Een kleine aanpassing in het beroemde tweespletenexperiment kan misschien onthullen dat de quantummechanica incompleet is. Dit kan in de toekomst leiden tot een theorie over quantumzwaartekracht. Zo’n theorie beschrijft de zwaartekracht op de allerkleinste schaal, waar effecten van de quantummechanica belangrijk worden.
Een beroemd natuurkunde-experiment bevat misschien meer informatie over de wereld om ons heen dan we dachten. Het klassieke ‘tweespletenexperiment’ legde al de vreemde dualiteit van de quantumwereld bloot, maar er blijkt nog iets vreemders te kunnen gebeuren. Het experiment kan zelfs een van de meest geaccepteerde vermoedens van de quantummechanica in twijfel trekken.
Dit experiment opnieuw bekijken, kan helpen om de quantummechanica te verenigen met die andere pijler van de theoretische natuurkunde: Einsteins algemene relativiteitstheorie. Deze twee lijken tot dusver onverenigbaar.
Bij het tweespletenexperiment wordt met een lamp op een plaat geschenen waarin twee spleten dicht naast elkaar zitten. Vervolgens valt het licht op een scherm dat achter de plaat staat.
Volgens de klassieke natuurkunde gaan de lichtdeeltjes (fotonen) door de ene of door de andere spleet. Dat resulteert in twee parallelle strepen licht op het scherm. Maar dat is niet wat er gebeurt. Het licht spreidt zich uit en vormt afwisselend lichte en donkere strepen op het scherm. Dit interferentiepatroon ontstaat doordat het licht als een golf door de spleten heen klotst. De toppen en dalen van de golven die het scherm bereiken, versterken elkaar of doven elkaar uit. Daardoor ontstaan op sommige plekken lichte, en op andere donkere strepen.
Bestel in onze webshop.
Het interferentiepatroon verschijnt zelfs wanneer de fotonen een voor een op de plaat afgevuurd worden. Dit toont aan dat licht niet in een rechte lijn voortbeweegt, maar zich tegelijkertijd als een deeltje en als een golf gedraagt. Dit mysterieuze gedrag is kenmerkend voor de quantummechanica.
Volgens de Amerikaanse natuurkundige Richard Feynman visualiseert dit experiment het ‘centrale mysterie’ van de quantumwereld.
Onzekerheid in Born-regel
Om de kans te berekenen dat een foton op een bepaalde plek op het scherm terechtkomt, gebruiken natuurkundigen de waarschijnlijkheidsrelatie van Born of de Born-regel. Die regel werkt in alle geteste situaties, maar niemand weet waarom. Enkele wetenschappers hebben getracht de regel af te leiden uit de veel-werelden-interpretatie van de quantummechanica. Volgens deze interpretatie bestaan alle verschillende toestanden van een quantumsysteem in verschillende parallelle universa. Deze pogingen hebben geen overtuigende resultaten opgeleverd.
Vanwege deze onzekerheid is de Born-regel een goede plek om te zoeken naar barsten in de quantumtheorie. Om de quantummechanica, die het heelal op de kleinste schaal beschrijft, te verenigen met de algemene relativiteitstheorie, die uitspraken doet over immense schalen, moet een van de twee theorieën inschikken. Als de Born-regel wegvalt, kan dat de weg vrijmaken voor quantumzwaartekracht, de theorie die de zwaartekracht op de allerkleinste schaal verenigt met de quantummechanica.
‘Als de Born-regel wordt geschonden, dan is er een fundamenteel axioma van de quantummechanica geschonden. Dat wijst ons waar we moeten zoeken naar quantumzwaartekrachttheorieën,’ zegt James Quach van het Barcelona Institute of Science and Technology.
Quach stelt een nieuwe manier voor om de Born-regel te testen. Hij begint vanuit een ander idee van Feynman: om de waarschijnlijkheid uit te rekenen dat een deeltje een bepaalde plek op het scherm bereikt, moet je rekening houden met alle mogelijke wegen die het kan afleggen van de bron naar het scherm. Zelfs de paden die belachelijk lijken. ‘Dat betekent dat we ook moeten kijken naar wegen die van hier, naar de maan en terug lopen,’ zegt Quach.
Bijna geen enkele van deze paden zal de plek van het foton op het scherm beïnvloeden, maar er zijn een paar vreemde paden die de waarschijnlijkheid zodanig veranderen dat we het effect kunnen meten.
Een zigzag-pad
Stel je bijvoorbeeld voor dat er drie wegen zijn die het deeltje kan nemen door de opstelling, naast de twee vanzelfsprekende. Met de Born-regel kun je de waarschijnlijkheid dat een deeltje op een bepaalde plek belandt, berekenen door naar de interferentie tussen de twee paden te kijken, maar dat kan niet met drie paden.
Quach toont aan dat als je de interferentie tussen alle drie de paden meeneemt, de waarschijnlijkheid anders is dan wat de Born-regel voorspelt.
Hij stelt voor om dit te testen met een tweespletenexperiment waarbij een derde pad mogelijk is. Dit is een zigzag-pad waarbij het deeltje door de linker spleet gaat, vervolgens naar de rechter spleet uitwijkt en ten slotte naar het scherm vliegt. Als dat pad interfereert met de twee vanzelfsprekende paden, dan wijken de resultaten af van de voorspelling van de Born-regel.
Het werk van Quach is ‘erg interessant en zet aan tot nadenken,’ zegt Aninda Sinha van het Indian Institute of Science in Bangalore. Hij is lid van de onderzoeksgroep die als eerste voorstelde om de schendingen van de Born-regel te onderzoeken via kronkelende, niet-klassieke paden.
Hij waarschuwt wel voor de mogelijkheid dat het experiment van Quach andere paden niet opmerkt, wat het resultaat kan vertroebelen.
Er staat veel op het spel. Schendingen van de Born-regel ontdekken, kan de deur naar een fundamenteler begrip van de realiteit op een kier zetten.
Altijd op de hoogte blijven van het laatste wetenschapsnieuws? Meld je nu aan voor de New Scientist nieuwsbrief.
Lees verder: