Quantummechanica

Op de grens van quantum en klassiek

Waarom kan een foton wel op twee plaatsen tegelijk zijn en een voetbal niet? Fysici proberen dit soort bizarre quantumeffecten in alsmaar grotere voorwerpen op te wekken. De rand van de ongrijpbare quantumwereld komt steeds duidelijker in het vizier.

Hoewel voorwerpen in de wereld om ons heen niet op twee plaatsen tegelijk kunnen zijn, lijkt natuurkundige Dirk Bouwmeester dat trucje wél goed te beheersen. Al sinds 2007 werkt hij op twee plaatsen aan één enkel experiment, waarmee hij probeert te ontdekken of quantummechanische effecten ook op grote schaal op te wekken zijn. Hij pendelt daarvoor regelmatig tussen de natuurkundefaculteit van de universiteit van Californië in Santa Barbara en die van de Universiteit Leiden. Dat doet hij omdat in Santa Barbara de grootste experts op het gebied van nanofabricage rondlopen en omdat Leiden het natuurkundemekka is voor de liefhebbers van ultralage temperaturen. Beide heeft Bouwmeester nodig om een ingewikkelde opstelling – waar hij inmiddels al ruim zeven jaar aan knutselt – te kunnen bouwen. Zijn doel? Een ultraklein spiegeltje met een afmeting van 10 bij 10 bij 10 micrometer tegelijk te laten bewegen én niet te laten bewegen.

Het is op plek twee, aan de Einsteinweg in Leiden, dat we Bouwmeester voor het eerst met onze eigen ogen waarnemen. In tegenstelling tot de quantummechanische praktijk, zorgt dat er echter niet voor dat we daarmee ook meteen zijn positie hebben vastgelegd. Bouwmeester heeft op het moment dat u dit leest Leiden zelfs alweer verlaten; ditmaal voor het laatst. Hij is er klaar, want de drie jaar die hij er zat, brachten hem wat hij hoopte. Samen met de aanwezige lagetemperatuurexperts kreeg hij het voor elkaar zijn opstelling te koelen tot een miljoenste graad boven het absolute nulpunt.

Door het succes in Leiden begint Bouwmeester nu aan een cruciale periode in zijn onderzoek. Hij hoopt snel – binnen twee jaar – een antwoord te vinden op de vraag of er een fundamentele grens zit aan de quantummechanica. Kun je met de nodige moeite quantumeffecten blijven opwekken in alsmaar grotere voorwerpen, of houdt het een keer op? ‘Een tijdje geleden zijn experimenten gedaan met C60-moleculen’, vertelt Bouwmeester. Die koolstofmoleculen bleken toen inderdaad quantumeffecten te kunnen vertonen. ‘De vraag is: kan het nu nog groter? Bij objecten die je ‘al’ onder demicroscoop kunt zien? De quantummechanica stelt dat dat in principe mogelijk is.’

Een bevestiging volgde in januari 2010. Natuurkundigen Andrew Cleveland en John Martinis, collega’s van Bouwmeester aan de universiteit van Californië, slaagden er toen voor het eerst in om een macroscopisch object in de quantummechanische ‘grondtoestand’ te krijgen. Ze wisten het voorwerp – een piepklein, maar met het blote oog zichtbaar stukje halfgeleidend materiaal – in de laagst mogelijke energietoestand te dwingen die door de quantummechanica wordt toegelaten. Door de energie vervolgens een beetje te verhogen, kregen zij het voorwerp tegelijk in de grondtoestand én in een aangeslagen toestand, waardoor het tegelijk een beetje en een boel stond te trillen.

Kansmechanisme

De ontdekking werd door Science in december uitgeroepen tot belangrijkste wetenschappelijke doorbraak van 2010. ‘Misschien opent dit onderszoek de deur om ooit eens de grenzen van de quantummechanica en ons begrip van de realiteit te testen’, meldde Science in een begeleidend persbericht.

Om dat voor elkaar te krijgen is het onder andere nodig om een groot voorwerp langer in een quantumtoestand te vangen. In het experiment van Cleveland en Martinis stortte de toestand namelijk alweer vrij snel in – ongeveer een miljoenmaal sneller dan Bouwmeester in zijn opstelling hoopt te bereiken.

