“Heb je ooit gehoord van het Parallel Universum?? “
“Is het mogelijk om ergens iemand te hebben die hetzelfde is als jij?? “
“Is het mogelijk voor ons om daarheen te reizen?? “
Sciencefiction was altijd spannender geweest om te ontdekken dan feiten. Eén zo’n concept dat zowel als feit als fictie kan worden beschouwd, is wat we ‘Parallel Universum’ noemen. Telkens wanneer we het woord parallel universum tegenkomen, proberen we ons zoiets in gedachten voor te stellen.
Parallel Universe (verbeelding van de kunstenaar)
Parallel Universum betekent dat een universum naast het onze bestaat, waar alle keuzes die je in je leven in het huidige universum hebt gemaakt zich afspelen in een alternatieve realiteit. Het is een onderdeel van de ‘Multiverse Theory’ in de astronomie.
Het verhaal begon 13,7 miljard jaar geleden toen alle atomen geconcentreerd waren in een singulariteit die explodeerde in een 3-dimensionale ruimte en continu bleef uitzetten als gevolg van inflatie. Maar de vraag is of het het enige universum is dat bestaat. Er zijn veel theorieën die het bestaan van meerdere universums suggereren. Het onzekerheidsprincipe van Heisenberg stelt dat “het onmogelijk is om tegelijkertijd de positie en het momentum van een elektron te berekenen”, wat ook zegt dat “op een gegeven moment een elektron in meerdere posities kan bestaan”. Dit principe leidde tot de basis van de theorie van het parallelle universum of “The Multiverse Theory”.
Maar de grote vraag is, als er een parallel universum is, waarom kunnen we het dan niet detecteren??
Met de huidige technologie is het voor ons niet mogelijk om sporen te vinden voor het bestaan van een parallel universum. Maar met zoveel innovatie en voortschrijdende wetenschap zullen we er de komende dagen zeker één ontdekken.
De Large Hadron-collider die is opgezet in Genève, Zwitserland, is zeer actief in het detecteren van nieuwe deeltjes en de wetenschappers werken heel hard om sporen van een parallel universum te detecteren
Momenteel hebben we ten minste vijf theorieën die het bestaan van een parallel universum suggereren.
Laten we de meest bekende bekijken:
1. Oneindige universums:
Wetenschappers zijn er niet helemaal zeker van wat de werkelijke vorm van ruimte-tijd is. Hoogstwaarschijnlijk is het plat (in tegenstelling tot bolvormig of zelfs donutvormig) en strekt het zich oneindig uit. Maar als ruimte-tijd voor altijd doorgaat, dan moet het zich op een gegeven moment gaan herhalen, omdat er een eindig aantal manieren is waarop deeltjes in ruimte en tijd kunnen worden gerangschikt.
Dus als je ver genoeg kijkt, zou je een andere versie van jezelf tegenkomen – in feite oneindig veel versies van jou. Sommige van deze tweelingen zullen precies doen wat jij nu doet, terwijl anderen vanmorgen een ander T-shirt hebben gedragen, en weer anderen zullen heel andere carrière- en levenskeuzes hebben gemaakt.
Omdat het waarneembare heelal zich slechts zo ver uitstrekt als licht de kans heeft gehad om in de 13,7 miljard jaar sinds de oerknal te komen (dat zou 13,7 miljard lichtjaar zijn), kan de ruimte-tijd voorbij die afstand als een apart universum worden beschouwd. Op deze manier bestaat er een veelheid aan universums naast elkaar in een gigantische lappendeken van universums.
Infinite Universe (perceptie van de kunstenaar)
2. Bubbeluniversums:
Naast de meerdere universums die zijn gecreëerd door de ruimte-tijd oneindig uit te breiden, zouden er andere universums kunnen ontstaan uit een theorie die ‘eeuwige inflatie of uitdijing’ wordt genoemd. Inflatie is het idee dat het universum snel uitdijde na de oerknal, in feite opgeblazen als een ballon. Eeuwige inflatie, voor het eerst voorgesteld door de kosmoloog Alexander Vilenkin van Tufts University, suggereert dat sommige delen van de ruimte stoppen met opblazen, terwijl andere regio’s blijven opblazen, waardoor er veel geïsoleerde ‘bubbeluniversums’ ontstaan.
