Vlad Krasen
0 
5018
1270
Alternatieve feiten verspreiden zich als een virus door de samenleving. Nu lijkt het erop dat ze zelfs de wetenschap hebben geïnfecteerd - althans het kwantumrijk. Dit lijkt misschien contra-intuïtief. De wetenschappelijke methode is immers gebaseerd op de betrouwbare noties van waarneming, meting en herhaalbaarheid. Een feit, zoals vastgesteld door een meting, moet objectief zijn, zodat alle waarnemers het ermee eens kunnen zijn.
Maar in een artikel dat onlangs in Science Advances is gepubliceerd, laten we zien dat in de microwereld van atomen en deeltjes die wordt beheerst door de vreemde regels van de kwantummechanica, twee verschillende waarnemers recht hebben op hun eigen feiten. Met andere woorden, volgens onze beste theorie van de bouwstenen van de natuur zelf, kunnen feiten feitelijk subjectief zijn.
Waarnemers zijn krachtige spelers in de kwantumwereld. Volgens de theorie kunnen deeltjes zich op meerdere plaatsen of staten tegelijk bevinden - dit wordt een superpositie genoemd. Maar vreemd genoeg is dit alleen het geval als ze niet worden nageleefd. De tweede keer dat je een kwantumsysteem observeert, kiest het een specifieke locatie of toestand - waardoor de superpositie wordt verbroken. Dat de natuur zich zo gedraagt, is in het laboratorium al meerdere keren bewezen, bijvoorbeeld in het beroemde experiment met dubbele spleet.
Verwant: De 18 grootste onopgeloste mysteries in de natuurkunde
In 1961 stelde natuurkundige Eugene Wigner een provocerend gedachte-experiment voor. Hij vroeg zich af wat er zou gebeuren als de kwantummechanica wordt toegepast op een waarnemer die zelf wordt waargenomen. Stel je voor dat een vriend van Wigner een kwantummunt - die zich in een superpositie van kop en munt bevindt - in een gesloten laboratorium gooit. Elke keer dat de vriend de munt opgooit, zien ze een duidelijk resultaat. We kunnen zeggen dat de vriend van Wigner een feit vaststelt: het resultaat van de toss is beslist kop of staart.
Wigner heeft geen toegang tot dit feit van buitenaf, en volgens de kwantummechanica moet hij de vriend en de munt beschrijven om zich in een superpositie van alle mogelijke uitkomsten van het experiment te bevinden. Dat komt omdat ze "verstrengeld" zijn - spookachtig met elkaar verbonden, zodat als je de een manipuleert, je ook de ander manipuleert. Wigner kan deze superpositie nu in principe verifiëren met behulp van een zogenaamd "interferentie-experiment" - een soort kwantummeting waarmee je de superpositie van een heel systeem kunt ontrafelen en bevestigt dat twee objecten met elkaar verstrengeld zijn.
Wanneer Wigner en de vriend later aantekeningen vergelijken, zal de vriend erop staan dat ze de definitieve resultaten zagen voor elke toss. Wigner zal het echter oneens zijn wanneer hij vriend en munt in een superpositie observeert.
Dit levert een raadsel op. De werkelijkheid die door de vriend wordt waargenomen, kan niet worden verzoend met de werkelijkheid aan de buitenkant. Wigner beschouwde dit oorspronkelijk niet als een paradox, hij voerde aan dat het absurd zou zijn om een bewuste waarnemer te omschrijven als een kwantumobject. Later week hij echter af van deze opvatting en volgens formele leerboeken over kwantummechanica is de beschrijving volkomen geldig.
Het experiment
Het scenario is lange tijd een interessant gedachte-experiment gebleven. Maar weerspiegelt het de realiteit? Wetenschappelijk gezien is hier tot voor kort weinig vooruitgang mee geboekt, toen Časlav Brukner van de Universiteit van Wenen aantoonde dat, onder bepaalde veronderstellingen, het idee van Wigner kan worden gebruikt om formeel te bewijzen dat metingen in de kwantummechanica subjectief zijn voor waarnemers..
Brukner stelde een manier voor om dit idee te testen door het Wigner's friend-scenario te vertalen in een raamwerk dat voor het eerst werd vastgesteld door de natuurkundige John Bell in 1964. Brukner beschouwde twee paar Wigners en vrienden, in twee aparte dozen, die metingen uitvoerden in een gedeelde toestand - binnen en buiten hun respectievelijke doos. De resultaten kunnen worden samengevat om uiteindelijk te worden gebruikt om een zogenaamde "Bell-ongelijkheid" te evalueren. Als deze ongelijkheid wordt geschonden, kunnen waarnemers alternatieve feiten hebben.
We hebben deze test nu voor het eerst experimenteel uitgevoerd aan de Heriot-Watt University in Edinburgh op een kleinschalige kwantumcomputer die bestaat uit drie paar verstrengelde fotonen. Het eerste fotonpaar vertegenwoordigt de munten, en de andere twee worden gebruikt om de toss uit te voeren - waarbij de polarisatie van de fotonen wordt gemeten - in hun respectievelijke doos. Buiten de twee dozen blijven aan elke kant twee fotonen over die ook kunnen worden gemeten.
Ondanks het gebruik van de allernieuwste kwantumtechnologie, duurde het weken om van slechts zes fotonen voldoende gegevens te verzamelen om voldoende statistieken te genereren. Maar uiteindelijk zijn we erin geslaagd aan te tonen dat de kwantummechanica inderdaad onverenigbaar is met de aanname van objectieve feiten - we hebben de ongelijkheid geschonden.
De theorie is echter gebaseerd op een aantal aannames. Deze omvatten dat de meetresultaten niet worden beïnvloed door signalen die hoger zijn dan de lichtsnelheid en dat waarnemers vrij zijn om te kiezen welke metingen ze willen uitvoeren. Dat kan wel of niet het geval zijn.
Een andere belangrijke vraag is of enkele fotonen als waarnemers kunnen worden beschouwd. In het theorievoorstel van Brukner hoeven waarnemers niet bewust te zijn, ze moeten alleen feiten kunnen vaststellen in de vorm van een meetresultaat. Een levenloze detector zou daarom een geldige waarnemer zijn. En de kwantummechanica uit het leerboek geeft ons geen reden om aan te nemen dat een detector, die zo klein kan worden gemaakt als een paar atomen, niet moet worden beschreven als een kwantumobject, net als een foton. Het kan ook zijn dat de standaard kwantummechanica niet op grote lengteschalen van toepassing is, maar testen is een apart probleem.
Dit experiment laat daarom zien dat we, althans voor lokale modellen van de kwantummechanica, onze notie van objectiviteit moeten heroverwegen. De feiten die we ervaren in onze macroscopische wereld lijken veilig te blijven, maar er rijst een belangrijke vraag over hoe bestaande interpretaties van de kwantummechanica subjectieve feiten kunnen accommoderen..
Sommige natuurkundigen zien deze nieuwe ontwikkelingen als ondersteunende interpretaties die het mogelijk maken meer dan één uitkomst voor een waarneming te laten plaatsvinden, bijvoorbeeld het bestaan van parallelle universums waarin elke uitkomst plaatsvindt. Anderen zien het als overtuigend bewijs voor intrinsiek waarnemer-afhankelijke theorieën zoals Quantum Bayesianisme, waarin de acties en ervaringen van een agent centraal staan in de theorie. Maar weer anderen beschouwen dit als een sterke aanwijzing dat de kwantummechanica misschien zal breken boven bepaalde complexiteitsschalen.
Dit zijn duidelijk allemaal diep filosofische vragen over de fundamentele aard van de werkelijkheid. Wat het antwoord ook moge zijn, er wacht een interessante toekomst.
Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op Het gesprek. De publicatie heeft het artikel bijgedragen aan 's Expertvoices: Op-Ed & Insights.