelijkheid, omdat die voor twee waarnemers verschillend kan zijn. Nora Tischler zelf vindt deze mogelijkheid verontrustend, omdat wetenschap gebaseerd is op de resultaten van metingen, en door deze visie komt de wetenschap op losse schroeven te staan.

Tischlers experimenten zeggen niets over de rol van het bewustzijn, omdat de gebruikte optische componenten geen bewustzijn hebben. Maar die rol zou experimenteel kunnen worden getest als wetenschappers kleine kwantumcomputers weten te maken met kunstmatige intelligentie en een vorm van bewustzijn.

Ze moeten klein genoeg zijn om in superpositie te worden gebracht en de twee prisma’s kunnen vervangen in de rol van Charlie en Dorthe in het optische experiment. Dan kunnen natuurkundigen testen of bewuste kwantumcomputers echt in superpositie kunnen worden gebracht.

Als dit niet het geval is, zal blijken dat bewuste actoren zoals wijzelf slechts in één toestand bestaan en nooit tegelijkertijd in meerdere conflicterende kwantumtoestanden kunnen verkeren, zoals de atomen waaruit wij bestaan. In dat geval zijn mensen echt.

Maar als kwantumcomputers inderdaad in superpositie kunnen zijn, zijn bewuste wezens zoals wij misschien helemaal niet echt in de normale zin des woords, maar net zo diffuus als de wolk van elementaire deeltjes waaruit wij zijn opgebouwd.