Kwantummechanica na tachtig jaar opgevolgd door nieuwe theorie?

Al tachtig jaar wordt kwantummechanica geplaagd door iets vreemds: een ‘waarnemer’ die een kwantumgolffunctie doet instorten en zo een wazig deeltje vastlegt op één plaats. Een nieuwe theorie slaagt er in om voor het eerst in tachtig jaar hier komaf mee te maken.

Gapend gat in de kwantummechanica
Al bijna een eeuw is kwantummechanica zowel de succesvolste als meest raadselachtige theorie van de moderne wetenschap. We kunnen door kwantummechanische formules te gebruiken een werkelijk ongeëvenaarde nauwkeurigheid bereiken bij het voorspellen van natuurkundige fenomenen. Kwantummechanica was verantwoordelijk voor de komst van moderne techniek zoals halfgeleiders (dus computers), lasers en nog veel meer. Kwantummechanica bevat echter een groot gat: het is onbekend door wat voor proces precies golffuncties ineenstorten. Om dit raadsel op te lossen zijn tientallen zogeheten ‘interpretaties’ van de kwantummechanica bedacht, die echter geen van allen op dit moment door experimenten bevestigd of verworpen kunnen worden. Weinig bevredigend uiteraard.

Tijd voor de kettingzaag in het oerwoud aan kwantuminterpretaties
Meerdere Nobelprijswinnaars hebben opgeroepen dit storende gat in kwantummechanica te dichten, in Nederland Gerardus ’t Hoofd en in de VS Steven Weinberg, die kort geleden een blauwdruk heeft gepubliceerd van hoe een dergelijke ‘verbeterde’ kwantummechanica er uit zal komen te zien.  Er zijn al eerder pogingen gedaan om kwantummechanica te verbeteren, maar een nieuwe theorie, mede ontwikkeld door Weinberg, krijgt veel belangstelling. De nieuwe theorie is namelijk naadloos verweven met Einsteins speciale relativiteitstheorie. Tot nu toe zijn kwantummechanica en de algemene relativiteitstheorie van elkaar losstaande theorieën. De algemene relativiteitstheorie levert de ‘achtergrond’ waarop de kwantummechanica zich afspeelt.

“Zoals veel fysici heb ik gedurende mijn gehele carrière kwantummechanica gebruikt en luchtig de fundamentele vragen over haar betekenis genegeerd. Dit wel met een knagend gevoel dat er iets is dat ik zou moeten begrijpen,” aldus Weinberg.  “Als deze verfijning blijkt te kloppen, zou veel van de spookachtigheid die nog steeds kwantummechanica omringt wegsmelten.”

Als subatomaire deeltjes (en wat dat betreft: soms zelfs moleculen) niet worden gemeten, gedragen ze zich als een waarschijnlijkheidwolk. Ze zijn dan tegelijkertijd op alle  plaatsen in deze wolk. Deze wolk wordt weergegeven door een golffunctie, die zich uitbreidt in de ruimte. Als er een meting wordt uitgevoerd, klapt de waarschijnlijkheidsfunctie echter ineen en zien we alleen het deeltje op een precieze plaats, nooit de wazige golf zelf. De hamvraag is natuurlijk:  hoe kan een deeltje weten of het al dan niet in de gaten wordt gehouden? En waarom verandert het waarnemen van het deeltje zijn gedrag? Onzinnige vragen, zegt de Kopenhaagse interpretatie en de meeste fysici. Weinberg en de zijnen (en ondergetekende) zijn het hier hartgrondig mee oneens.

Ze stellen dat het inklappen van de golffunctie een toevalsproces is en dat deze domweg waarschijnlijker is als een meting wordt uitgevoerd. Tot nu toe slaagden ze er echter niet in hun theorie in overeenstemming te brengen met de speciale relativiteitstheorie. Dit jaar is Daniel Bedingham (die naast zijn baan in de financiële sector bijklust als natuurkundige aan het Imperial College van Londen, een manier op het spoor gekomen om dat voor elkaar te krijgen. Zijn theorie is een afgeleide van GRW, een theorie die genoemd is naar de mensen die deze in 1986 ontwikkeld hebben, GianCarlo Ghirardi, Alberto Rimini en Tullio Weber.

Wat houdt GRW in?
GRW zegt dat een kwantumcollaps extreem zeldzaam is voor een individueel deeltje, maar dat een actuele meting uitvoeren op een deeltje het deeltje dwingt een wisselwerking aan de gaan met de meetapparatuur. Het deeltje raakt zo verstrengeld (entangled). Omdat er zoveel atomen in de meetapparatuur voorkomen – een gram waterstof bevat bijvoorbeeld een onvoorstelbare 6,02 * 10²³ atomen – is de kans vrijwel 1 dat er tijdens de meting een kwantumfunctie implodeert. Er is zo geen spookachtig effect nodig om het kwantumdeeltje in elkaar te laten storten.

In 1989 verfijnde Philip Pearle van het Hamilton College in Clinton, New York, GRW tot een andere theorie: continuous spontaneous localisation (CSL)[1]. CSL stelt dat de toevallige fluctuaties die bij toeval de golffuncties in laten storten, horen bij een soort veld dat het hele heelal vult en varieert over de ruimte en tijd. Helaas lukte het maar niet om CSL in overeenstemming te brengen met de speciale relativiteitstheorie. Slecht nieuws, uiteraard, want ook voor de speciale relativiteitstheorie zijn er geen uitzonderingen bekend. Vreemde knikpunten in de golffuncties zouden een oneindige hoeveelheid energie in het universum dumpen. We weten dat golffuncties dat niet doen (anders was het heelal allang ingestort tot een zwart gat).

Bedingham is er nu in geslaagd om CSL relativistisch te maken, wat de oneindigheden elimineert. Het fluctuerende veld werkt niet direct op de golffuncties, maar op een ’tussenliggend’ veld dat de effecten gladstrijkt en zo de scherpe fluctuaties stopt. Bedingham’s idee beschrijft nu niet alleen de deeltjes zelf, maar ook de krachten tussen de deeltjes – een must voor elke theorie die kwantummechanica wil vervangen. Ghirardi is een van de mensen die nu met Bedingham het relativistische collapsmodel verder onderzoekt.

Theorie kan nu worden getest
Stefan Nimmrichter van de vooraanstaande onderzoeksgroep kwantumfysica van de universiteit van Wenen (zij zijn de groep die kwantumverstrengeling voor het eerst over grote afstanden hebben aangetoond) stelt nu een experiment voor om te toetsen of de theorie klopt. Als twee golffuncties met elkaar in contact komen, kunnen ze met elkaar interfereren – elkaar uitdoven of juist versterken. Tot dusver ouwe koek, dit is al begin negentiende eeuw door Young aangetoond. Nimmrichter stelt nu echter voor om te onderzoeken wat voor interferentiepatronen worden geproduceerd als twee wolkjes atomen met elkaar interfereren. Details in [2].

Bronnen:
1. Philip Pearle, Combining stochastic dynamical state-vector reduction with spontaneous localization. Physical Review A (1986) (paywall)
2. Stefan Nimmrichter et al., Testing spontaneous localization theories with matter-wave interferometry, Physical Review A (2011) (gratis toegankelijk)