In 1935 publiceerden Albert Einstein, Boris Podolsky en Nathan Rosen een artikel waarin een gedachte-experiment werd beschreven dat was ontworpen om een ​​schijnbare absurditeit van kwantumverstrengeling te illustreren, die een fundamentele wet van het universum ter discussie stelde.

Een vereenvoudigde versie van dit gedachte-experiment, toegeschreven aan David Bohm, beschouwt het verval van een deeltje dat het pi-meson wordt genoemd. Wanneer dit deeltje vervalt, produceert het een elektron en een positron die een tegengestelde spin hebben en van elkaar af bewegen. Als wordt gemeten dat de elektronenspin omhoog is, kan de gemeten spin van het positron dus alleen maar omlaag zijn, en omgekeerd. Dit geldt zelfs als de deeltjes miljarden kilometers van elkaar verwijderd zijn.

Dit zou prima zijn als de meting van de elektronenspin altijd omhoog zou zijn en de gemeten spin van het positron altijd omlaag zou zijn. Maar vanwege de kwantummechanica gaat de spin van elk deeltje zowel gedeeltelijk naar boven als naar beneden totdat deze wordt gemeten. Alleen wanneer de meting plaatsvindt, "stort" de kwantumtoestand van de spin in, naar boven of naar beneden, waardoor het andere deeltje onmiddellijk in de tegenovergestelde spin stort. Dit lijkt te suggereren dat de deeltjes met elkaar communiceren via een manier die sneller beweegt dan de snelheid van het licht. Maar volgens de wetten van de natuurkunde kan niets sneller reizen dan de snelheid van het licht. De gemeten toestand van één deeltje kan toch niet ogenblikkelijk de toestand van een ander deeltje aan het uiteinde van het universum bepalen?

Natuurkundigen, waaronder Einstein, stelden in de jaren dertig een aantal alternatieve interpretaties van kwantumverstrengeling voor. Ze theoretiseerden dat er een onbekende eigenschap was – verborgen variabelen genoemd – die de toestand van een deeltje vóór de meting bepaalde. Maar destijds beschikten natuurkundigen niet over de technologie, noch over een definitie van een duidelijke meting die kon testen of de kwantumtheorie aangepast moest worden om verborgen variabelen op te nemen.

Moest de kwantumtheorie worden aangepast?

Het duurde tot de jaren zestig voordat er aanwijzingen waren voor een antwoord. John Bell, een briljante Ierse natuurkundige die de Nobelprijs niet meer kon ontvangen, bedacht een plan om te testen of het idee van verborgen variabelen zinvol was.

Bell produceerde een vergelijking die nu bekend staat als de ongelijkheid van Bell en die altijd correct is – en alleen correct – voor theorieën over verborgen variabelen, en niet altijd voor de kwantummechanica. Dus als in een experiment in de echte wereld niet aan de vergelijking van Bell zou worden voldaan, kunnen lokale theorieën over verborgen variabelen worden uitgesloten als verklaring voor kwantumverstrengeling.

De experimenten van de Nobelprijswinnaars van 2022, vooral die van Alain Aspect, waren de eerste tests van de Bell-ongelijkheid. Bij de experimenten werd gebruik gemaakt van verstrengelde fotonen, in plaats van paren van een elektron en een positron, zoals in veel gedachte-experimenten. De resultaten sloten definitief het bestaan ​​uit van verborgen variabelen, een mysterieus attribuut dat de toestanden van verstrengelde deeltjes vooraf zou bepalen. Gezamenlijk hebben deze en vele vervolgexperimenten de kwantummechanica in het gelijk gesteld. Objecten kunnen over grote afstanden gecorreleerd worden op manieren die de natuurkunde vóór de kwantummechanica niet kan verklaren.

Belangrijk is dat er ook geen conflict is met de speciale relativiteitstheorie, die communicatie sneller dan licht verbiedt. Het feit dat metingen over grote afstanden gecorreleerd zijn, betekent niet dat er informatie tussen de deeltjes wordt overgedragen. Twee partijen die ver uit elkaar liggen en metingen uitvoeren aan verstrengelde deeltjes kunnen het fenomeen niet gebruiken om informatie sneller door te geven dan de snelheid van het licht.

Tegenwoordig blijven natuurkundigen kwantumverstrengeling onderzoeken en mogelijke praktische toepassingen onderzoeken. Hoewel de kwantummechanica de waarschijnlijkheid van een meting met ongelooflijke nauwkeurigheid kan voorspellen, blijven veel onderzoekers sceptisch over het feit dat deze een volledige beschrijving van de werkelijkheid oplevert. Eén ding is echter zeker. Er valt nog veel te zeggen over de mysterieuze wereld van de kwantummechanica.

Andreas Müller is universitair hoofddocent natuurkunde aan de Universiteit van Zuid-Florida. Hij ontvangt financiering van de National Science Foundation.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanaf Het gesprek onder een Creative Commons-licentie. Je kunt de vinden origineel artikel hier.