Kwantum coherentie

Coherentie

Coherentie is samenhang, een samenhang in ruimte en tijd. Atomen die in fase trillen, vogelzwermen die een eenheid blijven vormen, een voetbalteam in optima forma, een golf die op het strand aanspoelt. In de fysica wordt coherentie gebruikt om de mogelijkheid van interferentie aan te geven. Het licht dat uit twee spleten bij een dubbelspleet experiment komt is coherent omdat de spleten fungeren als in gelijke fase trillende bronnen van licht. De coherente lichtgolven kunnen elkaar dan op bepaalde plekken achter de dubbelspleet uitdoven, destructieve interferentie, of versterken, constructieve interferentie.

Complexe kwantumgolven en interferentie

In kwantumfysica wordt de staat van een systeem gedefinieerd door waarschijnlijkheidsgolven waar het kwadraat van de amplitude (de uitwijking) de waarschijnlijkheid voorstelt om het systeem in een bepaalde staat aan te treffen bij meting. De kwantummechanische beschrijving van de kwantumgolf is een complexe vector die afhangt van ruimte en tijd. Om het verloop van de waarschijnlijkheidsgolven in tijd en plaats op de juiste manier uit te kunnen rekenen is het nodig om uit te gaan van samenhang. Kwantumgolven vertonen samenhang, zijn in andere woorden coherent, net als golven op een wateroppervlak. En samenhang is, als je er goed over nadenkt, merkwaardig voor niet-materiële golven. Onderstaande afbeelding is daarom een afbeelding van een samenhangend niet-materieel iets. Samenhang bij golven in water of lucht of een ander element is een puur fysiek gebeuren waar duw- en trekkrachten op elkaar worden uitgeoefend.

Coherente ontwikkeling van de kwantumgolf Ψ(a) langs een enkele as, de x-as. De imaginaire (Im) en reële (Re) componenten zijn géén fysiek ruimtelijke coördinaten. Bron: Wikimedia Commons – Maschen.

Lees in dit kader Quantum Phases and Quantum Coherence van dr. Mae-Wan Ho.

Kwantumgolven kunnen vanwege hun samenhang ook interferentie vertonen, net als fysieke golven. Of beter gezegd, omdat ze interferentie vertonen moeten ze samenhangen. Bij constructieve interferentie, een maximum, wordt de waarschijnlijkheid om het systeem in een bepaalde staat aan te treffen bij meting maximaal, bij destructieve interferentie wordt die juist nul. Dat de kwantumgolftheorie 100% correct werkt impliceert dat alle kwantum systemen kwantum samenhang, coherentie, vertonen.

Coherente fotonen

Een bundel laserfotonen is coherent, wat laserlicht zijn bijzondere eigenschappen verleent. De laserfotonen bewegen met zijn allen in één samenhangende eenheid in tegenstelling tot het licht van bijvoorbeeld een gloeilamp. Bij een gloeilamp gaan alle fotonen hun eigen individuele gang elk ‘geleid’ door hun eigen individuele kwantumgolf. Die gloeilampfotonen zijn dus niet coherent. Maar zodra hun kwantumgolf door een dubbelspleet gaat, ontstaan er voor ieder afzonderlijk foton twee coherente zich uitbreidende kwantumgolven. Vandaar het interferentiepatroon, een patroon van donkere en lichte banden, minima en maxima, dat we met niet coherent zonlicht zonder speciale maatregelen, zoals een dubbelspleet, niet zullen zien.

Biologische kwantumcoherentie

Volgens onderzoek in de laatste decennia blijken biologische systemen uitzonderlijk veel kwantumcoherentie te vertonen, zowel in het microscopische als in het grotere. Het ziet er zelfs naar uit dat elk biologisch systeem één kwantum coherent geheel is. Dat geldt beslist voor eencelligen en waarschijnlijk ook voor een systeem dat uit vele kwantum coherente cellen is opgebouwd. Een mooi voorbeeld is de fotosynthese door bladgroen. Iets dat ik in mijn boek behandel als voorbeeld van kwantumprocessen in biologische systemen. Maar daar heb ik het niet over kwantumcoherentie. En dat is een omissie die ik hier goed ga maken.