Als Bouwmeester het daadwerkelijk voor elkaar krijgt om zijn experiment naar wens uit te voeren, dan kan dat verstrekkende gevolgen hebben voor de manier waarop fysici naar de werking van de wereld kijken: van een mogelijke bevestiging van de veelbesproken multiversumtheorie tot een eventuele doorbraak in de jacht op een theorie van alles.

Om erachter te komen hoe de vork nu precies in de steel zit, grijpt Bouwmeester terug naar een 75 jaar oud idee. En hij is daarin niet de enige. Want wie minuscule quantumeffecten wil opschalen naar macroscopisch niveau, probeert in feite de kat van Schrödinger tot leven te wekken. De kat van wie? In 1935 bedacht Erwin Schrödinger – één van de grondleggers van de moderne quantummechanica – een beroemd gedachte-experiment. Stop een kat in een doos en zorg dat hij onder invloed van een puur kansmechanisme, zoals het wel of niet vervallen van een atoom, zal blijven leven of zal sterven. De kat, zo stelt de quantummechanica, zal in de doos dan zowel levend als dood zijn. Tenminste, totdat iemand de doos opent en kijkt.

Dat gedachte-experiment is inmiddels uitgegroeid tot vaste prik voor beginnende natuurkundestudenten en in allerlei populairwetenschappelijke boeken en artikelen over quantummechanica. Het wordt daarbij vooral gebruikt als illustratie van het begrip ‘superpositie’; het principe waardoor een voorwerp of deeltje twee eigenschappen kan hebben als ‘leven’ en ‘dood’. Die eigenschappen lijken elkaar klassiek uit te sluiten, maar volgens de formules van de quantummechanica kunnen ze prima tegelijk bestaan.

De kat van Schrödinger - quantummechanica

Aai poesje, aai poesje, sterf kat! Om de absurditeit van de quantummechanica te illustreren, bedacht Erwin Schrödinger zijn beroemde gedachtenexperiment met een kat in een doos. Credit: Erick Vermeulen

Toch is er iets vreemds aan de hand met de kat van Schrödinger. Het voorbeeld duikt te pas en te onpas op, maar wordt consequent verkeerd gebruikt. Schrödinger probeerde er destijds helemaal niet het begrip superpositie mee uit te leggen, maar betoogde juist dat er iets niet pluis was met de quantummechanica. Een theorie die een evident onzinnige voorspelling leverde als een kat die tegelijk dood en levend is, kon tenslotte niet helemaal kloppen. Tegenwoordig weten we dat Schrödinger gedeeltelijk gelijk had: de kat zal in het gebruikte voorbeeld nooit zowel levend als dood zijn, omdat quantumeffecten in de macroscopische wereld – op de menselijke schaal van katten en voetballen – ophouden te bestaan.

Met de ontdekking dat de quantumwereld een grens heeft, loste men het intuïtieve probleem van Schrödinger op. Het gevoel van onvrede over de vreemde conclusies van de quantummechanica bleef echter gewoon bestaan. ‘Fysicus Anthony Legget zei ooit: ‘dingen gebeuren in de gewone wereld, maar in de wereld van de quantummechanica gebeurt niets’’, vertelt de Leidse natuurkundige Carlo Beenakker die onder meer onderzoek doet naar quantumcomputers. ‘Legget zag daar een soort ultieme deficiëntie in; iets dat niet deugde. We hebben het dan over de jaren tachtig van de vorige eeuw’. Die twijfel, denkt Beenakker, is sindsdien steeds meer naar de marge verschoven. De belangrijkste reden? Een beter begrip van het proces waardoor de kat van Schrödinger nooit zowel levend als dood kan zijn: decoherentie door quantumverstrengeling.

Decoherentie is niets meer dan natuurkundig jargon voor de overgang van de gekke quantumwereld naar onze vertrouwde klassieke wereld, waarin voetballen en andere voorwerpen gewoon op slechts één plaats tegelijk kunnen zijn. Omdat er geen echte grens is tussen klassiek en quantum, houdt in theorie niets de kat van Schrödinger tegen om inderdaad tegelijk dood en levend te zijn, behalve dan dat het in de praktijk dankzij natuurlijke decoherentie nooit zal voorkomen.

