Blog – Halloween in de kwantumfysica – Deel 1: Einstein ziet spoken

Volgens de kwantumfysica oefenen bepaalde deeltjes een ogenblikkelijke invloed uit op elkaar, ongeacht hun onderlinge afstand. De speciale relativiteitstheorie laat echter niet toe dat informatie sneller beweegt dan het licht. Na een decennialange strijd is de kwantumfysica aan de winnende hand in dit partijtje armworstelen met de relativiteitstheorie.

Bron: https://www2.caes.hku.hk/hkuscientist/2014/06/01/travelling-faster-than-light-can-quantum-entanglement-make-the-impossible-possible/

“Ik denk dat ik rustig kan zeggen dat niemand de kwantummechanica begrijpt”. Nobelprijswinnaar Richard Feynman pende dit aforisme meer dan een halve eeuw geleden neer. Toch hebben zijn woorden nauwelijks aan geldigheid ingeboet. In deze tweedelige blog beschrijft Deel 1 wat er zich afspeelt in de zonderlinge kwantumwereld. Deel 2 maakt de balans op van het empirisch bewijsmateriaal.

Kwantumverstrengeling

De kwantumfysica ontwikkelde zich grosso modo in de periode tussen 1900 en 1930. Ze beschrijft de werking van de natuur op zeer kleine schaal, waar we atomen en elementaire deeltjes aantreffen. Deze microwereld blijkt gedragingen te vertonen die niet sporen met onze dagdagelijkse ervaring van de werkelijkheid. De populairste attractie uit het pretpark van de kwantumfysica is ongetwijfeld Schrödingers kat, die een beetje dood en levend tegelijk is.

Maar qua spektakelwaarde moet de kwantumverstrengeling, die we hier onder de aandacht willen brengen, niet onderdoen. De wiskundige beschrijving van de kwantumfysica geeft aan dat er deeltjes moeten bestaan die onderling sterk verbonden – verstrengeld – zijn. Dit houdt in dat ze niet zomaar onafhankelijk van elkaar een waarde kunnen aannemen voor energie, lading of andere fysische grootheden. Verstrengelde deeltjes komen voor in de vrije natuur, maar wetenschappers kunnen ze eveneens gecontroleerd in het lab produceren.

Artistieke impressie van twee verstrengelde deeltjes, in dit geval atomen. Bron: http://4.bp.blogspot.com/-VtIT1xDpHsA/VA3cB2s3A

Laten we een scenario uittekenen waarbij we alles zo eenvoudig en overzichtelijk mogelijk houden. We beperken de verstrengeling tot twee deeltjes, een elektron en positron. Een positron is een deeltje dat in alles gelijkt op een elektron, zij het met een (even grote maar) positieve lading. Verder kijken we naar een eigenschap, spin genaamd. Het is een typische grootheid van de microwereld. We kunnen ze beschouwen als een vorm van impulsmoment.

Het voordeel ervan in deze context is dat het elektron en het positron slechts twee spinwaarden kunnen aannemen, +1/2 en -1/2 en wel zodanig dat het verstrengeld paar altijd een totale spin van 0 heeft. Als de spin van het elektron +1/2 bedraagt, moet die van het positron -1/2 zijn.  Blijkt het elektron spinwaarde van -1/2 te hebben, is dit voor het ermee verstrengeld positron +1/2. De afbeelding hieronder geeft schematisch weer hoe ons deeltjespaar eruit ziet.

Een verstrengeld paar bestaande uit een elektron en een positron, met spinwaarden +1/2 en -1/2.
Bron: http://chemieleerkracht.blackbox.website/wp-content/uploads/2016/08/www.quantum-field-theory.net_wp-content_uploads_2014_05_spin-quantum-number.png

Onbepaaldheid voor de meting

Tot dusver geen zweem van vreemdheid. Je stelt je voor dat beide spinwaarden vastliggen bij de vorming van het verstrengeld paar. Maar dat is buiten de kwantumfysica gerekend. In de Kopenhaagse interpretatie van het wiskundig formalisme van de kwantumtheorie, tevens de dominante strekking, is de waarde van de spin (of andere grootheid) van een deeltje immers onbepaald zolang er geen meting op verricht is. Die onbepaaldheid drukt geen tekortkoming uit van onze cognitieve vermogens, maar een fundamentele eigenschap van de natuur op kleine schaal. Je kan alleen de waarschijnlijkheden van alle mogelijke uitkomsten beschrijven. De toestand van het deeltje is dan een superpositie daarvan.

