De proef in schematische voorstelling. Onderaan de gebouwen op het TUD-terrein waar de bestookte diamantjes en detectoren zich bevonden
Dingen die ver van elkaar verwijderd zijn beïnvloeden elkaar niet (nauwelijks) en dingen verdwijnen niet als je er niet naar kijkt. De kwantumwereld is een rare wereld, die zich alleen op het niveau van de elementaire deeltjes afspeelt, maar het schijnt nu door onderzoekers van de TU Delft bewezen te zijn dat dat niet klopt. Ook de ‘echte’ wereld voldoet aan de kwantumwetten. De (kwantum)wereld is vreemd.
Al zo’n 80 jaar is geprobeerd om het bewijs te leveren, maar doordat er steeds aannames moesten worden gemaakt, was de bewijsvoering nooit waterdicht. Nu heeft een groep van de technische universiteit Delft onder aanvoering van Ronald Hanson de klus geklaard. “Het is een mooi experiment en de groep mag daarmee gefeliciteerd worden”, zegt Anton Zeilinger, van een concurrerende onderzoeksgroep aan de universiteit van Wenen. “Goed gedaan.”
Om een beetje een idee te krijgen wat Hanson c.s. gedaan hebben, moeten we terug in de geschiedenis, naar de jaren 30. Natuurkundigen worstelden toen met de rare dingen die de toen piepjonge kwantummechanica ‘produceerde’. De verstrengeling van deeltjes, waarbij tot op grote afstand het ene deeltje de kwantumtoestand van het andere voelt, is zo’n maf fenomeen uit de kwantummechanica. Volgens Albert Einstein was dat een spookachting werking op afstand (spukhafte Fernwirkung in het oorspronkelijke Duits). Hij vond het erg ongemakkelijk dat twee deeltjes kennelijk sneller met elkaar kunnen communiceren dan welk signaal ook tussen die twee deeltjes. Een ander vreemd fenomeen is dat de eigenschappen van een deeltje pas worden vastgesteld als ze gemeten worden. Daarvoor bestaan ze alleen in een wolk van waarschijnlijkheden. Einsteins beroemde commentaar hierop was dat God niet dobbelt. Einstein was geen aanhanger van die vreemde theorie. Hij – en velen met hem – waren aanhangers van het lokale realisme: alleen nabije voorwerpen beïnvloeden elkaar en het heelal is echt (onze waarneming laat die werkelijkheid niet opdoemen uit vage waarschijnlijkheden). Volgens hen was de kwantummechanica onvolledig. Verborgen variabelen die werkten in een dieper gelegen werkelijkheidslaag zouden de duidelijke vreemdheid van de kwantummechanica kunnen verklaren.
De befaamde Deense schei- en natuurkundige Niels Bohr en medestanders verklaarden dat we de kwantumwerkelijkheid moesten aanvaarden, aangezien het een verklaring had voor de problemen die de klassieke natuurkunde met licht en energie had.
Pas in de jaren 60 won het gezichtspunt van Bohr c.s. veld, mede door toedoen van John Bell, een natuurkundige bij het CERN in Zwitserland. Als, zo redeneerde Bell, het lokale realisme het bij het rechte eind heeft, dan moet er een grens aan de afstand zijn waarop verstrengeling optreedt. Hij formuleerde een wiskundige uitdrukking en noemde die ongelijkheid. Als uit proeven kon worden bewezen dat die grens overschreden kan worden dan is het lokale realisme kul. “Dat is het mooie van de Bell-ongelijkheid”, zegt Zeilingers collega Johannes Kofler. “Het bracht een bijna zuiver wijsgerige discussie terug naar iets dat je een test zou kunnen noemen.” Er zijn sindsdien tests gedaan en Einsteins ideeën verloren steeds meer terrein, maar de twijfel bleef. Echt sluitend bewijs kon nooit geleverd worden.
Zo’n Bell-test begint met een fotonenbron, die elke keer twee fotonen, vaak wat lullig Alice en Bob genoemd, tegelijkertijd uitspuugt. Die worden in verschillende richtingen gestuurd naar detectoren. Als het paar verstrengeld is, dan kunnen ze elkaar beïnvloeden en herhaalde proeven zouden een sterker verband tussen Alice en Bob aangeven dan het lokale realisme zou toestaan. Maar wat als het tweetal onwaargenomen signalen uitzendt, misschien wel door de verborgen variabelen van Einstein? Dan ben je er niet zeker van dat de deeltjes elkaar echt beïnvloeden. Dat heet dan de lokaliteitsuitweg (‘loophole’). Die kan afgesloten worden door de detectoren ver genoeg van elkaar te plaatsen, zodat een (onwaargenomen) signaal niet voor het aflopen van de meting de andere detector kan bereiken. Zeilinger en anderen hebben dat gedaan, door, onder meer, ALice en Bob 144 km van elkaar op te vangen op de Canarische eilanden. Maar een uitweg die afgesloten wordt opent een ander. Op zo’n lange reis raken er wel eens fotonen zoek en dan heb je een detectieprobleem. Kofler: “Er is ergens een middenweg.” Tot nu toe was dat harde bewijs er nog steeds niet. Hanson c.s. stellen deze beide ‘uitwegen’ te hebben opgelost. Hij schijnt (nog) niet geïnterviewd te willen worden omdat het artikel over het bewijs nog niet gepubliceerd is (wel op Archiv, dus, maar dat is de ‘ruwe’ versie).
Bij Hanson zitten Alice en Bob 1,3 km van elkaar verwijderd. Licht doet 4,27 µs over om die afstand af te leggen. De meting slechts 3,7 µs. Genoeg dus om die localiteitsuitweg uit te sluiten. De twee labs hebben een diamant met een elektron die een spin heeft. De diamantjes worden met willekeurige microgolven bestookt. Daardoor onstaat een foton (een lichtdeeltje) dat verstrengeld is met de elektronspin. Deze fotonen worden naar een derde locatie gestuurd tussen Alice en Bob: C. Daar wordt de aankomsttijd geklokt. Als Alice en Bob exact op hetzelfde tijdstip aankomen dan dragen ze hun verstrengeling over aan de elektronspins in de diamanten en zijn de elektronen over die afstand verstrengeld. De spin wordt constant gemeten (ik weet even niet hoe) en de detectoren zijn van zo’n hoge kwaliteit dat ze de lokaliteitsuitweg zouden uitsluiten. Het vervelende is alleen dat de twee fotonen zelden tegelijkertijd aankomen op C, hooguit een paar paren per uur. De onderzoekers hebben 245 keer een meting gedaan. Wetenschap kan taai zijn. Het resultaat is duidelijk: er werden meer ‘verwante’ spins gemeten dan het lokale realisme toestaat. De maffe wereld van de kwantummechanica is ook onze wereld.
Er zijn nog wat zaken die niet helemaal helder zijn. Het experment was zo lastig dat de p-waarde – een maat voor de statistische betekenis – in verhouding hoog is voor de natuurkunde. Volgens Zeilinger is dat geen probleem. “Ik denk dat ze de proef hebben verbeterd en tegen de tijd dat het gepubliceerd wordt zullen ze beter gegevens hebben.”
Voor de weinige overgebleven lokale realisten is er nog een uitweg om zich aan vast te klampen, maar er is geen experiment dat die kan uitsluiten. Wat als er een koppeling is tussen de microgolfgeneratoren en de detectoren?
Daar zijn ook voorstellen voor gedaan, maar laten we het niet te ingewikkeld maken (kwantummechanica is al onbegrijpelijk genoeg). Wat zou Einstein hiervan gezegd hebben? Hij stierf voordat Bell zijn ongelijkheid formuleerde. Zeilinger: “Ik denk dat hij onder de indruk zou zijn geweest.”
Bron: New Scientist