De aanhalingstekens hadden de kracht van traditie - en de traditie van geweld - achter zich.

Toen Herman Batelaan en collega's van Nebraska onlangs een onderzoekspaper indienden dat pleit voor het bestaan ​​van een niet-Newtoniaan, kwantumkracht, het tijdschrift vroeg om "kracht" stevig tussen aanhalingstekens te plaatsen. Het team begreep en stemde in met het verzoek.

Ten slotte, het woord behoort al lang tot de klassieke Newtoniaanse fysica:gelijke-en-tegengestelde reacties, elektromagnetisme, zwaartekracht en andere wetten die het vallen van de appel verklaren, hoofdbrekende verschijnselen van de alledaagse ervaring.

Daarentegen, Batelaan en zijn co-auteurs gebruikten het woord in de context van de kwantumfysica die het oneindig kleine beschrijft - waar de positie en snelheid van subatomaire deeltjes worden bepaald door waarschijnlijkheden in plaats van door precieze waarden. waar elektronen zich tegelijkertijd gedragen als zowel deeltjes als golven, en waar andere contra-intuïtieve vaagheid het rijk regeert.

Dat rijk werd nog vager in 1959, toen een voorgesteld experiment suggereerde dat de loutere nabijheid van een klassieke kracht - in plaats van de kracht zelf - zich zou kunnen opdringen aan de fysieke wereld. In het experiment, twee stromen elektronen varen aan weerszijden van een spoel waarvan het magnetische veld volledig is afgeschermd van die elektronen.

Ondanks het feit dat geen van beide elektronenstromen door het eigenlijke magnetische veld gaat, onderzoekers bepaalden dat de kwantumwaarschijnlijkheden van de elektronen meetbare verschuivingen zouden ondergaan die afhankelijk zijn van de sterkte van het magnetische veld. Latere experimenten bevestigden de aanwezigheid van dit zogenaamde Aharonov-Bohm-effect.

Maar als het bestaan ​​van het vreemde effect onbetwistbaar was, de aard ervan was niet. Anton Zeillinger, een van de postdoctorale adviseurs van Batelaan, introduceerde een stelling die suggereert dat het Aharonov-Bohm-effect geen kracht voorstelt of het gevolg is van een kracht. Tegen de tijd dat latere experimenten van Batelaan en anderen bevestigden dat het effect niets deed om de aankomsttijd van de elektronen te vertragen - iets wat een kracht zou verwachten te doen - had de stelling van Zeilinger brede steun gekregen.

Jaren nadat Zeilinger zijn stelling voorstelde, Hoewel, natuurkundigen Andrei Shelankov en Michael Berry weerlegden het door te beweren dat het Aharonov-Bohm-effect voortkomt uit het kwantumequivalent van een kracht. Zelfs als die kracht de elektronen niet vertraagde, Shelankov voorspelde dat het hun vliegtrajecten zou kunnen wijzigen door ze een beetje af te buigen.

"Zelf, je kunt de afleiding van elke theorie begrijpen, zei Batelaan, hoogleraar natuurkunde en sterrenkunde in Nebraska. "Ze zien er allebei goed uit, maar ze zijn in conflict met elkaar. Dus hebben we ons hoofd gebroken om met een theorie te komen die beide antwoorden geeft. We begrepen dat er een groter kader moest komen.

"Het smeekte om het oplossen van het theoretische conflict. Het smeekte om een ​​experiment."

Dus Batelaan en zijn collega's, waaronder voormalig promovendus Maria Becker, zichzelf een verheven doel stellen:de voorspelling van Shelankov demonstreren en tegelijkertijd de stelling van Zeilinger accepteren. Hun experiment, uitgevoerd aan de Universiteit Antwerpen, leken op vele die eraan vooraf waren gegaan:elektronenstralen die naar een nanoscopische staaf zeilden waarvan het magnetische veld was afgeschermd van de deeltjes. Toen de magnetisatie van de staaf nul was, de golfachtige patronen die elektronen vormden nadat ze erop stuiterden - patronen die lijken op overlappende rimpelingen in water - waren symmetrisch.

Maar toen het team de magnetisatie opvoerde, die diffractiepatronen werden asymmetrisch - indirect bewijs van een niet-Newtoniaanse kracht die de elektronen naar links of rechts duwde. En zoals het team verwachtte, het omkeren van de richting van de magnetisatie draaide ook de richting van de asymmetrie om, verdere ondersteuning van het idee van een kwantumfenomeen dat materie kan beïnvloeden op een manier die vergelijkbaar is met klassieke Newtoniaanse krachten.

Wat betreft de stelling van Zeilinger? Volgens de analyse van het team, de theoretische veronderstellingen die hij maakte, zijn niet van toepassing op de zijwaartse beweging die door het onderzoek wordt geïmpliceerd. Gezien dat, Batelaan zei, de studie maakt Zeilinger niet ongeldig. In plaats daarvan, het team toonde wiskundig aan dat de door Shelankov voorspelde resultaten en de stelling van Zeilinger twee speciale gevallen zijn van één overkoepelende stelling.

Batelaan vergeleek de situatie grofweg met die waarin een bal over een plat platform begint te rollen. Door dat platform langzaam omhoog en omlaag te brengen, kan de bestemming van de bal op één vlak veranderen, zelfs als de snelheid en aankomsttijd hetzelfde blijven. Kijkend op het perron, een waarnemer zou kunnen missen dat er een verschuiving had plaatsgevonden; het kan pas duidelijk worden na het veranderen van perspectieven.

De kwestie van het perspectief is ook bepalend voor de interpretatie van het onderzoek, aldus Batelaan. Klassieke krachten opereren lokaal, alleen de materie aangrenzend aan die krachten beïnvloedt. Maar kwantummechanica - met name kwantumverstrengeling, waarbij veranderingen in het ene deeltje zich tegelijkertijd manifesteren in een ander verstrengeld deeltje dat theoretisch lichtjaren verwijderd zou kunnen zijn - niet aan afstand is gebonden.

Batelaan zei dat de resultaten van het team kunnen worden geïnterpreteerd als bewijs van een vergelijkbare niet-lokale kracht.

"Hier, we hebben een situatie die niet-lokaal is, maar in tegenstelling tot kwantumverstrengeling, "Zei Batelaan. "Het is een fenomeen van één deeltje, geen fenomeen met twee deeltjes. Dus kan dit idee van dingen die gebeuren zonder een kracht worden toegepast in een andere context? Dat is heel zeldzaam. Het is heel, heel speciaal. Ik denk dat waar we het hier over hebben inderdaad een ander voorbeeld van is.

"Ik heb het gevoel dat dit het idee onderstreept dat de natuur misschien niet-lokaal is. Dit is een grote vraag. Hebben de dingen die ik hier doe invloed op de dingen ergens anders, zonder duidelijke tussenpersoon?"

Dat Batelaan er bewijs voor heeft gevonden, wil niet zeggen dat hij het leuk moet vinden, Hoewel.

"Ik vind het walgelijk, "Batelaan zei, lachend. "Ik leef in de klassieke wereld. Alles wat ik om me heen zie, zie ik gebeuren door krachten. Als er dingen gebeuren zonder krachten, waarom kan ik ze niet gebruiken? Waarom zijn hier niet meer voorbeelden van?

"Als een fysiek principe, het moet overal zijn. Maar we zijn (mogelijk) gewoon te blind om het te zien."

De onderzoekers rapporteerden hun bevindingen in het tijdschrift Natuurcommunicatie .