Natuurkundigen zijn daarom ondertussen druk bezig om te kijken of ze die decoherentie niet een beetje kunnen uitstellen, om zo tóch quantumeffecten op grote schaal te kunnen zien. En om de dierenvrienden onder ons meteen gerust te stellen: dat proberen ze dus niet met katten. Een onderzoeker als Bouwmeesterprobeert het met zijn minuscule spiegeltje. Andere fysici zijn bezig quantumeffecten op te wekken in alsmaar grotere moleculen. En hoewel de afmetingen daarvan nog niet in de buurt van Schrödingers kat komen, zijn ze toch nog altijd zoveel groter dan een elektron dat quantummechanische effecten onder normale omstandigheden al niet meer te zien zijn.

Natuurlijk blijkt die schaalvergroting van quantumeffecten in de praktijk een stuk moeilijker dan het klinkt. Neem bijvoorbeeld de quantumcomputer van Beenakker. In tegenstelling tot een gewone computer, waar bits 0 of 1 zijn, kan een bit in de quantumcomputer (een qubit) ook moeiteloos tegelijkertijd 0 én 1 zijn. Wanneer we aan het systeem een tweede qubit toevoegen, verstrengelen volgens de onverbiddelijke wetten van de quantummechanica beide qubits direct. De waarde die de ene qubit kan aannemen is daardoor afhankelijk van de waarde van de ander. ‘Als de ene qubit 0 is, dan moét de ander 1 zijn’, legt Beenakker uit. ‘Als je dan de ene meet, weet je daardoor ook meteen de waarde van de ander. Zo maak je met één meting de superposities van twee deeltjes kapot.’

Nemen we nu een sprong naar de macroscopische wereld waarin wij leven, dan zien we snel de verklaring die wetenschappers jaren geleden vonden voor het feit dat Schrödingers kat nooit zowel dood als levend zal zijn. In onze wereld kunnen deeltjes namelijk rustig met een miljard keer een miljard andere dingen verstrengelen. Ieder van ons is continu verstrengeld met alles om zich heen. Met de zon, waarvan de fotonen op je gezicht vallen, of met de wind die door je haren blaast; alles heeft interactie met elkaar.

‘Massieve verstrengeling is de regel’, legt Beenakker uit. En één enkele meting – bijvoorbeeld wanneer een foton op je oog valt en een reactie in je hersenen opwekt – is vervolgens al genoeg om de hele met elkaar verstrengelde boel als een kaartenhuis te doen instorten. ‘Het is moeilijk te vermijden. Je kunt een meting niet uitsluiten’, vertelt Beenakker. Het gevolg is een verlies aan quantuminformatie. ‘Decoherentie is niets meer dan quantuminformatie die overgaat in klassieke informatie. In de termen van de quantumcomputer is de qubit dan weer gewoon 0 of 1’.

Dat resultaat wordt bevestigd door quantumfysicus Markus Arndt, werkzaam aan de universiteit van Wenen. Hij bekijkt daar quantumeffecten in steeds grotere en complexere moleculen. Om aan te tonen dat die moleculen quantumeffecten vertonen, stuurt hij ze door een interferometer – een iets ingewikkeldere versie van het beroemde dubbele-spleet-experiment dat destijds het eerste experimentele bewijs leverde dat deeltjes op twee plaatsen tegelijk kunnen zijn.

Wie licht door een dubbele spleet stuurt, ziet op het scherm een interferentiepatroon dat ontstaat omdat de lichtgolven elkaar plaatselijk versterken of uitdoven. Stuur je echter één foton per keer door de dubbele spleet, dan blijkt dat na een groot aantal fotonen er toch een interferentiepatroon ontstaat. De conclusie was even vreemd als voor de hand liggend: de enkele fotonen interfereerden met zichzelf en waren tijdens het experiment dus op twee plaatsen tegelijk.

