211service.com
Een kwantumexperiment suggereert dat er niet zoiets bestaat als objectieve realiteit
IBM Onderzoek | Flickr
In 1961 schetste de Nobelprijswinnende natuurkundige Eugene Wigner een gedachte-experiment dat een van de minder bekende paradoxen van de kwantummechanica aantoonde. Het experiment laat zien hoe de vreemde aard van het universum twee waarnemers, bijvoorbeeld Wigner en Wigners vriend, in staat stelt verschillende werkelijkheden te ervaren.
Sindsdien hebben natuurkundigen het gedachte-experiment van Wigner's Friend gebruikt om de aard van meten te onderzoeken en te argumenteren of objectieve feiten kunnen bestaan. Dat is belangrijk omdat wetenschappers experimenten uitvoeren om objectieve feiten vast te stellen. Maar als ze verschillende werkelijkheden ervaren, zo luidt het argument, hoe kunnen ze het dan eens worden over wat deze feiten zouden kunnen zijn?
Dat leverde vermakelijk voer op voor een gesprek na het eten, maar het gedachte-experiment van Wigner is nooit meer geweest dan dat: slechts een gedachte-experiment.
Vorig jaar merkten natuurkundigen echter op dat recente ontwikkelingen in kwantumtechnologieën het mogelijk hebben gemaakt om de Wigner's Friend-test in een echt experiment te reproduceren. Met andere woorden, het moet mogelijk zijn om verschillende realiteiten te creëren en in het lab te vergelijken om te zien of ze met elkaar te verzoenen zijn.
En vandaag zeggen Massimiliano Proietti van de Heriot-Watt University in Edinburgh en een paar collega's dat ze dit experiment voor de eerste keer hebben uitgevoerd: ze hebben verschillende realiteiten gecreëerd en vergeleken. Hun conclusie is dat Wigner gelijk had - deze realiteiten kunnen onverenigbaar worden gemaakt, zodat het onmogelijk is om het eens te worden over objectieve feiten over een experiment.
Het oorspronkelijke gedachte-experiment van Wigner is in principe eenvoudig. Het begint met een enkel gepolariseerd foton dat, wanneer gemeten, een horizontale polarisatie of een verticale polarisatie kan hebben. Maar vóór de meting bestaat het foton volgens de wetten van de kwantummechanica in beide polarisatietoestanden tegelijkertijd - een zogenaamde superpositie.
Wigner stelde zich een vriend voor die in een ander laboratorium de toestand van dit foton zou meten en het resultaat opsloeg, terwijl Wigner van een afstand toekeek. Wigner heeft geen informatie over de meting van zijn vriend en is dus gedwongen aan te nemen dat het foton en de meting ervan in een superpositie van alle mogelijke uitkomsten van het experiment staan.
Wigner kan zelfs een experiment uitvoeren om te bepalen of deze superpositie bestaat of niet. Dit is een soort interferentie-experiment dat aantoont dat het foton en de meting zich inderdaad in een superpositie bevinden.
Vanuit het oogpunt van Wigner is dit een feit: de superpositie bestaat. En dit feit suggereert dat een meting niet kan hebben plaatsgevonden.
Maar dit staat in schril contrast met het standpunt van de vriend, die inderdaad de polarisatie van het foton heeft gemeten en vastgelegd. De vriend kan zelfs Wigner bellen en zeggen dat de meting is gedaan (op voorwaarde dat de uitkomst niet wordt onthuld).
De twee realiteiten staan dus op gespannen voet met elkaar. Dit roept vraagtekens op bij de objectieve status van de feiten die zijn vastgesteld door de twee waarnemers, zeggen Proietti en co.
Dat is de theorie, maar vorig jaar bedacht Caslav Brukner, van de Universiteit van Wenen in Oostenrijk, een manier om het Wigner's Friend-experiment in het laboratorium na te bootsen door middel van technieken waarbij veel deeltjes tegelijk verstrikt raken.
De doorbraak die Proietti en co hebben gemaakt is om dit uit te voeren. In een ultramodern 6-foton-experiment realiseren we dit uitgebreide Wigner's vriendscenario, zeggen ze.
Ze gebruiken deze zes verstrengelde fotonen om twee alternatieve werkelijkheden te creëren: een die Wigner vertegenwoordigt en een die de vriend van Wigner vertegenwoordigt. De vriend van Wigner meet de polarisatie van een foton en slaat het resultaat op. Wigner voert vervolgens een interferentiemeting uit om te bepalen of de meting en het foton zich in een superpositie bevinden.
Het experiment levert een eenduidig resultaat op. Het blijkt dat beide realiteiten naast elkaar kunnen bestaan, ook al produceren ze onverenigbare resultaten, precies zoals Wigner voorspelde.
Dat roept een aantal fascinerende vragen op die natuurkundigen dwingen de aard van de werkelijkheid te heroverwegen.
Het idee dat waarnemers uiteindelijk hun metingen van een of andere fundamentele realiteit met elkaar kunnen verzoenen, is gebaseerd op verschillende veronderstellingen. De eerste is dat universele feiten werkelijk bestaan en dat waarnemers het erover eens kunnen zijn.
Maar er zijn ook andere aannames. Een daarvan is dat waarnemers de vrijheid hebben om de waarnemingen te doen die ze willen. En een andere is dat de keuzes die een waarnemer maakt geen invloed hebben op de keuzes die andere waarnemers maken - een veronderstelling die natuurkundigen lokaliteit noemen.
Als er een objectieve realiteit is waar iedereen het over eens kan zijn, dan zijn deze veronderstellingen allemaal geldig.
Maar het resultaat van Proietti en co suggereert dat objectieve realiteit niet bestaat. Met andere woorden, het experiment suggereert dat een of meer van de veronderstellingen – het idee dat er een realiteit is waarover we het eens kunnen worden, het idee dat we keuzevrijheid hebben, of het idee van plaats – fout moeten zijn.
Natuurlijk is er een andere uitweg voor degenen die vasthouden aan de conventionele kijk op de werkelijkheid. Dit is dat er een andere maas in de wet is die de onderzoekers over het hoofd hebben gezien. Inderdaad, natuurkundigen hebben jarenlang geprobeerd mazen in soortgelijke experimenten te dichten, hoewel ze toegeven dat het misschien nooit mogelijk zal zijn om ze allemaal te dichten.
Toch heeft het werk belangrijke implicaties voor het werk van wetenschappers. De wetenschappelijke methode is gebaseerd op feiten, vastgesteld door herhaalde metingen en universeel overeengekomen, onafhankelijk van wie ze heeft waargenomen, zeggen Proietti en co. En toch ondermijnen ze in dezelfde krant dit idee, misschien wel fataal.
De volgende stap is om verder te gaan: experimenten construeren die steeds meer bizarre alternatieve realiteiten creëren die niet met elkaar te verzoenen zijn. Waar dit ons zal brengen, is een raadsel. Maar Wigner en zijn vriend zouden zeker niet verbaasd zijn.
Referentie: arxiv.org/abs/1902.05080 : Experimentele afwijzing van waarnemer-onafhankelijkheid in de kwantumwereld