In het gedachte-experiment ‘Schrödingers kat’ is een – gelukkig denkbeeldige – kat levend én dood totdat de doos waar het dier inzit wordt geopend. Deze bizarre situatie volgt uit de wetten van de quantummechanica. Maar om ons heen zien we nooit katten die zowel dood als levend zijn. Hoe kan dat? Een Franse onderzoeker komt met een nieuw model om het te verklaren.
De quantummechanica beschrijft succesvol het gedrag van microscopische kleine deeltjes. Maar macroscopische objecten, zoals katten, treffen we nooit in een quantumtoestand aan. Waarom? In het theoretische model combineert de Franse fysicus Franck Laloë twee bestaande ideeën om het te verklaren.
Ineenstortende golffuncties
In de quantummechanica kunnen deeltjes op meerdere plekken tegelijkertijd zijn, net zoals Schrödingers kat levend en dood is. Die onzekerheid wordt beschreven door een zogeheten golffunctie. De locatie van een deeltje kun je daarbij zien als een uitgesmeerde golf in de ruimte. De hoogte van de golf kun je zien als de kans om een deeltje ergens aan te treffen. Daar waar de top is, is de aantrefkans het grootst.
Dit is hoe we wiskundefobie te lijf kunnen gaan
Sarah Hart vertelt hoe we de angst voor getallen en formules weg kunnen nemen.
Zodra je meet waar het deeltje is, zit het nog maar op één plek. Net zoals de kat die plots levend óf dood is zodra je in de doos kijkt. Dit moment waarop de status van een deeltje (of een kat) wordt vastgelegd, heet het ineenstorten van de golffunctie. En het stelt fysici voor een raadsel. Zorgt een meting (of observatie) ervoor dat een golffunctie instort? Of is er iets anders aan de hand? Dit heet het meetprobleem.
Combideal
Er zijn verschillende theorieën die een antwoord proberen te geven op het meetprobleem. Laloë combineert er twee: de zogeheten De-Broglie-Bohm-theorie en een model over de quantumgevolgen van zwaartekrachtseffecten.
De eerste, de-Broglie-Bohm-theorie beschrijft hoe de wereld is opgebouwd uit puntdeeltjes die geen grootte hebben, maar wel een massa en een locatie. Fysicus Daniel Bedingham beschreef een aantal jaar geleden hoe een quantumgolffunctie ineens kan instorten in de nabijheid van zo’n puntdeeltje.
Het tweede idee stelt dat de ineenstorting verband houdt met zwaartekracht. Dit idee is geopperd door wis- en natuurkundige Roger Penrose. Hij neemt aan dat de golffunctie ineens instort door een zwaartekrachtseffect van de golffunctie zelf.
In zijn hybride model combineert Laloë de twee ideeën door te beschrijven hoe de puntdeeltjes uit de Bohm-theorie zwaartekracht uitoefenen op hun omgeving, waardoor ze golffuncties aantrekken. Door de aantrekkende zwaartekracht storten de golffuncties in. Dat gebeurt dus in de nabijheid van de puntdeeltjes. Het gecombineerde effect van de puntdeeltjes en de zwaartekrachtseffecten zorgt zo voor het model dat de ineenstorting verklaart.
Experimenten
‘Dit hybride model is een interessant idee’, zegt Ward Struyve van de KU Leuven, theoreticus en niet betrokken bij het Franse artikel. ‘Maar het is wel nog vrij artificieel. Het beschrijft alleen de effect van Newtoniaanse zwaartekracht. Dat is goed als startpunt, maar als je het als fundamentele theorie wilt beschouwen, moet je het uitbreiden naar onder meer de relativiteitstheorie.’ De relativiteitstheorie geeft namelijk een uitgebreidere, correctere beschrijving van de zwaartekracht.
Laloë beaamt: ‘Mijn model is nog zeer speculatief. Het is ook erg naïef in zijn huidige staat. Het beste dat we kunnen hopen is dat het een startpunt kan zijn voor een meer uitgebreide theorie.’
Het is nog niet mogelijk om dit model of andere modellen met experimenten te testen. ‘Met de huidige enorme vooruitgang in experimenten, kan men hopen in het volgende decennium experimenten met quantumzwaartekracht te doen’, vervolgt Laloë. Daarmee wordt het mogelijk om te zien welke theorie de paradoxale quantumwerkelijkheid van Schrödingers kat beschrijft.