In zijn onderzoek bewijst Arndt dat wat opgaat voor fotonen, ook geldt voor lijvige moleculen van een paar honderd atomen groot. Op die manier kan hij onder andere bekijken of ons huidige begrip van quantumdecoherentie klopt. Daartoe bekeek hij de emissie van fotonen uit moleculen. Omdat de door hem bestudeerde moleculen vrij groot zijn, ondervinden zij sterke trillingen als ze warm zijn. Daardoor gaan de moleculen, net als bijvoorbeeld een roodgloeiend kooltje, vanzelf fotonen uitzenden. Arndt en collega’s konden de temperatuur van de moleculen controleren voordat ze de interferentieapparatuur invlogen. Zo bleek dat het interferentiepatroon – en dus het quantumgedrag van de moleculen – langzaam verdween bij toenemende temperatuur.

De grens tussen quantum en klassiek werd bovendien vrij nauwkeurig bepaald door de golflengte van de uitgezonden fotonen. Als die golflengte zo precies werd dat de straling in theorie kon worden gebruikt om de positie van het deeltje te bepalen, dan verdween het interferentiepatroon. ‘We vonden geen verrassingen, maar juist een mooie bevestiging van onze huidige theorieën’, meldt Arndt. ‘Zodra quantumsystemen informatie beginnen uit te wisselen met hun omgeving, verliezen ze hun coherentie.’

Het onderzoek van Arndt bewijst dat de truc om quantumeffecten in nog grotere voorwerpen op te wekken conceptueel niet ingewikkeld is, maar in de praktijk wel enorm lastig is om uit te voeren. Om succes te boeken moet een onderzoeker proberen de verstrengeling van het voorwerp met de miljarden andere quantumsystemen om ons heen zo lang mogelijk te voorkomen. Het is die eis die ervoor zorgt dat Bouwmeester nu al zeven jaar bezig is met het bouwen van zijn opstelling om een spiegeltje tegelijk te laten bewegen en niet te laten bewegen.

Bouwmeester begon die poging ooit naar aanleiding van een discussie die hij had met de beroemde Britse wis- en natuurkundige Roger Penrose, met wie hij destijds samenwerkte. ‘Hij verwacht iets geks te vinden dat nog niet in de quantummechanica ingebakken zit’, vertelt Bouwmeester.

Ruimtetijd

In zijn boek The Emperor’s New Mind (1989) kwam Penrose voor het eerst op de proppen met het idee dat er conceptueel iets mis gaat als de quantummechanica en de algemene relativiteitstheorie beiden gelden. Volgens de algemene relativiteitstheorie veroorzaakt een massa een kuiltje in de ruimtetijd, vergelijkbaar met wanneer iemand een biljartbal op een in de lucht opgespannen kleed zou leggen. Zelfs zeer kleine massa’s veranderen zo plaatselijk de structuur van die ruimtetijd. Vreemd wordt het wanneer volgens de quantummechanica zo’n massa op twee plaatsen tegelijk kan zijn. Het resultaat – als beide theorieën gelden – is dan namelijk opmerkelijk: twee kuiltjes in de ruimtetijd. Later, als het deeltje wordt gemeten, blijkt het slechts op één plaats, met één kuiltje te zijn. En daarin schuilt volgens Penrose het probleem.

Hij betoogt daarom dat de superpositie van het deeltje tijdelijk voor een soort verstoring in de ruimtetijd zal zorgen, waarin de twee verschillende ruimtetijdstructuren elkaar zullen overlappen. En dat kost energie. Nu is er in de quantummechanica een regel, het onzekerheidsprincipe, die stelt dat je bepaalde eigenschappen, zoals de snelheid en de plaats van een deeltje, nooit beide tegelijk kunt bepalen. Net zo’n regel gaat op voor energie en tijdsduur. En daarin zit de crux: volgens Penrose volgt uit het onzekerheidsprincipe dat de verstoring zichzelf na verloop van tijd vanzelf zal opheffen. Met andere woorden: elke superpositie zal na verloop van tijd vanzelf instorten, onafhankelijk van of de deeltjes betrokken bij die superpositie worden waargenomen of niet.

‘Tot nu toe is dat nog niet gevonden’, legt Bouwmeester uit. Dat komt overigens niet omdat er nooit experimenten aan quantummechanische systemen in superpositie zijn gedaan, maar omdat dat altijd slechts gebeurde met deeltjes uit de traditionele quantumwereld zoals protonen, fotonen, elektronen enzovoort. Dat is belangrijk omdat er in de theorie van Penrose een verband bestaat tussen de massa van het deeltje en de tijd die het kost voordat een superpositie spontaan ineenstort. Hoe zwaarder het deeltje, hoe groter de ruimtetijdverstoring en hoe onstabieler de superpositie. ‘Bij een enkel atoom is de verstoring zo klein dat de instorting veel langer duurt dan de duur van een experiment. Bij het experiment dat Penrose en ik bedachten, wordt de massa groot genoeg om de instorttijd in de orde van de duur van het experiment te krijgen’, vertelt Bouwmeester.

Struikelen

‘Het idee van Penrose is aansprekend’, meent Markus Arndt, ‘maar heeft eigenlijk geen gedetailleerde wiskundige basis.’ Het idee van Penrose is bovendien niet het enige dat fundamentele grenzen aan de quantummechanica probeert op te leggen. In 1985 bedachten de Italiaanse natuurkundigen GianCarlo Ghirardi, Alberto Rimini en Tullio Weber al een uitbreiding van de fundamentele wet in de quantummechanica, de Schrödingervergelijking. Daarin voorspelden zij dat een deeltje zijn quantumeigenschappen uit zichzelf zou kunnen verliezen, zonder enige uitwendige oorzaak; iets dat sindsdien bekendstaat als de Ghirardi–Rimini–Weber-theorie.

‘Zij stelden voor dat gewone quantumdeeltjes elke 1016 seconde (ruwweg 3 miljoen eeuwen, red.) hun superpositie zouden verliezen’, vertelt Arndt. Niemand kent weliswaar de exacte parameters voor het model, maar een schatting van de tijdsduur is wel indirect te bedenken. Zij hadden het idee dat het verlies van superpositie zou zorgen voor extra energie en warmte. ‘Als het dan vaker zou gebeuren, zou het hele universum opwarmen.’

Arndt denkt dat van alle ideeën over fundamentele grenzen aan de quantummechanica, op korte termijn alleen het idee van Penrose gemakkelijk te testen is. Mocht het team van Bouwmeester bewijs vinden dat Penrose gelijk heeft, dan is dat een grote doorbraak in onze kennis van de basale structuur van de quantummechanica. Maar eigenlijk zijn beide uitkomsten – ondersteuning van het idee, of afwijzing ervan – boeiend, meent Bouwmeester. ‘Als blijkt dat het idee van Penrose niet klopt en dat de quantummechanica zonder enige aanpassingen voor steeds grotere systemen geldt, dan is het beeld van het heelal ongelofelijk.’ Dan kan de toestand van een quantumdeeltje moeiteloos worden omgezet naar quantumtoestanden in onze wereld. Evident onzinnige uitkomsten als tegelijkertijd wel en niet struikelen over drempels die tegelijkertijd wel en niet achter een deur liggen die je net tegelijkertijd wel en niet had geopend, behoren dan zomaar tot de mogelijkheden. En omdat we dat niet zien, is dat volgens Bouwmeester een ‘heel sterke aanwijzing’ voor de zogeheten multiversumtheorie – de theorie die stelt dat elke keer dat een superpositie inklapt, zich een nieuw alternatief universum afsplitst.

Maar ook bewijs vóór het idee van Penrose opent deuren, afgezien van de bevestiging van het idee zelf. Zo lukt het natuurkundigen al sinds de tijd van Einstein niet om de quantummechanica en de algemene relativiteitstheorie fatsoenlijk te laten samenwerken. Het concept van Penrose zou daarom een belangrijke bouwsteen kunnen zijn in een uiteindelijke theorie van alles. ‘Zelf begin ik steeds meer te twijfelen of de quantummechanica geldig blijft voor steeds grotere objecten’, bekent Bouwmeester. ‘De reden is dat het meer en meer duidelijk wordt dat de quantummechanica in vier ruimtetijddimensies lang niet alles kan beschrijven dat we in de natuurkunde waarnemen. De huidige snaartheorie dwingt ons bijvoorbeeld al om deeltjes te beschrijven in elf dimensies en uit astronomische waarnemingen blijkt via de ontdekking van donkere materie en donkere energie dat we nog maar heel weinig van het universum kunnen waarnemen. De tendens is dat we steeds minder vertrouwen hebben in wat we weten. Het heelal is nog veel bizarder dan we tot nu toe dachten. Het zou me daarom niet verbazen als we binnen tien jaar ook afwijkingen aan de quantummechanica gaan meten. Doen we dat, dan zal dat ongetwijfeld aanleiding geven tot nieuwe ontwikkelingen in de theorie’.

