Bizarre toestanden; NIEUW LICHT OP GOLF-DEELTJE DUALISME

WIE DE QUANTUMTHEORIE niet bizar vond had er weinig van begrepen, meende Niels Bohr in de jaren dertig. En inderdaad: wat moet ons gezonde

verstand aan met lichtgolven die zich ook als deeltjes manifesteren, met

elektronen die elkaar kunnen uitdoven? Om de problemen het hoofd te bieden kwam Niels Bohr met het begrip complementariteit: wat elektronen of fotonen zijn weet niemand, waar het om draait is hun duale karakter. Afhankelijk van de waarnemingsomstandigheden doen ze zich óf als golf voor, óf als deeltje.

Beroemd is in dit verband het experiment met de dubbele spleet. Wanneer een 'kanon' één voor één elektronen wegschiet, dwars op een scherm met twee evenwijdige spleten, en een rij detectoren achter het scherm registreert de doorgelaten elektronen, treedt interferentie op: op sommige plaatsen arriveren geen, op andere wel elektronen. Kennelijk gaat het elektron door beide spleten tegelijk en doven de materiegolven elkaar hier en daar uit.

Wie deze quantumrealiteit wantrouwt en met eigen ogen wil zien welke route een elektron precies volgt, betaalt een prijs: de daad van het lokaliseren, die deeltjes veronderstelt, vernietigt het op golven gebaseerde interferentiepatroon. Golven en deeltjes tegelijk kan niet, ze zijn complementair.

Als oorzaak van dit wederzijdse uitsluiten van golven en deeltjes noemde

Bohr het onzekerheidprincipe van Heisenberg. Dit dateert van 1927 en stelt dat de nauwkeurigheid in de bepaling van de positie èn de impuls (massa x snelheid) van een deeltje beperkt is. Wie de plaats van het elektron precieser wil, zal op de koop toe moeten nemen dat de onzekerheid in de impuls toeneemt. Ter illustratie laat Richard Feynman in deel 3 van zijn Lectures on Physics in een gedachtenexperiment een elektron, juist door een van beide spleten gevlogen, met een foton van een microscoop botsen. Het kaatsende lichtdeeltjes verraadt weliswaar door welke spleet het elektron vloog, maar na de botsing is de onzekerheid in de impuls, en daarmee in de vliegrichting, zo groot dat het interferentiepatroon geen kans meer krijgt. De daad van het waarnemen, zo schrijven de leerboeken, verknoeit het effect dat je ertoe

aanzette die daad te verrichten.

Het gevaar van deze redenering schuilt erin dat de botsing als een lokaal, klassiek proces wordt opgevat, en zo moet je juist niet naar quantumtheorie kijken. Sinds een jaar of vijftien woedt er dan ook onder

fysici een stevige grondslagendiscussie over de vraag of het golf-deeltje dualisme ook buiten Heisenbergs onzekerheidsprincipe om verklaard kan worden.

Ja, schrijven S. Dürr, T. Nonn en G. Rempe van de Universität Konstanz deze week in Nature, dat kan. De Duitsers komen tot deze uitspraak op basis van experimenten met een atoom-interferometer waarmee

ze interferentiepatronen van materiegolven bestudeerden, in dit geval rubidiumatomen. Eerst werden deze atomen sterk afgekoeld en opgesloten in een magneto-optische val. Af en toe mocht een wolkje rubidiumatomen via een vrije val naar beneden ontsnappen. Met een snelheid van 2 m/s doorsnijdt deze gepulste rubidiumbundel achtereenvolgens twee staande microgolven, met als effect dat de materiegolven gesplitst worden in afzonderlijke bundels. Samen maken die een interferentiepatroon, opgemeten door de rubidiumatomen met een laser in een hogere energietoestand te brengen en te kijken waar fluorescentie-fotonen opduiken.

Vervolgens gaven Dürr et al. de rubidiumatomen informatie mee (door

hun interne energieniveau met microgolfstraling te beïnvloeden) die

de experimentatoren in staat stelde hun route in de interferometer te achterhalen. Onmiddellijk verdwenen de interferentieringen, ook als het werkelijk uitlezen van de labels achterwege bleef: de optie volstond. Wel wisten de Duitsers de omhullende curve op te meten waarbinnen het interferentiepatroon van de rubidiumgolven zich had moeten aftekenen. Deze bleek nagenoeg even breed als die van het werkelijke interferentiepatroon, wat betekent dat de microgolven bij het labellen nauwelijks een stoot hebben uitgedeeld - in ieder geval lang niet groot genoeg om via Heisenberg het wegvagen van het interferentiepatroon te verklaren.

Resteert de vraag wat dan wel de oorzaak is van de complementariteit. Nadere analyse in Konstanz bracht aan het licht dat de verklaring ligt in de samengestelde quantumtoestand die de microgolven en de materiegolven met elkaar aangaan. Het idee van de samengestelde (entangled) toestand is in 1935 geïntroduceerd door Erwin Schrödinger. Het berooft quantumeenheden van hun welomschreven toestand en als deel van een groter geheel verliezen ze hun identiteit. Het labellen van de gevolgde routes heeft, zo blijkt uit theoretische analyse, als direct gevolg dat de golven langs die routes niet langer met elkaar kunnen interfereren, zodat het ringenpatroon oplost. Schrödingers samengestelde toestanden met de omgeving, en niet Heisenbergs onzekerheidsrelaties, maken de quantumtheorie bizar.

Schematische weergave van de atoom-interferometer. De inkomende bundel rubidium-materiegolven A wordt door microgolven tweemaal gesplitst. De uittredende bundels D en E, en F en G, met onderlinge afstand d, leveren

samen een interferentiepatroon met pieken en dalen. Ook de omhullende van het patroon is aangegeven.