Quantumtheorie getest

Quantummechanica wordt vaak gezien als een beetje raadselachtig. Toen in de eerste decennia van de twintigste eeuw de nieuwe natuurkunde werd ontwikkeld werd duidelijk dat de wereld van de allerkleinste deeltjes er totaal anders uitziet als de werkelijkheid die we direct waarnemen. Materie blijkt zich soms als een golf en soms als een deeltje te gedragen, en kan zich zelfs in meerdere toestanden tegelijk bevinden, waardoor we nog steeds niet weten of de kat van Schrödinger nu wel of niet leeft.

Dit alles komt door een belangrijk principe in de quantummechanica. Sommige grootheden, zoals plaats en snelheid van een deeltje kun je niet tegelijkertijd meten. Als je de snelheid van een deeltje meet weet je de plaats niet en andersom. Dit is het onzekerheidsprincipe van Heisenberg. In de berekeningen voor plaats en snelheid zit altijd een minimale onzekerheid. Een quantummechanische toestand voorspelt daarom alleen de kans op een bepaalde uitkomst van een experiment. En door te meten verander je ook de toestand: een meting van plaats levert een toestand op met een zekere plaats en een onzekere snelheid en omgekeerd.

Einstein vond dit maar niets. Hij vond dat een theorie die niet alles kon voorspellen niet af is. In een jarenlange discussie met Niels Bohr probeerde hij de natuurkundige gemeenschap daarvan te overtuigen. In 1935 kwam hij, samen met twee anderen, tot een ultiem argument. Stel, je hebt een atoom, dat in twee delen uit elkaar valt, en die twee delen bewegen van elkaar weg. Dan kan ik uit een meting van het ene deeltje de eigenschappen van het andere berekenen. Dus, als ik van deeltje A de plaats meet weet ik de plaats plaats van deeltje B. En voor de snelheid is dat ook zo. Maar, als deeltje B inmiddels ver weg is, kan deeltje B niet weten wat ik meet, en moeten plaats en snelheid al bekend zijn. Anders zou deeltje B op het moment dat ik deeltje A meet moeten weten wat er gemeten wordt. Er zou dus een signaal met oneindige snelheid van A naar B moeten gaan, en dat kan niet volgens Einsteins relativiteitstheorie.

Bohr liet zien dat dit geen probleem hoeft te zijn met de theorie. De quantumtheorie geeft een bovengrens aan wat we kunnen weten, en in de redenering van Einstein hoeft er toch geen informatie te worden verzonden om de metingen toch kloppend te krijgen.

De discussie werd in de jaren 60 nieuw leven ingeblazen door John Bell. Hij was het met Einstein eens beide deeltjes alle eigenschappen moesten dragen, dus meer informatie bevatten dan de quantumtheorie toestaat. Hij richtte zich op een eigenschap van deeltjes die aangeeft hoe snel ze om hun as tollen, en in welke richting: de spin. Quantummechanisch geldt voor de spin in twee verschillende richtingen hetzelfde als voor plaats en snelheid: je kunt ze niet tegelijkertijd meten. Als je de spin in de verticale richting meet, blijf je in het ongewisse over de spin in de horizontale richting en andersom.

Bell bedacht een experiment waarbij een deeltje zonder spin uiteenvalt in twee deeltjes elk met spin. De totale spin van beide deeltjes moet dan wel nul zijn. Als je van beide deeltjes de spin meet in dezelfde richting, vind je bij elke positieve spin bij deeltje A een negatieve spin voor deeltje B. De correlatie, een maat voor de samenhang tussen de twee metingen, tussen beide spins is dan -1. Maar als je van deeltje A in de verticale richting meet, en bij B in de horizontale richting vind je een correlatie van nul, de metingen hangen totaal niet samen. De meting aan de ene kant zegt niets over wat je aan de andere kant vindt. Zowel de quantummechanica als de klassieke natuurkunde voorspellen dat en op die manier kun je dus niet bepalen welke theorie klopt. Bell kwam op het idee om ook te kijken naar situaties waarin de spin niet in dezelfde richting of loodrecht op elkaar wordt gemeten, maar bijvoorbeeld onder een hoek van 60 graden. Hij vond dat dan de quantummechanica en klassieke theorie dan wel verschillende uitkomsten geven. In een klassieke theorie splitst het deeltje en ligt de spin van beide brokstukken vast. In de quantumtheorie splitst het deeltje en ligt er nog niets vast over de spin van beide deeltjes. Pas op het moment van meten aan deeltje A verandert de quantumtoestand van beide deeltjes in een toestand waarin deeltje A een positieve of negatieve spin in de gemeten richting heeft. Als dan deeltje B wordt gemeten hangt de uitkomst mede af van die op deeltje A. Daardoor is de correlatie tussen de uitkomsten van de metingen volgens de quantummechanica sterker dan volgens de klassieke mechanica. In de simulatie hieronder kun je dit uitproberen.

Boven zie je een simulatie van het spin-experiment volgens de quantumtheorie, daaronder hetzelfde experiment berekend volgens een klassieke theorie. Je kunt de hoeken waaronder de spin wordt gemeten aanpassen voor beide deeltjes, A en B. Je kunt met Run 1 deeltje laten splitsen. Je ziet dan aan beide kanten een detector opflitsen en het deeltje registreren. Als de detectoren onder dezelfde hoek meten zie je dat steeds tegengestelde detectors opflitsen. Als ze een hoek maken van 90 graden is er geen verband tussen de flitsen links en rechts.

Met “Run 1000” kun je duizend experimenten achter elkaar doen. Je kunt aflezen wat de correlatie tussen de metingen aan deeltje A en B is. Hoe dichter bij 1 of -1 hoe sterker de correlatie. Bij nul is er geen verband. Probeer eens een verschil tussen a en b van 60. Je ziet dat de quantumtheoretische en de klassieke correlaties verschillen. De stelling die Bell bewees is dat er geen klassieke theorie mogelijk is die voor alle combinaties van a en b dezelfde voorspellingen als de quantumtheorie kan geven.

Welke instelling je ook maakt voor beide deeltjes is de kans op een meting van + of – 50%.  Voor een waarnemer die maar 1 van de deeltjes ziet is er niets bijzonders aan de hand, pas met de kennis over het andere deeltje valt de correlatie op. Dat betekent dat, hoewel er een correlatie is, er geen informatie tussen de deeltjes wordt uitgewisseld. Op die manier blijven we nog net binnen de regels van de relativiteitstheorie.

In het begin van de jaren 1980 voerde Alain Aspect een reeks experimenten uit met fotonen in een opstelling zoals hierboven getoond. Die experimenten toonden overtuigend aan dat de quantummechanische voorspellingen kloppen.

Geef een reactie