Kunnen er tegelijkertijd twee versies van de werkelijkheid bestaan? Natuurkundigen zeggen dat ze dat kunnen - dat wil zeggen op kwantumniveau.
Onderzoekers hebben onlangs experimenten uitgevoerd om een decennia oude theoretische natuurkundevraag over duellerende realiteiten te beantwoorden. Dit lastige gedachte-experiment stelde voor dat twee individuen die hetzelfde foton waarnamen verschillende conclusies konden trekken over de toestand van dat foton - en toch zouden beide waarnemingen correct zijn.
Voor het eerst hebben wetenschappers de in het gedachte-experiment beschreven omstandigheden nagebootst. Hun resultaten, gepubliceerd op 13 februari in het preprint-tijdschrift arXiv, bevestigden dat zelfs wanneer waarnemers verschillende toestanden in hetzelfde foton beschreven, de twee tegenstrijdige realiteiten beide waar konden zijn.
"Je kunt ze allebei verifiëren", vertelde co-auteur Martin Ringbauer, een postdoctoraal onderzoeker bij de afdeling Experimental Physics aan de Universiteit van Innsbrück in Oostenrijk, tegen WordsSideKick.com.
Wigner's vriend
Dit verbijsterende idee was het geesteskind van Eugene Wigner, winnaar van de Nobelprijs voor natuurkunde in 1963. In 1961 had Wigner een gedachte-experiment geïntroduceerd dat bekend werd als 'Wigner's vriend'. Het begint met een foton - een lichtdeeltje. Wanneer een waarnemer in een geïsoleerd laboratorium het foton meet, ontdekken ze dat de polarisatie van het deeltje - de as waarop het draait - verticaal of horizontaal is.
Voordat het foton echter wordt gemeten, vertoont het foton beide polarisaties tegelijk, zoals voorgeschreven door de wetten van de kwantummechanica; het bestaat in een "superpositie" van twee mogelijke toestanden.
Zodra de persoon in het laboratorium het foton meet, neemt het deeltje een vaste polarisatie aan. Maar voor iemand buiten dat gesloten laboratorium die het resultaat van de metingen niet kent, bevindt het ongemeten foton zich nog in een superpositie.
De waarneming van die buitenstaander - hun realiteit - wijkt daarom af van de realiteit van de persoon in het laboratorium die het foton heeft gemeten. Maar volgens de kwantummechanica wordt geen van deze tegenstrijdige waarnemingen als onjuist beschouwd.
Veranderde staten
Decennialang was Wigners geestverruimende voorstel slechts een interessant gedachte-experiment. Maar in de afgelopen jaren hebben belangrijke vooruitgang in de natuurkunde experts eindelijk in staat gesteld om Wigner's voorstel op de proef te stellen, zei Ringbauer.
"Theoretische vooruitgang was nodig om het probleem op een testbare manier te formuleren. Vervolgens had de experimentele kant ontwikkelingen nodig op het gebied van de controle van kwantumsystemen om zoiets te implementeren," legde hij uit.
Ringbauer en zijn collega's testten het oorspronkelijke idee van Wigner met een nog strenger experiment dat het scenario verdubbelde. Ze wezen twee "laboratoria" aan waar de experimenten zouden plaatsvinden en introduceerden twee paar verstrengelde fotonen, wat betekent dat hun lot met elkaar verbonden was, zodat het kennen van de toestand van de een je automatisch de toestand van de ander vertelt. (De fotonen in de opstelling waren echt. Vier 'mensen' in het scenario - 'Alice', 'Bob' en een 'vriend' van elk - waren niet echt, maar vertegenwoordigden in plaats daarvan waarnemers van het experiment).
De twee vrienden van Alice en Bob, die zich "binnen" elk van de labs bevonden, maten elk een foton in een verstrengeld paar. Dit verbrak de verstrengeling en stortte de superpositie in, wat betekent dat het foton dat ze maten in een bepaalde staat van polarisatie bestond. Ze legden de resultaten vast in het kwantumgeheugen - gekopieerd in de polarisatie van het tweede foton.
Alice en Bob, die 'buiten' de gesloten laboratoria waren, kregen vervolgens twee keuzes voorgelegd voor het uitvoeren van hun eigen waarnemingen. Ze konden de resultaten van hun vrienden meten die in het kwantumgeheugen waren opgeslagen, en kwamen daarmee tot dezelfde conclusies over de gepolariseerde fotonen.
Maar ze konden ook hun eigen experiment uitvoeren tussen de verstrengelde fotonen. Als in dit experiment, bekend als een interferentie-experiment, de fotonen als golven werken en nog steeds bestaan in een superpositie van toestanden, dan zouden Alice en Bob een karakteristiek patroon van lichte en donkere randen zien, waar de pieken en dalen van de lichtgolven toevoegen elkaar opheffen of elkaar opheffen. Als de deeltjes hun toestand hebben 'gekozen', zou je een ander patroon zien dan wanneer ze dat niet hadden gedaan. Wigner had eerder al voorgesteld dat hieruit zou blijken dat de fotonen nog steeds in een verstrengelde toestand verkeerden.
De auteurs van de nieuwe studie ontdekten dat zelfs in hun verdubbelde scenario de door Wigner beschreven resultaten stand hielden. Alice en Bob konden conclusies trekken over de fotonen die correct en aantoonbaar waren en toch verschilden van de waarnemingen van hun vrienden - die volgens het onderzoek ook correct en aantoonbaar waren.
De kwantummechanica beschrijft hoe de wereld werkt op een schaal die zo klein is dat de normale natuurkundige regels niet langer van toepassing zijn; gedurende vele decennia hebben experts die het veld bestuderen talloze interpretaties gegeven van wat dat betekent, zei Ringbauer.
Als metingen zelf echter niet absoluut zijn - zoals deze nieuwe bevindingen suggereren - stelt dit de betekenis van de kwantummechanica in vraag.
'Het lijkt erop dat meetresultaten, in tegenstelling tot de klassieke fysica, niet als absolute waarheid kunnen worden beschouwd, maar moeten worden begrepen in verhouding tot de waarnemer die de meting heeft uitgevoerd', zei Ringbauer.
'De verhalen die we vertellen over de kwantummechanica moeten zich daaraan aanpassen', zei hij.
