Het lab waar de onderzoekers in Grenoble hun experimenten hebben gedaan (afb: ILL)

Het is natuurlijk weer kwantum-‘flauwekul’, denk je. Als je bij een driesprong aankomt dan moet je kiezen welke kant je op gaat, maar in de kwantum-mechanica kan een deeltje beide routes tegelijkertijd afleggen. Dat schijnt nu ook echt bewezen te zijn door kwantumfysici in, onder meer, Wenen.
Met de beroemde dubbele-spleetproef zou zijn bewezen dat kwantumdeeltjes tegelijkertijd beide wegen (spleten) kunnen volgen, maar om dat te bewijzen heb je een hoop deeltjes nodig en moet je de resultaten statistisch analyseren. Dat lijkt op valsspelen. Nu is zo’n proef ontworpen met slechts een deeltje en daarbij kan je niet smokkelen (moeten we geloven).
In de normale praktijk met veel deeltjes kun je dat alleen bewijzen door het experiment keer op keer te doen. Onderzoekers van, onder meer, de TU in Wenen hebben ze nu een proef gedaan met een enkele neutron (een kerndeeltje). Daarmee lijkt onomstotelijk bewezen dat deeltjes in de kwantummechanica tegelijkertijd verschillende wegen kunnen bewandelen. Het zou zelfs mogelijk zijn de verhouding te bepalen waarin dat deeltje verdeeld is over de twee paden.
“In een klassieke dubbelespleetproef ontstaat er een interferentiepatroon achter de dubbele spleet”, zegt Stephan Sponar. “De deeltjes bewegen als een golf door beide spleten en die twee deelgolven interfereren dan met elkaar: op sommige plaatsen versterken ze elkaar op andere doven ze uit.”

De waarschijnlijkheid het deeltje op een bepaalde plaats te vinden na de spleten hangt af van dat interferentiepatroon: als de kwantumgolf versterkt is is de waarschijnlijk het deeltje daar te vinden groot en laag waar die verzwakt wordt. Die golfverdeling kun je niet waarnemen bij een enkel deeltje. Je moet daarom de meting keer op keer herhalen.
“Het gedrag van de afzonderlijke deeltjes wordt gehaald uit de resultaten van veel deeltjes”, zegt medeonderzoeker Holger Hofmann van de universiteit van Hiroshima (Jap). “Dat is weinig bevredigend, dus hebben we geprobeerd te bedenken hoe je dat kunt bewijzen met een deeltje.”

Grenoble

Dat deeltje, dat neutron, kwam uit de ILL-neutronenbron in Grenoble (F). Die neutronen worden losgelaten op een kristal dat de kwantumgolf van het neutron splitst in twee deelgolven bijna net zoals het klassieke dubbele-spleetexperiment. De twee deelgolven bewegen over twee verschillende paden en worden vervolgens weer verenigd. Ze interfereren met elkaar en worden daarna gemeten.
Daarnaast wordt een andere kwantumeigenschap van het neutron gebruikt: diens spin (het hoek- of impulsmoment van dat deeltje). Dat is te beïnvloeden door een magneetveld waardoor de richting van de spin verandert. Als de spin van het neutron slechts op een van de paden wordt veranderd dan is ook duidelijk welke route dat deeltje heeft genomen, maar daarmee verdwijnt ook het interferentiepatroon.
“Daarom veranderden we die richting maar een klein beetje”, stelt hoofdauteur Hartmuth Lemmel. “Dan houd je het interferentiepatroon, maar krijg je ook maar erg weinig informatie over het gekozen pad. Om toch resultaat te krijgen moesten we de proef in de conventionele opzet vele malen over doen, maar dan krijg je statistische informatie en kun je erg weinig zeggen over een afzonderlijk deeltje.”

Dat wordt anders als je nadat de twee neutrondeelgolven zich weer hebben verenigd met een magneetveld de spinrichting weer terugverandert. Met proberen kun je de draaihoek bepalen die nodig is om de spin uit de superpositie terug te brengen in de oorspronkelijke richting.
De kracht van die rotatie is een maat voor hoe sterk het neutron aanwezig was op elk pad. Als het neutron het pad met verdraaide spin had genomen, dan zou de volledige draaihoek nodig zijn om die weer terug te zetten in de oorspronkelijke richting. Als het neutron de andere spleet had genomen, dan hoeft er niks teruggedraaid te worden. In een experiment met een speciale asymmetrische bundelsplitser werd zo aangetoond dat de neutronen voor eenderde de ene spleet ‘namen’ en voor tweederde de andere.
De onderzoekers zouden ook hebben aangetoond dat je niet alleen de gemiddelde waarde van alle neutronen kunt bepalen, maar ook van elk neutron afzonderlijk. Je hebt veel neutronen nodig om de optimale hoekverandering van de spin te bepalen, maar als je die eenmaal hebt dan is de ‘gekozen’ route van elk afzonderlijk neutron te bepalen, stellen de onderzoekers.

Volgens Sponar ondersteunen de proeven de klassieke kwantumtheorie. “Het nieuwe is dat je niet afhankelijk bent van statistiek. Als je een deeltje meet dan toont dat dat zo’n deeltje twee paden tegelijk heeft genomen en kun je de verdeling precies bepalen.”

Bron: Science Daily