Quantumfysica lost einstein Schrödingers raadsel op?

Het is misschien wel het grootste raadsel in de quantumtheorie: zijn grote objecten net zo vaag als kleine deeltjes? Theoreticus Igor Pikovski claimt het antwoord te hebben. Met dank aan Einstein.

De Oostenrijkse fysicus Schrödinger illustreerde het quantumraadsel door zijn kat in gedachten in een doos te stoppen. Volgens de quantumtheorie kunnen deeltjes in een mengvorm van toestanden verkeren. Kan dat ook met grotere voorwerpen, ofwel: kan de kat tegelijkertijd dood en levend zijn? Beeld Renate Beense

Ze zijn er eigenlijk wel aan gewend, de bewoners van Huttenstrasse 30 in Zürich, Zwitserland. Aan nerdy toeristen die ietwat gegeneerd aanbellen en willen weten waar de kat is. De ijzeren kat op ware grootte die ze op Wikipedia hebben gezien en die naar verluidt afhankelijk van de lichtval levend of dood lijkt.

De kat, is dan het antwoord, staat in de achtertuin. En die is helaas niet open voor het publiek. Maar niettemin dank voor de belangstelling.

Die kat, dat is de kat van Schrödinger. Bijna een eeuw geleden woonde in dit fraaie geelgesausde appartementengebouw met krullerige zandstenen balkons namelijk de zwierige Oostenrijkse fysicus Erwin Schrödinger. Rokkenjager, dandy en onder collega-natuurkundigen een legende om zijn briljante eigen versie van de quantumfysica, waarin golven en waarschijnlijkheden de hoofdrol spelen.

Maar niet alleen onder collega's is de Oostenrijker beroemd. Het was Schrödinger die in 1935 misschien wel het bekendste raadsel van de quantumtheorie formuleerde. Zijn eigen kat en een doos moesten illustreren tot welke merkwaardige inzichten de toen nieuwe theorie van de kleinste deeltjes leek te leiden.

Intact én vervallen

Deeltjes, zo is het idee van de quantumtheorie, verkeren in een mengvorm van toestanden zolang er niet een meting aan wordt gedaan. Een radioactief atoom in een doos bijvoorbeeld, is in die zin tegelijk nog intact én vervallen zolang er niet naar wordt gekeken. Als de doos opengaat, wordt één van beide mogelijkheden werkelijkheid.

Maar hoe zit dat met grotere objecten? Vertonen honderd atomen samen nog steeds dezelfde quantumvaagheid? En honderdduizend? Een virus? Een zandkorrel? Heeft een onbespiede erwt wellicht nog deeltjeseigenschappen?

Schrödinger zette in gedachten zijn huisdier in een doos met een klein beetje radioactief materiaal, een geigerteller die verval signaleert en een mechaniek dat in dat geval een ampul blauwzuur breekt en de kat doodt. Als het atoom volgens de quantumtheorie zowel heel als vervallen is, dan is op dezelfde manier de kat tegelijk levend en dood. Een superpositie van toestanden, noemen natuurkundigen dat. In dit geval van een dode en een levende kat.

Beeld -

Quantumvaagheden overleven het niet

Vormen de talloos veel miljoenen moleculen van Schrödingers kat daarmee een echt quantumvoorwerp? In de praktijk bleek de discussie die hij probeerde te voeren niet erg besteed aan de meeste natuurkundigen. Zij hadden hun handen vol aan de wonderen van de deeltjeswereld zelf en stelden onder aanvoering van de Deense voorman Niels Bohr pragmatisch vast dat grote objecten geen quantumgedrag vertonen. De reden daarvoor was in elk geval intuïtief duidelijk: een groter object heeft zo veel mogelijkheden om wel contact te maken met de buitenwereld, dat quantumvaagheden het geen moment overleven.

Dat gevoel concreet maken, blijkt echter al decennia lastig. Er zijn kasten vol publicaties bij elkaar getheoretiseerd hoe groot het tikje van buiten moet zijn om een quantumsysteem tot een keuze voor een bepaalde toestand te dwingen. Volgens sommige theoretici is iedere blik in de doos van Schrödinger al afdoende, volgens anderen is heel voorzichtig gluren best mogelijk. Intussen doen fysici in hun labs experimenten met hele atomen en zelfs moleculen die zich nog als vage quantumdeeltjes gedragen. Het wereldrecord staat op moleculen met elk 800 atomen. Onzichtbaar met het blote oog, maar toch al een wereld van verschil met een los elektron.

Maar ergens blijft de vraag knagen hoe groot een quantumobject dan wel precies kan worden, voordat het zijn vaagheden vanzelf afschudt. Vergeet Schrödingers kat, is het antwoord van de jonge theoretische natuurkundige Igor Pikovski van de Universiteit van Wenen en Harvard University. Vorig jaar in zijn proefschrift en nu ook in Nature Physics laat hij zien dat objecten van een duizendste millimeter al niet meer in verschillende toestanden tegelijk kunnen voorkomen. Een zandkorrel is al duidelijk te groot.

Andere boeg

Het lijkt de zoveelste schatting, maar Pikovski gooit het over een verrassend andere boeg dan al zijn voorgangers. Niet het contact met de rommelige buitenwereld is maatgevend voor het verdampen van de quantumvaagheid van een object. De zwaartekracht is de boosdoener, denkt hij. Zelfs als een systeem perfect geïsoleerd is en niemand in de doos kijkt, houdt de quantumwereld ergens op.

Op het eerste gezicht is dat merkwaardig, want de zwaartekracht kan weliswaar planeten en manen bij elkaar houden, en hele zonnestelsels, maar atomen en moleculen merken er weinig van. Maar volgens Pikovski draait het ook niet om de kracht, maar om het effect van zwaartekracht op de tijd. Volgens Einsteins algemene relativiteitstheorie (dit jaar een eeuw oud) lopen klokken trager naarmate de zwaartekracht sterker is. En dat is meer dan een theorie; een hoogteverschil op aarde van centimeters laat de beste atoomklokken al meetbaar met elkaar uit de pas lopen.

Dat gravitatie-effect speelt objecten al parten als ze groter worden dan een paar micrometer, rekent Pikovski uit. In dat geval wordt het onmogelijk om één samenhangend quantumgeheel te vormen, omdat de uiteinden onvoldoende gelijke pas kunnen houden in de tijd. 'Einstein vermoordt Schrödingers kat', kopte Nature vorige week.

De Utrechtse emeritus hoogleraar Dennis Dieks, een specialist in de grondslagen van de quantumtheorie, zegt verrast te zijn door het argument dat zwaartekracht er op deze kleine schaal al toe doet. Het effect, zegt hij, is sterker dan hij zou hebben verwacht. 'Al heb ik wel het idee dat andere verstoringen in veel gevallen belangrijker zijn, het is zeker een toevoeging.'

Intrigerend

Dat zwaartekracht quantumgedrag beïnvloedt is een intrigerend idee, zegt ook quantumfysicus en Spinozaprijswinnaar Dirk Bouwmeester van de universiteiten van Leiden en Californie, Santa Barbara. In Leiden werkt hij met microscopische spiegeltjes aan experimenten om uit te zoeken waar precies de grenzen van het quantumdomein liggen. Hij kent Pikovski goed; als student op Harvard droeg hij in zijn masterstudie zelfs bij aan de theorie achter Bouwmeesters proeven. 'Igors idee dwingt ons na te denken over de oriëntatie van onze experimenten en de vraag of hoogteverschillen er misschien ook nog toe doen. Heel motiverend.'

Anderzijds, zegt de Amsterdamse theoreticus Jasper van Wezel, is de oorspronkelijke kwestie van de kat in de doos hiermee niet opgelost. 'Decoherentie laat zien dat de levende en dode kat niet langer met elkaar kunnen interfereren, en dat typische quantumeffecten dus niet waarneembaar zijn in een kat. Maar het verklaart niet hoe de keuze tussen een levende en dode kat wordt gemaakt. Daar is ook na dit artikel nog steeds een verklaring voor nodig.'

Meer over

Wilt u belangrijke informatie delen met de Volkskrant?

Tip hier onze journalisten


Op alle verhalen van de Volkskrant rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright @volkskrant.nl.
© 2019 de Persgroep Nederland B.V. - alle rechten voorbehouden