Quantum biology – video

Professor Jim Al-Khalili schetst het verhaal van misschien wel de belangrijkste, nauwkeurige en toch verbijsterende wetenschappelijke theorie ooit: de kwantumfysica.

Het verhaal van de kwantumfysica begint aan het begin van de 20e eeuw met wetenschappers die proberen beter te begrijpen hoe gloeilampen werken. Deze eenvoudige vraag leidde wetenschappers al snel tot diep in de verborgen werking van materie, in de subatomaire bouwstenen van de wereld om ons heen. Hier ontdekten ze fenomenen zoals ze nog nooit eerder waren tegengekomen – een rijk waar dingen op veel plaatsen tegelijk kunnen zijn, waar toeval en waarschijnlijkheid de baas zijn en waar de realiteit alleen echt lijkt te bestaan ​​als we ze observeren.

Albert Einstein had een hekel aan het idee dat de natuur, op het meest fundamentele niveau, door toeval wordt bestuurd. Jim onthult hoe Einstein in de jaren dertig dacht dat hij een fatale fout in de kwantumfysica had gevonden. Dit werd pas serieus genomen toen het in de jaren zestig werd getest. Professor Al-Khalili herhaalt dit kritische experiment, waarbij hij de vraag stelt of de werkelijkheid werkelijk bestaat, of toveren we haar tot bestaan ​​door middel van observatie?

Elders onderzoeken we hoe planten en bomen zich houden aan de meest bekende wet van de kwantumfysica – het onzekerheidsprincipe – terwijl ze zonlicht opvangen tijdens het vitale proces van fotosynthese. Zou de kwantummechanica het grootste mysterie in de biologie kunnen verklaren – evolutie?

English: Professor Jim Al-Khalili traces the story of arguably the most important, accurate and yet perplexing scientific theory ever: quantum physics. The story of quantum physics starts at the beginning of the 20th century with scientists trying to better understand how light bulbs work.

This simple question soon led scientists deep into the hidden workings of matter, into the sub-atomic building blocks of the world around us. Here they discovered phenomena unlike any encountered before – a realm where things can be in many places at once, where chance and probability call the shots and where reality appears to only truly exist when we observe it.

Albert Einstein hated the idea that nature, at its most fundamental level, is governed by chance. Jim reveals how in the 1930’s, Einstein thought he’d found a fatal flaw in quantum physics. This was not taken seriously until it was tested in the 1960s. Professor Al-Khalili repeats this critical experiment, posing the question does reality really exist, or do we conjure it into existence by the act of observation?

Elsewhere, we explore how the most famous law of quantum physics – The Uncertainty Principle – is obeyed by plants and trees as they capture sunlight during the vital process of photosynthesis. Could quantum mechanics explain the greatest mystery in biology – evolution?


Waarom kwantummechanica nog steeds fysici verbluft (deel 2)

Vele werelden, één kat

( Zie deel 1 https://brongenoten.nl/2022/02/waarom-kwantummechanica-nog-steeds-fysici-verbluft-deel-1/) Sommige pogingen om die vraag te beantwoorden, hebben in ieder geval alleen maar een extra dosis gekheid toegevoegd aan het kwantumbrouwsel. Misschien wel de vreemdste van alle interpretaties is die welke voor het eerst werd voorgesteld in 1957 door de natuurkundige Hugh Everett van Princeton. In zijn proefschrift betoogde Everett dat de vergelijkingen (formules) van de kwantummechanica helemaal “zo als ze zijn” moeten worden genomen: kwantumgolven zijn reëel, waarbij elke mogelijke golf in feite een afzonderlijke, onafhankelijke realiteit vertegenwoordigt. Volgens de Many Worlds-theorie, zoals het idee van Everett nu bekend is, vindt elke mogelijke fysieke gebeurtenis daadwerkelijk plaats – in zijn eigen parallelle universum. De implicaties zijn onthutsend. Op dit moment, bijvoorbeeld, lezen ontelbaar veel van jullie dit, mogelijk hun hoofd krabbend.

Ondanks al zijn universum-verwekkende vreemdheid, heeft de Many Worlds-visie veel voorstanders. “In zekere zin is het erg conservatief”, zegt David Wallace, natuurkundefilosoof aan de University of Southern California. “Het laat de fysica ongewijzigd, en het houdt vast aan het idee dat wetenschappelijke theorieën ons een beschrijving moeten geven van wat er aan de hand is, zelfs als wat er aan de hand is veel vreemder is dan wat we dachten.”

Maar natuurlijk is er geen consensus. Veel natuurkundigen geven de voorkeur aan het idee dat kwantumgolven – of beter gezegd, hun wiskundige representaties, golffuncties – niet overeenkomen met werkelijke fysieke entiteiten; de golffunctie spiegelt eenvoudigweg de kans weer dat een bepaald experimenteel resultaat zal optreden. Dit elimineert de paradoxen van de kwantummechanica zonder de noodzaak om ontelbare universums op te roepen. Voorbeeld: de ongelukkige kat van Erwin Schrödinger.

Schrödinger, een tijdgenoot van Bohr en Einstein, en een van de grondleggers van de kwantummechanica, bedacht zijn beroemde gedachte-experiment om te benadrukken wat hij als “de absurditeit” van Bohrs ideeën zag. Zijn Rube Goldbergiaanse experiment bestaat uit zes componenten: een stalen doos, een kat, een radioactief element, een geigerteller, een hamer en een flesje cyanide. De kat wordt in de stalen kist gedaan; het deksel is gesloten. Niemand kan zien wat er binnen gebeurt. Gedurende een bepaald tijdsinterval kan het radioactieve element al dan niet een hoogenergetisch deeltje uitzenden. Als dat zo is, detecteert de geigerteller het en activeert de hamer om de flacon kapot te slaan, waardoor giftige dampen vrijkomen die de kat doden. Als dat niet het geval is, overleeft de kat.

