Een spiegel van raadselen

Gisteren schreef ik over een kat in het nauw. Vandaag denk ik na over golfjes en deeltjes die rare sprongen maken.

Ruimtetijd
Eerst iets over ruimtetijd (spacetime). Dit is een door Einstein geformuleerde geïntegreerde benadering van de drie dimensies die wij ervaren -hoogte, lengte en breedte-met de factor ‘duur’ (=de tijd die nodig is om een bepaalde afstand te overbruggen).

‘Tijd’ als zodanig is niet waarneembaar. Kijk maar eens in het binnenwerk van een klok of zandloper – je zult hooguit beweging zien, maar allesbehalve ‘tijd’. Het gaat bij ‘tijd’ altijd om verplaatsing door de ruimte. Die beweging is volgens wetenschappers beperkt tot de maximaal haalbare snelheid: die van het licht. We kunnen ons wel door ruimte verplaatsen maar (nog) niet door tijd.

Beweging is overal waar te nemen. Op het allerkleinste natuurkundige niveau – daar waar onze zintuigen ons niets direct kunnen meedelen – dansen de deeltjes en golfjes vrolijk door de ruimte. Mensen die zich verdiept hebben in deze materie (al is het niet altijd materie), gebruiken de kat van Schrödinger als illustratie.

Tweespletenexperiment

De Engelse wetenschapper Thomas Young wilde in 1805 weten of licht bestond uit golven (zoals geluid) of uit deeltjes (zoals katten). Hij maakte een opstelling met schermen. Het voorste scherm had twee sleufvormige openingen waar hij het licht doorheen liet schijnen. Wanneer het licht door één spleet werd geprojecteerd, bleek op een achterwand dat het zich door defractie in een smal patroon gelijkmatig op de achterwand verdeeld had. Maakte Young de spleet smaller, dan werd de spreiding breder. Als licht uit deeltjes bestaat, zou je verwachten dat zij zich gezamenlijk door de smallere opening wringen en nóg geconcentreerder op de achterwand belanden, maar dat is blijkbaar niet het geval. Ergo: licht verplaatst zich volgens de observaties bij deze proef niet als deeltjes maar als golven.

Interferentiepatroon

Bij het gelijktijdig openstellen van twee parallelle spleten schijnt het licht door beide openingen. De bundel wordt door het eerste scherm gebroken en daarachter treedt ‘interferentie’ op: denk aan de golfjes van twee in het water geworpen steentjes die zich in het oppervlak met elkaar vermengen tot een nog complexer patroon. Op de projectiewand is een spoor zichtbaar met donkere en heldere plaatsen. Een soort genuanceerd zebrapad. Het experiment maakt duidelijk dat licht zich hier als een golf gedraagt.

Vergelijkbare experimenten zijn inmiddels vaker uitgevoerd, ook op zeer kleine schaal met elektronen. Voordeel van deze methode: de elektronen kunnen samen als bundel worden afgevuurd, maar ook één voor één. Zeg maar als mini-tennisballen. Op die manier kan duidelijk worden of er aan het eind van het experiment twee gelijkmatige strepen op de achterwand zichtbaar zijn, zoals je dat met losse deeltjes zou verwachten, of toch een door vermengde golfjes veroorzaakt interferentiepatroon. Wat blijkt nu? Ook wanneer er telkens slechts één elektron op de openingen afgevuurd wordt – zodat er geen twee elektronen zijn die elkaars traject kunnen beïnvloeden – vormen de waargenomen landingsposities van alle elektronen samen één interferentiepatroon. Hoe kan dat?

Raadselachtig

Hoe kunnen auto’s met andere auto’s botsen als zij zich alleen op de weg bevinden? Hoe kan dezelfde auto tegelijkertijd door twee tolpoortjes gaan? De wetenschappers begrijpen het niet en dat is nog niet eens hun grootste probleem. Nu wordt het pas echt merkwaardig.

Als er een detector bij een van de spleten wordt geplaatst om te zien welke opening het elektron precies kiest, is er na de test geen interferentiepatroon zichtbaar. Dit lijkt op een goochelaar die geen trucjes meer uitvoert zodra je hem aandachtig op de vingers kijkt. Bij observatie gedragen de elektronen zich als deeltjes en gaan zij braaf elk slechts door één opening. Geloof het of niet: het observeren en meten van het experiment blijkt dus van invloed te zijn op de uitkomst. Dus: als men wil meten welke opening de elektronen of atomen kiezen, gaan zij ieder nog maar door één spleet. Doe je geen detectiepoging, dan kiezen zij beide wegen tegelijkertijd en vormen zij samen een interferentiepatroon. Zelfs als je trucjes uithaalt (wel detectieapparaten, maar niet ingeschakeld), ‘weet’ het elektron kennelijk dat het geobserveerd wordt en ‘kiest’ het voor een enkele opening (meting ‘aan’) of reist het door beide openingen tegelijkertijd (meting ‘uit’) waarna zich – ook na verloop van tijd – interferentie voordoet.

Kan informatie zich sneller verplaatsen dan licht?

Misschien komt een briljante geest met een verklaring voor dit opmerkelijke fenomeen en je kunt er eindeloos over googelen maar veel wijzer word ik daar nog niet van. Ik vind het al lastig genoeg om het fenomeen rond deeltjes en golfjes te beschrijven, laat staan dat ik het werkelijk kan begrijpen. Maar ik moet dan (van mezelf) nadenken over mogelijke implicaties van wetenschappelijk onderzoek. Is het universum misschien zo samengesteld dat twee zijns-toestanden zich simultaan kunnen voordoen? Is informatie in staat zich sneller door de ruimte te verplaatsen dan het licht? Laat het universum zich op microniveau niet meer in de kaart kijken?

Met onze mensenogen kijken we al in een spiegel van raadselen. Als we verfijnde technische waarnemingsapparatuur inzetten om onze beperkte zintuigend bij te staan, lijkt het mysterie nóg groter te worden. Er is blijkbaar een werkelijkheid die zich aan onze waarneming onttrekt. Dat geloof ik. Wat denk jij?