Uit een bepaalde interpretatie van de quantummechanica volgt dat we in een multiversum zouden leven, dat bestaat uit vele universa. Maar nu wijst een experiment erop dat we dat idee mogelijk naar de prullenbak kunnen verwijzen.
Een geavanceerde versie van het beroemde tweespletenexperiment heeft een enkel foton (lichtdeeltje) op twee plaatsen tegelijk gemeten. Dat is althans de bewering van een groep natuurkundigen. Volgens hen kunnen deze resultaten het concept van een multiversum overbodig kunnen maken. Hun bewering is echter zeer omstreden: andere natuurkundigen beweren dat het experiment ons eigenlijk niets nieuws vertelt over de aard van de werkelijkheid.
Tweespletenexperiment
Het tweespletenexperiment, voor het eerst uitgevoerd in 1801, heeft een sleutelrol gespeeld in de ontwikkeling van de quantummechanica. Het laat zien dat wanneer je licht door twee dunne spleten schijnt, het aan de andere kant een golfvormig interferentiepatroon produceert. Bij interferentie versterken de pieken van golven elkaar als ze samenvallen en doven ze uit als ze overlappen met dalen. Bizar genoeg ontstaat dit patroon zelfs wanneer deze lichtdeeltjes er één voor één doorheen worden geschoten, waardoor ze geen kans lijken te hebben om met elkaar te interfereren. Het lijkt er dus op dat een enkel foton tegelijkertijd door beide spleten gaat en met zichzelf interfereert.
‘Dialyse wordt vaak gezien als dé oplossing voor nierfalen, maar dat is het niet’
Nederland telt ruim 1,8 miljoen mensen met chronische nierschade. Velen van hen wachten op een donornier en zijn intussen aangewezen op nierdialyse wa ...
Veel natuurkundigen interpreteren dit feit als bewijs voor het idee dat je zelfs een enkel foton kunt beschrijven aan de hand van zijn golffunctie. Zo’n golffunctie is een wiskundige constructie die beschrijft hoe waarschijnlijk het is dat je een foton aantreft op verschillende locaties. Op de een of andere manier kan een enkel foton dankzij dit golfkarakter door beide spleten tegelijk reizen.
Maar op mysterieuze wijze vernietigt het plaatsen van een detector bij elke spleet – in een poging vast te stellen door welke spleet het foton gaat – het interferentiepatroon. De heersende opvatting is dat dit het resultaat is van het ‘instorten’ van de golffunctie na een meting. Dat resulteert erin dat je de locatie van het foton in de ruimte vaststelt. Daardoor is het lichtdeeltjes nog maar op één plek en kan het niet meer door beide spleten tegelijk bewegen. Maar de ware aard van de golffunctie – of deze echt bestaat of slechts een wiskundige beschrijving van de werkelijkheid is – is een zeer omstreden onderwerp.
Veel-werelden-interpretatie
Sommige natuurkundigen pleiten voor een zogeheten veel-werelden-interpretatie. Volgens die interpretatie bestaan er meerdere mogelijke universa tegelijkertijd, die elk een versie van het tweespletenexperiment bevatten met fotonen die door de ene of de andere spleet bewegen. Door een detector bij een van de spleten te plaatsen, zorg je ervoor dat de werkelijkheid die wij ervaren zich splitst. Wij leven dan verder in het ene universum waarin het foton door een van de twee spleten is gegaan.
Maar nu beweren quantumonderzoeker Holger Hofmann van de Universiteit van Hiroshima in Japan en zijn collega’s dat ze direct bewijs hebben dat dit foton door beide spleten reist. Daarvoor gebruikten ze een complexere versie van het tweespletenexperiment. Die toont aan dat de golffunctie niet slechts een wiskundig hulpmiddel is, maar dichtbij de werkelijkheid komt, zegt Hofmann.
‘Voorheen ging men ervan uit dat elke interpretatie een speculatie was. Je weet niet wat er met het deeltje gebeurt’, zegt hij. ‘Dit experiment pakt dit op een totaal nieuwe en zelfs een beetje provocerende manier aan. We zeggen namelijk dat er fysieke delokalisatie is – waarbij het deeltje echt op twee plekken tegelijkertijd is. En het is geen speculatie, we hebben experimenteel bewijs.’
Interferentiepatroon
Hofmann en zijn team gebruikten een interferometer, waarbij twee lichtbundels elk een eigen pad afleggen en daarna weer samenkomen en interfereren. In hun versie van het experiment verdeelden ze de golffunctie van één foton over de twee paden met een soort spiegel. Die twee paden ontmoetten elkaar weer bij een uitgang, waar twee detectoren het interferentiepatroon van het foton met zichzelf maten. Net als bij het tweespletenexperiment suggereert het bestaan van deze interferentie dat het foton door beide armen is gegaan, maar ook hier is het niet mogelijk om precies te meten welk pad het foton heeft afgelegd zonder de golffunctie te verstoren.
Om dit te omzeilen, gebruikten Hofmann en zijn team een techniek die ‘zwakke meting’ wordt genoemd. Daarbij doen ze zeer zwakke en voorzichtige metingen aan bepaalde eigenschappen van een lichtdeeltje, zonder dat de golffunctie ervan instort. Ook herhalen ze het experiment vele malen, waardoor er een statistisch gemiddeld beeld ontstaat van het gedrag van het deeltje.
Bovendien plaatsten de onderzoekers in elke arm van de interferometer een glazen plaat, die het foton een beetje verdraait. Daardoor verandert de zogeheten polarisatie van het licht. De polarisatie beschrijft de richting waarin het licht golft. De platen werkten in tegengestelde richtingen voor elk pad, wat betekent dat als het foton echt beide paden aflegde, deze verdraaiingen elkaar zouden moeten hebben opgeheven bij een meting aan het uiteinde van de opstelling.
Hofmann en zijn team maten de polarisatie bij de uitgangen en keken hoe vaak de polarisatie daar veranderde tijdens de vele keren dat het experiment werd uitgevoerd. Zo ontdekten ze dat hun resultaten overeenkwamen met een scenario waarin een enkel foton langs beide armen reist.
Rookgordijn
Het feit dat het team deze meting kon uitvoeren, daagt de veel-werelden-interpretatie van de quantummechanica uit, zegt Hofmann. De meting neemt namelijk de noodzaak weg voor het tegelijkertijd bestaan van verschillende universa.
Quantumonderzoeker Jonte Hance van de Universiteit van Newcastle in het Verenigd Koninkrijk zegt dat deze uitkomst het voor sommige natuurkundigen iets moeilijker kan maken om te beargumenteren dat de golffunctie een wiskundig rookgordijn is die de werkelijkheid aan het zicht onttrekt. ‘Het maakt het moeilijker om te geloven dat quantummechanica alleen maar bestaat uit waarschijnlijkheidsverdelingen die echte, normale dingen beschrijven die zich gedragen zoals we verwachten.’
Maar natuurkundige Lev Vaidman van de Universiteit van Tel Aviv in Israël betoogt dat deze resultaten nog steeds zinnig kunnen zijn binnen een veel-werelden-interpretatie, aangezien we alleen de delokalisatie van het foton zien in één mogelijke tak van de werkelijkheid. Er zou een andere tak, een ander universum, kunnen zijn waarin je het foton een pad ziet volgen dat zich in ‘ons’ universum niet toont.
Einde multiversum?
Natuurkundigen bediscussiëren het concept van zwakke metingen ook fel op meer fundamentele gronden. Sommigen beweren bijvoorbeeld dat je herhaaldelijke, statistische metingen niet kunt gebruiken om eigenschappen af te leiden over afzonderlijke deeltjes. ‘Ik denk dat je hiermee geen uitspraken kunt doen over een enkel foton’, zegt natuurkundige Andrew Jordan van de Chapman-universiteit in Californië.
‘Ik verwacht wel meningsverschillen, want we lopen veel mensen voor de voeten door partij te kiezen in interpretatiekwesties. En doordat we beweren dat die kwesties opgelost kunnen worden met experimenten’, zegt Hofmann. ‘Er is tot nu toe altijd vrede geweest tussen kampen die verschillende interpretaties van de quantummechanica aanhangen. Want iedereen was het erover eens dat je niet kunt testen welke klopt. Wij beweren nu dat die experimentele tests wel degelijk mogelijk zijn.’