Volgens de regels van de kwantummechanica bestaat het radioactieve deeltje als een golffunctie in al zijn mogelijke toestanden – zowel uitgezonden als niet uitgezonden. Een enkele, bepaalde toestand kristalliseert pas bij meting. Wat betekent dat voor de kat? Is het zowel levend als dood totdat iemand de doos opent om te kijken? Schrödinger maakte het idee belachelijk dat een kat – of wat dan ook – in twee verschillende toestanden tegelijk bestaat.

Voor sommige natuurkundigen laat het gedachte-experiment van Schrödinger zien dat de golffunctie niet reëel kan zijn, dat het niets meer is dan de waarschijnlijkheden van verschillende gebeurtenissen. De kat is levend of dood, niet levend en dood. De toestand van de kat wordt bepaald voordat iemand de doos opent. Het enige dat verandert als de doos opengaat, is onze kennis van het lot van de kat.

Kaarten tegen de werkelijkheid

In onze dagelijkse wereld lijken de wetten van de kwantumtheorie tot absurde resultaten te leiden. Maar hoe zit het met dat tweespleten-experiment? Als de golffunctie niet echt is, wat creëert dan die lichte en donkere banden?

Vier jaar geleden publiceerden Matthew Pusey van het Perimeter Institute in Waterloo, Ontario, Jonathan Barrett, toen aan de Universiteit van Londen, en Terry Rudolph van het Imperial College London een artikel in Nature Physics waarin ze overtuigend betoogden dat kwantumgolven echt moeten zijn. In een interview met Nature zei Clemson-natuurkundige Valentini: “Ik hou er niet van om hyper(bolisch) te klinken, maar ik denk dat het woord ‘seismisch’ waarschijnlijk van toepassing is op dit artikel.”

De stelling van Pusey, Barrett en Rudolph, bekend als PBR, gebruikt een geavanceerd wiskundig argument om aan te tonen dat elke interpretatie van de kwantummechanica die de golffunctie niet als een echt object behandelt, steevast leidt tot resultaten die in tegenspraak zijn met de kwantumtheorie zelf. Als ze gelijk hebben en de golffunctie reëel is, kunnen interpretaties zoals Everett’s Many Worlds, die de realiteit van de golffunctie als een gegeven beschouwen, aannemelijker gaan lijken. In dat geval zou de kat van Schrödinger levend zijn in het ene universum en dood in het andere. Als alternatief zouden fans van Bohr’s visie kunnen beweren dat de kat bestaat als een vage kwantumgolf in de gesloten doos; de uitgeputte kat zou inderdaad in een gecombineerde levend-dood staat zijn totdat iemand ernaar kijkt.

Om de kern van het PBR-argument te begrijpen, kunt u een eenvoudig kaartspel tussen u en een dealer overwegen met twee kaartspellen. Het ene kaartspel bevat alleen rode kaarten, het andere kaartspel alleen azen. De dealer geeft je een kaart en vraagt ​​uit welk kaartspel deze komt. In de meeste gevallen zal het antwoord eenvoudig zijn. Maar voor twee kaarten – de twee rode azen – is er geen manier om het te weten. De azen kunnen van beide decks komen. Dat is prima met een pak kaarten, maar de kwantumversie speelt niet zo makkelijk.

(Credit: Richard Kail/Getty Images)

Als de golffunctie geen echt fysiek object is en in plaats daarvan alleen experimentele kansen meet, dan zou meer dan één golffunctie een enkele fysieke toestand kunnen beschrijven, laten we zeggen de positie van een foton (net zoals die rode aas van beide stapels kan komen). Het idee dat een hele reeks verschillende golffuncties dezelfde onderliggende realiteit zouden kunnen beschrijven, valt uiteen in de kwantummechanica, zegt Pusey. De realiteit kan niet uit twee decks komen. Hij en zijn collega’s lieten zien dat de probabilistische of kans-interpretatie problematisch wordt.

“Het leidt tot zoveel mogelijkheden dat je kunt bewijzen dat de kwantummechanica het niet zou toestaan”, zegt Pusey. “Het zou niet logisch zijn als één fysieke toestand compatibel zou zijn met zoveel verschillende golffuncties. De voorspellingen die die golffuncties doen zijn zo verschillend.” De stelling van PBR laat zien dat kwantumtoestanden daarom uniek moeten corresponderen met iets dat echt is – dat wil zeggen, het bewijst dat de golffunctie echt bestaat en niet alleen een abstracte maatstaf voor waarschijnlijkheid is.

Ondanks enkele lovende recensies, heeft het PBR-resultaat niet veel gedachten veranderd. “Ik was een beetje teleurgesteld dat de mensen die het leuk vonden, de mensen waren die de conclusie al geloofden”, zegt Pusey. De nee-zeggers ontkennen in plaats daarvan een van de belangrijkste veronderstellingen van PBR: dat er een objectieve realiteit bestaat die we in de eerste plaats kunnen meten.

Een kneedbaar universum

Het idee van een volledig objectieve realiteit is het basisprincipe van de wetenschap, wat de belangrijkste reden is waarom Einstein zo ongemakkelijk was met Bohrs “niets bestaat zonder observatie” kijk op de kwantumtheorie. Maar Christopher Fuchs, een natuurkundige nu aan de Universiteit van Massachusetts, en Ruediger Schack van de Royal Holloway University of London zijn het daar niet mee eens. Ze beweren dat Bohr iets op het spoor was: ons idee van een objectieve realiteit moet worden gewijzigd. De fysieke wereld kan niet worden gescheiden van onze eigen pogingen om haar te onderzoeken. Hoe kan het ook anders, aangezien we zelf zijn ingebed in de wereld die we proberen te begrijpen?

Ze noemen hun manier van kijken naar de kwantummechanica QBism, een aangepaste versie van een theorie die ze ontwikkelden met de natuurkundige Carlton Caves van de University of New Mexico, genaamd Quantum Bayesianism. QBism combineert kwantummechanica met Bayesiaanse waarschijnlijkheid, een variatie op standaardwaarschijnlijkheid waarin de kansen op een bepaalde gebeurtenis worden herzien naarmate men meer kennis verkrijgt van de vele mogelijke omstandigheden die aan de gebeurtenis zijn gekoppeld. Als een patiënt bijvoorbeeld klaagt over hoofdpijn bij een arts, kan de eerste kans op een diagnose van hersenkanker laag zijn. Terwijl de arts de patiënt onderzoekt, kan de kans op een diagnose van kanker stijgen of dalen.

QBism past soortgelijke redeneringen toe op natuurkundige experimenten: wanneer natuurkundigen een experiment uitvoeren, werken ze hun eigen subjectieve kennis bij. Er is geen vaste onderliggende realiteit die verschillende waarnemers onafhankelijk van elkaar kunnen ervaren. Net zoals een arts elke patiënt afzonderlijk moet beoordelen, zo moet ook een natuurkundige de nieuwe, steeds veranderende verschijnselen benaderen die door de kwantumwereld worden gepresenteerd. In QBism kan de experimentator niet worden gescheiden van het experiment – beide zijn ondergedompeld in hetzelfde levende, onvoorspelbare moment.

“Als QBism iets radicaal en belangrijks zegt over de aard van de werkelijkheid, dan is het wel de participatie van waarnemers”, zegt Schack. “Observanten zijn belangrijk. En de werkelijkheid, als QBism gelijk heeft, kan niet worden bedacht zonder altijd observant erbij te betrekken. Dat is zeker een gewaagde uitspraak over de echte wereld, over de realiteit. Het is gewoon een kenmerk van de realiteit dat heel fundamenteel is.”

De kwantumtheorie, zegt Schack, biedt diepgaande observaties over de echte wereld, maar de theorie zelf is geen beschrijving van de wereld. Hij stelt dat de juiste manier om over kwantummechanica te denken, is als een reeks regels over hoe experimenten correct kunnen worden uitgevoerd.

“Of je een golf of deeltje ziet, hangt af van welke vraag je stelt”, zegt Schack. “Wat doen natuurkundigen? Ze kiezen experimenten. Je zou elk experiment kunnen omschrijven als een gok op de uitkomst. Kwantummechanica is een nuttige gids voor actie: het vertelt je hoe je je experimentele apparaat moet samenstellen zodat het uiteindelijk werkt.”

Schack zegt dat hij en Fuchs graag een term gebruiken die ze hebben geleend van de Amerikaanse filosoof William James, die de werkelijkheid als ‘kneedbaar’ beschouwde. QBism, zegt Schack, maakt hetzelfde punt. In wat voor soort universum leven we? Is het als een gigantische machine, waarbij de toekomst evolueert vanuit het verleden volgens onveranderlijke wetten? Of is het inherent interactief? “Waarom zou je een uurwerkuniversum willen?” vraagt hij. “QBism geeft een veel rijker universum. Het is een realiteit waarin we er veel meer toe doen dan ooit in een uurwerkuniversum.”

Terug naar het begin

Als QBism gelijk heeft, als de golffunctie niet echt is en de kwantumtheorie ons geen directe beschrijving van de werkelijkheid geeft, laat het de meest fundamentele van alle vragen onbeantwoord: hoe ziet de kwantumwereld er dan eigenlijk uit? Waar is het van gemaakt? Deeltjes? Golven? Iets dat we ons niet kunnen voorstellen? Voor theoretisch fysicus Valentini was het antwoord er al vanaf de vroegste dagen van de kwantumtheorie.

In 1927 ontwikkelde de Franse natuurkundige Louis de Broglie, die voor het eerst voorstelde dat deeltjes zich als golven zouden kunnen gedragen, een interpretatie van de kwantummechanica genaamd pilootgolftheorie, waarbij golven en deeltjes beide even reëel zijn. Elk deeltje berijdt zijn eigen golf. De pilootgolf is een bizar iets – het bestaat in meerdere dimensies – maar het is een echt fysiek object.

Pilootgolftheorie verklaart het vreemde tweespleten-experiment: een deeltje gaat altijd door de ene of de andere spleet; tegelijkertijd gaat zijn pilootgolf door beide spleten. Maar er is geen golf-deeltjesparadox omdat het experimentele apparaat en het golfsurfende deeltje allemaal één onderling afhankelijk systeem vormen dat wordt beschreven door een pilootgolf. Door een detector aan het experiment toe te voegen of te verwijderen, verandert de pilootgolf van het systeem en het patroon op het scherm.

Bohr en andere natuurkundigen verwierpen het idee van De Broglie echter gedeeltelijk, omdat het geen enkele manier bood om de exacte paden van deeltjes te voorspellen. In de jaren vijftig deed David Bohm, een vooraanstaand Amerikaans natuurkundige, wat extra werk met het idee van De Broglie, maar voor het grootste deel kwijnde de pilootgolftheorie weg tot het begin van de jaren negentig toen het Valentini als afstudeerstudent aan de haak sloeg.

Valentini heeft zijn carrière gewijd aan het bijna eigenhandig nieuw leven inblazen van het idee van een pilootgolf. Nu hebben zijn jarenlange werk een kans – een kleine, geeft hij toe – om in het gelijk te worden gesteld. Van de vele interpretaties van de kwantumtheorie is de pilootgolftheorie uniek, omdat Valentini een manier heeft gevonden om deze experimenteel te testen. Geen enkele andere interpretatie van de kwantummechanica kan die claim maken. Vele werelden, Bohr’s interpretatie en andere zijn allemaal experimenteel niet te onderscheiden – ze reproduceren de resultaten van de standaard kwantumtheorie. Maar als Valentini gelijk heeft, hebben bepaalde effecten voorspeld in de pilootgolftheorie misschien een afdruk achtergelaten op de kosmische microgolfachtergrond, de oerstraling die is overgebleven van de oerknal die nog steeds de hele ruimte doordringt.

De temperatuur van die straling is bijna een perfect uniforme 2,725 graden Celsius boven het absolute nulpunt. Gedetailleerde waarnemingen hebben echter kleine variaties in de straling gevonden. De standaardkwantumtheorie kan bijna al deze variaties verklaren, maar in 2015 onthulden nieuwe gegevens die door het Planck-ruimtevaartuig van de European Space Agency werden vrijgegeven, bewijs van kleine anomalieën in de achtergrondstraling. En dat is precies waar Valentini naar op zoek was. Terwijl de conventionele kwantumtheorie voorspelt dat willekeurige kwantumfluctuaties in het vroege universum hemelse sporen hebben achtergelaten, voorspelt de pilootgolftheorie fluctuaties die minder willekeurig zijn, waardoor er iets andere rimpels in de kosmische microgolfachtergrondstraling achterblijven.

“Het is verleidelijk”, zegt Valentini. “We doen de analyse deels om de zaken beter te begrijpen en deels om te zien wat de data ons kan vertellen over de voorspellingen die we hebben.” Nog twee jaar aan gegevens en analyse zou de kwestie moeten oplossen.

Valentini voelt zich ook aangemoedigd door de stelling van PBR omdat die steun verleent aan een centraal principe van de pilootgolftheorie: de golffunctie is reëel. Desalniettemin realiseert hij zich dat de kans dat zijn levenswerk wordt bevestigd klein is. “Wie weet wat er gaat gebeuren?” zegt hij. “Het kan twintig jaar werk in de afvoer zijn. We weten het niet. Je hebt verschillende kampen die hard aan het pushen zijn voor hun eigen interpretatie. Maar echt, als we eerlijk zijn, als wetenschappers, als een lid van het publiek ons ​​vraagt ​​wat de betekenis is van onze meest elementaire natuurkundetheorie, denk ik dat we allemaal moeten zeggen dat we het niet weten.”

________________________________________

Tim Folger is een bijdragende redacteur van Discover en serieredacteur van The Best American Science and Nature Writing, een jaarlijkse bloemlezing. Hij woont in Nieuw-Mexico.

[Dit artikel verscheen oorspronkelijk in gedrukte vorm als “The War Over Reality.”]

************************************************ ******************************************

Many Worlds, One Cat

(Part one: https://brongenoten.nl/2022/02/waarom-kwantummechanica-nog-steeds-fysici-verbluft-deel-1/) Some of the attempts to answer that question have, if anything, only added an extra dose of weirdness to the quantum brew. Perhaps the strangest of all the interpretations is the one first proposed in 1957 by Princeton physicist Hugh Everett. In his doctoral thesis, Everett argued that the equations of quantum mechanics should be taken at face value: Quantum waves are real, with each possible wave in effect representing a separate, independent reality. According to the Many Worlds theory, as Everett’s idea is now known, every possible physical event actually takes place — in its own parallel universe. The implications are staggering. At this moment, for example, an uncountable number of yous are reading this, possibly scratching their heads.

For all its universe-begetting outlandishness, the Many Worlds view has many advocates. “In a certain sense, it’s very conservative,” says David Wallace, a philosopher of physics at the University of Southern California. “It leaves the physics unchanged, and it holds onto the idea that scientific theories are supposed to give us a description of what is going on, even if what’s going on is much weirder than we thought.”

But, of course, there’s no consensus. Many physicists prefer the idea that quantum waves — or more precisely, their mathematical representations, wave functions — don’t correspond to actual physical entities; the wave function simply reflects the probability that a particular experimental outcome will occur. This eliminates the paradoxes of quantum mechanics without the necessity of conjuring innumerable universes. Case in point: Erwin Schrödinger’s hapless cat.

Schrödinger, a contemporary of Bohr and Einstein, and one of the founders of quantum mechanics, devised his famous thought experiment to highlight what he saw as the absurdity of Bohr’s ideas. His Rube Goldbergian experiment has six components: a steel box, a cat, a radioactive element, a Geiger counter, a hammer and a vial of cyanide. The cat is put in the steel box; the lid is closed. No one can see what’s happening inside. During any given interval of time, the radioactive element may or may not emit a high-energy particle. If it does, the Geiger counter detects it and triggers the hammer to smash the vial, releasing poisonous fumes that kill the cat. If it doesn’t, the cat survives.

According to the rules of quantum mechanics, the radioactive particle exists as a wave function in all its possible states — both emitted and not emitted. A single, definite state crystallizes only upon measurement. What does that mean for the cat? Is it both alive and dead until someone opens the box for a look? Schrödinger ridiculed the notion of a cat — or anything — existing in two different conditions at once.

To some physicists, Schrödinger’s thought experiment shows that the wave function can’t be real, that it represents nothing more than the probabilities of different events. The cat is alive or dead, not alive and dead. The cat’s condition is determined before anyone opens the box. The only thing that changes when the box opens is our knowledge of the cat’s fate.

Cards Against Reality

In our everyday world, it seems, the laws of quantum theory lead to absurd results. But what about that two-slit experiment? If the wave function isn’t actually real, what creates those light and dark bands?

Four years ago, Matthew Pusey of the Perimeter Institute in Waterloo, Ontario, Jonathan Barrett, then at the University of London, and Terry Rudolph at Imperial College London published a paper in Nature Physics where they argued convincingly that quantum waves must be real. In an interview with Nature, Clemson physicist Valentini said, “I don’t like to sound hyperbolic, but I think the word ‘seismic’ is likely to apply to this paper.”

Pusey, Barrett and Rudolph’s theorem, known as PBR, uses a sophisticated mathematical argument to show that any interpretation of quantum mechanics that doesn’t treat the wave function as a real object invariably leads to results that contradict quantum theory itself. If they’re right and the wave function is real, interpretations like Everett’s Many Worlds, which take the reality of the wave function as a given, could start to seem more plausible. In that case, Schrödinger’s cat would be alive in one universe, dead in another. Alternatively, fans of Bohr’s view could claim that the cat exists as a fuzzy quantum wave inside the closed box; the frazzled feline would indeed be in a combined alive-dead state until someone takes a look.

To get the gist of the PBR argument, consider a simple card game between you and a dealer involving two decks of cards. One deck holds only red cards, the other deck only aces. The dealer gives you a card and asks which deck it came from. In most cases the answer will be easy. But for two cards — the two red aces — there’s no way to tell. The aces could come from either deck. That’s fine with a deck of cards, but the quantum version doesn’t play so nicely.

(Credit: Richard Kail/Getty Images)

If the wave function is not a real physical object and instead only measures experimental probabilities, then more than one wave function could describe a single physical state, say the position of a photon (just like that red ace could come from either deck). The notion that a slew of different wave functions could describe the same underlying reality falls apart in quantum mechanics, says Pusey. Reality can’t come from two decks. He and his colleagues showed that the probabilistic interpretation becomes a problematic one.

“It leads to so many possibilities that you can prove that quantum mechanics wouldn’t allow it,” says Pusey. “It wouldn’t make sense for one physical state to be compatible with so many different wave functions. The predictions those wave functions make are so different.” The PBR theorem shows that quantum states must therefore correspond uniquely with something that’s real — that is, it proves the wave function actually exists and is not just an abstract measure of probability.

Despite some rave reviews, the PBR result hasn’t changed many minds. “I was a bit disappointed that the people who liked it were the people who already believed the conclusion,” says Pusey. The naysayers instead deny one of PBR’s main assumptions: that there exists an objective reality we can measure in the first place.

A Malleable Universe

The notion of a completely objective reality is the bedrock principle of science, which is the main reason Einstein was so uncomfortable with Bohr’s “nothing exists without observation” take on quantum theory. Yet Christopher Fuchs, a physicist now at the University of Massachusetts, and Ruediger Schack of Royal Holloway University of London disagree. They contend that Bohr was on to something: Our notion of an objective reality needs modification. The physical world cannot be separated from our own efforts to probe it. How could it be otherwise, since we ourselves are embedded in the very world we’re seeking to understand?

They call their way of looking at quantum mechanics QBism, a modified version of a theory they developed with University of New Mexico physicist Carlton Caves called Quantum Bayesianism. QBism combines quantum mechanics with Bayesian probability, a variation on standard probability in which the odds of any given event are revised as one gains more knowledge of the many possible conditions tied to the event. For example, if a patient complains of headaches to a doctor, the initial odds of a diagnosis of brain cancer might be low. As the doctor examines the patient, the odds of a cancer diagnosis may go up or down.

QBism applies similar reasoning to physics experiments: Whenever physicists perform an experiment, they are updating their own subjective knowledge. There is no fixed underlying reality that different observers can independently experience. Just as a doctor must assess each patient individually, so too must a physicist approach the fresh, ever-changing phenomena presented by the quantum world. In QBism, the experimentalist cannot be separated from the experiment — both are immersed in the same living, unpredictable moment.

“If QBism says one radical and important thing about the nature of reality, then observer participancy is it,” says Schack. “Subjects matter. And reality, if QBism is right, cannot be conceived without always including the subject. That’s certainly a bold statement about the real world, about reality. It’s just a feature of reality that is very fundamental.”

Quantum theory, Schack says, offers profound observations about the real world, but the theory itself is not a description of the world. He posits that the right way to think of quantum mechanics is as a set of rules about how to correctly conduct experiments.

“Whether you see a wave or particle depends on what question you ask,” says Schack. “What do physicists do? They choose experiments. You could describe any experiment as a gamble on the outcome. Quantum mechanics is a useful guide to action: It tells you how to put together your experimental apparatus so that it works in the end.”

Schack says he and Fuchs like to use a term they’ve borrowed from the American philosopher William James, who saw reality as being “malleable.” QBism, says Schack, makes the same point. What sort of universe do we inhabit? Is it like a giant machine, with the future evolving from the past according to immutable laws? Or is it inherently interactive? “Why would you want a clockwork universe?” he asks. “QBism gives a much richer universe. It’s a reality in which we matter far more than we ever could in a clockwork universe.”

Back to the Beginning

If QBism is right, if the wave function isn’t real and quantum theory doesn’t give us a direct description of reality, it leaves unanswered the most basic of all questions: What then is the quantum world actually like? What is it made of? Particles? Waves? Something beyond our ability to imagine? For theoretical physicist Valentini, the answer has been there from the earliest days of quantum theory.

In 1927, the French physicist Louis de Broglie, who first proposed that particles could behave like waves, developed an interpretation of quantum mechanics called pilot wave theory, where waves and particles are both equally real. Each particle rides its own wave. The pilot wave is a bizarre thing — it exists in multiple dimensions — but it is a real physical object.

Pilot wave theory explains the strange two-slit experiment: A particle always goes through one slit or the other; at the same time its pilot wave travels through both slits. But there’s no wave-particle paradox because the experimental apparatus and the wave-surfing particle all form one interdependent system described by a pilot wave. Adding or removing a detector from the experiment changes the system’s pilot wave and the pattern on the screen.

Bohr and other physics luminaries rejected de Broglie’s idea, though, in part because it didn’t provide any way to predict the exact paths of particles. In the 1950s, David Bohm, a leading American physicist, did some additional work with de Broglie’s idea, but for the most part pilot wave theory languished until the early 1990s when it hooked Valentini as a grad student.

Valentini has devoted his career to almost single-handedly resurrecting the pilot wave idea. Now his years of work actually have a chance — a small one, he admits — of being vindicated. Of the many interpretations of quantum theory, pilot wave theory is unique in that Valentini has found a way in which it might be experimentally tested. No other interpretation of quantum mechanics can make that claim. Many Worlds, Bohr’s interpretation and others are all experimentally indistinguishable — they reproduce the results of standard quantum theory. But if Valentini is right, certain effects predicted in pilot wave theory may have left an imprint on the cosmic microwave background, the primordial radiation left over from the Big Bang that still pervades all of space.

The temperature of that radiation is almost a perfectly uniform 2.725 degrees Celsius above absolute zero. Detailed observations, however, have found slight variations in the radiation. Standard quantum theory can explain nearly all of these variations, but in 2015, new data released by the European Space Agency’s Planck spacecraft revealed evidence of small anomalies in the background radiation. And that is just the kind of thing Valentini has been looking for. While conventional quantum theory predicts that random quantum fluctuations in the early universe have left celestial imprints, pilot wave theory predicts fluctuations that are less random, leaving slightly different wrinkles in the cosmic microwave background radiation.

“It’s tantalizing,” Valentini says. “We’re carrying out the analysis partly to understand things better and partly to see what the data can tell us about the predictions that we have.” Another two years of data and analysis should settle the question.

Valentini also feels encouraged by the PBR theorem because it lends support to a central tenet of pilot wave theory: The wave function is real. Nevertheless, he realizes the odds of his life’s work being confirmed are slim. “Who knows what will happen?” he says. “It may be 20 years of work down the drain. We don’t know. You have different camps pushing hard for their own interpretation. But really, if we’re going to be honest, as scientists, if a member of the public asks us what is the meaning of our most basic theory of physics, I think we all have to say we don’t know.”


Tim Folger is a contributing editor to Discover and series editor of The Best American Science and Nature Writing, an annual anthology. He lives in New Mexico.

[This article originally appeared in print as “The War Over Reality.”]

Source: Bron: https://www.discovermagazine.com/the-sciences/why-quantum-mechanics-still-stumps-physicists


Waarom kwantummechanica nog steeds fysici verbluft (deel 1)

Bijna 100 jaar nadat de kwantummechanica werd geïntroduceerd, zijn wetenschappers het er nog steeds niet over eens wat het betekent

Door Tim Folger Apr 11, 2017

Bron: https://www.discovermagazine.com/the-sciences/why-quantum-mechanics-still-stumps-physicists

Hier is een gedachte-experiment: stel je voor dat astronomen niet echt geloofden dat de Aarde om de zon draait of dat onze wereld dagelijks om zijn as draait. Wat als ze het heliocentrische model van het zonnestelsel slechts zouden zien als een abstract wiskundig hulpmiddel om planeten en sterren met grote precisie te volgen, niet als een letterlijke beschrijving van hoe de dingen zijn? Wat als ze beweerden dat we niet echt kunnen weten of de zon om de Aarde draait of omgekeerd en bovendien dat dergelijke vragen niet eens de moeite waard waren om te stellen?

Het zou belachelijk zijn. Geen enkele respectabele wetenschapper zou ooit zulke opvattingen koesteren – behalve als het gaat om de krachtigste theorie in de geschiedenis van de natuurkunde: de kwantummechanica. Meer dan een eeuw na zijn geboorte blijft de kwantummechanica, de fysica van atomen, fotonen en andere deeltjes, even verbijsterend als altijd. Experimenten hebben herhaaldelijk de vreemde voorspellingen van de theorie bevestigd met fenomenale nauwkeurigheid – in sommige gevallen tot een dozijn of meer decimalen. Technologieën die ervan zijn afgeleid, drijven de wereldeconomie aan: de elektronica-industrie zoals we die kennen zou niet bestaan ​​zonder de kwantummechanica. Het verklaart waarom de lucht blauw is en hoe sterren hun licht genereren. En toch, ondanks de onbetwiste dominantie en praktische betekenis van de theorie, zijn natuurkundigen het nog steeds niet eens over wat het betekent of wat het zegt over de aard van de werkelijkheid. Sommige natuurkundigen ontkennen dat de kwantummechanica elke vorm van objectieve realiteit beschrijft.

Minstens een dozijn interpretaties van de kwantummechanica strijden om de harten en geesten van natuurkundigen, elk met een radicaal andere kijk op de werkelijkheid. Adán Cabello, een natuurkundige aan de Universiteit van Sevilla in Spanje, vatte onlangs de verwarrende, onverenigbare reeks gezichtspunten samen als ‘een kaart van waanzin’.

Er is het Many Worlds-model, dat het bestaan ​​van ontelbare parallelle werkelijkheden veronderstelt. Als dat een beetje extravagant lijkt, geef je misschien de voorkeur aan QBism (uitgesproken als “kubisme”), waar de kwantumwereld en de wetenschappers die het observeren onlosmakelijk met elkaar verbonden zijn in een onvoorspelbaar, interactief universum. Het centrale probleem is dat natuurkundigen niet weten wat de meest elementaire vergelijking (formule) van de kwantumtheorie – een wiskundige formulering die de golffunctie wordt genoemd – eigenlijk vertegenwoordigt. Beschrijft het een fundamenteel kenmerk van de fysieke wereld? Of is het juist een handige manier om experimentele resultaten te voorspellen?

“Er is geen standaardinterpretatie”, zegt Antony Valentini, een theoretisch natuurkundige aan de Clemson University. “Het is buitengewoon. Ik ken geen vergelijkbare episode in de geschiedenis van de wetenschap.”

Fractal (Credit: Pixabay)

Waar blijft dat gebrek aan consensus van natuurkundigen? Kwantummechanica is immers niet alleen een tak van de natuurkunde; het is moderne natuurkunde. “De meeste dingen die mensen op bijna elke verdieping van elke natuurkundeafdeling ter wereld doen, zijn op de een of andere manier kwantum”, zegt Matt Leifer, een natuurkundige aan de Chapman University in Californië.

Als natuurkundigen het niet eens kunnen worden over – of niet weten – waar hun heersende theorie over gaat, betekent dit dan dat ze een muur hebben geraakt in termen van het begrijpen van de wereld? Recente pogingen om sommige interpretaties uit te sluiten hebben ons niet dichter bij een antwoord gebracht. Als er één ding zeker is over de kwantumwereld, dan is het dat er nooit iets is vastgesteld.

Licht en schaduw

De verwarring dateert uit de begindagen van de kwantummechanica, in de jaren twintig, toen Niels Bohr in botsing kwam met Albert Einstein. Bohr, een bijna orakelfiguur in de 20e-eeuwse natuurkunde, betoogde dat natuurkundigen bij het bestuderen van de atomaire wereld het idee van een realiteit die onafhankelijk van hun eigen metingen bestaat, moeten opgeven. De boodschap van de kwantummechanica is onontkoombaar, zei hij, en buitengewoon vreemd: atomen en alle andere deeltjes hebben geen definitieve posities, energieën of eigenschappen totdat ze in een experiment worden gemeten. Voor alle duidelijkheid: het is niet alleen dat natuurkundigen niet weten wat de eigenschappen zijn; de eigenschappen komen letterlijk pas tot stand op het moment van de meting.

Einstein verwierp de opvatting van Bohr categorisch. Terwijl hij op een maanverlichte nacht over het terrein van het Institute for Advanced Study aan de Princeton University slenterde, vroeg Einstein op beroemde wijze aan een collega: “Geloof je echt dat de maan er niet is als je er niet naar kijkt?” Einstein bleef tot zijn dood ervan overtuigd dat de kwantummechanica slechts een opstap was naar een diepere, meer omvattende theorie die de griezelige verschijnselen van de kwantumwereld zou begrijpen.

Wat maakt kwantummechanica zo verwarrend?

Herinner je het volgende iconische, vaak herhaalde experiment: Een lichtstraal schijnt door twee parallelle spleten die in een barrière zijn gesneden en valt op een strook fotografische film achter de barrière. Aangezien licht zelf bestaat uit een stroom deeltjes – fotonen – lijkt het redelijk om aan te nemen dat de fotonen op weg naar de film door de ene of de andere spleet gaan. En als natuurkundigen het experiment opzetten met een fotondetector bij elke spleet, dan is dat inderdaad wat ze zien: fotonen razen willekeurig door de eerste spleet of de tweede, wat resulteert in twee afzonderlijke klompjes stippen op de film.

(Credit: Wikimedia Commons)

Double-slit x-ray simulation monochromatic blue-white

Een kleine aanpassing verandert de resultaten echter ingrijpend. Als natuurkundigen de fotondetectoren verwijderen, verandert het patroon dat op de film is gemaakt volledig. In plaats van twee clusters van stippen verschijnen afwisselend lichte en donkere banden over de film, wat natuurkundigen een interferentiepatroon noemen. Dat patroon zou zich alleen kunnen vormen als elk afzonderlijk foton zich op de een of andere manier als een golf zou verspreiden en tegelijkertijd door beide spleten zou gaan. Op de film ontstaan ​​heldere banden waar twee golftoppen samenvallen; overlappende toppen en dalen creëren de donkere banden. Met andere woorden, fotonen gedragen zich als deeltjes met detectoren en als golven zonder detectoren.

Voor Bohr toonde dit aan dat de objecten die we als deeltjes beschouwen, geen definitief bestaan ​​hebben totdat ze worden waargenomen. Op de allerkleinste schaal is de werkelijkheid wazig, niet scherp gedefinieerd – tenminste als niemand kijkt.

Aangezien alles uiteindelijk uit die wazige “deeltjesgolven” bestaat, waarom zien we dan geen kwantumeffecten in ons dagelijks leven? Waarom zijn mensen, bomen en al het andere niet zo golvend en onduidelijk als de atomen waaruit ze zijn gemaakt? Het korte antwoord is dat niemand het echt weet, vandaar de gekke overvloed aan kwantuminterpretaties. Op de een of andere manier proberen de vele versies allemaal een enkele vraag te beantwoorden: zijn deze ‘kwantumgolven’ zo echt als de grond onder je voeten, of zijn het puur wiskundige constructies zonder enig fysiek bestaan?

