De demonstratie die de ideeën van de grote Isaac Newton over de aard van licht veranderde, was ongelooflijk eenvoudig. Het "kan met groot gemak worden herhaald, waar de zon ook schijnt", zei de Engelse natuurkundige Thomas Young in november 1803 tegen leden van de Royal Society in Londen, waarin hij beschreef wat nu het experiment met dubbele spleet wordt genoemd. En Young was geen enthousiaste jongere. Hij bedacht een elegant en uitgebreid experiment dat de golfkarakteristiek van licht demonstreerde, en weerlegde daarmee Newtons theorie dat licht bestaat uit bloedlichaampjes, dat wil zeggen deeltjes.
Maar de geboorte van de kwantumfysica in het begin van de twintigste eeuw maakte duidelijk dat licht bestaat uit kleine ondeelbare eenheden - of kwanta - van energie die we fotonen noemen. Young's experiment met enkele fotonen, of zelfs met individuele materiedeeltjes zoals elektronen en neuronen, is een mysterie waardoor je je afvraagt over de aard van de werkelijkheid. Sommigen hebben het zelfs gebruikt om te beweren dat de kwantumwereld wordt beïnvloed door het menselijk bewustzijn. Maar kan een eenvoudig experiment dit echt aantonen?
Kan bewustzijn de werkelijkheid definiëren?
In zijn moderne kwantumvorm omvat het experiment van Young het afvuren van afzonderlijke deeltjes licht of materie door twee spleten of gaten die in een ondoorzichtige barrière zijn gesneden. Aan de ene kant van de barrière bevindt zich een scherm dat de aankomst van deeltjes registreert (bijvoorbeeld een fotografische plaat in het geval van fotonen). Gezond verstand doet ons verwachten dat fotonen door de ene of de andere spleet gaan en zich achter de overeenkomstige doorgang ophopen.
Maar nee. De fotonen raken bepaalde delen van het scherm en vermijden andere, waardoor er afwisselend strepen van licht en donker ontstaan. Deze zogenaamde franjes lijken op een foto van twee samenkomende golven. Wanneer de toppen van de ene golf uitgelijnd zijn met de toppen van een andere, krijg je constructieve interferentie (heldere strepen), en wanneer de toppen uitgelijnd zijn met dalen, krijg je destructieve interferentie (duisternis).
Maar er gaat slechts één foton tegelijk door het apparaat. Het lijkt erop dat het foton door beide spleten tegelijk gaat en zichzelf hindert. Dit is in strijd met het gewone (klassieke) besef.
Wiskundig gezien is het geen fysiek deeltje of een fysieke golf die door beide spleten gaat, maar de zogenaamde golffunctie - een abstracte wiskundige functie die de toestand van een foton (in dit geval positie) weergeeft. De golffunctie gedraagt zich als een golf. Het raakt twee spleten en nieuwe golven komen naar buiten aan de andere kant van de spleten, verspreiden zich en interfereren met elkaar. De gecombineerde golffunctie berekent de kans waar het foton zich zou kunnen bevinden.
Promotie video:
Het foton heeft een grote kans om te zijn waar de twee golffuncties constructief interfereren, en laag - waar de interferentie destructief is. Metingen - in dit geval de interactie van de golffunctie met de fotografische plaat - leiden tot de "ineenstorting" van de golffunctie, tot zijn ineenstorting. Daardoor wijst het naar een van de plaatsen waar het foton na meting materialiseert.
Deze schijnbaar door metingen veroorzaakte ineenstorting van de golffunctie is de bron geworden van veel conceptuele moeilijkheden in de kwantummechanica. Voor de ineenstorting is er geen manier om met zekerheid te zeggen waar het foton zal eindigen; het kan overal zijn met een waarschijnlijkheid van niet nul. Er is geen manier om het traject van een foton van bron tot detector te volgen. Het foton is onwerkelijk in de zin dat een vliegtuig dat van San Francisco naar New York vliegt, echt is.
Onder anderen Werner Heisenberg heeft deze wiskunde zo geïnterpreteerd dat de werkelijkheid pas bestaat als deze wordt waargenomen. "Het idee van een objectieve echte wereld, waarvan de kleinste deeltjes objectief bestaan in dezelfde zin dat stenen of bomen bestaan, ongeacht of we ze waarnemen of niet, is onmogelijk", schreef hij. John Wheeler gebruikte ook een variant van het dubbele spleet-experiment om te stellen dat "geen elementair kwantumfenomeen een fenomeen zal zijn totdat het een geregistreerd ('waargenomen', 'voor bepaald' geregistreerd) fenomeen wordt. '
Maar de kwantumtheorie geeft absoluut geen idee wat telt als 'meten'. Ze stelt eenvoudigweg dat het meetinstrument klassiek moet zijn, zonder te definiëren waar deze grens tussen het klassieke en het kwantum ligt, en de deur open te laten voor degenen die geloven dat instorting het menselijk bewustzijn veroorzaakt. Afgelopen mei zeiden Henry Stapp en zijn collega's dat het experiment met dubbele spleet en moderne versies suggereren dat 'een bewuste waarnemer nodig kan zijn' om betekenis te geven aan het kwantumrijk, en dat transpersoonlijke intelligentie de kern vormt van de materiële wereld.
