Een van de vreemdste aspecten van de kwantummechanica is verstrengeling, aangezien twee verstrengelde deeltjes elkaar over grote afstanden beïnvloeden, wat op het eerste gezicht in strijd is met het fundamentele fysische principe van lokaliteit: wat er op een bepaald punt in de ruimte gebeurt, kan alleen punten in de buurt beïnvloeden. Maar wat als de plaats - en de ruimte zelf - toch niet zo fundamenteel is? George Masser onderzoekt de mogelijke gevolgen hiervan in zijn nieuwe boek Spooky Action At a Distance. (Albert Einstein noemde kwantumverstrengeling "griezelige actie op afstand").
Toen filosoof Jennan Ismael tien jaar oud was, kocht haar vader, een in Irak geboren professor aan de Universiteit van Calgary, een grote houten kast op een veiling. Nadat ze er doorheen had gebladerd, kwam ze een oude caleidoscoop tegen en was opgetogen. Ze experimenteerde er uren mee en ontdekte hoe het werkte. "Ik heb mijn zus niet verteld dat ik hem had gevonden, omdat ik bang was dat ze het zou nemen", herinnert ze zich.
Als je in de caleidoscoop kijkt en de pijp draait, beginnen de veelkleurige figuren te bloeien, draaien en verenigen zich op een schijnbaar volkomen onverklaarbare en onvoorspelbare manier, alsof ze van een afstand een griezelig effect op elkaar hebben. Maar hoe meer je ze bewondert, hoe meer je patronen in hun beweging opmerkt. De vormen aan de tegenovergestelde uiteinden van je gezichtsveld veranderen in koor, en deze symmetrie stelt je in staat te begrijpen wat er werkelijk gebeurt: deze vormen zijn geen fysieke objecten, maar afbeeldingen van objecten - glasscherven die in een spiegelbuis ronddraaien.
"Er is een stuk glas dat overbodig lijkt in verschillende delen van de ruimte", zegt Ismael. “Als je je concentreert op de alomvattende ruimte, zou de fysieke beschrijving van een driedimensionale caleidoscoop een vrij eenvoudig causaal verhaal zijn. Er is een stuk glas, dat wordt weerspiegeld in de spiegels, enzovoort. " In werkelijkheid is de caleidoscoop niet langer een mysterie, hoewel hij nog steeds verrast.
Tientallen jaren later, toen hij zich voorbereidde op een lezing over kwantumfysica, herinnerde Ismael zich de caleidoscoop en kocht hij een gloednieuwe glanzende koperen buis in een fluwelen hoesje. Hij werd, zoals het tot haar doordrong, een metafoor voor non-lokaliteit in de natuurkunde. Misschien gedragen deeltjes in verstrengelingsexperimenten of sterrenstelsels in verre galactische grenzen zich vreemd, omdat het projecties zijn - in zekere zin secundaire creaties - die in een heel ander gebied van objecten bestaan.
“In het geval van de caleidoscoop weten we wat we moeten doen: we moeten het hele systeem zien; we moeten zien hoe het beeld van de ruimte ontstaat, zegt Ismael. - Hoe bouw je hiervan een analoog voor kwantumeffecten? Om dit te doen, moet je de kosmos die we kennen - de dagelijkse ruimte, waarin we gebeurtenissen meten die zich in verschillende delen van de kosmos bevinden - zien als een onlosmakelijke structuur. Als we naar de twee delen kijken, zien we misschien dezelfde gebeurtenis. We hebben interactie met hetzelfde element van de werkelijkheid in verschillende delen van de ruimte."
Samen met anderen zet ze vraagtekens bij de veronderstelling, gevolgd door bijna elke natuurkundige en filosoof sinds Democritus, dat ruimte het diepste niveau van de fysieke werkelijkheid is. Net zoals het script voor een toneelstuk de handelingen van de acteurs op het toneel beschrijft, maar voorafgaat aan het toneel, nemen de wetten van de fysica het bestaan van ruimte traditioneel als vanzelfsprekend aan. We weten tegenwoordig dat het universum meer is dan alleen dingen in de ruimte. Het fenomeen van niet-lokaliteit springt over de ruimte; er is geen plaats waar het beperkt is. Het manifesteert zich op het niveau van de werkelijkheid dieper dan de ruimte, waar het concept van afstand er niet meer toe doet, waar verre dingen dichtbij lijken te zijn, alsof hetzelfde op meer dan één plaats verschijnt, als talloze afbeeldingen van één stuk glas in een caleidoscoop.
Als we nadenken over termen op dit niveau, lijken de verbindingen tussen subatomaire deeltjes op een laboratoriumtafel, binnen en buiten een zwart gat en tussen tegenoverliggende delen van het universum niet meer zo griezelig. Michael Heller, fysicus, filosoof en theoloog van de Pauselijke Academie voor Theologie in Krakau, Polen, zegt: “ Als je het ermee eens bent dat fysica op fundamenteel niveau niet-lokaal is, dan is het heel natuurlijk, aangezien twee deeltjes die ver van elkaar verwijderd zijn een fundamenteel niet-lokaal niveau. Voor hen doen ruimte en tijd er niet toe. Pas als je deze verschijnselen probeert te visualiseren vanuit een ruimteperspectief - wat te vergeven is omdat we gewend zijn zo te denken - verwarren ze ons begrip.
Promotie video:
Het idee van een diep niveau lijkt natuurlijk, want natuurkundigen hebben er tenslotte altijd naar gestreefd. Telkens wanneer ze bepaalde aspecten van onze wereld niet konden begrijpen, gingen ze ervan uit dat ze het allemaal nog niet hadden uitgezocht. Ze zoomden in en zagen de bouwstenen. Dat vloeibaar water kan koken of bevriezen, is enigszins mysterieus. Maar deze transformaties zijn logisch als we de vloeibare, gasvormige en vaste toestand niet als elementaire substanties voorstellen, maar als verschillende vormen van één fundamentele substantie.
Aristoteles beschouwde verschillende toestanden van water als verschillende incarnaties van de zogenaamde oermaterie, en atomisten dachten - scherpzinnig - dat atomen werden herschikt in meer rigide of vrije structuren. En masse verwerven deze bouwstenen van materie eigenschappen die individueel ontbreken. Evenzo kan ruimte bestaan uit delen die op zichzelf niet ruimtelijk zijn. Deze onderdelen kunnen ook worden gedemonteerd en weer in elkaar worden gezet tot niet-ruimtelijke structuren, zoals die verwijzen naar zwarte gaten en de oerknal.
"Ruimtetijd kan niet fundamenteel zijn", zegt theoreticus Nima Arkani-Hamed. "Het zou van iets eenvoudiger gemaakt moeten zijn."
Dit denken verandert de natuurkunde volledig. Non-lokaliteit is niet langer een mysterie; het is de realiteit, en de plaats wordt het echte mysterie. Als we de ruimte niet langer als vanzelfsprekend kunnen beschouwen, moeten we uitleggen wat het is en waaruit het ontstaat, onafhankelijk of tijdens het verenigen met de tijd.
Het is duidelijk dat het bouwen van ruimte niet zo eenvoudig zal zijn als het samensmelten van moleculen tot een vloeistof. Wat kunnen de bouwstenen zijn? We zeggen meestal dat de bouwstenen kleiner moeten zijn dan de dingen waaruit ze bestaan. Als je een gedetailleerde Eiffeltoren samenstelt uit tandenstokers, hoef je niet uit te leggen dat tandenstokers kleiner zijn dan de toren.
Maar als het om ruimte gaat, is er niet “minder”, want grootte zelf is een ruimtelijk concept. Bouwstenen kunnen de ruimte niet voorafgaan als ze ze moet verklaren. Ze mogen geen grootte of ruimte hebben; ze moeten overal zijn, door het hele universum en nergens tegelijkertijd, zodat ze niet kunnen worden gepord. Wat betekent het gebrek aan positie voor een ding? Waar zal ze zijn? "Als we het hebben over de uitstromende ruimte-tijd, moet die uit een raamwerk vloeien, waar we heel ver vandaan zijn", zegt Arkani-Hamed.
In de westerse filosofie wordt het koninkrijk buiten de ruimte traditioneel beschouwd als het koninkrijk buiten de fysica - de plaats van Gods aanwezigheid in de christelijke theologie. In het begin van de 18e eeuw bestonden de 'monaden' van Gottfried Leibniz - die hij vertegenwoordigde als primitieve elementen van het universum - net als God buiten ruimte en tijd. Zijn theorie was een stap in de richting van de opkomende ruimte-tijd, maar bleef op het gebied van metafysica, losjes verbonden met de wereld van concrete dingen. Als natuurkundigen erin slagen de opkomende ruimte te verklaren, zullen ze hun eigen concept van de afwezigheid van ruimte moeten ontwikkelen.
Einstein voorzag deze moeilijkheden. "Misschien … moeten we in principe het ruimte-tijd continuüm verlaten", schreef hij. - Het is heel goed mogelijk om je voor te stellen dat menselijke vindingrijkheid op een dag methoden zal vinden die dit pad mogelijk maken. Op dit moment lijkt zo'n programma echter op een poging om lege ruimte in te ademen. '
John Wheeler, een gerenommeerd zwaartekrachttheoreticus, suggereerde dat ruimtetijd werd geconstrueerd uit "pregeometrie", maar gaf toe dat het slechts "idee ter wille van het idee" was. Zelfs Arkani-Hamed deelt zijn twijfels: “Deze problemen zijn erg complex. Het is onmogelijk om ze te bespreken in de taal die we gewend zijn”.
Wat Arkani-Hamed en zijn collega's ertoe aanzet om door te gaan, is het vinden van manieren die Einstein beschreef: manieren om natuurkunde te beschrijven in afwezigheid van ruimte, ademend in een vacuüm. Hij legt deze pogingen uit in termen van geschiedenis: “Al meer dan 2000 jaar stellen mensen vragen over de diepe aard van ruimte en tijd, maar ze waren voorbarig. We zijn eindelijk aangekomen in een tijdperk waarin je deze vragen kunt stellen en hoop zinvolle antwoorden te krijgen."
Gebaseerd op materialen van Gizmodo
Ilya Khel