In de quantumwereld kunnen de eigenschappen van een deeltje losstaan van het deeltje zelf. Dit kan betekenen dat we ons idee over fundamentele natuurwetten moeten bijstellen.
De quantumwerkelijkheid is nog eens een beetje vreemder geworden. Het impulsmoment van een deeltje – de manier waarop het deeltje om een as tolt of rond een punt draait – kan mogelijk zélf tussen twee plaatsen reizen, los van het deeltje. Deze bevinding vergt mogelijk een nieuwe blik op fundamentele wetten van de natuurkunde.
Natuurkundige Yakir Aharonov van de Universiteit van Tel Aviv in Israël vergelijkt het met de manier waarop de Cheshire Cat uit Alice in Wonderland zijn lichaam naar de ene plek kan bewegen terwijl zijn glimlach achterblijft. ‘Nu hebben we laten zien dat de natuurkunde dit ook echt mogelijk maakt’, zegt hij.
Nobelprijswinnaar Anne L’Huillier: 'Het duurde 14 jaar voordat ons idee slaagde'
We spraken Nobelprijswinnaar Anne L’Huillier over haar grootste ontdekking en over haar huidige werk.
Quantumkat
Dit quantum-Cheshire-Cat-effect is al eerder aangetoond. In 2014 bleek uit een experiment dat de spin van een neutron kan worden losgekoppeld van het neutron zelf. Soortgelijke bevindingen volgden. Nu is Aharonov samen met de Britse natuurkundigen Sandu Popescu en Daniel Collins een breder onderzoek gestart naar het impulsmoment van deeltjes op de quantumschaal.
Het impulsmoment van een voorwerp hangt af van zijn massa, snelheid en grootte. Van oudsher wordt gedacht dat het er een behoudswet voor geldt: het impulsmoment kan nooit worden gecreëerd of vernietigd, alleen herverdeeld. Om impulsmoment ergens naartoe te verplaatsen, moet het gedragen worden door een object. Maar nu lijkt het erop dat dit niet altijd het geval is.
In een nog te verschijnen artikel in het wetenschappelijk tijdschrift Physical Review A stellen de onderzoekers zich een scenario voor waarbij een deeltje met een impulsmoment zich aan de linkerrand van een lange doos bevindt, die in het midden een reflecterende wand heeft. Het deeltje stuitert rond in de linkerhelft van de doos, maar in zeldzame gevallen kan het door de muur heen via een quantumeffect dat tunneling heet. De onderzoekers berekenden hoe de eigenschappen van een deeltje dat links begint en naar rechts beweegt veranderen na een lange tijd.
Lege handen
Ze ontdekten dat zelfs wanneer het zeer onwaarschijnlijk is dat het deeltje de linkerkant van de doos verlaat – bijvoorbeeld wanneer het erg zwaar is – het impulsmoment nog steeds kan veranderen. De wet van behoud van impulsmoment stelt dat dit moet worden verklaard door een gelijke en tegengestelde verandering elders, overgebracht door het deeltje. Maar het team ontdekte dat, ondanks dat het deeltje nooit in contact kwam met de rechterrand van de doos, het impulsmoment daar terecht was gekomen.
Bij het zoeken naar tekens van mogelijk contact tussen de twee kanten stonden de onderzoekers met lege handen. Ze concludeerden dat het impulsmoment de muur had bereikt zonder dat het door iets overgedragen was.
‘Plotseling hadden we een situatie waarin een behouden grootheid, die meer betekent dan een willekeurige eigenschap van het deeltje, kan worden losgemaakt van de deeltjes waartoe het behoort en zich kan voortplanten van de ene plaats naar de andere zonder enige materiële ondersteuning’, zegt Popescu.
Fundamentele grenzen
Popescu zegt dat dit belangrijke implicaties heeft voor behoudswetten, het fundament van de natuurkunde. Het bestuderen hiervan is in de quantumtheorie niet eenvoudig, zegt hij. Op die schaal zijn er namelijk fundamentele grenzen aan hoe nauwkeurig metingen van bijvoorbeeld de eigenschappen van een deeltje kunnen zijn.
Maar zelfs zonder perfecte metingen kan de ontdekking iets fundamenteels over de wereld onthullen. Aharonov zegt dat het een teken is dat er natuurkundige wetten bestaan die blijven bestaan, zelfs als het onzeker is wat we over objecten kunnen leren. Het conventionele idee van een deeltje als een kenbaar object strookt inderdaad niet met de quantumtheorie.
Natuurkundige Holger Hofmann van de Universiteit van Hiroshima in Japan zegt dat het idee dat behoudswetten complexer zijn in de quantumwereld overtuigend is, maar dat een meer gedetailleerde analyse van de opstelling die de onderzoekers presenteren noodzakelijk is. ‘Voor dit soort onderzoek is het belangrijk om te begrijpen dat de conventionele ideeën van deeltjes als fysieke ‘dragers’ van informatie helemaal niet werken in de quantummechanica, waar het concept van een ‘deeltje’ duidelijk iets ongrijpbaarders en minder tastbaars betekent’, zegt hij.
Postselectie
Om het effect aan het licht te brengen, gebruikten de onderzoekers een proces dat ‘postselectie’ wordt genoemd. Hierbij leiden ze op basis van de toestand van het deeltje op een later tijdstip af wat er in het verleden met het deeltje moet zijn gebeurd. Ze stellen dat de geldigheid van hun ontdekking onafhankelijk is van deze methode. Natuurkundige Aephraim Steinberg van de Universiteit van Toronto in Canada zegt dat sommige natuurkundigen er nog steeds bezwaar tegen hebben, ook al heeft Aharonov veel onderzoek verricht naar hoe zulke latere acties van invloed kunnen zijn op wat we over een deeltje kunnen weten. ‘Deze post selected-experimenten leiden vaak tot vreemde, nieuwe effecten en je moet er heel precies over redeneren’, zegt Steinberg.
Steinberg zegt dat het model voldoende definitieve voorspellingen doet om experimenteel getest te worden, hoewel dat technisch waarschijnlijk een hele uitdaging is. Popescu en Aharonov zeggen er vertrouwen in te hebben dat experimenten met quantumlicht of ultrakoude atomen het fenomeen op de proef kunnen stellen. Zodra dat gebeurt, zullen we meer zekerheid hebben over hoe behoudswetten werken in quantumwonderland.
