Beyond Weird & The Quantum Handshake

Om op de hoogte te blijven van het onderwerp op deze website moet ik nogal wat lezen. En er wordt wat afgeschreven over kwantumfysica. Af en toe kom ik daarbij iets tegen waarvan ik bijzonder onder de indruk ben. Vooral omdat ze mijn kijk op het onderwerp weer aanzienlijk verruimen of verhelderen. Aanraders dus. Ik wil het hier nu als eerste hebben over ‘Beyond Weird – Why Everything You Thought about Quantum Physics is .. different‘ van Philip Ball.

Ik moet de cursist bedanken die mij dit boek in de handen drukte. Philip Ball is een wetenschapsjournalist die al vele jaren in Nature schrijft over dit onderwerp. Je hoeft geen exotische Schrödingervergelijkingen op te kunnen lossen om zijn boeiende duidelijke uiteenzetting over de kwantumwereld en haar raadsels te kunnen volgen. En passant ruimt hij ook enige misverstanden over dit onderwerp op. Zoals dat eigenlijk de term kwantum in kwantumfysica een verkeerde is. Het gaat niet om kwanta maar om de toestandsgolf en die is niet gekwantiseerd. Duidelijk maakt hij hoe de kwantumfysica in haar karakter en geschiedenis afwijkt van alle voorgaande natuurkundige theoriën. Het is namelijk een theorie die niet boven op de voorgaande theoriën gebouwd is. Het is niet goed mogelijk om je een voorstelling te maken van de kwantum wereld zoals je dat kunt doen met bijvoorbeeld zwaartekracht, elektrische stromen, gasmoleculen, etc. De wiskundige grondslag van de kwantumfysica, de kwantummechanica is niet ontstaan door uit te gaan van grondbeginselen maar veel meer het resultaat van bijzonder gelukkige intuïties die uitstekend werkten maar waarvan de bedenkers niet fundamenteel konden uitleggen waarop die waren gebaseerd. Voorbeelden zijn: De matrixmechanica van Heisenberg, de schrödingervergelijking, het idee van Born dat de toestandsfunctie de waarschijnlijkheid geeft om het deeltje bij meting op een bepaalde plek aan te treffen. Allemaal geïnspireerd intuïtief giswerk dat de basis heeft gelegd voor een onwaarschijnlijk succesvolle theorie waarvan we nog steeds niet echt begrijpen hoe en waarom die werkt. Ball maakt heel duidelijk dat het allemaal om informatie lijkt te gaan. Het is wel jammer, in mijn ogen, dat hij uiteindelijk de decoherentiehypothese blijkt aan te hangen. Dat is het punt in zijn boek waar de kritische lezer merkt dat wat tot dan toe allemaal stap voor stap goed te volgen was ineens aan begrijpelijkheid inboet en hij het moet doen met onvolkomen metaforen. Het blijft interessant maar het overtuigt mij niet meer. Ondanks dat is het boek een grote aanrader voor iedere leek die meer wil begrijpen van de kwantumwereld en van kwantumcomputers.

Een heel ander type boek is ‘The Quantum Handshake – Entanglement, Nonlocality and Transactions‘ van John Cramer. Hier gaat het om een interpretatie van de kwantumfysica die mijns inziens onterecht niet op de lijst van serieuze interpretaties beland lijkt te zijn. Geen grote groep aanhangers dus. Ik had er in elk geval nooit op die manier van gehoord totdat die door iemand op een presentatie die ik bijwoonde te berde gebracht werd. Dat maakte mij nieuwsgierig natuurlijk. Het idee van Cramer is namelijk dat de toestandsgolf zich ook terug in de tijd kan bewegen waardoor er een soort ‘handdruk’ ontstaat tussen de vertrekkende toestandsgolf en de aankomende teruggekaatste toestandsgolf die de overdracht van energie bewerkstelligt zonder dat er sprake hoeft te zijn van de zogenaamde kwantum collaps. Het meetprobleem waarbij de toestandsgolf plotseling overgaat in de energie-materie-overdracht is dan opgelost. Maar om die energie-materie-overdracht van oorsprong naar meetlokatie uiteindelijk rond te kunnen krijgen in zijn verklaring moet Cramer dan aannemen dat de toestandsgolf toch ‘enigszins’ materieel-fysisch is. Desalniettemin de moeite waard voor diegenen die zich willen verdiepen in de diverse interpretaties van de kwantumfysica, ook en vooral vanwege Cramers bespreking van een groot aantal experimenten met verbazingwekkende implicaties zoals bijvoorbeeld kwantumwissers en uitgestelde keus experimenten waar retrocausaliteit lijkt op te treden. Zijn idee van een in de tijd teruglopende toestandsgolf – die niet verboden wordt in de formuleringen van de kwantummechanica – blijft fascinerend.

