Hoe komen ruimte, tijd en zwaartekracht tevoorschijn uit de kwantumfysica?

In een eerder bericht van mij schreef ik al hoe volgens de Kopenhaagse interpretatie niet alleen materie maar ook tijd gecreëerd wordt door de meting.

Deze keer mijn kanttekeningen bij een bijzonder interessant interview van Steven Strogatz met Sean Carroll geplaatst in Quanta Magazine op 4 mei 2022. Steven Strogatz is een hoogleraar wiskunde, Sean Carroll een kwantumfysicus die zich bezighoudt met kwantumzwaartekracht.

De uitspraken van Sean Carroll in dit interview vond ik uiterst boeiend. Ik neem daarom hier de moeite om op een aantal van zijn uitspraken in te gaan. Het hele interview is hier te lezen. Over het onderwerp – de emergentie van ruimtetijd uit de kwantumwereld heeft hij ook een boek gepubliceerd.

Overigens is Sean Carroll ook een advocaat van de vele-werelden interpretatie van de kwantumfysica. Een hypothese die niet de mijne is. Lees ‘Multiversa en de dubbelspleet‘.

Relativiteit en kwantumfysica

Ten eerste relativeert Carroll het belang van de relativiteitstheorie van Einstein vanuit de positie van de kwantumfysica:

C: ‘Yeah, you know, we think of relativity, the birth of relativity in the early 20th century, as a giant revolution in physics. But it was nothing compared to the quantum revolution that happened a few years later’.

Toch wordt in de speciale relativiteitstheorie al uiterst revolutionair de relatie gelegd tussen tijd en ruimte, tussen energie en materie, al wordt de theorie nog gerekend tot de klassieke fysica. Tijd en ruimte zijn elastisch en relatief ten opzichte van de waarnemer. Dat elastische is beslist niet meer klassiek te noemen. De belangrijke rol van de waarnemer komt al naar voren, al heeft Einstein die ontkend. Je zou kunnen zeggen dat relativiteit de weg heeft voorbereid voor de nog schokkender boodschap van de kwantumfysica.

Kwantumfysica is de echte fundamentele fysica – op elke schaal

C: ‘We’ve accepted that quantum mechanics is a more fundamental version of how nature works. Quantum mechanics is the theory of how the world works. What happens at small scales is that classical mechanics fails. So, you need quantum mechanics. Classical mechanics turns out to be a limit, an approximation, a little tiny baby version of quantum mechanics, but it’s not the fundamental one.’.

Eindelijk iemand die het duidelijk zegt. Kwantumfysica is niet beperkt tot de wereld van het atomaire, het is een fundamenteel correctere beschrijving van de wereld op elke schaal. Klassieke fysica is het speciale geval, die juist goed voorspelt op de schaal van onze zintuigen.

C: ‘And we kind of tend to think of the world in classical terms. Classically, things have positions, and they have locations — positions and velocities. Quantum mechanically, that’s not true.’

De ervaring van de wereld op onze zintuig schaal bepaalt hoe wij over de wereld denken, over wat wij ons kunnen voorstellen. Er zijn dingen, permanent een positie in de ruimte innemend. Maar het is een fout beeld. De wereld zoals wij die ervaren bestaat niet echt zo.

Er is geen procedure die je van de klassieke fysica naar de kwantumfysica brengt

C: ‘So there’s supposed to be, in some sense a map from the space of classical theories to quantum theories, okay? The quantization procedure. This is all a complete fake. I mean, it sort of is a kludge that works sometimes, but this purported map from classical theories to quantum theories is not very well-defined’

We proberen nog steeds de kwantumfysica te begrijpen vanuit een klassieke basis. De basis van de concrete dingen. We gebruikten en gebruiken nog steeds een procedure om de klassieke beschrijving om te zetten naar de kwantumfysische, de kwantisatie. Zo leren fysicastudenten om van de klassieke basis, die ze daarvoor geleerd hebben, over te stappen naar de kwantumfysica. Maar het klopt helemaal niet. Kwantisatie levert oneindigheden op in je vergelijkingen en die konden we nog met mathematische trucs weg normaliseren bij de elektromagnetische krachten. Maar bij de zwaartekracht lukken dat soort trucs niet meer. Kwantisatie levert daar volledige onzin op.

C: ‘But then there’s a whole set of more deep conceptual issues, not only do you not know what to do, you don’t know what you’re doing. Because, with everything else, every other theory other than gravity, it’s very clear what’s going on. You have stuff inside space-time. The stuff has a location, right? It has a point in space, it’s moving through time. Even if you have a field, it has a value at every point in space, etc.’

 Zolang je uit blijft gaan van de klassieke concepten, zoals objecten in ruimte en tijd, gaat het mis. Je weet niet echt wat je aan het doen bent. Je begrijpt het niet.

Vóór de kwantumfysica was het vanzelfsprekend wat een meting was

C: ‘Well, it is, because remember, [..] classically, for a particle, you have a very clear notion of where it is, its location, and how fast it’s moving. And you could measure those things. The whole spookiness of quantum mechanics is that to define what you mean by quantum mechanics; you have to use words like “observation” and “measurement.” That was never true in classical mechanics, you just measure whatever you want, it was perfectly trivial and straightforward. [..] But we don’t understand quantum mechanics. Even though it’s been around for almost 100 years. We don’t agree on what quantum mechanics is saying, because of these weird words like measurement and observation.’

Hier komen duidelijk de grote pijnpunten ter sprake. In de klassieke fysica was het niet nodig om zaken als waarneming en meting te omschrijven, in de kwantumfysica zijn die wel nodig, maar we zijn het er nog steeds niet over eens wat dat nu precies is.

C: ‘So I don’t think that there is any such thing as a position or a velocity of a particle. I think those are things you observe, when you measure it, they’re possible observational outcomes, but they’re not what is — okay, they’re not what truly exists. And if you extend that to gravity, you’re saying that what we call the geometry of space-time, or things like location in space, they don’t exist. They are some approximation that you get at the classical level in the right circumstances. And that’s a very deep conceptual shift that people kind of lose their way in very quickly.’

Er zijn geen dingen met een positie en snelheid. Wat er uit een meting mogelijk tevoorschijn komt is niet dat wat al bestaat. Dat is nogal een uitspraak, niet?  Maar Bohr en Heisenberg hadden dit al gezegd.

Emergentie van ruimte en tijd

Daarna spreekt Carroll over zijn idee dat ruimtetijd emergent is op dezelfde manier als de macroscopische eigenschappen van een gas emergent zijn en voortkomen uit de atomaire eigenschappen waarbij er bij die emergentie niets eigenlijk fundamenteel nieuws ontstaat. Dat heet zwakke emergentie. De ruimtetijd emergentie is ook een zwakke emergentie volgens Carroll. Dat betekent dat er een fundamenteel andere werkelijkheid ligt onder de macrowerkelijkheid en dat we die eerst onder de knie moeten krijgen. Dus niet onze klassieke modellen kwantiseren maar iets heel fundamenteel nieuws opzetten. We moeten daarom afscheid nemen van het klassieke idee van lokaliteit. Dat is de boodschap van verstrengeling. Verstrengeling schendt lokaliteit. Carroll keert dan de vraag om, waarom is er zoveel lokaliteit in het universum dat wij waarnemen als het niet fundamenteel is?

C: ‘Locality is just the idea that if I poke the universe at one point in space-time, the effects of that poke will happen at that point, and then they will ripple out…. So then, if you believe that locality is fundamental like that, then you’re sort of asking this question, why does the universe almost violate that but seem to not quite? That’s the puzzle that we have. It’s “why is there locality at all?”’

Kunnen we dus de werkelijkheid zoals wij die ervaren met haar lokaliteit in ruimte en tijd afleiden uit wat we weten van de kwantumfysica?

C:’ We just have an abstract quantum wavefunction and we’re asking, can we extract reality as we know it from the wavefunction? Space-time, quantum fields, all of those things’
C: ‘So, in the real world, we have, to a very good approximation, the world is run by what we call quantum field theory. Okay, so, the stuff of the world, the particles and the, you know, the forces, etc., all come from fields that spread all throughout space and time and have a quantum mechanical nature.

Ruimte, tijd en verstrengeling

Kunnen we dan via de kwantumgolffunctie de relatie vaststellen tussen non-lokale verstrengeling en fysieke afstand in ruimtetijd?

C: ’Okay, so, the stuff of the world, the particles and the, you know, the forces, etc., all come from fields that spread all throughout space and time and have a quantum mechanical nature. The quantum state of the fields at these two points in space, is it entangled? And then what you can do is take two different points of space-time, at some distance between them, and because there’s still things there, because there still are fields even in empty space, you can say, is there entanglement between these two points of space? And the answer is yes, it is always going to be entangled. And in fact, more than that, if the points are nearby, the fields will be highly entangled with each other. And if the fields are far away, the entanglement will be very, very low. Not zero, but very, very low. So, in other words, there is a relationship between the distance between two points and their amount of entanglement in the lowest-energy state of a conventional quantum field theory. Let me assume, let me put out there as an ansatz [a mathematical assumption], that when the entanglement is strong, the distance is short. And I’m going to define something called the distance. And it’s a small number when the entanglement is large, it’s a big number when the entanglement is small. But the point is that if we follow our nose, if we say we start not with space, but with entanglement, how should it behave? How should it interact?

Kort gezegd, hoe krachtiger de verstrengeling tussen twee punten in de ruimte, hoe dichter ze bij elkaar zijn. Dat is Carrolls hypothese. Met andere woorden, wij ervaren (meten) afstand in de ruimte en tijd via kwantumverstrengeling in het non-lokale kwantumveld! Afstand in ruimte en tijd zijn geen fundamentele begrippen meer. Daarmee wordt de door de waarnemer ervaren elasticiteit in afmetingen in tijd en ruimte die volgt uit de relativiteitstheorie, wat mij betreft een stuk begrijpelijker.

Ik ben benieuwd waar dit heengaat.

2 antwoorden op “Hoe komen ruimte, tijd en zwaartekracht tevoorschijn uit de kwantumfysica?”

  1. Ik ben reeds 57 jaar zoekende en dat is begonnen in een les chemie met de verklaring dat een kern in een atoom kan voorgesteld worden als een erwt in het midden van de eifeltoren. Dit heeft me nooit meer losgelaten en ik ben dan na mijn pensioen 10 jaar geleden intensief op zoek gegaan.
    Via het boek “Kwantumfysica, informatie en bewustzijn” en de latere berichten vind ik eindelijk bevredigende antwoorden.
    Alleen weet ik niet goed hoe ik hiermee moet omgaan in “het dagelijks leven”. Wat moet ik denken over veroudering, aftakeling, zorgen, oorlogen, dood enz … ?

  2. Beste Jos, het antwoord op die vraag is natuurlijk persoonlijk. De fysica geeft daar geen antwoord op. Maar lees mijn vorige bericht ‘Materialisme en zijn desastreuze gevolgen’ nog eens. Daar zeg ik er wat over.

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *