Een bijzonder hardnekkig misverstand

Het duikt steeds weer op in berichten over kwantumverschijnselen: ‘Afhankelijk van de wijze waarop wordt gemeten manifesteert het kwantumobject zich als deeltje of als golf.‘ Nee, nee en nog eens nee, dat is wat mij betreft niet het juiste beeld.

Zo’n uitspraak wekt de indruk van een object dat zich weloverwogen aanpast aan de gebruikte meetmethoden en dan beslist of het zich als golf of als deeltje laat zien. Geen wonder dat veel mensen hier al afhaken.

Dit verkeerde beeld, dit misverstand, heeft zijn oorsprong in het beeld dat wij vanaf onze vroegste herinneringen binnengelepeld hebben gekregen. Het beeld van de wereld die onafhankelijk van ons bestaat en waarin wij de rol van toeschouwer vervullen, als een toevallige omstander die er ook net zo goed niet had hoeven te zijn. We zijn gewend om ons iets, een ding, voor te stellen als iets dat er gewoon IS en er altijd geweest is. Dat doen we zelfs als het zich al naargelang de manier waarop we ernaar kijken ineens totaal anders en uiterst dubbelzinnig voordoet, zoals bovengenoemd kwantumobject.

Het is veel ongebruikelijker om ons voor te stellen dat het ding er is OMDAT we het waarnemen, dat het vóór onze waarneming niet bestond en ná onze waarneming er niet meer is. Als we dat zouden doen krijgt dan het ding eigenschappen die we doorgaans aan dromen en gedachten toeschrijven en niet aan ‘echte’ dingen. Die manier van voorstellen past slecht in het gebruikelijke beeld van de permanentie van onze wereld. Toch leert de kwantumwereld ons dat dat beeld van een objectieve permanente wereld hoogstwaarschijnlijk niet waar is.

Kijken naar het dubbele spleet experiment

Het dubbele spleet experiment is een cruciaal experiment in de kwantumfysica. Laten we daarom eens gaan kijken naar dat dubbele spleet experiment.

Als we een groot aantal deeltjes, fotonen, electronen of zelfs grote moleculen, door een dubbele spleet vuren dan onstaat er een interferentiepatroon. Dat is een patroon van lichte en donkere banden. Dat patroon ontstaat ook als we dat deeltje voor deeltje doen. Ook na lange tijd vuren blijken bepaalde gebieden niet of nauwelijks geraakt te worden, dat zijn de lichte banden in bovenstaand plaatje. Kijk u even dit filmpje: The Double Slit Experiment Performed With Electrons

Zo’n interferentiepatroon is het gevolg van golfgedrag. Het treedt op als golven elkaar op bepaalde plekken versterken of uitdoven al naargelang respectievelijk hun synchrone gelijkgerichte of juist tegengestelde beweging. Bekijk dit YouTube filmpje voor een zeer verhelderende demonstratie van twee spleten interferentie.

Er is een mathematisch verband tussen de onderlinge afstanden van de banden van het patroon, de afstand tussen de spleten, de afstand van de spleten tot het scherm en de golflengte maar daar hoeven we hier niet op in te gaan om te begrijpen wat er plaatsvindt.

Een dergelijk interferentiepatroon ontstaat alleen als de golven dezelfde frequentie en golflengte hebben. Dat is het geval als twee golfbronnen synchroon trillen. De twee spleten fungeren hier als die bronnen die in fase trillen. De nogal schokkende gevolgtrekking die uit dit patroon wordt gemaakt is: ‘Elk deeltje vertoonde golfgedrag en moet dus ook een golf geweest zijn’. Dat geldt dus ook voor electronen en zelfs voor grote moleculen van meer dan 800 atomen.

Kijken bij de spleet

Als we nu het experiment nu zodanig aanpassen zodat we van elk deeltje kunnen vaststellen door welke spleet het is gegaan dan verdwijnt het interferentiepatroon en krijgen we een patroon dat je het beste kunt beschouwen als twee enkele spleet patronen die over elkaar heen geprojecteerd worden en daardoor eigenlijk niet meer te onderscheiden zijn van een enkele spleet patroon. Elk van de twee spleten produceert nu een enkele spleet patroon, een lichtvlek met de hoogste intensiteit in het centrum, op vrijwel dezelfde plek op het scherm.

De correcte conclusie is dat de golven die door de spleten heen gaan nu niet meer met elkaar interfereren. De relatie tussen die twee golven waardoor ze elkaar op vaste voorspelbare plekken uitdoven of versterken is verdwenen. De conclusie die nu vaak wordt getrokken dat we nu deeltjesgedrag zien slaat eigenlijk nergens op. Het enkele spleet patroon is nog steeds voor 100% golfgedrag, alleen we zien geen interferentie meer zoals die optreedt bij twee synchrone golfbronnen. Het lijkt er meer op dat elke golf die bij een deeltje hoort nu uit maar een van de spleten komt en niet meer uit allebei. En dat is precies wat er hier aan de hand is.

Hoe wij de wereld zien als een verzameling van dingen

‘.. we van elk deeltje kunnen vaststellen door welke spleet het gegaan …‘. Let op hoe deze zin is geformuleerd. Impliciet zit hier de aanname al in dat er sprake is van een deeltje dat een traject aflegt en dat daarbij door een van de spleten reist. Dat is een vooronderstelling die voortspruit uit de manier waarop wij van kindsaf aan de wereld om ons heen hebben leren kennen. En het blijkbaar ontzettend moeilijk vinden om die los te laten. Een op een doel afgeschoten kogel is toch op elk onderdeel van het afgelegde traject geweest? Of niet soms?

De simpele hypothese: de waarneming laat het deeltje verschijnen

Probeer nu , al is het maar voor even, die vooronderstelling los te laten. Stel je het even voor, er is geen deeltje dat een traject aflegt, er is alleen maar een golf. Een golf die bijzonder intiem verbonden blijkt met onze waarneming van het deeltje. Hoe dat werkt stellen we hier nog even uit. Een golf die eindigt als wij een waarneming doen. Een waarneming wil dan zeggen dat wij vaststellen dat er een deeltje op dat moment en op die plaats was. Meteen nadat onze waarneming gedaan is, is het deeltje er niet meer maar is er weer een golf die daar begint waar wij het deeltje het laatst hadden waargenomen. Kijk nu met deze hypothese weer naar de versie van het dubbele spleet experiment waar we konden vaststellen door welke spleet het deeltje ging. Kunnen we het verdwijnen van de interferentie dan beter begrijpen?

Probeer daarom de volgende vijf logische stappen te volgen:

1. Volgens deze hypothese is het de waarneming, in dit geval door welke spleet het deeltje ging, die het deeltje in een van de spleten liet verschijnen.
2. Dat verschijnen in de spleet betekent impliciet het eindigen van de golf.
3. Als de waarneming gedaan is dan was het deeltje er alleen maar ‘daar en op dat moment’ en vertrekt er onmiddellijk daarna weer een golf uit de spleet om uiteindelijk op het scherm achter de spleet terecht te komen.
4. Aangezien het deeltje niet in beide spleten verscheen – laten we in elk geval maar aannemen dat er geen magische deeltjesverdubbeling plaatsvindt – hebben we nu nog maar één enkele golfbron.
5. Er is nu dus wél een golf – tussen de dubbele spleet in het scherm – maar er is geen interferentie meer, aangezien we daar nu eenmaal twee synchroon trillende golfbronnen voor nodig hebben.

Hiermee geeft deze hypothese, de waarneming laat het deeltje verschijnen, een volledige en logische verklaring van het verdwijnen van de interferentie wanneer we gaan meten bij de spleet.

Twee in tijd achtereenvolgende waarnemingen in één experiment

Als de golf op het scherm valt dan nemen we daar een lichtpuntje waar. Dat is in principe ook weer een waarneming. Dus als we de meetopstelling zo inrichten dat we kunnen waarnemen in welke spleet het deeltje verscheen dan hebben een meetopstelling gecreëerd met twee achtereenvolgende locaties voor waarnemingen. Eén in de spleet en de ander op het scherm achter de spleten. Dat is het cruciale aspect in een experiment waar we meten bij de spleet.

We moeten dus niet zeggen dat het waargenomen object zich gedraagt als een golf of een deeltje afhankelijk van de manier van waarnemen. In beide opstellingen is het consequent zo dat er een golf is die telkens door een waarneming even resulteert in de manifestatie van een deeltje. In de opstelling waar we kijken in welke spleet het deeltje verscheen doen dus we gewoon twee achtereenvolgende waarnemingen waardoor een golf zich twee keer achtereen manifesteert als deeltje. De meting beïnvloedt direct het gemetene en twee achtereenvolgende metingen op twee locaties binnen de opstelling geven daarom logischerwijs een andere uitkomst dan een enkele meting alleen bij het scherm. Alsof je bij biljarten de rollende bal onderweg nog een stoot geeft en dan verbaasd kijkt dat dat het resultaat beïnvloed. Daar hoeven we dan echt geen intelligente bal voor te veronderstellen.

Geen deeltje en golf tegelijk maar een kansgolf

Als we er op die manier naar kijken dan is er dus geen sprake meer van een deeltje dat zich qua eigenschappen aanpast aan onze manier van meten. Het hele proces verloopt duidelijk en uiterst voorspelbaar, zolang we niet meten is het object dat we willen meten een golf, zodra we meten waar het object zich bevond en wanneer dat was vinden we het object als daar geweest zijnde. Het meten en de manifestatie van het object worden daarmee identiek!

Nu wordt de vraag wat die golf dan is en waaruit die bestaat natuurlijk levensgroot. Het antwoord op die vraag is al voorgesteld door de fysicus Max Born in het begin van de 20e eeuw. De kwantumgolf is in zijn voorstel een golf die op de juiste manier geïnterpreteerd de waarschijnlijkheid per plaats en tijd, waar en wanneer, voorstelt om het object aan te treffen bij een meting. De kwantumgolf geeft ons dus een voorspelling maar geen exacte. Het is een statistische, net als bij het werpen met een dobbelsteen de kans om precies een zes te gooien 1/6 is en dat de voorspelling van de gemiddelde uitkomst van een worp 3,5 is. Overigens ging Max Born er nog van uit dat het deeltje door de golf ‘geleid’ werd. Die interpretatie is later losgelaten.

Kwantummechanica is statistiek

Statistiek is dé manier waarop in de kwantummechanica zeer precies de resultaten van experimenten worden voorspeld. Bij de grote aantallen elementaire deeltjes die bij objecten groter dan een paar micrometer al spelen is de uitkomst aan de hand van deze kansen uiterst precies te voorspellen. Net zo als de gemiddelde uitkomst van honderd miljard keer werpen met een ideale dobbelsteen precies 3,5 zal zijn met een afwijking die we pas ergens na de 8e decimaal zullen vinden. Veel kwantumfysici willen wel aanvaarden dat het deeltje zich slechts bij meting manifesteert maar over hoe de meting dat doet zijn ze het onderling nogal oneens gezien het grote aantal verschillende interpretaties. De meeste interpretaties proberen de objectieve permanentie van de wereld te redden maar slagen daar nog steeds niet overtuigend in. In technische toepassingen gebruiken kwantumfysici gewoon de statistische berekeningsmethoden – shut up and calculate – en laten de interpretatie over aan de twistende theoretici.

De eenvoudigste verklaring is meestal de beste

Zoals ik in het begin al schreef betekent de aanname, dat het ‘ding’ alleen verschijnt omdat we kijken en dat het er niet is als we niet kijken, dat de werkelijkheid die we waarnemen dezelfde kwaliteit krijgt als gedachten en dromen. Als dat nu de aanname is die ons de meest simpele ondubbelzinnige verklaring geeft van het dubbele spleet experiment dan is die misschien toch niet zo gek als het u waarschijnlijk aanvankelijk in de oren klonk. We kunnen ons met deze hypothese elk onderdeel in het dubbelspleet experiment goed voorstellen zonder te pogen om deeltjes die tegelijkertijd golven zijn te visualiseren. Wellicht is het idee dat de wereld er altijd is, onafhankelijk van ons, een zeer hardnekkig misverstand. Dat is mijn overtuiging. De wereld is er omdat wij die waarnemen. Dat geldt dan ook voor het Covid-19 virus uiteindelijk. Natuurlijk roept dat weer een aantal andere vragen op. Kijkt u daarvoor maar eens op een andere pagina op deze website.

Wat is werkelijkheid eigenlijk?

De kwantumfysica vertelt ons dus een heel andere boodschap dan onze zintuigen. De wereld bestaat omdat wij die al ervarend creëren. Als dat nog niet geloofwaardig mocht zijn, bekijkt u dan eens deze video.