De Nobelprijs voor natuurkunde is dit jaar toegekend "voor experimenten met verstrengelde fotonen, het vaststellen van de schending van Bell-ongelijkheid en baanbrekende kwantuminformatiewetenschap."

Om te begrijpen wat dit betekent en waarom dit werk belangrijk is, moeten we begrijpen hoe deze experimenten een langlopend debat onder natuurkundigen hebben opgelost. En een hoofdrolspeler in dat debat was een Ierse natuurkundige genaamd John Bell.

In de jaren zestig ontdekte Bell hoe hij een filosofische vraag over de aard van de werkelijkheid kon vertalen in een fysieke vraag die door de wetenschap kon worden beantwoord - en gaandeweg verbrak hij het onderscheid tussen wat we weten over de wereld en hoe de wereld werkelijk is .

Kwantumverstrengeling

We weten dat kwantumobjecten eigenschappen hebben die we gewoonlijk niet toeschrijven aan de objecten van ons gewone leven. Soms is licht een golf, soms is het een deeltje. Onze koelkast doet dit nooit.

Bij een poging om dit soort ongewoon gedrag te verklaren, zijn er twee brede soorten verklaringen die we ons kunnen voorstellen. Een mogelijkheid is dat we de kwantumwereld duidelijk waarnemen, precies zoals het is, en het is toevallig zo ongewoon. Een andere mogelijkheid is dat de kwantumwereld net de gewone wereld is die we kennen en liefhebben, maar dat onze kijk erop vervormd is, zodat we de kwantumrealiteit niet duidelijk kunnen zien zoals ze is.

In de eerste decennia van de 20e eeuw waren natuurkundigen verdeeld over welke verklaring de juiste was. Onder degenen die dachten dat de kwantumwereld gewoon ongebruikelijk was, waren figuren als Werner Heisenberg en Niels Bohr. Onder degenen die dachten dat de kwantumwereld net zo moest zijn als de gewone wereld, en onze kijk erop is gewoon mistig, waren Albert Einstein en Erwin Schrödinger.

De kern van deze verdeling is een ongebruikelijke voorspelling van de kwantumtheorie. Volgens de theorie blijven de eigenschappen van bepaalde kwantumsystemen die op elkaar inwerken afhankelijk van elkaar, zelfs als de systemen op grote afstand van elkaar zijn verplaatst.

In 1935, hetzelfde jaar dat hij zijn beroemde gedachte-experiment bedacht waarbij een kat gevangen zat in een doos, bedacht Schrödinger de term 'verstrengeling' voor dit fenomeen. Hij beweerde dat het absurd is om te geloven dat de wereld op deze manier werkt.

Het probleem met verstrikking

Als verstrengelde kwantumsystemen echt verbonden blijven, zelfs als ze door grote afstanden van elkaar zijn gescheiden, lijkt het alsof ze op de een of andere manier onmiddellijk met elkaar communiceren. Maar volgens Einsteins relativiteitstheorie is dit soort verband niet toegestaan. Einstein noemde dit idee 'spookachtige actie op afstand'.

Opnieuw in 1935 bedacht Einstein, samen met twee collega's, een gedachte-experiment dat aantoonde dat de kwantummechanica ons niet het hele verhaal over verstrengeling kan geven. Ze dachten dat er meer in de wereld moest zijn dat we nog niet kunnen zien.

Maar naarmate de tijd verstreek, werd de vraag hoe de kwantumtheorie moet worden geïnterpreteerd een academische voetnoot. De vraag leek te filosofisch en in de jaren veertig waren veel van de knapste koppen in de kwantumfysica bezig de theorie te gebruiken voor een zeer praktisch project:het bouwen van de atoombom.

Pas in de jaren zestig, toen de Ierse natuurkundige John Bell zijn aandacht richtte op het probleem van verstrengeling, realiseerde de wetenschappelijke gemeenschap zich dat deze schijnbaar filosofische vraag een tastbaar antwoord zou kunnen hebben.

Theorema van Bell

Met behulp van een eenvoudig verstrengeld systeem breidde Bell Einsteins gedachte-experiment uit 1935 uit. Hij toonde aan dat de kwantumbeschrijving op geen enkele manier onvolledig kon zijn terwijl het "spookachtige actie op afstand" verbiedt en nog steeds overeenkomt met de voorspellingen van de kwantumtheorie.

Geen goed nieuws voor Einstein, zo lijkt het. Maar dit was niet meteen een overwinning voor zijn tegenstanders.

Dit komt omdat in de jaren zestig niet duidelijk was of de voorspellingen van de kwantumtheorie inderdaad correct waren. Om Bells punt echt te bewijzen, moest iemand dit filosofische argument over de werkelijkheid, omgezet in een echt fysiek systeem, aan een experimentele test onderwerpen.

En dit is natuurlijk waar twee van de Nobelprijswinnaars van dit jaar in het verhaal komen. Eerst voerden John Clauser, en daarna Alain Aspect, de experimenten uit op het door Bell voorgestelde systeem, waaruit uiteindelijk bleek dat de voorspellingen van de kwantummechanica juist waren. Als gevolg hiervan is er, tenzij we "spookachtige actie op afstand" accepteren, geen verdere beschrijving van verstrengelde kwantumsystemen die de waargenomen kwantumwereld kunnen beschrijven.

Dus Einstein had het mis?

Het is misschien een verrassing, maar deze vooruitgang in de kwantumtheorie lijkt te hebben aangetoond dat Einstein het op dit punt bij het verkeerde eind had. Dat wil zeggen, het lijkt erop dat we geen wazig beeld hebben van een kwantumwereld die net als onze gewone wereld is.

Maar het idee dat we duidelijk een inherent ongebruikelijke kwantumwereld waarnemen, is eveneens te simplistisch. En dit biedt een van de belangrijkste filosofische lessen van deze aflevering in de kwantumfysica.

Het is niet langer duidelijk dat we redelijkerwijs over de kwantumwereld kunnen praten buiten onze wetenschappelijke beschrijving ervan - dat wil zeggen, voorbij de informatie we hebben erover.

Zoals de derde Nobelprijswinnaar van dit jaar, Anton Zeilinger, het verwoordde:"Het onderscheid tussen de werkelijkheid en onze kennis van de werkelijkheid, tussen werkelijkheid en informatie, kan niet worden gemaakt. Er is geen manier om naar de werkelijkheid te verwijzen zonder de informatie die we erover hebben te gebruiken. "

Dit onderscheid, waarvan we gewoonlijk aannemen dat het ons gewone beeld van de wereld ondersteunt, is nu onherstelbaar wazig. En dat hebben we aan John Bell te danken.

Laten we het horen voor John Bell. Ik bedoel Christus, echt waar. Het was dankzij hem dat kwantumfunderingen experimentele natuurkunde werden en geen filosofie. (Niets tegen filosofie, maar soms is het goed om antwoorden te krijgen.)

— Philip Ball (@philipcball) 4 oktober 2022