Het universum is niet lokaal echt en de Nobelprijswinnaars voor natuurkunde hebben dit bewezen

Een van de verontrustende ontdekkingen in de afgelopen halve eeuw is dat het universum niet lokaal echt is. In deze context betekent “echt” dat objecten definitieve eigenschappen hebben die onafhankelijk zijn van observatie – een appel kan rood zijn, zelfs als niemand ernaar kijkt.

“Lokaal” betekent dat objecten alleen beïnvloed kunnen worden door hun omgeving en dat elke invloed niet sneller kan reizen dan het licht. Onderzoek aan de grenzen van de kwantumfysica heeft aangetoond dat deze twee principes niet tegelijkertijd waar kunnen zijn.

In plaats daarvan toont het bewijs aan dat objecten niet uitsluitend beïnvloed worden door hun omgeving en dat ze mogelijk ook geen definitieve eigenschappen hebben vóór de meting.

Dit staat uiteraard haaks op onze dagelijkse ervaringen. Zoals Albert Einstein ooit tegen een vriend klaagde: “Geloof je echt dat de maan er niet is als je er niet naar kijkt?”

Om een zin van auteur Douglas Adams aan te passen, heeft het verdwijnen van lokaal realisme veel mensen woedend gemaakt en is het algemeen beschouwd als een slechte zet.

De verantwoordelijkheid voor deze prestatie wordt nu volledig toegeschreven aan drie natuurkundigen: John Clauser, Alain Aspect en Anton Zeilinger.

Zij hebben gezamenlijk de Nobelprijs voor Natuurkunde 2022 ontvangen “voor experimenten met verstrengelde fotonen, waarbij de schending van de Bell-ongelijkheden werd aangetoond en de pioniersrol in de kwantuminformatiewetenschap werd gevestigd”.

“Bell-ongelijkheden” verwijst naar het baanbrekende werk van de Noord-Ierse natuurkundige John Stewart Bell, die in de vroege jaren 1960 de basis legde voor de Nobelprijs voor Natuurkunde 2022.

Collega’s waren het erover eens dat het trio het verdiende, omdat ze de realiteit zoals we die kennen omver hebben geworpen. “Het was hoog tijd”, zegt Sandu Popescu, een kwantumnatuurkundige aan de Universiteit van Bristol in Engeland. “Zonder enige twijfel is de prijs zeer verdiend.”

De experimenten, beginnend met het vroegste experiment van Clauser en de voortzetting ervan, tonen aan dat dit niet alleen filosofisch is, maar echt – en net als andere echte dingen, potentieel nuttig”, zegt Charles H. Bennett, een vooraanstaande kwantumonderzoeker bij IBM.

“Elk jaar dacht ik: ‘Oh, misschien is dit het jaar'”, zegt David Kaiser, een natuurkundige en historicus aan het Massachusetts Institute of Technology. In 2022 “was het echt zo. Het was erg emotioneel – en erg opwindend.”

De reis van de marge naar de mainstream was een lange. Van ongeveer 1940 tot zo laat als 1990 werden studies naar zogenaamde kwantumgrondslagen vaak beschouwd als filosofie op zijn best en als krankzinnigheid op zijn slechtst.

Veel wetenschappelijke tijdschriften weigerden papers over dit onderwerp te publiceren en academische posities die zich bezighielden met dergelijk onderzoek waren vrijwel onmogelijk te krijgen.

In 1985 waarschuwde de adviseur van Popescu hem tegen een promotieonderzoek op dit gebied. “Hij zei: ‘Kijk, als je dat doet, heb je vijf jaar plezier en daarna ben je werkloos'”, zegt Popescu.

Tegenwoordig behoort de kwantuminformatiewetenschap tot de meest levendige subgebieden van de natuurkunde. Het beïnvloedt het ontwerp en de werking van kwantumsensoren, die steeds vaker worden gebruikt om alles te bestuderen, van aardbevingen tot donkere materie.

En het verduidelijkt de vaak verwarrende aard van kwantumverstrengeling, een fenomeen dat cruciaal is voor de moderne materiaalwetenschap en dat de kern vormt van de kwantumcomputer.

“Wat maakt een kwantumcomputer eigenlijk ‘kwantum’?” vraagt Nicole Yunger Halpern, een natuurkundige van het National Institute of Standards and Technology, retorisch.

“Een van de meest populaire antwoorden is verstrengeling, en de belangrijkste reden waarom we verstrengeling begrijpen, is het grote werk dat Bell en deze Nobelprijswinnaars hebben verricht.

Zonder dat begrip van verstrengeling zouden we waarschijnlijk geen kwantumcomputers kunnen realiseren.”

De moeilijkheid met de kwantummechanica was nooit dat deze verkeerde voorspellingen deed – in feite beschreef de theorie de microscopische wereld uitstekend vanaf het moment dat natuurkundigen deze bedachten in de opening van de jaren 20 van de 20e eeuw.

Waar Einstein, Boris Podolsky en Nathan Rosen bezwaar tegen maakten, zoals ze uitlegden in hun iconische paper uit 1935, waren de ongemakkelijke implicaties van de theorie voor de realiteit.

Hun analyse, bekend onder hun initialen EPR, draaide om een gedachte-experiment dat bedoeld was om de absurditeit van de kwantummechanica te illustreren.

Het doel was om aan te tonen hoe onder bepaalde omstandigheden de theorie kan falen – of op zijn minst onzinnige resultaten kan opleveren die in strijd zijn met onze diepste aannames over de realiteit.

Een vereenvoudigde en gemoderniseerde versie van EPR gaat als volgt: Paren van deeltjes worden vanuit een gemeenschappelijke bron in verschillende richtingen gestuurd, naar twee waarnemers – Alice en Bob – die zich aan tegenovergestelde uiteinden van het zonnestelsel bevinden.

De kwantummechanica bepaalt dat het onmogelijk is om de spin, een kwantumeigenschap van individuele deeltjes, te voorspellen voordat deze wordt gemeten.

Maar als Alice haar deeltje meet en ontdekt dat het een spin omhoog heeft, dan weet ze onmiddellijk dat Bob’s deeltje een spin omlaag zal hebben, en vice versa – ongeacht hoe ver ze van elkaar verwijderd zijn.

Maar terwijl de natuurkunde in deze wereld van niet-lokaal realisme nog steeds op zoek is naar evenwicht, heeft de rest van ons nog steeds te maken met de dagelijkse realiteit van appels en manen, ongeacht wie er wel of niet naar kijkt.