Kwantumfysica en tijd

Professor Vlatko Vedral is hoogleraar fysica aan de Oxford universiteit. Hij publiceert over kwantumfysica en haar effecten in de macrowereld. Bekijk deze aflevering “Living in a quantum world” van hem op YouTube: https://youtu.be/vaUfZak8Ug4. Op het laatst van de aflevering wordt er een vraag over tijd en kwantumfysica gesteld (ca. 1:10u) en in zijn antwoord beschrijft hij het gedrag van een supernauwkeurige klok en wat er gebeurt met de laatste cijfertjes als je die klok een halve meter optilt in het zwaartekrachtveld. En dan vraagt hij zich af wat het betekent als je je die klok voorstelt in een kwantumsuperpositie op de twee verschillende hoogtes in het zwaartekrachtveld. Een superpositie van twee verschillende tijdlijnen dus. Fascinerend.

Overigens is het eerste deel van zijn presentatie – ca. 45 minuten – eigenlijk een zeer compacte versie van mijn kwantumfysica cursus. Alles komt langs: interferentie, de Mach-Zehnder interferometer, Schrödingers kat, de Kopenhagen interpretatie tegenover het multiversum, uitgestelde keus experimenten, interferentie met grote moleculen, de oriëntatie van ons roodborstje op het aardmagnetisch veld in zijn jaarlijkse trek, de 100% efficiency van chlorophyl. Een aanrader dus.

Donkere materie, antimaterie en anti-tijd

Een nieuwe hypothese die ‘eenvoudige’ en, belangrijk, toetsbare verklaringen zou moeten bieden voor onder andere donkere materie en het gemis aan antimaterie in ons universum. Lees het artikel in de Volkskrant van Govert Schilling. Of lees de engelstalige samenvatting bij Physics.aps.org. Het hele artikel van Boyle, Finn en Turok van het Perimeter Instituut – Ontario – Canada vindt u hier.

In het anti-universum verloopt de tijd volgens dit idee in de tegengestelde richting van ons universum, bestaat alles uit antimaterie en is het ook nog eens gespiegeld ten opzichte van ons. Daar mee worden aan drie belangrijke symmetrievoorwaarden voldaan waar ons universum zonder anti-universum niet aan voldoet. Dat heet CPT-symmetrie. Erg aantrekkelijk dus. We vinden symmetrie nu eenmaal mooi. Bij de Big Bang ontstonden beide universa tegelijk en ontwikkelden zich in tegengestelde tijdsrichtingen. Maar er is meer. Het model verklaart het feit dat wij nauwelijks antimaterie lijken aan te treffen in ons universum. Het voorspelt ook de donkere materie die wij aan lijken te treffen in ons universum als een zware variant van het neutrino en ook de hoeveelheid ervan die wij hebben berekend lijken met de theorie overeen te komen. Tot nog toe was ik geen uitgesproken fan van donkere materie als verklaring van de te grote rotatiesnelheden van de buitenste sterren in sterrenstelseld maar dit zou mij wel eens kunnen ‘bekeren’.

Tenslotte is deze hypothese een leuke bevestiging van het idee dat wij de tijd ervaren door het toenemen van entropie. In het anti-universum zou de entropie namelijk in de omgekeerde richting moeten verlopen. Vanuit ons perspectief gezien lopen de klokken in het anti-universum achteruit en worden de mensen daar onverbiddelijk jonger om uiteindelijk in de baarmoeder van hun moeders geperst te worden.

De vraag blijft natuurlijk knagen waar dat anti-universum zich bevindt. Maar wellicht is dat een verkeerde vraag. Dimensies als ruimte en tijd zijn een ervaring, een product van de energetische veranderingen in de materie en van onze herinnering.

Uiteindelijk zouden beide universa – als ze ophouden met uitdijen en de zwaartekracht uiteindelijk gaat winnen – weer bij elkaar kunnen komen bij de zogenaamde Big Crunch. Waarop waarschijnlijk weer een nieuwe Bang zou volgen.