Het is pas op het ogenblik van de meting dat een deeltje één van die mogelijke waarden daadwerkelijk aanneemt en alle waarschijnlijkheden wegvallen. Voorafgaand aan de meting van ons verstrengeld paar heeft elk van beide deeltjes een waarschijnlijkheid van 50% voor spin +1/2 en 50% voor -1/2. Van zodra we de spin van één van beide, zeg het elektron, meten (bv. +1/2), stijgt de waarschijnlijkheid van de uitkomst +1/2 van 50% naar 100% (zekerheid), terwijl de waarde -1/2 de omgekeerde beweging maakt, nl. van 50% kans naar 0%. Bovendien ligt door de verstrengeling meteen ook de spin van het positron vast, nl. -1/2, zelfs zonder dat je het positron aan een meting hoeft te onderwerpen.

Zolang Alice en Bob geen waarneming verricht hebben, bevindt elk van beide deeltjes zich in een superpositie van beide mogelijke uitkomsten. Van zodra Alice ‘haar’ deeltje meet, ligt de spin van beide deeltjes meteen vast.
Bron: http://www.sciencemag.org/news/2015/08/more-evidence-support-quantum-theory-s-spooky-action-distance

Clash met Einstein en het lokaal realisme

Maar hoe kan het positron “weten” dat het elektron gemeten is en het zelf de omslag moet maken van z’n wolk van waarschijnlijke waarden naar de uitkomst -1/2? In de klassieke fysica kan zoiets alleen via een soort boodschapper die van het elektron naar het positron reist en deze informatie overbrieft. Maar de toekenning van waarde -1/2 voor het positron vindt simultaan plaats met de meting van de uitkomst +1/2 voor het elektron, terwijl de boodschapper volgens de relativiteitstheorie van Einstein nooit sneller dan het licht kan reizen. Omdat verstrengeling onder de juiste omstandigheden kan voortbestaan als beide deeltjes zich in de verst verwijderde punten van heelal bevinden, kan de boodschapper zelfs willekeurig lang onderweg zijn.

Hoe “weet” het positron (rechts) dat de spin van het elektron (links) gemeten is en welke waarde het dan zelf moet aannemen? Bron: https://mappingignorance.org/2015/12/23/the-loophole-free-quantum-entanglement-experiment-1-bells-theorem

Iemand zou al een spinmeting van het positron kunnen uitgevoerd hebben, nog voor de boodschapper de spinwaarde van het elektron is komen melden. En dit niet als toevalstreffer omdat je toch 50% kans hebt, maar elke keer opnieuw. Onmogelijk, toch? Tenzij spoken bestaan, want hoe kan je ogenblikkelijke informatieoverdracht anders noemen dan “spookachtige werking op afstand” (letterlijk “spukhafte Fernwirkung”), voegde Einstein er met een vleugje venijn aan toe.

Wat neutraler uitgedrukt, botst de kwantumfysica met het principe van lokaal realisme. ‘Lokaliteit’  betekent dat eigenschappen van een deeltje op de ene plaats geen instantaan effect kunnen hebben op een de eigenschappen van een deeltje op een andere plek. ‘Realisme’ drukt uit dat de waarneembare kenmerken van een deeltje er altijd zijn, ongeacht of we die wel of niet meten. Je wil het bestaan van deeltjes, of zelfs de ganse kosmos, niet laten afhangen van de vraag of er zich toevallig een waarnemer in de buurt bevindt.

Wat nu?

Moeten we de kwantumfysica dan maar meteen naar de prullenmand verwijzen? Voor Einstein alvast niet. Hij was er tenslotte één van de wegbereiders van. Bovendien kan je ook moeilijk naast de indrukwekkende successen van de theorie kijken. Maar ‘het kamp van Einstein’ beschouwt ze als onvolledig, als een opstapje naar een dieperliggend, nog niet ontdekt beschrijvingsmodel van de natuur.

Je kan de kwantumspoken dan bezweren door het bestaan te veronderstellen van “verborgen variabelen”. Die bevatten informatie over hoe elk van beide verstrengelde deeltjes zich moet gedragen bij een meting en zijn zelf niet onderworpen aan de wetten van de kwantumfysica. Op die manier is deze theorie inderdaad onvolledig – de verborgen variabelen staan niet op de kwantumradar. In deel 2 beschrijven we een gedachte-experiment dat Einstein in dit verband in 1935 ontwikkelde met zijn collega’s Podolsky en Rosen.

Twee opties

Hiermee komen we aan het eind van onze excursie doorheen de kwantumjungle. Twee opties liggen ons ter beschikking. Ofwel stappen we mee in het kwantumverhaal. De successen van de kwantumfysica, samen met de relativiteitstheorie de meest succesvolle theorie die de fysica ons geschonken heeft, geven ons zoveel vertrouwen dat we de contra-intuïtieve aspecten ervan voor lief nemen. Per slot van rekening is ons verwachtingspatroon helemaal bepaald door onze vertrouwdheid met het macroscopische. Maar is dat wel een goede leidraad om de microscopische wereld te interpreteren?

Met optie 2 scharen we ons in het kamp van Einstein. Een theorie die zich niet laat verzoenen met lokaal realisme is onvolledig. Dat doet geen afbreuk aan de verdiensten van de kwantumfysica, maar er moet een dieperliggende theorie zijn waarin ze is ingebed. Dat kan bv. door verborgen variabelen aan te nemen.

Deel 2 van “Halloween in de kwantumfysica” beschrijft hoe de experimentele wetenschap de juiste optie op de hielen zit.

Blog – De hartslag van het heelal

We vermoeden dat Richard Penrose (zie foto hieronder), één van de befaamdste hedendaagse wetenschappers, niet wakker ligt van het debat over de verhoging van de pensioenleeftijd. Op 6 augustus, twee dagen voor zijn 87ste verjaardag, bood hij bij een sterrenkundig vaktijdschrift zijn zoveelste wetenschappelijke paper ter publicatie aan.

De claim die hij daarin maakt, samen met zijn collega’s Daniel An en Krzysztof Meissner, is bovendien allesbehalve alledaags. In een bepaald type kaarten van het heelal meent het drietal sporen te ontwaren van een voorvader-heelal.

Het begrip voorvader-heelal mag gerust de wenkbrauwen doen fronsen. Volgens het standaardverhaal van de hedendaagse kosmologie ontstond het (eerste en enige) heelal zo’n 13,77 miljard jaar geleden in een gebeurtenis die bekend staat als Oerknal of Big Bang, waarna het heelal onafgebroken is blijven uitdijen (zie schematische voorstelling hieronder). Onze landgenoot Georges Lemaître stond mee aan de wieg van deze theorie. Tijdens de Oerknal ontstonden tevens ruimte en tijd, wat de term enigszins misleidend maakt, aangezien een knal of ontploffing zich voor ons onvermijdelijk moet voordoen in een reeds bestaande ruimte en tijd. De benaming was halfweg vorige eeuw trouwens spottend bedoeld door collega-wetenschappers die het heelal veeleer als iets statisch zagen en voor wie de theorie van een evoluerend heelal te gek voor woorden was.

Maar gaandeweg won de oerknaltheorie met het daarbij horend evoluerend heelal meer wetenschappelijke zieltjes. Het pleit werd tenslotte beslecht in 1992. Toen bracht de satelliet COBE (Cosmic Background Explorer) microgolfstraling in kaart, afkomstig uit alle hoeken en kanten van het heelal. Deze kosmische achtergrondstraling liet zich niet anders interpreteren dan als de nagloed van de Oerknal. De vondst van COBE met de werd meteen met vlag en wimpel de grootste triomf uit de hedendaagse kosmologie.

Toch blijven er nogal wat losse eindjes over in het standaardmodel. Bovendien vergt de gedachte dat tijd en ruimte samen met de Oerknal ontstonden erg veel van het menselijk voorstellingsvermogen. Je kan vanuit louter wetenschappelijk perspectief aanvoeren dat de vraag ‘wat was er dan voor de Oerknal?’ even betekenisloos is als ‘Slapen kleurloze, groene ideeën woedend?’, maar echt bevredigend is zo’n uitspraak niet.

Kosmologen blijven dan ook zoeken naar betere verklaringsmodellen, zonder evenwel het kind met het badwater weg te gooien: de notie van een evoluerend heelal ontstaan vanuit een beginpunt (Oerknal of ‘singulariteit’) is sinds het succes van COBE en de verdere bevestigingen van zijn fijnmazigere opvolgers immers incontournable.

Zoals altijd kunnen we voor het gekste idee bij de kwantumfysici terecht: ons heelal bevindt zich in een onoverzichtelijk multiversum waarin op elk ogenblik een stortvloed aan nieuwe heelallen gecreëerd wordt. Ondanks zijn diameter van 46 miljard lichtjaar, zijn 2000 miljard sterrenstelsels en zijn 1-met-24-nullen sterren is ons heelal minder dan een voetnoot in dit duizelingwekkende en losgeslagen multiversum.

Dan oogt de oplossing van Penrose soberder: het universum kent geen begin of eind, het is een soort altijddurend pulserend systeem waarin telkens weer een heelal dermate is blijven uitdijen dat alle materie verdampt is en er niets anders meer in aan te treffen valt dan zwarte gaten. Die smelten ten lange laatste samen tot één finaal zwart gat dat de singulariteit oplevert voor een volgende Oerknal met de daarbij horende vorming van een fonkelnieuw heelal. Dit nieuw heelal zal uiteindelijk hetzelfde lot beschoren zijn en aanleiding geven tot alweer een volgend heelal. De fase tussen twee opeenvolgende heelallen noemt hij een aeon. Dit cyclisch proces van aeons blijft volgens Penrose eindeloos doorgaan en heeft ook nooit een aanvangsmoment gekend.

Het is precies met dit Conformal Cyclic Cosmology (CCC) model in het achterhoofd dat Penrose en co naar de onderstaande kaart van kosmische achtergrondstraling van het heelal kijken. Bepaalde kleine vlekjes hierin, die bij nader inzien concentrische cirkeltjes blijken te zijn, liggen ten grondslag aan de opwinding die hen momenteel te beurt valt.

Als u zelf niets speciaal voelt bij het bekijken ervan, ligt het vast niet aan u, want ook hun eigen vakgenoten blijven sceptisch. Maar als het trio het bij het rechte eind heeft, stellen de vlekjes Hawking points voor die verwijzen naar een ter ziele gegaan heelal.

De term Hawking points verwijst naar de onlangs overleden Stephen Hawking, een andere coryfee uit de hedendaagse kosmologie. Hij voerde aan dat zwarte gaten een temperatuur hebben die net boven het absolute nulpunt ligt, net genoeg om zoals als ieder voorwerp warmtestraling uit te zenden en als gevolg daarvan ook heel langzaam te verdampen. De vermeende concentrische cirkeltjes zouden dan het overblijfsel zijn van de warmtestraling van een verdampt zwart gat van een vorig heelal. De theorie van Penrose laat alvast toe dat straling uit een vorig aeon de grens met een nieuw aeon oversteekt.

Copernicus ontnam onze planeet zijn centrale positie in het heelal. Darwin ontnam ons zijn bevoorrechte positie in de schepping. Freud degradeerde ons tot een speelbal van het onderbewustzijn. Zadelt Penrose ons met een vierde narcistische kwetsuur op, door zelfs ons heelal te herleiden tot niet meer dan een enkele puls in een eeuwigdurende kosmische hartslag? Meer gedetailleerde gegevens van de achtergrondstraling kunnen in de nabije toekomst alvast een volgende toetssteen opleveren.

Column – Veel tinten grijs

Het gaat niet goed met u. U eet te veel suiker. Drinkt te veel alcohol. Beweegt te weinig. U presteert ondermaats in bed.  Loopt te lang in de zon. Ademt te veel ozon en fijn stof in. U staat akelig dichtbij een burn-out of bore-out. Als  u een voldoende hoog opleidingsniveau hebt,  tenminste. Anders moet u genoegen nemen met een depressie. Robots staan klaar om uw werk beter en goedkoper te doen. Uw betrouwbare bankier gaat plotsklaps failliet. Een bonte variëteit aan virussen heeft het op u gemunt. Er woeden oorlogen. Slachtoffers vluchten naar veiliger oorden – bij u dus. En u woont niet eens zo ver van Molenbeek.

En toch gaat het ook ontzettend goed met u. Een indrukwekkende stoet denkers uit diverse kennisvelden (statistiek, economie, psychologie, technologie) vertelt vol enthousiasme dat  de wereld nooit rijker, gezonder, veiliger en rechtvaardiger was dan vandaag. Sinds 1946 is het jaarlijkse aantal oorlogsslachtoffers met liefst 90 procent gedaald. Extreme armoede is sterk afgenomen in elk afzonderlijk werelddeel. Er was nooit eerder zoveel voedsel beschikbaar. De levensverwachting blijft stijgen, vooral in ontwikkelingslanden. De kindersterfte is meer dan gehalveerd sinds 1990. Kinderarbeid is spectaculair gedaald.

Hoe rijm je het allemaal aan elkaar? Misschien kan Ulrich Beck ons raad brengen. Deze Duitse socioloog muntte het begrip ‘risicomaatschappij’ in de jaren ‘80. In zijn boek “Risikogesellschaft” uit 1986 beschrijft hij hoe de technologische ontwikkeling een dusdanige vlucht heeft genomen dat we de natuur meer dan ooit beheersen. En daarmee onze materiële noden beter dan ooit lenigen. Maar dit heeft een keerzijde, vertelt Beck. De risico’s worden weliswaar steeds kleiner, maar als ze werkelijkheid worden, zijn de effecten steeds meer dramatisch, onomkeerbaar en wereldomvattend.

Maar moeten we nu toegeven aan het onbehaaglijk gevoel van permanente crisis of heffen we het glas op deze steeds mooiere en gezelligere wereld? Met Beck als bagage hoeft het geen “of/of”-verhaal te zijn. De technologisering verbetert onze levensomstandigheden in aanzienlijke mate. Maar diezelfde technologisering brengt een nieuw soort onbeheersbaarheid voort. Neem bij voorbeeld de energieproductie. Dankzij ons technologisch vernuft om op grote schaal atoomkernen te splitsen, hebben we de energieproductie drastisch opgedreven, met heel wat positieve gevolgen voor onze levenskwaliteit. Maar als er wat fout loopt met zo’n kerncentrale, zoals in Tsjernobil of Fukushima, zijn de gevolgen nauwelijks te overzien.

Het helpt om te weten dat een evolutie naar betere levensomstandigheden hand in hand gaat met risico’s met desastreus potentieel. Zo kan je beweringen die op zich steek houden, maar onderling onverzoenbaar lijken, zien als mozaïekstukjes van de complexe werkelijkheid. En word je niet heen en weer geslingerd tussen apocalyptisch doemdenken en naïef vooruitgangsoptimisme. In tijden van oneliners, tweets, catchy boodschappen en panklare zwart-witbeweringen, kan je dan zelf de nodige grijswaarden inkleuren. Je eigen gezond oordeelsvermogen blijft belangrijk als er weer eens iemand een blik experten opentrekt. De verlichtingsfilosoof Immanuel Kant wist het een slordige 200 jaar geleden al: “Sapere aude”, durf (zelf)  te denken. Anders loop je pas echt gevaar.