Dus ons eigen universum, waar de uitdijing is geëindigd, waardoor sterren en sterrenstelsels kunnen ontstaan, is slechts een kleine luchtbel in een uitgestrekte zee van ruimte, waarvan sommige nog steeds opblazen, die vele andere luchtbellen zoals de onze bevat. En in sommige van deze bubbel-universums kunnen de wetten van de natuurkunde en fundamentele constanten anders zijn dan in de onze, waardoor sommige universums inderdaad vreemde plaatsen worden.
Bubble Universe (perceptie van de kunstenaar)
3. Parallelle universums:
Een ander idee dat voortkomt uit de snaartheorie is het idee van “braneworlds” of braanwerelden, uitgestrekte multidimentionale objecten – parallelle universums die net buiten het bereik van de ons universum zweven, voorgesteld door Paul Steinhardt van Princeton University en Neil Turok van het Perimeter Institute for Theoretical Physics in Ontario, Canada. Het idee komt voort uit de mogelijkheid van veel meer dimensies in onze wereld dan de drie van ruimte en één van tijd die we kennen. Naast onze eigen driedimensionale “braan” van de ruimte, kunnen andere driedimensionale branen in een hoger-dimensionale ruimte zweven.
De natuurkundige Brian Greene van Columbia University beschrijft het idee als het idee dat “ons universum een van de potentieel talrijke ‘platen’ is die in een hoger-dimensionale ruimte zweven, ongeveer zoals een sneetje brood in een grootser kosmisch brood”, in zijn boek “The Hidden Realiteit”
Een verdere rimpeling in deze theorie suggereert dat deze brane-universums niet altijd evenwijdig en buiten bereik zijn. Soms kunnen ze tegen elkaar botsen, waardoor herhaalde Big Bangs ontstaan die de universums keer op keer resetten.
4. Dochter-universums:
Volgens de theorie van de kwantummechanica, die zich bezighoudt met de kleine wereld van subatomaire deeltjes, suggereert een andere manier waarop meerdere universums kunnen ontstaan. Kwantummechanica beschrijft de wereld in termen van waarschijnlijkheden, in plaats van definitieve uitkomsten. En de wiskunde van deze theorie suggereert dat alle mogelijke uitkomsten van een situatie zich voordoen – in hun eigen afzonderlijke universums. Als je bijvoorbeeld een kruispunt bereikt waar je rechts of links kunt gaan, ontstaan er in het huidige universum twee dochteruniversums: een waarin je rechtsaf gaat en een waarin je linksaf gaat. Evenzo zou je een scenario kunnen hebben waarin je een jongenskind zou kunnen baren in het ene en een meisjeskind in de andere parallelle universums.
“En in elk universum is er een kopie van jou die getuige is van de ene of de andere uitkomst, denkend – ten onrechte – dat jouw realiteit de enige realiteit is,”
Dochter Universum (perceptie van de kunstenaar)
5. Wiskundige universums:
Wetenschappers hebben altijd gedebatteerd of wiskunde gewoon een nuttig hulpmiddel is om het universum te beschrijven, of dat wiskunde zelf de fundamentele realiteit van het universum is, en onze observaties van het universum slechts onvolmaakte percepties van de ware wiskundige aard ervan zijn. Als het laatste het geval is, dan is misschien de specifieke wiskundige structuur waaruit ons universum bestaat niet de enige optie, en in feite bestaan alle mogelijke wiskundige structuren als hun eigen afzonderlijke universums.
“Ik geloof echt dat er een universum is dat onafhankelijk van mij kan bestaan en dat zou blijven bestaan, zelfs als er geen mensen waren.”
Er zijn veel andere theorieën die het bestaan van een parallel universum suggereren, waar de fundamentele natuurwetten hetzelfde of verschillend kunnen zijn, afhankelijk van het scenario. Hoewel er veel theorieën zijn die het bestaan van een multiversumtheorie suggereren, is het onderwerp altijd een discutabel onderwerp gebleven. Velen van hen proberen zich tegen deze theorie te verzetten en velen zijn er voorstander van.
Afgezien van deze debatten, hopen we dat iemand echt wanhopig zou zijn om naar een van deze universums te reizen en de feitelijke universele waarheid te onderzoeken
Ten slotte is de realiteit nog steeds verborgen en zijn we er vrij zeker van dat we de mysteries van het parallelle universum zeer binnenkort zullen ontcijferen.
” Verschillende keuzes in ons leven zijn het grootste bewijs voor het bestaan van een parallel universum ” <…>
Kunnen er tegelijkertijd twee versies van de werkelijkheid bestaan? Natuurkundigen zeggen dat dat kan, dat wil zeggen op kwantumniveau.
Sommige onderzoekers baseren hun ideeën over parallelle universums op kwantummechanica, de wiskundige beschrijving van subatomaire deeltjes. In de kwantummechanica zijn meerdere bestaanstoestanden voor kleine deeltjes allemaal tegelijkertijd mogelijk – een “golffunctie” omvat al die mogelijkheden. Als we echter daadwerkelijk kijken, nemen we altijd maar één van de mogelijkheden waar. Volgens de Kopenhagen-interpretatie van de kwantummechanica, zoals beschreven door de Stanford Encyclopedia of Philosophy, zien we een uitkomst wanneer de golffunctie “ineenstort” tot een enkele realiteit.
Maar de theorie van de vele werelden stelt in plaats daarvan voor dat elke keer dat een toestand of uitkomst wordt waargenomen, er een andere “wereld” is waarin een andere kwantumuitkomst werkelijkheid wordt. Dit is een vertakkende opstelling, waarin ons waargenomen universum zich van moment tot moment vertakt in bijna oneindige alternatieven. Die alternatieve universums zijn volledig gescheiden en kunnen elkaar niet kruisen, dus hoewel er misschien ontelbare versies zijn van jou die een leven leidt dat enigszins – of enorm – verschilt van je leven in deze wereld, zou je het nooit weten.
“There is no matter as such… All matter originates and exists only by virtue of a force which brings the particles of an atom to vibration and holds this most minute solar system of the atom together. We must assume behind this force the existence of a conscious and intelligent spirit. This spirit is the matrix of all matter.” Max Planck 1944. Winner of the Nobel Prize in Physics 1918.
Nederlands: “Er is geen materie als zodanig… Alle materie ontstaat en bestaat alleen dankzij een kracht die de deeltjes van een atoom in trilling brengt en dit allerkleinste zonnestelsel van het atoom bij elkaar houdt. We moeten achter deze kracht het bestaan van een bewuste en intelligente geest aannemen. Deze geest is de matrix van alle materie.” Max Planck 1944. Winnaar van de Nobelprijs voor de natuurkunde 1918
Drie wetenschappers hebben dinsdag (4 oktober 2022) samen de Nobelprijs voor de natuurkunde gewonnen omdat ze hebben bewezen dat kleine deeltjes een verbinding met elkaar kunnen behouden, zelfs als ze van elkaar gescheiden zijn, een fenomeen dat ooit werd betwijfeld maar dat nu wordt onderzocht voor mogelijke toepassingen in de echte wereld, zoals het coderen van informatie.
De Fransman Alain Aspect, de Amerikaan John F. Clauser en de Oostenrijker Anton Zeilinger werden door de Koninklijke Zweedse Academie van Wetenschappen geciteerd voor experimenten die aantoonden dat het “totaal gekke” veld van kwantumverstrengeling maar al te reëel was. Ze toonden aan dat onzichtbare deeltjes, zoals fotonen, met elkaar kunnen worden verbonden of ‘verstrengeld’, zelfs als ze over grote afstanden van elkaar zijn gescheiden.
Het gaat allemaal terug op een kenmerk van het universum dat zelfs Albert Einstein verbijsterde en materie en licht op een verwarde, chaotische manier met elkaar verbindt.
