De quantummechanica is een succesvolle maar erg tegenintuïtieve theorie. In Leiden doen natuurkundigen experimenten om de vreemde fundamenten van de quantummechanica te doorgronden.
Quantummechanica beschrijft met grote precisie het gedrag van de allerkleinste deeltjes. Je kan er de fijnste structuren van atomen en moleculen mee beschrijven en chemische reacties mee voorspellen. Maar de vertaling van die quantumtheorie naar de ‘klassieke’ realiteit die wij zien en ervaren, is soms wat tegenintuïtief.
Dat komt doordat de quantumwereld die de quantummechanica beschrijft, verschilt van de klassieke wereld die wij zien als we metingen doen aan quantumsystemen. De theorie gaat over kansverdeling: er is bijvoorbeeld een bepaalde kans om een deeltje ergens te vinden. Maar de kans bestaat ook dat je het deeltje ergens anders meet. Het is alsof de quantummechanica ons vertelt dat een deeltje op twee (of meer) plekken tegelijkertijd kan zijn. Maar in de klassieke wereld zie en meet je nooit een deeltje op twee plekken tegelijkertijd.
‘Er komt een moment dat we een grieppandemie niet kunnen voorkomen’
Ron Fouchier staat aan de frontlinie in de strijd tegen de griep. Met nieuwe vaccins wil hij ons beschermen tegen toekomstige pandemieën.
Er zijn verschillende theoretisch modellen die verklaringen geven voor het ontstaan van een klassiek wereldbeeld als je aan een quantumsysteem meet. Lang waren de discussies hierover puur filosofisch.
Maar nieuwe ontwikkelingen maken experimenten mogelijk waardoor de discussie niet langer alleen een filosofische kwestie is, maar een vraagstuk wordt met experimentele input, vertelde hoogleraar Dirk Bouwmeester van de Universiteit Leiden na het winnen van Spinozaprijs in 2014.
In januari 2019, tijdens het Physics@Veldhoven-congres, vertelde hij hoe het ervoor staat met de Leidse experimenten die de fundamenten van de quantummechanica onderzoeken.
Gek quantumgedrag
Voor dit experiment zoeken Leidse natuurkundigen de grenzen van koeling en stabilisatiemechanismen op. Het hart van de opstelling bestaat uit een heel dun membraan dat door reflectie van licht kan afkoelen. Vervolgens wordt het in een duidelijk gedefinieerde beweging gebracht. Er zijn verschillende bewegingen van het membraan mogelijk. Door wisselwerking met licht kan het in een zogeheten quantumsuperpositie van trillingen worden gebracht. Dit betekent dat het membraan als het ware op verschillende manieren tegelijkertijd kan bewegen.
Het membraan is slecht 50 nm dik en weegt 10 miljardste van een gram. Dat massa lijkt klein maar voor quantumbegrippen is het groot.
Als de temperatuur van het membraan te hoog is zullen de quantum effecten verwateren. Daartoe is het geheel in een trillingsvrije opstelling geplaatst die gekoeld wordt tot vlak boven het absolute nulpunt (0 graden Kelvin, -273,15ºC).
Wat maakt quantummechanica zo gek? Neem een quantumdeeltje dat volgens de theorie niet rechts- óf linksom om zijn as tolt, maar beide tegelijkertijd. Zodra je meet welke kant het deeltje op draait, dan zie je maar één van de twee mogelijkheden. Je ziet geen vreemde blur van een rechts- én linksom draaiend deeltje. De zogeheten golffunctie van het deeltje beschrijft de kans dat je bij een meting het deeltje rechtsom ziet draaien, of juist linksom. Het moment van meten, en dus het moment dat de draairichting wordt vastgesteld, noemen natuurkundigen het ineenstorten van de golffunctie.
Wat doet een meting dan precies? Hoe kan een eigenschap van het deeltje voor de meting anders zijn dan erna?
Veel werelden of Penrose
Hiervoor zijn meerdere theoretische verklaringen. Een daarvan is de veelwereldeninterpretatie. Daarbij bestaan beide opties na de meting nog steeds, maar bestaan ze in verschillende werelden. Deze interpretatie beschrijft (op een voor quantumfysici heldere manier) hoe hoe een quantumsysteem zich gaat gedragen als een klassiek systeem wanneer het wisselwerkt met een meetapparaat. ‘Als je er goed over nadenkt is een meetapparaat eigenlijk een systeem dat bewust bepaalde informatie weggooit zodanig dat er een toestand ontstaat van het meetapparaat en het quantumsysteem die stabiel is’, zegt Bouwmeester. ‘Die stabiele toestand is de meetuitkomst.’
Het verbluffende hiervan is dat een meting van bijvoorbeeld de positie van een quantumdeeltje, dat eerst in een quantumsuperpositie was van twee posities, overgaat in meetuitkomsten die tegelijkertijd plaatsvinden maar van elkaar zijn losgekoppeld. Door de meting ontstaan er verschillende klassieke realiteiten.
Er is bijvoorbeeld een wereld waarin het deeltje rechtsom draait en een wereld waarin hij linksom draait. Het prettige van de veel-werelden-interpretatie is dat het zo uit de wiskunde die de quantummechanica beschrijft komt rollen. Je hoeft er niets voor aan te passen.
De veel-werelden-interpretatie roept ook weerstand op. Het voelt gek dat er ontzettend veel parallelle werelden zijn. Daarom zijn er theorieën bedacht waarbij de golffunctie wel degelijk instort, waarbij bijna alle mogelijkheden verdwijnen, op de ene die je ziet na.
‘Persoonlijk ben ik geïnteresseerd in de voorspelling van Roger Penrose dat er naast de standaard beschrijving van de quantumgolffunctie (die toelaat dat er vele werelden zijn) er een extra proces is dat slechts een enkel universum toelaat’, zegt Bouwmeester. Dit extra proces voorspelt dat een quantumgolffunctie op een andere manier instort dan nu beschreven is. Dit geeft een meetbare verandering in het relatief grote membraan uit het Leidse experiment.
Meten is weten
De voorspelling van Penrose is niet heel precies, waardoor de experimentele eisen niet helemaal duidelijk zijn. Maar om de piepkleine verandering te detecteren, moet de meetopstelling in elk geval in een trillingsvrije, afgesloten omgeving staan bij een membraan temperatuur van minder dan 0,1 milliKelvin (bijna -273,15ºC). In Leiden krijgen onderzoekers het experiment steeds beter onder controle en kunnen de toestanden van membranen met licht naar wens aangestuurd en gekoeld worden. Momenteel wordt het membraan experiment in een speciale 20 milliKelvin cryostaat (koelsysteem) ingebouwd die extreem trillingsarm is. Zo komen ze steeds dichter bij een meetopstelling die de nodige precisie heeft om de fundamenten van de quantummechanica te onderzoeken.
‘Inmiddels kan ik met zekerheid zeggen dat het beoogde experiment echt mogelijk is’, zegt Bouwmeester. Met een sterk genoeg onderzoeksteam is het realiseerbaar om binnen vijf jaar het experiment gevoelig genoeg te maken om de voorspelling van Penrose te testen.