Nog even kort herhalen wat ik in het boek beschrijf in Hoofdstuk 6 – ‘Kwantumprocessen in bladgroen’. Bladgroen zet zonlicht om in energie om die vervolgens te gebruiken in het aanmaken van biomassa, een proces waarbij kooldioxide wordt opgenomen en zuurstof vrijkomt. Groepjes chlorofyl moleculen in een chloroplast van een cel vormen antennes voor zonlicht. Zodra een chlorofyl antenne een foton ontvangt wordt er een vrij elektron losgemaakt dat elders, in het reactiecentrum zijn energie dient af te geven. Dat vrije elektron moet dat snel doen anders recombineert het weer met een positief ‘gat’ dat tegelijk met dat vrijmaken van het elektron ontstaan is. Een vrij elektron plus positief gat wordt exciton genoemd. Men veronderstelde dat zo’n exciton een willekeurig pad volgde totdat het arriveerde bij het reactiecentrum. Zie onderstaande figuur.

Het dronkemans pad van chorofyl antenne naar het reactiecentrum zoals een fysiek exciton dat in de chloroplast zou afleggen. Bron: nemosciencemuseum.nl

Om een idee te krijgen van de abominabele efficiency van een dergelijk dronkemanspad is het volgende gifje wel geschikt.

Teamgeest

Hoe dat exciton zo snel en efficiënt de weg wist te vinden was dus een raadsel totdat werd ontdekt dat kwantumcoherentie hier een grote rol speelt. De antennes, het elektron en het ‘gat’ vormen een kwantum coherent systeem. De interferentie die daarbij ontstaat maakt het mogelijk dat er maxima ontstaan op de plaats waar het elektron zijn energie moet afgeven, precies daar waar die het meest efficiënt gebruikt kan worden, het reactiecentrum. Vergelijk dit met een voetbalteam waar de echte teamgeest op een gegeven moment de kop opsteekt waarop het nu coherente team ineens goal op goal scoort. Bladgroen bestaat al 2,5 miljard jaar op aarde, dus 2,5 miljard jaar geleden hadden de chloroplasten in plantcellen al de juiste configuratie van chlorofyl antennes voor elkaar. Eigenlijk zelfs 3,5 miljard jaar geleden, want die chloroplasten zijn ontstaan doordat cyanobacteriën, die toen al 1 miljard jaar zonlicht in zuurstof konden omzetten, symbiotisch samensmolten met eencelligen die dat nog niet konden, om zodoende de eerste plantaardige cellen te vormen. Dat heet symbiogenese. Elke plant heeft nu in elke cel die chloroplasten, de nakomelingen van die cyanobacteriën, zitten. Toch wel erg knap om die bijzonder fijn afgestemde kwantumcoherentie al zo snel, 1 miljard jaar na het ontstaan van de aarde, door toevallige mutaties voor elkaar te krijgen.

Multiversa

Nu voer ik in mijn boek en ook op deze website bladgroen aan als biologisch argument tegen de fysieke multiversa hypothese. Als de waarschijnlijkheid dat het exciton opduikt in het reactiecentrum zo laag is als ik aanvankelijk inschatte, dan zouden er op elk moment astronomische aantallen afgesplitste universa moeten ontstaan waar het exciton niet op tijd aankwam en dus planten niet zouden groeien en bloeien. Dan was het toch wel erg toevallig als wij ons voortdurend in die uiterst onwaarschijnlijke universa waar dat toevallig steeds goed ging zouden bevinden. Dat was toen ik eigenlijk nog weinig wist van kwantumcoherentie. Kwantumcoherentie ontzenuwt dat argument. Het zorgt er via constructieve interferentie van coherente kwantumgolven, met een maximum in het reactiecentrum, voor dat de waarschijnlijkheid dat het exciton daar snel genoeg opduikt zeer groot is. Indrukwekkend, op zijn zachts gezegd.