Spiegeltje

Natuurlijk hoopt Bouwmeester dat hij één van de eerste afwijkingen zal meten. Het principe van het experiment waarmee hij dat probeert is simpel. ‘We bekijken een foton dat in twee richtingen kan bewegen’, legt hij uit. Aan het uiteinde van beide beweegrichtingen is een kleine holte waarin het foton kan terechtkomen. In één van die holten staat een ultraklein spiegeltje dat is vastgemaakt op een zeer slap veertje. Dat spiegeltje zal op het veertje heen en weer gaan bewegen als er een foton tegenaan botst. ‘Op die manier schalen we de superpositie van een klein deeltje op naar de superpositie van iets groots’, vertelt Bouwmeester. In dit geval gaat dat om het foton dat in beide holten tegelijkertijd wel en niet aanwezig is en het spiegeltje dat daardoor tegelijk wel én niet zal gaan bewegen. ‘Het is hetzelfde principe als bij de kat in het gedachte-experiment van Schrödinger, waar het wel en niet vervallen van het radioactieve deeltje opgeschaald wordt naar het wel en niet dood zijn van de kat.’

Het experiment uitleggen kost echter aanzienlijk minder tijd dan de opstelling daadwerkelijk bouwen. ‘Het is een ontzettend moeilijk experiment en we werken daarom al heel lang aan de verschillende onderdelen’, vertelt Bouwmeester. Zo mag het spiegeltje met niets verstrengeld raken en mag ook niets het waarnemen. Daarom mag er geen ander licht op vallen en mogen er geen andere moleculen bij in de buurt komen.

Een andere moeilijkheid wordt veroorzaakt door de slapheid van het veertje; één enkel foton moet het veertje al in beweging kunnen brengen. Helaas heeft dat de ongewenste bijwerking dat het veertje al bij de geringste temperatuur uit zichzelf begint te trillen. ‘Als iets een bepaalde temperatuur heeft, stelt de thermodynamica dat het energie krijgt in bepaalde vrijheidsgraden. Dus staat het veertje al snel uit zichzelf te flapperen’, legt Bouwmeester uit.

De oplossing voor beide problemen ligt daarom voor de hand: werken bij extreem lage temperaturen. Het veertje zal dan niet uit zichzelf gaan bewegen en de moleculen in de omgeving liggen vast op hun plek. ‘Het experiment mag niet warmer worden dan een miljoenste van een graad boven het absolute nulpunt. Dat is zo goed als onmogelijk, maar we gaan het toch doen.’

Elektronspin

Uiteindelijk duurde het bouwen en koelen van het apparaat in Leiden twee jaar en de bevestiging van het spiegeltje op de veer in Californië zelfs 5 jaar. Vervolgens stond ook nog een derde uitdaging voor de deur. ‘We moeten bijna bij het absolute nulpunt nog wel in staat zijn het spiegeltje uit te lijnen en een heel klein beetje te verstellen. Dat is nu voor het eerst gelukt’.

Dat succes betekent niet dat Bouwmeester meteen al kan gaan meten. Eerst moet hij de opstelling nog uitgebreid doorlichten om te kijken of alles naar behoren werkt. Daarna zal hij nog een aantal details moeten aanpassen. Naar verwachting gaat het daarom nog twee jaar duren totdat hij zijn resultaat kan noteren. En dat zou – na al die jaren werk – nog wel eens te laat kunnen zijn. ‘Ik ben recent op een conferentie geweest waar 20 onderzoeksgroepen op dit gebied hun resultaten presenteerden. Het is echt een race geworden om als eerste de quantumdecoherentie van macroscopische systemen te meten.’

Eén van de kapers op de kust is Tjerk Oosterkamp, die net als Bouwmeester zijn onderzoek in Leiden doet. Oosterkamp werkt vooral met de zogeheten tastmicro‑ scoop: een meetinstrument dat met een zeer kleine naald de krachten rondom atoomkernen en elektronen kan meten en zo de structuur van materie in beeld brengt. Oosterkamp doet dat tegenwoordig met een utraslap naaldje gekoeld tot een extreem lage temperatuur (20 milikelvin), zodat het gevoelig is voor heel kleine krachten. Het naaldje is zo klein dat het instrument naar verwachting binnenkort in staat moet zijn om eigenschappen van individuele elektronen te kunnen waarnemen. De eigenschap waarin Oosterkamp het meest is geïnteresseerd is de elektronspin. ‘Een elektronspin is namelijk een quantummechanisch ding’, legt Oosterkamp uit. Waar bij een klassiek voorwerp of deeltje de magnetische noordpool slechts één kant kan opwijzen, kan die bij een deeltje dat simultaan twee kanten op spint best eens tegelijk naar boven en naar beneden staan.

Het naaldje van de tastmicroscoop krijgt door de minuscule hoeveelheid magnetische kracht in de buurt van het deeltje een uitwijking. ‘Als de pool twee kanten opstaat, gaat het naaldje daardoor ook tegelijkertijd twee verschillende kanten op bewegen’, legt Oosterkamp uit. En in dat geval is, net als bij de kat van Schrödinger en het spiegeltje van Bouwmeester, een superpositie uit de minuscule quantumwereld (die van de spin van het elektron) uitvergroot en vertaald naar de superpositie van een voorwerp (het naaldje) met klassieke afmetingen.

Overigens is ook Oosterkamp nog niet klaar om het beoogde experiment uit te voeren. Het duurt nog ongeveer een jaar voordat de tast-miscoscoop een enkele elektronspin kan meten. Grootste struikelblok hierbij is de meting te doen voordat het deeltje met zijn omgeving verstrengelt en zo zijn quantumeigenschappen kwijtraakt. ‘Ik hoop dat ik ergens in de komende 2 à 3 jaar een resultaat kan noteren’, vertelt hij. ‘Maar of dat ook lukt, is nog allerminst zeker.’

Dat de race om als eerste de quantumdecoherentie van macroscopische systemen te meten binnen afzienbare tijd een winnaar krijgt, lijkt zeker. Of die winst ook zal leiden tot de eerste stap richting een theorie van alles of simpelweg zal zorgen voor een beter begrip van quantummechanische grondbeginselen als verstrengeling, superpositie en decoherentie is voorlopig nog onduidelijk. Zeker is wel dat we de komende jaren dankzij grote doorbraken – of het definitief uitblijven daarvan – ons basale begrip van de werkelijkheid met sprongen zullen verbeteren. De kat van Schrödinger ligt nog altijd op de loer.

De quantumevolutietheorie

Volgens Dirk Bouwmeester hebben zijn experimenten niet alleen gevolgen voor de natuurkunde. Mocht het idee van Penrose over de aard van de quantummechanica niet blijken te kloppen, dan heeft dat misschien zelfs gevolgen voor de evolutietheorie. ‘Het is nog altijd een vraag waarom de evolutie zo efficiënt is’, vertelt Bouwmeester. Volgens hem kan het antwoord op die vraag in de multiversuminterpretatie van de quantummechanica liggen. ‘Genmutaties zijn daar een goed voorbeeld van’, schetst Bouwmeester zijn argument. ‘Eén enkele mutatie in het DNA kan een enorme invloed hebben op de ontwikkeling van een soort. Maar de straling die dat veroorzaakt kan gemakkelijk in een superpositie zijn, waarbij elke mogelijke uitkomst van het inklappen van die superpositie een andere mutatie in de soort kan veroorzaken.’ Op die manier kan de superpositie van één enkel deeltje verschillende parallelle evoluties van de soort tot gevolg hebben. ‘Het is natuurlijk heel speculatief, maar de aarde zoals wij die nu ervaren, zou dan best slechts één tak kunnen zijn van de totale reeks van de evolutie.’

Dit verhaal is eerder verschenen in NWT Magazine

0 antwoorden

Plaats een Reactie

Meepraten?
Draag gerust bij!

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *