Een interpretatie van de quantumtheorie stelt dat elke keuze die je maakt de realiteit opsplitst in parallelle werkelijkheden. Nu volgt uit een nieuwe theorie dat dit ‘multiversum’ van mogelijkheden zelfs nog veel groter is dan tot nog toe werd gedacht.

Het multiversum is misschien oneindig veel groter dan we ons ooit hebben voorgesteld. Dat volgt uit een nieuwe interpretatie van de quantummechanica, bedacht door een internationaal team natuurkundigen. Hun theorie beschrijft meerdere domeinen van parallelle universa die ontstaan op elk moment dat we een beslissing nemen.

De kern van de quantummechanica is de golffunctie: een abstract, wiskundig instrument dat het gedrag beschrijft van fotonen, elektronen en de andere bewoners van de deeltjeswereld waar de wetten van de quantumtheorie gelden. Maar wat is de golffunctie precies? En hoe vertaal je de wiskundige golffunctie naar de fysieke, tastbare wereld? Na bijna een eeuw discussiëren zijn natuurkundigen het daar nog steeds niet over eens.

Deeltjesfysicus Dylan van Arneman: ‘Ik ben op zoek naar iets wat misschien niet bestaat’
LEES OOK

Deeltjesfysicus Dylan van Arneman: ‘Ik ben op zoek naar iets wat misschien niet bestaat’

Dylan van Arneman verruilt een paar keer per jaar zijn werkkamer op het Science Park in de Watergraafsmeer voor de ondergrond ...

Schrödingers kat

In de meest conventionele opvatting, de Kopenhagen-interpretatie, beschrijft de golffunctie wiskundig alle mogelijke toestanden die een object kan hebben voordat het wordt ‘waargenomen’. De waarneming is een handeling die het object in een ondubbelzinnige toestand brengt, door de golffunctie te laten ‘instorten’.

In het gedachtenexperiment van de kat van Schrödinger wordt bijvoorbeeld een kat in een doos geplaatst. Die doos stroomt vol met gifgas zodra een atoom vervalt. Omdat het atoom de quantumregels volgt, geldt dat ook voor de golffunctie van de kat. Wanneer de doos gesloten is, bevindt die zich tegelijkertijd in een levende als een dode toestand.

Wanneer een waarnemer de doos opent, stort de golffunctie in. Dan is de kat ofwel dood ofwel levend, waarbij de andere mogelijkheid verdwijnt. Vanaf dat moment is zijn gedrag volledig niet-quantum (ofwel ‘klassiek’). Eenmaal geobserveerd als dood, komt de kat niet meer tot leven.

Meer werelden

Een kat die zowel levend als dood is, is misschien al moeilijk te slikken, maar een andere kijk op quantummechanica is nog vreemder. In de jaren vijftig bedacht natuurkundige Hugh Everett de veel-werelden-interpretatie. Volgens die interpretatie stort de golffunctie niet ineen tot één toestand, maar tot alle verschillende mogelijkheden. Die komen allemaal voor, maar in parallelle werelden. Wanneer je de doos opent en een levende kat ziet, heeft een replica van jou in een andere wereld de kat net dood aangetroffen.

Welke visie je ook verkiest, de hamvraag blijft: hoe ontstaat al het ‘klassieke’ gedrag dat wij in het universum zien uit de vage quantumwetten? ‘Alle sterren, sterrenstelsels, planeten, het leven – dat alles is begonnen als quantumfluctuaties in het vroege heelal. Toen het heelal groeide, werden deze dingen uiteindelijk klassiek’, zegt kosmoloog Arsalan Adil van de Universiteit van Californië. ‘De quantumtheorie is echt goed getest, dus we zijn het erover eens dat het bij benadering de juiste theorie is. Maar we willen graag begrijpen hoe een klassieke wereld daaruit voortkomt.’

Waarnemer

Een probleem met zowel de Kopenhagen- als de veel-werelden-interpretatie is wat precies telt als een ‘waarnemer’. Wie maakt de doos open en zorgt ervoor dat de kat een toestand aanneemt? Of wie ‘meet’ een deeltje, zodat het tot een bepaalde toestand vervalt?

Dit is vooral een probleem in het vroege universum, toen er niets en niemand was om waarnemingen te doen. Om dit te omzeilen, zetten Adil en zijn collega’s de menselijke waarnemer aan de kantlijn. Ze besloten naar verzamelingen deeltjes te kijken. Ze stelden dat het gedrag van elk deeltje wordt bepaald door de manier waarop de energie over alle deeltjes in het systeem is verdeeld.

‘Wij zijn grote, warme objecten, die gewend zijn om interacties aan te gaan met andere grote, warme objecten, en we bedenken een wetenschappelijk verhaal op basis van deze dingen. Maar je kunt het ook omdraaien, het menselijk perspectief achterwege laten, en erkennen dat wat het universum in zijn meest basale vorm gewoon een energiestructuur is’, zegt natuurkundige en teamlid Zoe Holmes van het Zwitserse Federale Technologie-instituut in Lausanne.

Met die overweging kon het team de ‘waarnemer’ buiten beschouwing laten. Ze ontwikkelden een algoritme dat systemen van deeltjes in subgroepen opdeelt. Elke subgroep wordt gezien als een geldige kijk op de wereld, zolang de interacties tussen de groepen ertoe leiden dat een van hen klassiek wordt. In wezen is dat een veel algemenere versie van het openen van de doos van Schrödingers kat. ‘Je kunt een deel van de aarde en het Andromedastelsel in één subsysteem hebben, dat is een volkomen legitiem subsysteem’, zegt Arsalan.

Veel meer werelden

Dit nieuwe perspectief leidt tot talloze nieuwe werelden, bovenop de simpele dood-of-levend-werelden. De onderzoekers noemen het de ‘veel-meer-werelden interpretatie’.

Om te begrijpen waarom, kun je je een quantumversie voorstellen van de beslissing of je koffie of thee bij het ontbijt neemt. In de Kopenhagen-interpretatie neem je een beslissing en stort de golffunctie in. Als je vervolgens besluit om toast of cornflakes te eten, stort een tweede golffunctie in. Dit alles vindt plaats binnen het enige universum dat bestaat.

Maar in de interpretatie van vele werelden bestaan de ‘jij’ die trek heeft in koffie en de ‘jij’ die liever thee drinkt allebei in parallelle werelden. En elk van die werelden zal zich wéér in tweeën splitsen, afhankelijk van wat je vervolgens besluit te eten.

In de veel-meer-werelden-interpretatie leidt je ontbijt tot één domein dat bestaat uit talloze werelden. Maar er ontstaan nog meer domeinen uit minder overduidelijke interacties, zoals de interactie tussen je kopje koffie en een ver hemellichaam. Door de rol van de waarnemer ruimer te nemen, ontstaan er veel meer perspectieven, die elk aanleiding geven tot een domein van nieuwe werelden. Het gevolg is dat het toch al enorme multiversum uit Everetts interpretatie nog veel, veel groter wordt.

Het team heeft hun werk opgetekend in een wetenschappelijk artikel dat nog niet door onafhankelijke experts is beoordeeld. Het is wel al beschikbaar op de website arXiv.

Fascinerend en bevredigend

Natuurkundige Paolo Zanardi van de University of Southern California Dornsife zegt dat de nieuwe interpretatie ‘een soort werkbare democratisering’ bereikt tussen de manieren om de werkelijkheid op te delen. Het sluit geen enkele parallelle-wereld-splitsing uit, alleen maar omdat die vreemd of tegenintuïtief zou zijn. Dat vindt hij fascinerend en bevredigend.

Maar het algoritme dat de onderzoekers gebruiken om de verdeling van de subsystemen te vinden, bevat nog wel een aantal aannames, bijvoorbeeld hoe lang het duurt voordat een subsysteem klassiek wordt. Er is dus ruimte voor meer wiskundige verkenning en verfijning van het idee, zegt Zanardi.

‘Dit is een goede, serieuze, nuttige bijdrage aan de vraag hoe je uit een ‘kale’ quantumtheorie iets kunt halen dat lijkt op de klassieke wereld van onze ervaring’, zegt kosmoloog Sean Carroll van de Johns Hopkins-universiteit in de Amerikaanse staat Maryland.

Ook Carroll heeft gekeken naar het opdelen van quantumsystemen in deelsystemen. Hij ontdekte dat geldige deelsystemen die leiden tot realistische, klassieke werelden zeldzamer zijn dan de veelheid aan domeinen die Adil, Holmes en hun collega’s voorstellen. Dit kan komen doordat het onduidelijk is hoe je moet bepalen of een systeem niet-quantum genoeg is om als klassiek te worden beschouwd, zegt hij.

Iets zinvols

Zelfs voor het team is het nog onduidelijk wat een groter multiversum precies betekent voor ons begrip van de werkelijkheid. Adil zegt dat hij en zijn collega’s op dit moment ‘agnostisch zijn over de ontologische conclusies’ van wat ze hebben ontdekt. Holmes zegt dat het mogelijk is dat hun werk lijkt op het vinden van vormen in de wolken, in plaats van een daadwerkelijke weerspiegeling van de werkelijkheid.

Toch kunnen beide onderzoekers zich niet aan het gevoel onttrekken dat ze iets zinvols op het spoor zijn. Ze willen dit verder onderzoeken. ‘Ik zou zeggen dat ik denk dat we weten dat dit klopt, maar we weten niet of het belangrijk is’, zegt Holmes.