Flickr / El Alvi

Een koekje van eigen deeg voor de kwantummechanica

Eens in de zoveel tijd gaat er een stem op die zegt dat de bètacanon te weinig bekendheid geniet buiten de vakgebieden die ze zelf omvat. De meeste mensen herkennen de onderdelen van de canon wel, maar zijn niet goed bekend met de weelde aan ontwikkelingen die erachter schuilgaat. Misschien heeft u weleens van het tweespletenexperiment gehoord; een experiment vaak aangehaald om de eigenaardigheid van de kwantummechanica te demonstreren.

In zijn klassieke vorm werd het experiment voor het eerst in de negentiende eeuw uitgevoerd door Thomas Young, een Britse natuurkundige — al bemoeide hij zich ook met de Steen van Rosetta. Zijn experiment ging als volgt: Young plaatste twee nauwe spleten voor een scherm en bescheen die met een lichtbron. Hierdoor ontstond er op het scherm een lijn van punten waar het licht afwisselend sterk en zwak was. Youngs verklaring hiervoor was dat licht een golf is, en dat de twee spleten ervoor zorgen dat er twee nieuwe golfbronnen ontstaan die met elkaar interfereren. Hiermee ging hij loodrecht in tegen de sinds Newton heersende overtuiging dat licht een deeltje is.

Sindsdien wiebelt de natuurkunde een beetje ongemakkelijk tussen beide opvattingen heen en weer. Nu wordt aangenomen dat licht twee karakters heeft, maar dat het aan de situatie ligt welk karakter op de voorgrond treedt. Een aantal recentelijke experimenten toont echter aan dat het misschien genuanceerder ligt, en dat licht weleens écht zowel deeltje als golf zou kunnen zijn.

Stel nu dat we de intensiteit van de lichtbron in het experiment van Young terugbrengen tot het punt waar er nog maar één lichtdeeltje (een foton) per seconde uitkomt—we bevinden ons dan duidelijk in het deeltjesregime. We verwachten dat dit foton door slechts één van de twee spleten gaat, net zoals een bal in een flipperkast maar in één gat tegelijk kan rollen.

Als we echter rustig afwachten en de opstelling onveranderd laten blijkt niets minder waar. Naarmate de fotonen namelijk één voor één door de spleten druppelen zien we op het scherm hetzelfde interferentiepatroon als in Youngs experiment ontstaan: een patroon van afwisselend sterk en zwak belichte plekken.

Licht zou weleens écht zowel deeltje als golf kunnen zijn.

Een foton lijkt dus wel degelijk golfachtig te zijn omdat het schijnbaar met zichzelf interfereert. Als het immers één van de twee spleten zou uitzoeken om doorheen te gaan zou het interferentiepatroon namelijk helemaal niet tot stand moeten komen, maar zouden de fotonen het scherm direct achter de spleten moeten raken.

Laten we na de lichtbron, nu ook de opstelling aanpassen. We vervangen het scherm door twee detectoren direct achter de spleten. Aangezien een foton zojuist het gedrag van een golf vertoonde verwachten we nu dat het op een of andere manier in staat is beide spleten tegelijk te passeren, waarbij elke spleet een half foton ontvangt. Deze naïeve verwachting blijkt onjuist; in deze configuratie passeert een foton wel degelijk één enkele spleet en profileert het zichzelf dus duidelijk als deeltje in plaats van golf. Hoe kan dit? Zijn fotonen schizofreen en passen ze hun karakter op voorhand aan de proefopstelling aan? Of is ons onderscheid tussen golven en deeltjes te zwart/wit en ligt de werkelijkheid ergens tussenin?

Onbevredigend als het wellicht klinkt, een variant van de schizofrene verklaring was gedurende enige tijd overheersend. Onder aanvoering van onder meer Einstein ontstonden er theorieën over verborgen variabelen. Deze verborgen variabelen zouden de fotonen op voorhand laten weten welk gezicht ze moeten laten zien in het nog uit te voeren experiment, waardoor hun duale karakter te verklaren viel. Ook al is het laatste woord hierover waarschijnlijk nog niet gezegd, recentelijk heeft een aantal experimenten waarin de besluiteloze fotonen voor het blok werden gezet, een interessante wending aan deze discussie gegeven.

John Wheeler, die onder meer verantwoordelijk is voor de term ‘zwart gat’ en de waterstofbom, stelde in 1978 een gedachte-experiment voor waarin de keuze voor het meten van het golf- dan wel deeltjeskarakter van een foton uitgesteld wordt. Op deze manier ‘weet’ het foton niet welk karakter in het experiment gemeten gaat worden, en zijn Einsteins verborgen variabelen overbodig omdat ze op het moment dat het foton een ‘keuze’ zou moeten maken nog niet bestaan. De vorm is iets anders dan het tweespletenexperiment, maar het principe is hetzelfde. Wheeler stelde voor om het pad van een foton te splitsen in twee armen, en op het moment dat het foton voorbij de splitsing is een keuze te maken om de paden al dan niet weer bij elkaar te voegen.

Als ze samen worden gevoegd worden de interferentie, en daardoor golfverschijnselen zichtbaar. Als ze niet worden samengevoegd zal blijken welk pad het foton heeft afgelegd, waardoor het deeltjeskarakter zichtbaar wordt. Omdat het foton bij het betreden van de opstelling onmogelijk kan weten wat het te wachten staat, zou de uitkomst van dit experiment uitsluitsel kunnen geven over (onder meer) verborgen variabelen.

Recentelijk heeft een aantal experimenten de besluiteloze fotonen voor het blok gezet.

Helaas is dit experiment moeilijk te realiseren. Fotonen reizen namelijk erg snel door een gemiddelde opstelling, en in de praktijk is hierdoor te weinig tijd om de beslissing te maken de paden al dan niet bij elkaar te brengen. De afgelopen jaren is dit probleem op bijzonder elegante wijze te lijf gegaan door gebruik te maken van de vreemdheid van de kwantummechanica zelf. Het idee, onafhankelijk toegepast door Alberto Peruzzo [1] en Florian Kaiser [2], is dat de meetopstelling in een toestand gebracht wordt waar niet meer exclusief het deeltjes- of het golfkarakter van fotonen bepaald wordt, maar waar de bepaling van allebei tegelijk mogelijk is.

Dit klinkt ongetwijfeld vreemd, u zult namelijk denken: “Ja, maar die paden zijn toch volledig samengevoegd òf gescheiden, en niet zomaar iets er tussenin?” dus laten we even een stap terug nemen. In de kwantummechanica is het zo dat deeltjes en systemen in meerdere toestanden tegelijk kunnen verkeren, en de heersende interpretatie is dat een meting ervoor zorgt dat één toestand boven de andere verkozen wordt waarna het systeem zich hierin begeeft [3].

Het is vergelijkbaar met een heel goede balletje-balletje speler, een die zo goed is dat na afloop niemand (inclusief hijzelf) meer weet onder welke beker het balletje zich bevindt. Tot de bekertjes worden opgetild (dus tot een meting wordt gedaan) bevindt het balletje zich feitelijk onder alle bekertjes tegelijkertijd, en pas na de meting wordt de plaats van het balletje eenduidig. Een voorbeeld hiervan is het tweespletenexperiment van hierboven: als we niet meten door welke spleet de fotonen reizen, heeft het resultaat er alle schijn van dat de fotonen door beide spleten zijn gegaan, maar als we detectoren achter de spleten zetten worden de fotonen gedwongen één van beide te ‘kiezen’. Dit is de inherente vreemdheid van de kwantummechanica.

In de experimenten van Kaiser en Peruzzo wordt deze vreemdheid gebruikt om de paden van de fotonen al dan niet samen te voegen. Allebei maken ze gebruik van een ingenieus mechanisme waardoor de gespleten fotonpaden zowel open als gesloten zijn op het moment dat het deeltje het experiment betreedt (ze verkeren in een zogenaamde ‘superpositie’). Hierdoor kan het foton onmogelijk weten of van hem deeltjes- of golfgedrag verwacht wordt, en krijgt het dus als het ware een koekje van eigen deeg.

De resultaten van de experimenten bevestigen dit opmerkelijke uitgangspunt: afhankelijk van de toestand waarin het experiment verkeert, is het mogelijk om de fotonen zich half als golf en half als deeltje te doen gedragen. Sterker nog: het karakter van de fotonen wordt pas vastgesteld op het moment dat ze de uitgang van het experiment bereiken, en hierdoor wordt het verloop van het experiment dus met terugwerkende kracht bepaald.

In een wereld waarin het onmogelijk is om eerst raak te schieten en dan pas de trekker over te halen is dit resultaat natuurlijk uiterst onbevredigend en tegen-intuïtief, en doet het verlangen naar een minder bipolaire interpretatie van licht dan uitsluitend deeltje of golf. Na het tweespletenexperiment was al enigszins duidelijk dat het lukraak toepassen van deze twee parallelle opvattingen van Young en Newton zijn langste tijd had gehad, maar experimenten zoals die van Peruzzo en Kaiser vormen de genadeslag.

Referenties:
[1] Alberto Peruzzo et al., ‘A Quantum Delayed-Choice Experiment,’ Science 338, 2012
[2] Florian Kaiser et al., ‘Entanglement-Enabled Delayed-Choice Experiment,’ Science 338, 2012
[3] Jan Faye, ‘Copenhagen Interpretation of Quantum Mechanics’, The Stanford Encyclopedia of Philosophy (Fall 2014), http://plato.stanford.edu/archives/fall2014/entries/qm-copenhagen/

Gerelateerde artikelen
Reacties
Nog geen reacties.

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *

Naar boven