(wordt vervolgt. Als je toch de hele artikel wil lezen, staat het als een document hier)

============================= =========================================

In English

Why Quantum Mechanics Still Stumps Physicists (part 1)

Nearly 100 years after quantum mechanics was introduced, scientists still don’t agree on what it means

By Tim Folger Apr 11, 2017

Source: https://www.discovermagazine.com/the-sciences/why-quantum-mechanics-still-stumps-physicists

Here’s a thought experiment: Imagine astronomers didn’t really believe that Earth orbits the sun or that our world turns daily on its axis. What if they viewed the heliocentric model of the solar system merely as an abstract mathematical tool to track planets and stars with great precision, not as a literal description of the way things are? What if they claimed we can’t truly know whether the sun orbits Earth or vice versa and, moreover, that such questions were not even worth asking?

It would be preposterous. No respectable scientist would ever entertain such notions — except when it comes to the most powerful theory in the history of physics: quantum mechanics. More than a century after its birth, quantum mechanics, the physics of atoms, photons and other particles, remains as baffling as ever. Experiments have repeatedly confirmed the theory’s weird predictions with phenomenal accuracy — to a dozen or more decimal places in some cases. Technologies derived from it drive the world’s economy: The electronics industry as we know it wouldn’t exist without quantum mechanics. It explains why the sky is blue and how stars generate their light. And yet, despite the theory’s unquestioned dominance and practical significance, physicists still don’t agree on what it means or what it says about the nature of reality. Some physicists deny that quantum mechanics describes any sort of objective reality.

At least a dozen interpretations of quantum mechanics vie for physicists’ hearts and minds, each with a radically different take on reality. Adán Cabello, a physicist at the University of Seville in Spain, recently summed up the confusing, incompatible gaggle of viewpoints as “a map of madness.”

There’s the Many Worlds model, which posits the existence of innumerable parallel realities. If that seems a tad extravagant, you might prefer QBism (pronounced “cubism”), where the quantum world and the scientists who observe it are inextricably bound together in an unpredictable, interactive universe. The central issue is that physicists don’t know what the most basic equation of quantum theory — a mathematical formulation called the wave function — actually represents. Does it describe a fundamental feature of the physical world? Or is it instead just a handy way to predict experimental results?

“There is no standard interpretation,” says Antony Valentini, a theoretical physicist at Clemson University. “It’s extraordinary. I don’t know of any comparable episode in the history of science.”

Fractal (Credit: Pixabay)

Where does that lack of consensus leave physicists? After all, quantum mechanics isn’t just a branch of physics; it is modern physics. “Most of the things that people are doing on almost every floor of every physics department in the world are quantum in one way or another,” says Matt Leifer, a physicist at Chapman University in California.

If physicists can’t agree on — or don’t know — what their reigning theory is all about, does it mean they’ve hit a wall in terms of understanding the world? Recent efforts to rule out some interpretations haven’t brought us any closer to an answer. If there’s one thing certain about the quantum world, it’s that nothing’s ever settled.

Light and Shadow

about:blank about:blank The confusion dates to the early days of quantum mechanics, in the 1920s, when Niels Bohr clashed with Albert Einstein. Bohr, an almost oracular figure in 20th-century physics, argued that when studying the atomic world, physicists must give up the notion of a reality that exists independently of their own measurements. The message of quantum mechanics is inescapable, he said, and exceedingly strange: Atoms and all other particles do not possess definite positions, energies or any properties until they are measured in an experiment. To be clear, it’s not just that physicists don’t know what the properties are; the properties literally only come into being at the time of the measurement.

Einstein categorically rejected Bohr’s view. While strolling the grounds of the Institute for Advanced Study in Princeton University one moonlit night, Einstein famously asked a colleague, “Do you really believe the moon is not there when you are not looking at it?” Einstein remained convinced until his death that quantum mechanics was only a steppingstone toward a deeper, more comprehensive theory that would make sense of the uncanny phenomena of the quantum world.

What makes quantum mechanics so confounding? Consider the following iconic, oft-repeated experiment: A beam of light shines through two parallel slits cut into a barrier and falls on a strip of photographic film beyond the barrier. Since light itself consists of a stream of particles — photons — it seems reasonable to assume that the photons pass through one slit or the other en route to the film. And if physicists set up the experiment with a photon detector at each slit, that is indeed what they see: Photons hurtle randomly through either the first slit or the second, which results in two separate clumps of dots forming on the film.

(Credit: Wikimedia Commons)

A slight adjustment, however, profoundly alters the results. If physicists remove the photon detectors, the pattern created on the film changes completely. Instead of two clusters of dots, alternating light and dark bands appear across the film, what physicists call an interference pattern. That pattern could form only if each individual photon somehow spread out like a wave and went through both slits simultaneously. Bright bands develop on the film where two wave crests coincide; overlapping crests and troughs create the dark bands. In other words, photons behave like particles with detectors present and like waves without detectors.

For Bohr, this showed that the objects we consider particles don’t have a definite existence until they are observed. On the very smallest scales, reality is blurry, not sharply defined — at least when no one is looking.

Since everything ultimately consists of those blurry particle-waves, why don’t we see quantum effects in our everyday lives? Why aren’t people, trees and everything else as wavy and indistinct as the atoms they’re made of? The short answer is no one really knows, hence the crazy cornucopia of quantum interpretations. In one way or another, the manifold versions all seek to answer a single question: Are these “quantum waves” as real as the ground beneath your feet, or are they purely mathematical constructs without any physical existence?

( to be continued. If you want to read the whole article, the document is HERE)