Stukjes informatie of materie die vroeger naast elkaar waren, hoewel ze nu gescheiden zijn, hebben een verbinding of relatie – iets dat mogelijk kan helpen bij het versleutelen van informatie of zelfs teleporteren. Een Chinese satelliet demonstreert dit nu en potentieel razendsnelle kwantumcomputers, die zich nog in het kleine en niet helemaal bruikbare stadium bevinden, vertrouwen ook op deze verstrengeling. Anderen hopen het zelfs te gebruiken in supergeleidend materiaal. <…>
Clauser, 79, kreeg zijn prijs voor een experiment uit 1972, uitgevoerd met bij elkaar geraapte apparatuur, dat hielp bij het beslechten van een beroemd debat over kwantummechanica tussen Einstein en de beroemde natuurkundige Niels Bohr. Einstein beschreef “een spookachtige actie op afstand” waarvan hij dacht dat deze uiteindelijk zou worden weerlegd <…>
“Ik wedde op Einstein,” zei Clauser. “Maar helaas had ik het mis en Einstein had het mis en Bohr had gelijk.”
Aspect zei dat Einstein technisch misschien ongelijk had, maar enorme lof verdient voor het stellen van de juiste vraag die leidde tot experimenten die kwantumverstrengeling aantoonden.
“De meeste mensen zouden aannemen dat de natuur is gemaakt van stoffen die door ruimte en tijd zijn verspreid”, zei Clauser, die als een middelbare scholier in de jaren vijftig een videogame op een computer met vacuümbuizen bouwde. “En dat blijkt niet het geval te zijn.”
Wat het werk laat zien, is dat “delen van het universum – zelfs die op grote afstand van elkaar – met elkaar zijn verbonden”, zei Johns Hopkins-natuurkundige N. Peter Armitage. “Dit is iets dat zo niet intuïtief is en iets dat zo haaks staat op hoe we denken dat de wereld zou moeten zijn.”
Dit moeilijk te begrijpen veld begon met gedachte-experimenten. Maar wat in zekere zin filosofische overpeinzingen over het universum zijn, biedt ook hoop op veiligere en snellere computers, allemaal gebaseerd op verstrengelde fotonen en materie die nog steeds op elkaar inwerken, hoe ver weg ook.
“Bij mijn eerste experimenten werd mij soms door de pers gevraagd waar ze goed voor waren”, vertelde Zeilinger, 77, aan verslaggevers in Wenen. “En ik zei met trots: ‘Het is nergens goed voor. Ik doe dit puur uit nieuwsgierigheid.’ <…>
Bij kwantumverstrengeling stelt het tot stand brengen van gemeenschappelijke informatie tussen twee fotonen die niet bij elkaar in de buurt zijn “ons in staat om zoiets als geheime communicatie te doen, op manieren die voorheen niet mogelijk waren”, zei David Haviland, voorzitter van het Nobelcomité voor Natuurkunde.
Kwantuminformatie “heeft brede en potentiële implicaties op gebieden zoals veilige informatieoverdracht, kwantumcomputing en detectietechnologie”, zei Eva Olsson, een lid van het Nobelcomité. “De voorspellingen hebben deuren geopend naar een andere wereld, en het heeft ook de fundamenten geschud van hoe we metingen interpreteren.”
Three scientists jointly won this year’s Nobel Prize in physics Tuesday (4 October 2022) for proving that tiny particles could retain a connection with each other even when separated, a phenomenon once doubted but now being explored for potential real-world applications such as encrypting information.
Frenchman Alain Aspect, American John F. Clauser and Austrian Anton Zeilinger were cited by the Royal Swedish Academy of Sciences for experiments proving the “totally crazy” field of quantum entanglements to be all too real. They demonstrated that unseen particles, such as photons, can be linked, or “entangled,” with each other even when they are separated by large distances.
It all goes back to a feature of the universe that even baffled Albert Einstein and connects matter and light in a tangled, chaotic way.
Bits of information or matter that used to be next to each other even though they are now separated have a connection or relationship—something that can conceivably help encrypt information or even teleport. A Chinese satellite now demonstrates this and potentially lightning fast quantum computers, still at the small and not quite useful stage, also rely on this entanglement. Others are even hoping to use it in superconducting material. <…>
Clauser, 79, was awarded his prize for a 1972 experiment, cobbled together with scavenged equipment, that helped settle a famous debate about quantum mechanics between Einstein and famed physicist Niels Bohr. Einstein described “a spooky action at a distance” that he thought would eventually be disproved <…>
“I was betting on Einstein,” Clauser said. “But unfortunately I was wrong and Einstein was wrong and Bohr was right.”
Aspect said Einstein may have been technically wrong, but deserves huge credit for raising the right question that led to experiments proving quantum entanglement.
“Most people would assume that nature is made out of stuff distributed throughout space and time,” said Clauser, who while a high school student in the 1950s built a video game on a vacuum tube computer. “And that appears not to be the case.”
What the work shows is “parts of the universe—even those at great distances from each other—are connected,” said Johns Hopkins physicist N. Peter Armitage. “This is something so unintuitive and something so at odds with how we feel the world ‘should’ be.”
This hard-to-understand field started with thought experiments. But what in one sense is philosophical musings about the universe also holds hope for more secure and faster computers all based on entangled photons and matter that still interact no matter how distant.
“With my first experiments I was sometimes asked by the press what they were good for,” Zeilinger, 77, told reporters in Vienna. “And I said with pride: ‘It’s good for nothing. I’m doing this purely out of curiosity.’ <…>
In quantum entanglement, establishing common information between two photons not near each other “allows us to do things like secret communication, in ways which weren’t possible to do before,” said David Haviland, chair of the Nobel Committee for Physics.
Quantum information “has broad and potential implications in areas such as secure information transfer, quantum computing and sensing technology,” said Eva Olsson, a member of the Nobel committee. “Its predictions have opened doors to another world, and it has also shaken the very foundations of how we interpret measurements.” Source: https://phys.org/news/2022-10-scientists-nobel-prize-physics-quantum.html
Photons carry the electromagnetic force, and act as both particles and waves.
Photons are fundamental subatomic particles that carry the electromagnetic force — or, in simpler terms, they are light particles (and so much more). The photon is also the “quantum,” or fundamental unit, of electromagnetic radiation. Everyone is surrounded by photons: The light coming from the screen you’re viewing is composed of photons, the X-rays doctor use to see bones are made of photons, the radio in a car receives its signal from photons, and the magnets on a fridge use photons to hold themselves up.
Like all other subatomic particles, photons exhibit wave-particle duality, meaning that sometimes they behave as tiny particles and sometimes they act as waves. Photons are massless, allowing them to travel at the speed of light in a vacuum (299,792,458 meters per second) and can travel an infinite distance.
PHOTON DISCOVERY
Although physicists have studied the nature of light for centuries, arguments went back and forth as to whether light was made of tiny particles or was wave-like in nature. In the late 1800s, however, the pioneering work of German physicist Max Planck changed the entire picture.
Planck was studying something called blackbody radiation, or light from a special device that emitted light at all frequencies as efficiently as possible. Until Planck, nobody could explain the spectrum of light coming from these devices, so Planck added a “fix” to the equations. By assuming that light could be emitted only in discrete chunks of energy, known as quanta, he was able to develop a formula that perfectly explained the blackbody spectra, according to HyperPhysics.
Physicists weren’t exactly sure what to make of Planck’s result, but several years later, Albert Einstein took it one step further. To explain the photoelectric effect, which is the release of electrons from a metal when light shines on it, Einstein proposed that light itself is composed of discrete little chunks, according to the American Physical Society. Over time, those little chunks became known as photons.
The work of Planck, Einstein and others to study the nature of light kick-started the development of quantum mechanics.
The photoelectric effect — emission of electrons when photons hit a metal surface. (Image credit: petrroudny via Getty Images)
ARE PHOTONS PARTICLES?
Strictly speaking, photons are neither particles nor waves; they are a combination of both. In some situations, their particle-like nature comes out more, and in others, their wave-like nature is more apparent.
For example, a detector can register the arrival of a single photon, which appears as a point-like particle. The process known as Compton scattering involves a photon striking an electron, and in that situation, the photon acts as a particle.
However, it’s impossible to predict exactly where or when a photon will strike a detector. In quantum mechanics, one can only assign probabilities to events. Those events are modeled by equations for waves, with peaks in the waves corresponding to regions of high probability of receiving a photon and troughs corresponding to regions of low probability, according to AccessScience by McGraw Hill.
This concept is best exemplified by the famous double-slit experiment, which solidified the dual wave-particle nature of light (and, eventually, other subatomic particles). When light passes through a screen with two slits cut into it, it forms an interference pattern on the detector on the other side of the screen, where the peaks of waves line up with each other in some places, and where the peaks and troughs cancel each other out in others. Even though only one photon passes through the screen at a time — with each individual photon acting like a particle — the interference pattern that emerges on the detector is the exact same pattern that would occur if waves were passing through the slits instead.
The double-slit experiment shows that light acts like both a particle and a wave. (Image credit: grayjay via Shutterstock)
DO PHOTONS HAVE MASS AND MOMENTUM?
Photons have zero mass, which allows them to travel at the fastest possible speed in the universe, the speed of light. However, they do have energy and momentum. The energy of a photon is given by Planck’s constant times the frequency of the light, and the momentum of a photon is given by Planck’s constant times the frequency of the light times the speed of light, according to the University of Calgary’s Energy Education website.
The fact that photons have momentum enables a broad array of applications. For example, solar sails are experimental propulsion devices that use sunlight to push a spacecraft. According to NASA, the photons from the sun bounce off of the reflecting sail, thus imparting their momentum on the sail and moving the spacecraft.
DO PHOTONS EXPERIENCE TIME?
Our understanding of the rate of the passage of time comes from Einstein’s theory of special relativity, which states that objects traveling closer and closer to the speed of light will experience slower and slower rates of the passage of time. In other words, moving clocks run slowly, according to John D. Horton of the University of Pittsburgh.
However, the mathematics of special relativity apply only to objects traveling more slowly than the speed of light and don’t apply directly to photons, which do travel at the speed of light. Thus, it’s impossible to say what a photon “experiences” in terms of the flow of time, because scientists have no mathematical language to support it. Another way to put this is that the concept of the flow of time is meaningless to photons.
ARE PHOTONS AFFECTED BY GRAVITY?
Because photons have both energy and momentum, they are influenced by gravity. Under Einstein’s theory of general relativity, which is our modern understanding of gravity, anything with any form of energy (including mass, momentum and torsion) is influenced by gravity. Specifically, massless particles, such as photons, follow “geodesics,” which are paths of minimum distance from one point to another, according to EarthSky.
In general relativity, space-time is curved due to the influence of massive objects. This can make the “minimum distance” path a curved line, just as jets have to follow a curved path to go straight from one city to another, because Earth itself is curved.
The curvature of space-time affects photons in several ways. When photons are moving from a region of strong gravity to a region of weaker gravity, they will lose energy, which lowers their frequencies to the redder end of the spectrum. When photons pass near massive objects, their direction of motion will change.
ADDITIONAL RESOURCES
You can dig deeper into the relationship between light and time in this YouTube video hosted by the author of this article, astrophysicist Paul M. Sutter.
For a fun exploration of the nature of quantum mechanics (which, of course, also discusses photons), check out “How to Teach Quantum Physics to Your Dog” (Scribner, 2010) by physicist Chad Orzel.
The Physics Asylum also hosts a great video explainer on the nature of the photon, which you can watch here.
Fotonen dragen de elektromagnetische kracht en werken zowel als deeltjes als golven..
Abstract representation of photons. (Image credit: Dizzo via Getty Images)
Abstract representation of photons. (Image credit: Dizzo via Getty Images)
Fotonen zijn fundamentele subatomaire deeltjes die de elektromagnetische kracht dragen – of, in eenvoudiger bewoordingen, het zijn lichte deeltjes (en nog veel meer). Het foton is ook het ‘kwantum’ of fundamentele eenheid van elektromagnetische straling. Iedereen is omringd door fotonen: het licht dat van het scherm dat u bekijkt, is samengesteld uit fotonen, de röntgenfoto’s die artsen gebruiken om botten te zien, zijn gemaakt van fotonen, de radio in een auto ontvangt zijn signaal van fotonen en de magneten op een koelkast gebruikt fotonen om zichzelf overeind te houden.
Net als alle andere subatomaire deeltjes vertonen fotonen een dualiteit van golven en deeltjes, wat betekent dat ze zich soms gedragen als kleine deeltjes en soms als golven. Fotonen zijn massaloos, waardoor ze met de snelheid van het licht in een vacuüm (299.792.458 meter per seconde) kunnen reizen en een oneindige afstand kunnen afleggen.
FOTON ONTDEKKING
Hoewel natuurkundigen de aard van licht eeuwenlang hebben bestudeerd, gingen de argumenten heen en weer over de vraag of licht uit kleine deeltjes bestond of golfachtig van aard was. Aan het eind van de 19e eeuw veranderde het pionierswerk van de Duitse natuurkundige Max Planck echter het hele plaatje.
Planck bestudeerde iets dat blackbody-straling wordt genoemd, of licht van een speciaal apparaat dat zo efficiënt mogelijk licht op alle frequenties uitstraalt. Tot Planck kon niemand het lichtspectrum van deze apparaten verklaren, dus Planck voegde een “fix” toe aan de vergelijkingen. Door aan te nemen dat licht alleen kan worden uitgestraald in discrete brokken energie, ook wel quanta genoemd, kon hij een formule ontwikkelen die de spectra van het zwarte lichaam perfect verklaarde, aldus HyperPhysics.
Natuurkundigen wisten niet precies wat ze van Plancks resultaat moesten denken, maar enkele jaren later ging Albert Einstein nog een stap verder. Om het foto-elektrisch effect te verklaren, dat wil zeggen het vrijkomen van elektronen uit een metaal wanneer er licht op schijnt, stelde Einstein voor dat licht zelf is samengesteld uit discrete kleine brokken, volgens de American Physical Society. Na verloop van tijd werden die kleine brokken bekend als fotonen.
Het werk van Planck, Einstein en anderen om de aard van licht te bestuderen, was de start van de ontwikkeling van de kwantummechanica.
The photoelectric effect — emission of electrons when photons hit a metal surface. (Image credit: petrroudny via Getty Images)
ZIJN FOTONEN DEELTJES?
Strikt genomen zijn fotonen geen deeltjes of golven; ze zijn een combinatie van beide. In sommige situaties komt hun deeltjesachtige aard meer naar voren, en in andere is hun golfachtige aard duidelijker.
Een detector kan bijvoorbeeld de aankomst van een enkel foton registreren, dat verschijnt als een puntachtig deeltje. Het proces dat bekend staat als Compton-verstrooiing omvat een foton dat een elektron raakt, en in die situatie fungeert het foton als een deeltje.
Het is echter onmogelijk om precies te voorspellen waar of wanneer een foton een detector zal raken. In de kwantummechanica kan men alleen kansen toewijzen aan gebeurtenissen. Die gebeurtenissen worden gemodelleerd door vergelijkingen voor golven, met pieken in de golven die overeenkomen met regio’s met een hoge kans om een foton te ontvangen en dalen die overeenkomen met regio’s met een lage waarschijnlijkheid, volgens AccessScience door McGraw Hill.
Dit concept wordt het best geïllustreerd door het beroemde dubbelspletenexperiment, dat de dubbele golf-deeltjesaard van licht (en, uiteindelijk, andere subatomaire deeltjes) stolde. Wanneer licht door een scherm met twee spleten erin gaat, vormt het een interferentiepatroon op de detector aan de andere kant van het scherm, waar de pieken van golven op sommige plaatsen met elkaar in lijn liggen, en waar de pieken en dalen elkaar opheffen elkaar uit in anderen. Hoewel er maar één foton tegelijk door het scherm gaat – waarbij elk afzonderlijk foton zich als een deeltje gedraagt - is het interferentiepatroon dat op de detector naar voren komt precies hetzelfde patroon dat zou optreden als in plaats daarvan golven door de spleten zouden gaan.
