Het was even stil rond de kwantumradar, maar daar is nu een einde aan gekomen met nieuw onderzoek. Met onzichtbare radargolven kunnen, als dit project slaagt, metingen worden gedaan zonder dat het slachtoffer wat merkt. Maar dat is niet alles. Het zou ook wel eens een oplossing kunnen zijn voor het schreeuwend gebrek aan radiofrequenties.
Hoe werkt de kwantumradar?
Radarinstallaties zijn bij luchtaanvallen geliefde doelwitten. Maar wat als radar onzichtbaar wordt?
We schreven al eerder over een kwantumtheoretische doorbraak die ‘gemerkt licht’ mogelijk maakt. Saikat Guha van wapenfabrikant Raytheon in Cambridge in het Amerikaanse oostkust-deelstaatje Massachusetts stelt dat hij en zijn team er in zijn geslaagd tien bits per foton door te sturen. Dit is een duizendvoudige verbetering van het huidige record: één bit per honderd fotonen. De toename is bereikt door kwantumverstrengeling. Een foton wordt gesplitst in twee fotonen (dit kan met een optisch actief kristal) die met elkaar verstrengeld blijven. Op die manier krijg je als het ware gemerkt licht, waarbij niemand dan de waarnemer zelf weet dat het licht van hem afkomstig is. Door tegelijkertijd metingen te doen aan het weerkaatste en het niet-weerkaatste foton kan de waarnemer er achter komen of het foton al dan niet van hemzelf afkomstig is.
Extreem krachtige privecommunicatie
Dit principe kan je uiteraard ook gebruiken voor communicatie. Guha en de zijnen denken dat het mogelijk is met behulp van deze techniek de beruchte ‘fog of war’ die het chaotische strijdtoneel kenmerkt, te omzeilen. Zelfs als vijandelijke troepen stoorzenders inzetten (ook explosies leveren omdat er ionen ontstaan veel elektrostatische ruis op), wordt het zo voor Amerikaanse militairen mogelijk om contact te houden met elkaar en de gevechtsleiding. De benodigde zendvermogens worden ook veel kleiner. Tegelijkertijd wordt de datatransmissiesnelheid veel groter. Dit maakt deze techniek uiteraard ook uiterst interessant voor civiel gebruik. Op dit moment is interferentie een enorm probleem. Je kan veel meer doen met dezelfde bandbreedte als iedere zender en ontvanger hun eigen afgeschermde kwantumkanaal hebben. Dit zou wel eens de fysische doorbraak kunnen zijn die nodig is voor echt grootschalige draadloze communicatie.
Militaire geheimhouding?
Uiteraard is de militaire gigant Raytheon, onder meer nauw betrokken bij de omstreden mega-radiozender HAARP, niet erg mededeelzaam over hoe deze techniek precies werkt, maar het schijnt mogelijk te zijn zelfs nadat de verstrengeling verbroken is, nog wat restinformatie uit het foton te halen. Deze restinformatie wordt klaarblijkelijk benut bij dit proces.
Experimentatoren zijn er in geslaagd om één van de meest fundamentele natuurkundige barrières te kraken: de onzekerheidslimiet van Heisenberg die bepaalt hoe nauwkeurig we iets kunnen meten. Wat voor nieuwe natuurkunde en techniek liggen nu binnen bereik?
Aan de basis van alle kwantummechanica ligt één natuurconstante: h, de constante van Planck. Dit getal geeft aan hoe precies we een combinatie van twee eigenschappen van een kwantumdeeltje kunnen weten. Hoe preciezer we bijvoorbeeld de energie van een deeltje weten, hoe onzekerder de tijd van het deeltje wordt (er zijn meer combinaties, bijvoorbeeld impuls en plaats). Dit heet de onzekerheidsrelatie van Heisenberg. In formulevorm: [latex]\Delta E \Delta t \geq \frac{\hbar}{2}[/latex], dus: als de energie bijvoorbeeld twee keer zo nauwkeurig bekend is, wordt de tijd twee keer zo onnauwkeurig bekend.
De paradoxale consequentie: er ‘bestaan’ virtuele deeltjes, omdat we voor een zeer korte tijd niet kunnen uitsluiten dat er deeltjes bestaan in een gegeven ruimte. Inderdaad wijzen experimentele metingen uit dat dat klopt: elektronen, bijvoorbeeld, lijken “afgeschermd” te worden door een wolk spookdeeltjes. Het vacuüm is dus inderdaad gevuld met een ziedende zee van spookdeeltjes met een energie van netto nul…
Bose-Einstein condensaten: koude leidt tot kuddegedrag
Toch blijkt het mogelijk te zijn om de onneembare limiet van Heisenberg te kraken, toonden onderzoekers aan.
Bose-Einstein condensaat. Hoe lager de temperatuur zakt (rechts), hoe meer atomen zich gaan gedragen als één atoom.
Mario Napolitano en zijn collega’s van het instituut voor fotonische wetenschappen in Barcelona kregen dit huzarenstukje voor elkaar door bijna de complete experimentele trukendoos uit de kast te trekken. Zo fabriceerden ze een zogeheten Bose-Einstein condensaat van extreem koude rubidiumatomen (rubidium is een zwaar, chemisch erg reactief metaal met een smeltpunt van 39 graden. Je kan er erg makkelijk Bose-Einstein condensaten mee maken). Hoe langzamer een kwantumdeeltje beweegt, hoe langer de golflengte van de bijbehorende waarschijnlijkheidsgolf (m.a.w. hoe onzekerder de plaats). De rubidiumatomen waren zo sterk afgekoeld dat hun waarschijnlijkheidsgolven veranderen in wazige vlekken en ze elkaar gaan overlappen. Dan gebeurt iets uiterst merkwaardigs. De atomen vergeten hierdoor hun afzonderlijke identiteit en vormen één geheel. Einstein en Satyendra Nath Bose, een Indiase natuurkundige, voorspelden het bestaan van deze vorm van materie, maar pas nu is onze koeling goed genoeg om deze bizarre materietoestand te maken. In dit experiment bestond het condensaat uit ongeveer een miljoen atomen.
Traag licht wordt extreem gevoelig
In deze experimenten werd gebruik gemaakt van licht om het uiterst zwakke magnetische veld van de rubidiumatomen te meten. In deze bizarre condensaten verandert de snelheid van licht in een slakkengang. Lichtdeeltjes krijgen als het ware een ‘massa’. Hierdoor gingen de lichtdeeltjes ook op elkaar reageren en konden met elkaar worden verstrengeld. Bij klassieke metingen, waarbij de lichtdeeltjes onderling geen verband hebben, neemt de nauwkeurigheid evenredig toe met het aantal deeltjes. Hangen de lichtdeeltjes met elkaar samen, dan neemt de meetnauwkeurigheid veel sneller toe: met de macht 3/2, dus twee keer zoveel deeltjes betekent dan niet twee keer zo nauwkeurig, maar 2,8 maal zo nauwkeurig. Meer dan de onzekerheidslimiet van Heisenberg eigenlijk toestaat (alhoewel licht zich hier uiteraard als massa gedraagt). Het gevolg hiervan was dat de sterkte van het magnetische veld veel nauwkeuriger bekend werd dan mogelijk was geweest als het licht niet uit met elkaar verstrengelde deeltjes had bestaan.
Zwaartekrachtsgolven jagen voor een prikje
Napolitano en de zijnen willen deze truc nu toepassen om op zwaartekrachtsgolf-jacht te gaan. Zwaartekrachtsgolven worden voorspeld door Einsteins algemene-relativiteitstheorie. Als twee zware voorwerpen (bijvoorbeeld neutronensterren) om elkaar heendraaien, ontstaat er een soort boeggolf van ruimtetijd die zich verspreidt in de ruimte. Als een zwaartekrachtsgolf passeert, wordt alles in zijn baan uitgerekt en dan weer samengeperst, of, anders geformuleerd, wordt de tijd vertraagd en dan weer versneld. Tot frustratie van natuurkundigen is er na een halve eeuw nog niets gevonden wat op een zwaartekrachtsgolf lijkt. Geen wonder: bijvoorbeeld de aarde zendt evenveel zwaartekrachtsenergie uit als een gloeilamp: enkele tientallen watt. Voor je nulpuntsenergiecentrale moet je dus wat anders verzinnen.
Op dit moment staan er peperdure (tegen het miljard dollar) satellieten in de planning die zwaartekrachtsgolven moeten gaan meten. Deze satellieten staan miljoenen kilometers afstand van elkaar. De bedoeling is om op die manier met behulp van een extreem nauwkeurige laserinterferometer vervormingen in de ruimte te kunnen meten. Napolitano en de zijnen denken dat als ze hun ijskoude wolkje atomen opvoeren, ze voor veel minder geld een even gevoelig zwaartekrachtsgolfmetend systeem kunnen bouwen.
Zwaartekracht is extreem zwak, werkt op alles in en vertraagt de tijd. Er is maar één invloed in de hedendaagse natuurkunde bekend die al deze eigenschappen in zich verenigt: kwantumverstrengeling. Hieronder zal uiteengezet worden wat kwantumverstrengeling is en hoe het in staat is ruimtetijd te vervormen.
Eisen aan kandidaat-zwaartekrachtstheorieën Hetgene wat zwaartekracht veroorzaakt, moet op alle fysische objecten inwerken, alsmede op de lege ruimte zelf. Het moet de tijd vertragen en de ruimte doen inkrimpen. Het moet een invloed op massa uitoefenen, evenredig aan trage massa. Zwaartekracht is extreem zwak, dus wat de gevolgen op ruimtetijd ook veroorzaakt, moet extreem zwak, maar wel universeel zijn en universeel invloed uitoefenen. Meer details in ons artikel Schizofrene eigenschappen van het graviton.
Kwantummechanica als allesbeheersende theorie Met uitzondering van de algemene relativiteitstheorie maken alle natuurkundige theorieën gebruik van de kwantummechanica. Er zijn op basisniveau drie theorieën: quantum elektrodynamica (QED) die de elektromagnetische kracht op kwantumniveau beschrijft (in essentie bestaat quantum elektrodynamica uit de vier vergelijkingen van Maxwell gecombineerd met relativistische kwantummechanica), QCD (quantum chromodynamica die de sterke kernkracht beschrijft; deze is wiskundig minder rigoreus geformuleerd dan QED) en de kwantumtheorie die de zwakke wisselwerking beschrijft (en samengevoegd is met QED tot de elektrozwakke kwantumdynamica). Al deze drie (of twee) theorieën verklaren, met de algemene relativiteitstheorie, alle waarnemingen. Aangezien de algemene relativiteitstheorie zich met objecten op macroscopische grootte bezig houdt en de kwantumdynamica met de wereld op kwantumniveau, levert dit in de praktijk nauwelijks problemen op, behalve op het gebied van zwarte gaten, theoretische, nog nooit waargenomen objecten met een ontsnappingssnelheid groter dan de lichtsnelheid.
Echter: elke poging om de algemene relativiteitstheorie samen te voegen met kwantumdynamica levert monsterlijke wiskunde op. Bekende voorbeelden hiervan zijn de snaartheorie en loop quantum gravity. Vandaar dat de hedendaagse natuurkunde ruimtetijd laat beschrijven door de algemene relativiteitstheorie en interacties tussen deeltjes en velden door de kwantummechanica in zijn twee (of drie) incarnaties.
De gevolgen van kwantumverstrengeling op ruimtetijd Kwantumverstrengeling ontstaat als twee kwantumdeeltjes met elkaar in contact komen. Als twee deeltjes, A en B, met elkaar kwantumverstrengeld zijn, betekent dat dat als een meting aan één deeltje wordt verricht, dit een gecorreleerde eigenschap van het andere deeltje vastlegt (bijvoorbeeld: meet van één deeltje de impuls, dan ligt van het andere deeltje de plaats exact vast). Natuurkundig gezien betekent een waarneming: kwantumcorreleer een deeltje met een enorm systeem (bijvoorbeeld een object met veel massa, zoals het geheel van waarnemingsapparaat en waarnemer). Wiskundig gezien beperkt dit de vrijheidsgraden van het hele systeem: wiskundig gezien wordt de ruimte die het systeem hiermee inneemt, kleiner. Stel, een deeltje m in massief object M is kwantumverstrengeld met een deeltje n in object N. Stel, in object M vindt een kwantuminstorting van de golffunctie van m plaats waardoor de impuls van m exact bekend is ten opzichte van de rest van M, dan moet in object N de plaats van n exact bekend zijn ten opzichte van N. Door de nabijheid van M en N vinden voortdurende interacties (geïntermedieerd door virtuele of reële deeltjes) plaats tussen M en N en ontstaat er dus voortdurend kwantumverstrengeling.
Er is tot op heden niet één waarneming gedaan die in strijd is met de kwantumelektrodynamica of de algemene relativiteitstheorie. Aangezien de wiskundige beschrijving van ruimtetijd volgens de speciale relativiteitstheorie, ook die is volgens de kwantummechanica, komt deze wiskundige ruimte dus volledig overeen met de werkelijke ruimte. Voorlopige onontkoombare conclusie: kwantumverstrengeling zorgt voor een inperking, verkleining dus, van ruimtetijd. Precies het effect waarvan de algemene relativiteitstheorie voorspelt dat massa dat heeft op de omringende ruimtetijd…
Kwantumverstrengeling met virtuele deeltjes in het vacuüm Uit de onzekerheidsrelatie van Heisenberg volgt dat we op kwantumschaal geen absolute uitspraken kunnen doen over meetbare grootheden als energie, tijd, impuls en plaats. Dat kunnen we alleen over hun product: zo weten we dat een deeltje als een elektron (massa: 9,10938188 × 10-31 kilogram) met het bijbehorende positron (dat even zwaar is) maximaal 1,3×10-21 seconde kan bestaan (de tijd waarin licht een duizendste van de diameter van een atoom, of honderd protondiameters, aflegt). Virtuele deeltjes onderscheiden zich alleen van reële deeltjes door hun energie, die netto nul is. Dit betekent dat het effectieve bereik van alle virtuele deeltjes met massa zeer klein is. Alleen fotonen, lichtdeeltjes, hebben massa nul dus een oneindig bereik. Dit is ook nodig, want in de kwantummechanica worden elektromagnetische interacties veroorzaakt door virtuele fotonen (en, zoals bekend, een bliksem of een sterke elektromagneet heeft heel wat meer bereik dan een duizendste van een atoomkern).
Het is reeds gelukt met behulp van elektromagnetische velden deeltjes met elkaar te kwantumverstrengelen. We weten daarom (en ook uit kwantumtheoretische berekeningen en andere experimenten) dat virtuele deeltjes met reële deeltjes kwantumverstrengeld kunnen zijn. Ok weten we dat reële deeltjes die kwantumverstrengeling via virtuele deeltjes kunnen overdragen aan andere reële deeltjes. Als een reëel deeltje met een virtueel deeltje kwantumverstrengeld is, zal ook dit de vrijheidsgraden van het virtuele deeltje (in de praktijk: een virtueel foton, van de rest, virtuele neutrino’s uitgezonderd, is het bereik immers extreem klein) inperken, dus ook hier geldt dat ruimtetijd rond massa inkrimpt. Als we aannemen dat het vacuüm bestaat uit een zee van virtuele deeltjes (en zowel waarnemingen als theorie wijzen hierop) is hiermee een mechaniek beschreven waarom massa de ruimtetijd doet inkrimpen.
Echter: omdat virtuele deeltjes massa en energie nul hebben, vindt netto invloed nul plaats van de virtuele deeltjes op reële deeltjes of virtuele deeltjes onderling. Alleen als reële materie in de buurt virtuele deeltjes laadt met energie (een veld opwekt, zou een natuurkundige zeggen) kunnen deze invloed hebben of overdragen op andere deeltjes.
De fundamentele ontdekking van Yasahiro Hotta: energieoverdracht verbruikt kwantumverstrengeling
Virtuele deeltjes zijn per definitie per saldo energieloos. In een artikel dat in februari 2010 is gepubliceerd stelt de Japanse fysicus Hotta echter vast dat er een verband is tussen energietransport en het verbruiken van kwantumverstrengeling: door het verbruiken van kwantumverstrengeling vindt energieuitwisseling plaats.
Hotta's gedachtenexperiment voor kwantumtransport van energie.
We hebben reeds eerder gezien dat kwantumverstrengeling voortdurend ontstaat, namelijk door de wisselwerking van twee deeltjes (of als een virtueel fotonenpaar dat in de rumte tussen de twee voorwerpen met twee deeltjes m en n in twee systemen met massa M resp. N reageert). Op het moment dat de kwantumverstrengeling wordt verbroken, stelt Hotta, vindt er energieoverdracht tussen beide systemen plaats.
Je zou het niet zeggen als je er bij stilstaat dat een planeet als de aarde met vele kilometers per seconde rond de zon beweegt, maar natuurkundig gezien hebben voorwerpen in een zwaartekrachtsveld een negatieve energie. Het kost namelijk energie om het voorwerp uit het zwaartekrachtsveld los te peuteren. Het door Hotta beschreven mechanisme kan verklaren hoe de energieoverdracht bij zwaartekrachtsinteracties plaatsvindt. Het vacuüm tussen beide voorwerpen wordt door de uitwisseling van virtuele fotonen “leger” waardoor er aantrekkingskracht ontstaat. In feite is de Casimirkracht (zowel theoretisch als experimenteel aangetoond), die in een vacuüm elektrisch geleidende platen naar elkaar toetrekt, hier het gevolg van.
Massa is energie; energie is relatief; massa is dat niet. Waarom? Dat massa equivalent is aan energie volgens de wereldberoemde formule van Einstein, energie is massa maal het kwadraat van de lichtsnelheid, weten we al sinds begin vorige eeuw. Echter: de energie van iets is relatief: afhankelijk van welk inertiaalstelsel je kiest (wat je positie als waarnemer is). Als twee waarnemers met een flinke snelheid op elkaar afvliegen en ze gebruiken hun eigen positie als uitgangspunt, hebben ze zelf een bewegingsenergie van nul en de andere waarnemer een energie van de helft van het kwadraat van zijn snelheid. Over elkaars rustmassa zijn ze het echter eens. Wat de rustmassa is van een bepaalde waarnemer, is niet afhankelijk van het referentiestelsel.
In een eerder artikel is uiteengezet hoe uit louter energie massa is te produceren, zonder magische of enge dingen te hoeven doen of een beroep te doen op virtuele deeltjes. In dit gedachtenexperiment is sprake van een grote verzameling lichtdeeltjes. In tegenstelling tot “gewoon” licht zijn deze lichtdeeltjes aan elkaar gekoppeld, in dit geval door een hypothetische massaloze bol. Wat het licht massa verschaft is hiermee de koppeling van de lichtdeeltjes aan elkaar, in dit geval door de massaloze spiegelende bol.
Wat nog ontbreekt De wiskundige onderbouwing. Er zal moeten worden aangetoond dat uit wat Hotta heeft vastgesteld over energieuitwisseling bij kwantumverstrengeling, logisch de Einsteinvergelijkingen voor de vervorming van ruimtetijd als gevolg van massa (tensoren) rollen. Hierbij is het voorgestelde model van de wisselwerkingen tussen twee holle bollen met weerkaatsende fotonen mogelijk een interessant proefmodel. Een andere optie kan zijn de zwaartekracht tussen twee elektronen af te leiden uit alle mogelijk denkbare kwantumverstrengelingen met positieve energie tussen de deeltjes. Dit gaat de wiskunstige vermogens van schrijver dezes ver te boven, die van veel theoretisch natuurkundigen echter niet. Zou hieruit komen dat er een anomale waarde of gedrag van de zwaartekracht ontstaat, dan is hiermee aangetoond dat dit idee niet klopt. Hiermee voldoet het aan de eisen van een falsificeerbare theorie.
Het Niets is minder leeg dan door Einstein werd gedacht. Een dichte zee virtuele deeltjes, een gevolg van de kwantumonzekerheid vult zelfs de leegste ruimte. En remt, zo leiden onderzoekers af, zelfs stofdeeltjes af. Newton zou zich in zijn graf omdraaien…
Virtuele deeltjes: spookmaterie
We kunnen niet precies weten of een stukje ruimte helemaal leeg is. Niet omdat onze meetinstrumenten niet goed zijn, maar door een fundamentele beperking, de kwantumonzekerheid. Hoe korter het tijdsinterval, hoe minder precies we de energie kunnen weten. Virtuele deeltjes, spookdeeltjes, ontstaan omdat we op grond van deze fundamentele onzekerheidsrelatie van Heisenberg niet kunnen uitsluiten dat ze gedurende een zeer korte tijd niet bestaan. De virtuele deeltjes worden in paren gevormd en vallen in een ontelbaar korte tijd weer uiteen.
Virtuele deeltjesparen bestaan uit een deeltje en een antideeltje, of deeltje dat terug in de tijd reist.
Dat de deeltjes bestaan en niet alleen een theoretisch verzinsel zijn, weten we uit meerdere experimenten. Zo zouden bijvoorbeeld elektronen bij metingen een sterkere lading moeten hebben dan werkelijk wordt gemeten. De afwijking wordt veroorzaakt omdat spook-deeltjesparen van elektronen en anti-elektronen (positronen) zich zo draaien dat de spook-positronen richting het elektron gaan staan en het zo afschermen.
Ook het bizarre Casimir-effect kan door virtuele deeltjes worden verklaard. Twee platen die vlak bij elkaar staan (in de praktijk: enkele atoomdiktes), trekken elkaar aan. Omdat zich in de nauwe ruimte tussen twee platen minder virtuele deeltjes kunnen vormen dan in het “normale” vacuüm, oefent dit leger-dan-lege vacuüm minder druk uit dan normaal vacuüm. Het resultaat: de platen worden op elkaar geperst. Ook is het in 2010 gelukt om deeltjes (elektron-positron paren) uit het niets te scheppen met niets anders dan geconcentreerd laserlicht. De laser leverde de energie die nodig was om de virtuele elektronen en positronen reëel te maken.
De kwantummechanica stelt dat een voorwerp, ook al bevindt het zich in totaal vacuüm, in werkelijkheid voortdurend in contact staat met virtuele deeltjes. Virtuele deeltjes gedragen zich als een gas, dat wil zeggen dat onvoorspelbaar is welke richting ze bewegen. Het gevolg is dat als een voorwerp snel ronddraait, de virtuele deeltjes rond het voorwerp versneld worden in de draairichting. De Spaanse fysici Alejandro Manjavacas en F. Javier GarcÃa de Abajo van het Optisch Instituut in Madrid voorspellen dat virtuele fotonen die een voorwerp tegen de draairichting in raken, meer impuls krijgen dan virtuele fotonen die met het voorwerp mee bewegen. Het gevolg: de fotonen met veel energie worden reëel en het voorwerp verliest draaiingsenergie. De energie moet immers ergens vandaan komen.
Zware deeltjes met een reflecterend oppervlak zoals gouddeeltjes zullen nauwelijks beïnvloed worden door dit effect. Het verhaal wordt anders voor roetdeeltjes waar kosmische stofwolken mee bezaaid zijn. Op kamertemperatuur kost het tien jaar voordat een stofdeeltje van 0,1 micrometer tweederde van zijn draaisnelheid heeft verloren. In de koude interstellaire ruimte (drie kelvin) duurt dit 2,7 miljoen jaar. In hete gebieden van zevenhonderd graden duurt dit slechts drie maanden.
Het is dus mogelijk om zelfs in de absolute leegte te remmen.
Is het mogelijk om energie af te tappen uit en ander universum? Enkele interpretaties van de kwantummechanica bieden hier inderdaad de ruimte voor. Een verkenning.
Een absurd verhaal?
Op een website die penny stocks op de markt brengt, las ik een verhaal over een speciale coating op glazen ruiten die in staat zou zijn om meer energie uit licht te halen dan er binnen komt. Dit verhaal bleek niet te kloppen: het werkelijke rendement ligt volgens het bedrijf zelf rond een ook al zeer behoorlijke dertig tot veertig procent, wat op zich onze energievoorziening zou revolutionariseren, maar toch is het een interessante gedachte. Hoe zou een systeem meer energie kunnen produceren dan er binnen komt i.e. zijn perpetuüm mobile’s mogelijk?
Kwantumteleportatie van energie Mischien is in een parallel heelal de zon al een rode reus en de aarde veranderd in gesmolten lava.Het antwoord lijkt te zijn: ja, althans: als het systeem energie kan onttrekken aan een ander systeem dat kwantumverstrengeld is met het systeem in kwestie. Kwantumtheoreticus Masahiro Hotta van de Japanse universiteit van Tohoku, toonde aan dat het in principe mogelijk is om energie te teleporteren. Als twee deeltjes met elkaar kwantumverstrengeld zijn, zijn de uitkomsten van de meting aan het ene deeltje bepalend voor het andere deeltje.
Hotta ontdekte dat door een meting aan een deeltje ook energie in het deeltje is te injecteren. Omdat kwantumverstrengelde deeltjes een gedeelde identiteit hebben, betekent dat dat het andere deeltje ook over die energie beschikt – die vervolgens weer afgetapt kan worden, ook al is het deeltje lichtjaren ver weg van zijn kwantumverstrengelde tweeling. Voorwaarde is helaas wel dat tegelijkertijd met de verstrengeling een ‘klassiek’ deeltje mee wordt gestuurd om de informatie over te brengen.
De maximale hoeveelheid energie die overgestuurd kan worden is evenredig aan de mate van kwantumverstrengeling die verdwijnt, stelt Hotta: kwantumverstrengeling is dus een hulpbron die verbruikt wordt om energie over te dragen. Dus erg lang heb je niet plezier van je kwantum-energietransport.
Veelwereldeninterpretatie
Naast verstrengeling kent de kwantummechanica het waarnemingsprobleem: elke meting levert een onvoorspelbare uitkomst op. Er zijn verschillende theorieën (of liever gezegd interpretaties) bedacht om hiermee om te gaan.
In de veelwereldeninterpretatie splitst ons heelal zich bij elke meting in kopieën. Dus overleeft Schrödingers kat in sommige universa.
De populairste, omdat het zo makkelijk rekenen is, is de veel-werelden interpretatie: bij elke meting splitst een kwantumdeeltje zich in verschillende meetuitkomsten.
Wordt bijvoorbeeld het sadistische gedachtenexperiment van Schrödinger uitgevoerd, waarbij er, zeg, driekwart kans is dat een atoomkern niet uit elkaar valt en de kat overleeft, dan wordt volgens de veel-werelden interpretatie het heelal gesplitst in voor drie kwart heelallen waarin de kat nog leeft en één kwart heelallen waarin de kat dood is.
Zon uit parallel universum aftappen
Nu komt het. Stel dat twee deeltjes met elkaar kwantumverstrengeld zijn. Het heelal splitst voortdurend in parallelle heelallen. Dus komen er parallelle heelallen waarin elk een kopie van dit verstrengelde paar bestaan. Echter: de kopieën zijn mogelijk ook nog met kopieën in parallelle universums verstrengeld (of dit zo is is onzeker; immers de deeltjes worden geacht niet meet met elkaar in contact te staan zodra het heelal afgesplitst is).
Stel, je verricht een meting aan een deeltjespaar dat vijf miljard jaar geleden, toen het zonnestelsel nog een chaotische gaswolk was, met elkaar verstrengeld is geweest. Ongeveer 99,85% procent van alle atomen in het zonnestelsel maakt nu (en naar we kunnen aannemen, ook in het parallelle universum) deel uit van de zon, dus zijn miljoenen graden heet.