Maar deze experimenten zijn geen empirisch bewijs voor dergelijke beweringen. In een experiment met dubbele spleet dat wordt uitgevoerd met enkele fotonen, kan men alleen de probabilistische voorspellingen van de wiskunde testen. Als kansen zweven terwijl tienduizenden identieke fotonen door de dubbele spleet worden gestuurd, is de theorie dat de golffunctie van elk foton ineenstortte - dankzij een vaag gedefinieerd proces dat meting wordt genoemd. Dat is alles.
Daarnaast zijn er andere interpretaties van het experiment met dubbele spleet. Neem bijvoorbeeld de theorie van de Broglie-Bohm, die zegt dat de werkelijkheid zowel een golf als een deeltje is. Het foton wordt op elk moment op een bepaalde positie naar de dubbele spleet geleid en passeert de ene of de andere spleet; daarom heeft elk foton een traject. Het reist door een pilootgolf die beide spleten penetreert, interfereert en vervolgens het foton naar de plaats van constructieve interferentie leidt.
In 1979 modelleerden Chris Dewdney en collega's van Brickbeck College London de voorspelling van deze theorie van de paden van deeltjes die door een dubbele spleet zouden reizen. In de afgelopen tien jaar hebben onderzoekers bevestigd dat dergelijke trajecten bestaan, hoewel ze de controversiële techniek van zogenaamde zwakke metingen hebben gebruikt. Ondanks de controverse hebben experimenten aangetoond dat de Broglie-Bohm-theorie nog steeds in staat is om het gedrag van de kwantumwereld te verklaren.
Wat nog belangrijker is, deze theorie heeft geen waarnemers of metingen of ongrijpbaar bewustzijn nodig.
Ze zijn ook niet nodig voor de zogenaamde ineenstortingstheorieën, waaruit volgt dat golffuncties willekeurig instorten: hoe groter het aantal deeltjes in een kwantumsysteem, hoe groter de kans dat de ineenstorting is. Waarnemers registreren eenvoudig het resultaat. Het team van Markus Arndt aan de Universiteit van Wenen in Oostenrijk testte deze theorieën door steeds grotere moleculen door een dubbele spleet te sturen. Collapse theorieën voorspellen dat wanneer materiedeeltjes massiever worden dan een bepaalde drempel, ze niet langer in een kwantumsuperpositie kunnen blijven en door beide spleten tegelijk gaan, en dit vernietigt het interferentiepatroon. Arndt's team stuurde een molecuul van 800 atomen door de dubbele spleet en zag nog steeds interferentie. De zoektocht naar de drempel gaat door.
Roger Penrose had zijn eigen versie van de theorie van ineenstorting, waarbij hoe hoger de massa van een object in superpositie, hoe sneller het in een of andere toestand instort als gevolg van zwaartekrachtinstabiliteiten. Nogmaals, deze theorie vereist geen waarnemer of enige vorm van bewustzijn. Dirk Boumeester van de University of California, Santa Barbara test Penrose's idee met een versie van het experiment met dubbele spleet.
Conceptueel is het idee niet alleen om een foton in een superpositie te plaatsen waarbij het door twee spleten tegelijk gaat, maar ook om een van de spleten in superpositie te plaatsen en het op twee plaatsen tegelijk te laten zijn. Volgens Penrose zal de vervangen spleet ofwel in superpositie blijven of instorten met een foton tijdens de vlucht, wat zal leiden tot verschillende interferentiepatronen. Deze ineenstorting is afhankelijk van de massa van de sleuven. Boumeester werkt al tien jaar aan dit experiment en kan de beweringen van Penrose binnenkort bevestigen of ontkennen.
In ieder geval laten deze experimenten zien dat we nog geen uitspraken kunnen doen over de aard van de werkelijkheid, ook al worden deze beweringen wiskundig of filosofisch goed ondersteund. En aangezien neurowetenschappers en filosofen van de geest het niet eens kunnen worden over de aard van bewustzijn, zou de bewering dat het leidt tot de ineenstorting van golffuncties op zijn best voorbarig zijn en in het ergste geval misplaatst.
Ilya Khel