The double-slit experiment shows that light acts like both a particle and a wave. (Image credit: grayjay via Shutterstock)
HEBBEN FOTONEN MASSA EN MOMENTUM?
Fotonen hebben massa nul, waardoor ze met de hoogst mogelijke snelheid in het universum kunnen reizen, de snelheid van het licht. Ze hebben echter wel energie en momentum. De energie van een foton wordt gegeven door Planck’s constante maal de frequentie van het licht, en het momentum van een foton wordt gegeven door Planck’s constante maal de frequentie van het licht maal de lichtsnelheid, volgens de Energy Education-website van de University of Calgary.
Het feit dat fotonen momentum hebben, maakt een breed scala aan toepassingen mogelijk. Zonnezeilen zijn bijvoorbeeld experimentele voortstuwingsapparaten die zonlicht gebruiken om een ruimtevaartuig voort te duwen. Volgens NASA kaatsen de fotonen van de zon af van het reflecterende zeil, waardoor ze hun momentum op het zeil geven en het ruimtevaartuig bewegen.
ERVAREN FOTONEN TIJD?
Ons begrip van de snelheid van het verstrijken van de tijd komt van de speciale relativiteitstheorie van Einstein, die stelt dat objecten die steeds dichter bij de snelheid van het licht komen, steeds langzamere snelheden van het verstrijken van de tijd zullen ervaren. Met andere woorden, bewegende klokken lopen langzaam, volgens John D. Horton van de Universiteit van Pittsburgh.
De wiskunde van de speciale relativiteitstheorie is echter alleen van toepassing op objecten die langzamer reizen dan de lichtsnelheid en niet rechtstreeks op fotonen, die wel met de lichtsnelheid reizen. Het is dus onmogelijk om te zeggen wat een foton “beleeft” in termen van tijdsstroom, omdat wetenschappers geen wiskundige taal hebben om dit te ondersteunen. Een andere manier om dit te zeggen is dat het concept van de stroom van tijd betekenisloos is voor fotonen.
WORDEN FOTONEN BENVLOED DOOR ZWAARTEKRACHT?
Omdat fotonen zowel energie als momentum hebben, worden ze beïnvloed door de zwaartekracht. Volgens de algemene relativiteitstheorie van Einstein, wat ons moderne begrip van zwaartekracht is, wordt alles met enige vorm van energie (inclusief massa, momentum en torsie) beïnvloed door zwaartekracht. Specifiek volgen massaloze deeltjes, zoals fotonen, “geodeten”, dit zijn paden met een minimale afstand van het ene punt naar het andere, volgens EarthSky.
In de algemene relativiteitstheorie is de ruimte-tijd gekromd door de invloed van massieve objecten. Hierdoor kan het pad van de “minimale afstand” een gebogen lijn worden, net zoals jets een gebogen pad moeten volgen om rechtstreeks van de ene stad naar de andere te gaan, omdat de aarde zelf gekromd is.
De kromming van ruimte-tijd beïnvloedt fotonen op verschillende manieren. Wanneer fotonen van een gebied met sterke zwaartekracht naar een gebied met zwakkere zwaartekracht gaan, verliezen ze energie, waardoor hun frequenties naar het rodere uiteinde van het spectrum worden verlaagd. Wanneer fotonen in de buurt van massieve objecten passeren, verandert hun bewegingsrichting.
AANVULLENDE HULPBRONNEN
• Je kunt dieper ingaan op de relatie tussen licht en tijd in deze YouTube-video, gehost door de auteur van dit artikel, astrofysicus Paul M. Sutter.
• Voor een leuke verkenning van de aard van de kwantummechanica (waarin natuurlijk ook fotonen worden besproken), ga je naar “How to Teach Quantum Physics to Your Dog” (Scribner, 2010) van natuurkundige Chad Orzel.
• The Physics Asylum heeft ook een geweldige video-uitleg over de aard van het foton, die je hier kunt bekijken. (links in het originele Engelstalige artikel boven)
( 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.”]
(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.”]
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.
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)
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)