Bijna alle materie in het zonnestelsel bevindt zich binnen de zon.
Met andere woorden: de kans is 99,85% dat een partner van een deeltje dat in dit universum zich op aarde bevindt, zich in het parallelle universum in de zon bevindt.
Je zou dus in principe, gesteld dat de kwantumverstrengeling nog zou bestaan (in de praktijk duurt deze zeer kort omdat andere deeltjes deze verbreken), dat kwantumverstrengeling ook tussen afgesplitste universums bestaat (dat is twijfelachtig) en dat de gassen van de interstellaire stofwolk redelijk homogeen gemengd zijn geweest, energie kunnen aftappen van de zon in een parallel universum.
Wel moet je dan het kwantumdeeltje opsporen dat de informatie van het ene deeltje naar het andere deeltje draagt. En kan dat wel volgens de Veel-Werelden interpretatie?
Onderzoekers van de Tel Aviv Universiteit denken op grond van een berekening dat het mogelijk is om met het nulpuntsenergie-effect glas te doen smelten bij nul kelvin. Gewoonlijk vereist het smelten van glas temperaturen van vele honderden graden. Wat is hier aan de hand?
Wat is glas?
Vensterglas is de bekendste vertegenwoordiger van een groep stoffen die alle hetzelfde kenmerk gemeen hebben: het zijn als het ware bevroren vloeistoffen.
Glas is in feite een gestolde vloeistof.
De atomen in een glas zitten niet in een kristalrooster, zoals andere vaste stoffen, maar liggen lukraak door elkaar heen, zo sterk afgekoeld dat ze in hun beweging zijn bevroren. Stoffen met een dergelijke structuur worden dan ook glazen genoemd.
Ook water kan een glas vormen als het extreem snel wordt ingevroren. Bij het invriezen van menselijke weefsels gebeurt dat. Als het invriezen langzamer gaat, vormen zich namelijk ijskristallen die de celwanden lek prikken.
Dus in feite zitten er plakken stroperige vloeistof in je ramen. (OK, het verhaal is iets ingewikkelder). Vroeger werd gedacht dat de verdikking die je in veel middeleeuwse ruiten onder aantreft een gevolg is van het langzaam stromen van glas, maar nu weten we dat de viscositeit (stroperigheid) van glas op kamertemperatuur zo extreem hoog is dat dit effect pas na vele miljoenen tot miljarden jaren merkbaar is. Laten we hopen dat de mensheid het zo lang uithoudt…
Nulpuntsenergie
Er bestaat in de natuur een fundamentele onzekerheid, de onzekerheidsrelatie van Heisenberg. We kunnen bijvoorbeeld niet tegelijkertijd de plaats en de snelheid van een deeltje exact weten. De onzekerheid is altijd groter dan de constante van Planck, 6,26 * 10-34 Joule seconde. Dit ligt niet aan onze slechte instrumenten, integendeel. Deze onzekerheidsrelatie is misschien wel het fundamenteelste wat we in de natuur kennen.
Hoe extreem klein deze waarde ook is, op een miljoenste graad kelvin boven het absolute nulpunt gaat dit effect een enorme rol spelen. We weten bij deze temperatuur de energie van een atoom heel precies, namelijk ongeveer nul. De ijzeren onzekerheidsrelatie van Heisenberg dicteert nu dat de plaats van het atoom erg onzeker wordt. Het atoom verandert in een wazige wolk die steeds meer naburige atomen gaat overlappen. Wat eerst een bevroren vloeistof was gaat daardoor steeds meer lijken op een echte vloeistof. En dit is precies wat het team onderzoekers van de Tel Aviv universiteit stelt.
Van glassmeltovens zijn we voorlopig nog niet af. Toch zijn er voldoende goede toepassingen te bedenken voor kwantumglas.
Kunnen smeltovens afgeschaft worden?
Helaas. De grondstoffen voor glazen bestaan uit kristalvormende vaste stoffen. De bindingsenergie van kristallen, zeker die in de uitgangsstoffen voor vensterglas, is meestal enorm hoog. Die kan alleen verbroken worden door ze voldoende te verhitten, in het geval van silicaatglas (vensterglas) aanmerkelijk boven de duizend graden Celsius. Koelen helpt hier niet.
Wel is voor glasbewerking deze techniek heel interessant. Als het belangrijk is een glasoppervlak heel precies te hechten aan een ander materiaal bijvoorbeeld. Het kwantumglas kruipt dan in alle holtes. Dit is vooral interessant voor zeer gevoelige materialen die verhitting niet overleven. Je zou bij wijze van spreken een levend wezen in glas kunnen inbedden. Kortom: een heel nieuw technisch domein waaruit wel eens producten voort kunnen komen die we ons eerder nog niet voor konden stellen…
Einstein dacht met zijn EPR-gedachtenexperiment een vernietigende slag aan de kwantummechanica te hebben toegebracht. In plaats daarvan opende hij een natuurkundige doos van Pandora. Als twee kwantumdeeltjes met elkaar verstrengeld zijn, beïnvloedt een meting van het ene deeltje de uitkomst van een meting van het andere deeltje. Spookachtige werking op afstand dus. Ook al bevindt het ene deeltje zich in een ander melkwegstelsel of zelfs in de toekomst, de meting blijft altijd het andere deeltje beïnvloeden.
Onverklaarbaar en ten diepste verbonden met kwantumonzekerheid
Nog steeds is er geen goede verklaring voor dit fenomeen. Het is – met het meetprobleem, de vraag waarom de exacte uitkomst van een meting aan een kwantumdeeltje onvoorspelbaar is – de twee redenen dat er meerdere interpretaties van kwantummechanica bestaan.
Twee kwantumverstrengelde fotonen.
Een beschrijving bestaat al wel. Deeltjes – of groepen deeltjes – kunnen nul tot honderd procent met elkaar verstrengeld zijn. Hoe sterker de verstrengeling, hoe groter de overeenstemming als metingen op de deeltjes worden uitgevoerd.
In experimenten bleek tot nu toe dat de meetresultaten niet afwijken van de theoretisch voorspelde eigenschappen van kwantumverstrengelde systemen. De beschrijving klopt dus, maar de beschrijving is, vermoeden veel onderzoekers, verre van compleet. Wat is het dat de mate van verstrengeling bepaalt?
Kwantumcoherentie, de staat dat alle deeltjes in een systeem met elkaar verstrengeld zijn, is zeer uitzonderlijk. We kennen maar enkele macroscopische systemen die volledig kwantumverstrengeld zijn, bijvoorbeeld supervloeistoffen. In een supervloeistof (we kennen er maar twee: helium-4 en helium-3, enkele graden boven het absolute nulpunt) overlappen de waarschijnlijkheidsgolven van deeltjes (heliumatomen in dit geval) elkaar waardoor ze hun individuele identiteit verliezen en zich als één geheel gaan gedragen, ook op kwantumniveau. In alle andere systemen bestaat er geen massale kwantumverstrengeling.
Er moet dus een reden zijn dat deeltjes kwantummechanisch van elkaar gescheiden raken: kwantumdecoherentie. We weten dat het iets met entropie, wanorde dus, te maken moet hebben want grootschalige kwantumverstrengeling komt alleen voor in systemen vlak boven het absolute nulpunt en een meting betekent in feite dat een deeltje ‘entangled’ wordt met iets dat enorm groot is, m.a.w. iets dat een temperatuur kan hebben.
De meest logische interpretatie lijkt me persoonlijk dat de grote massa (in de betekenis van: het onzaglijk aantal deeltjes en dus kwantumtoestanden) van het kwantumsysteem van de waarnemer, zo geconfigureerd dat een exacte meting afgedwongen wordt, deze oplegt aan het fragiele kwantumsysteem dat gemeten wordt. Omdat het exacte aantal deeltjes in de waarnemer en de manier waarop ze kwantumverstrengeld zijn, uiteraard onbekend is (denk aan de vraag of het aantal moleculen in een liter water even of oneven is), is de uiteindelijke uitkomst van de meting dat ook en kan deze alleen als kans beschreven worden. Net zoals het aantal moleculen in een liter water 50% kans heeft even of oneven te zijn elke keer als je een nieuwe liter water pakt.
Onopgeloste kwestie: exacte mechanisme (mechanica) van kwantumverstrengeling
We kunnen exact beschrijven hoe deeltjes met elkaar verstrengeld zijn en hoe verstrengelde deeltjes zich gedragen. We weten echter niet, wat hetgeen is dat verstrengelde deeltjes met elkaar verstrengeld laat zijn, m.a.w. hun identiteit laat delen. Is identiteit iets dat ruimte en tijd overstijgt? Nieuwe experimenten en theoretische modellen wijzen hier op, nu zelfs deeltjes op lichtjaren afstand en gescheiden door de tijd met elkaar verstrengeld kunnen zijn.
Fysici over de hele wereld houden zich nu voornamelijk bezig met esoterische domeinen als de snaartheorie, waar enkele experimenteel niet aangetoonde veronderstellingen aan ten grondslag liggen. Dit terwijl een voor de hand liggend onderdeel van een natuurkundige basistheorie nog steeds niet ontraadseld is. Niet erg verstandig.
