Decoherentie en Informatie

Het dubbele spleetexperiment

Figuur 1: Dubbele spleet interferentie met oppervlaktegolven.© Joerg Enderlein
Richard Feynman zei graag dat alle kwantumfysica kan worden afgeleid door zorgvuldig na te denken over de implicaties van dit enkele experiment, dat het daarom de moeite waard is om het te bespreken.

Die aanbeveling van Feynman is inderdaad een uitstekende en die zullen we volgen. Je hoeft er geen wiskundeknobbel voor te hebben maar alleen maar logisch te kunnen denken. Op zich is dat al vrij lastig voor veel mensen natuurlijk (lees Thinking Fast and Slow van Kahnemann) maar beslist niet buiten het bereik van mensen met een gemiddelde intelligentie als ze de moeite nemen om zorgvuldig te denken.

Vrijwel alles wat ik over de kwantumfysica en haar interpretatie te zeggen heb is uiteindelijk gebaseerd op het in wezen simpele dubbele spleet experiment. Een groot deel van de meeste actuele en interessante kwantum experimenten is ook hierop gebaseerd. Het betreft steevast kwantumgolven die – na even verschillende wegen afgelegd te hebben – weer bij elkaar komen om met zichzelf te interfereren. Ze doven elkaar uit of versterken elkaar op verschillende plekken in een vast patroon. Andere interessante interferentie experimenten zijn de Mach-Zehnder experimenten maar daar gaat het hier nu even niet over.

Een eindeloze golf van mogelijkheden

Figuur 2: Dubbelspleet experiment met golven. Uitwaaierende lijnen van maximale uitwijking ontstaan door superpositie van twee golfpatronen.

De praktische interpretatie van de kwantumgolf, ook wel toestandsgolf genoemd, is dat het een golf is die alle potentiële materiële manifestaties van het bestudeerde object in zich heeft (superposities) en die zich dynamisch in ruimte en tijd uitbreidt totdat de golf op zijn weg een fysisch detectie instrument raakt.

Bij die ontmoeting manifesteert het object zich, potentie wordt fysieke presentie, en de golf verdwijnt tegelijkertijd in het niets.

Je kunt ook zeggen dat er slechts één van het oneindige spectrum van mogelijke materiële manifestaties die de golf bevat, overblijft en zich dus manifesteert en dat de rest daarvan spoorloos in het niets verdwijnt. De golf is dan het deeltje geworden.

Figuur 3: De blinde monniken en de olifant.

Die abrupte overgang is de zogenaamde kwantumcollaps waarvoor er meer hypotheses zijn bedacht dan er waren in het geval van de acht blinde monniken en de olifant.

Dubbele en enkele spleet patronen

Bij een dubbele spleet krijgen we een interferentiepatroon te zien, bij een enkele spleet overigens ook maar dat ziet er heel anders uit. In het midden van het enkele spleet patroon zien we een vlek met in het midden een maximale helderheid die naar de randen afneemt tot nul en dan nog enkele kleine maxima links en rechts daarvan. Die kleine maxima zijn het resultaat van effecten die de golf ondervindt bij de randen van de enkele spleet. Dat heet diffractie. De golf buigt bij de randen namelijk af van zijn hoofdrichting. De golven die van de linker- en van de rechterzijde van de spleet komen interfereren ook op hun weg naar het scherm.

Figuur 4: Huygens principe voor golven die een enkele spleet passeren

Er is dus een zeer duidelijk verschil tussen het patroon dat ontstaat achter een enkele spleet en achter een dubbelspleet. Beide patronen laten interferentie zien en zijn daarom het gevolg van golfgedrag.

Figuur 5: Het diagram aan de linkerkant toont het diffractiepatroon als gevolg van een enkele spleet. De breedte van dat patroon wordt bepaald door de spleetbreedte. @physics.stackexchange.com

Wat als we bij de spleten gaan kijken wat daar gebeurt?

Er wordt bij deze dubbele spleet experimenten duidelijk een belangrijke rol gespeeld door informatie. Dat ga ik uitleggen. Als we bij een willekeurig tweespleten experiment, of het nu om fotonen, elektronen, buckeyballs of nog grotere objecten gaat, het experiment zo inrichten dat het ook informatie beschikbaar maakt over de gekozen spleet, verschijnt het kenmerkende interferentiepatroon, de donkere en lichte banden, niet. In plaats daarvan is het resultaat een vlek die recht achter de spleten het helderst is en naar buiten in helderheid afneemt. Die vlek is het opgetelde resultaat van twee enkele spleet projecties die enigszins verschoven zijn ten opzichte van elkaar.

Figuur 6 – Kijken bij de spleet. Het object of zijn toestandsgolf manifesteert zich nu telkens in één van de spleten.
Figuur 7: Resultaat van ‘kijken’ bij de dubbelspleet door welke spleet het object ging. De grijze lijn is de opgetelde projectie van golven die telkens door maar één spleet gaan.

De meest voor de hand liggende en eenvoudige interpretatie van bovenstaand patroon is dat de kwantumgolf voor elk geobserveerd object slechts door één van beide spleten is gegaan. Het hoeft dus niet zo te zijn dat het object zich daadwerkelijk in de spleet heeft gemanifesteerd. De kans om het aan te treffen in de spleet was daar 100% op een zeker moment, maar de filosofisch interessante vraag is of dat hetzelfde is als een materiële aanwezigheid.

De invloed van informatie gemeten

In een belangrijk experiment uitgevoerd aan het Korea’s Institute for Basic Sciences (IBS) in 2021 is het effect op de interferentie gemeten van de hoeveelheid informatie over de gekozen spleet. In het artikel in Physicsworld zie ik de veelvuldig gemaakte denkfout dat het experiment de scheiding aantoont tussen kwantumgolfgedrag en deeltjesgedrag, door Niels Bohr complementariteit genoemd. Ik vind dat principieel fout omdat we in alle gevallen – achteraf – golfgedrag constateren dat uiteindelijk pas bij de detector in een waargenomen deeltje resulteert. Er is dus altijd een golf die zelf niet waargenomen wordt maar wordt aangenomen als verklaring van de verschijnselen, en er is altijd uiteindelijk een deeltje dat wel waargenomen wordt. Als u dat een subtiel verschil vindt dan heeft u gelijk, maar het is in de interpretatie die ik hieronder zal geven desalniettemin belangrijk.

Het effect in het Koreaans experiment is dat het interferentiepatroon dat we zien als we geen informatie over de gepasseerde spleet kunnen vaststellen, geleidelijk overgaat van een patroon als in figuur 2 – donkere en lichte banden – in een patroon als in figuur 7 – twee over elkaar gelegde enkele spleet projecties. Naarmate er meer informatie beschikbaar gemaakt wordt over de gepasseerde spleet komt het patroon meer overeen met figuur 7. De experimentatoren konden die informatie dus gecontroleerd gradueel vermeerderen of verminderen.

Conclusie: de informatie die het experiment kan opleveren speelt een cruciale rol in hoe de kwantumgolf zich door de spleten heen beweegt. Hoe meer informatie, hoe meer de golf door één van de spleten gaat lopen en hoe meer het enkele spleetpatroon getoond wordt. Er is in het experiment zelfs een mathematische relatie vastgesteld tussen de beschikbare informatie en de verdeling van de kwantumgolf over de spleten. Die ziet er zo uit: V (interferentiepatroon duidelijk twee spleten) en P (spleetinformatie) zijn gerelateerd volgens de mathematische expressie P2 + V2 = constant. Pythagoras kijkt weer eens mee over onze schouders zoals zo vaak in de kwantumfysica.

Decoherentie

Eigenlijk kun je dus zeggen, wanneer de golf door maar één spleet gaat, dat de kwantumgolf de helft van de mogelijkheden die de golf bezit voor de manifestatie van het deeltje verloren heeft. Dat is niets meer of minder dan decoherentie, zij het een gedeeltelijke. Dus decoherentie en informatie zijn positief gecorreleerd, hoe meer informatie, hoe meer decoherentie. Zo bezien neemt men dus een zodanige decoherentie van de kwantumgolf waar dat het deeltje nog door één spleet lijkt te gaan. En dan is de meestal getrokken conclusie dus dat het deeltje in de spleet was terwijl we strikt genomen alleen zouden mogen zeggen dat de golf slechts door één spleet ging.

Hier hebben we dus een andere interpretatie van decoherentie te pakken dan die waarin de moleculaire onrust van het meetinstrument die decoherentie veroorzaakt, een hypothese waar Von Neumann al tegen protesteerde en Schrödinger met zijn kat in doos gedachte-experiment juist indirect voor pleitte.

Maar de totale decoherentie dan bij de detector? Wordt die dan ook veroorzaakt door de informatie die we hebben? Dat is inderdaad prima te verdedigen. De informatie die we namelijk hebben is dat de detector altijd een fysieke barrière vormt voor het deeltje. Mee eens? Die informatie is voor 100% gecorreleerd met de volledige decoherentie van de kwantumgolf bij de detector.

Met deze interpretatie kunnen we ook de uitzonderingen verklaren op wat moleculaire onrust decoherentie veroorzaakt. Dat zijn de optische onderdelen, zoals lenzen en spiegels die geen decoherentie veroorzaken terwijl ze groot en onrustig genoeg zijn. En dat de uitzonderingen wegvallen pleit natuurlijk extra voor deze informatie-decoherentie interpretatie. Denk daar maar eens over na. Misschien goed nieuws voor de bouwers van kwantumcomputers waar de decoherentie van hun verstrengelde qubits het grote probleem is.

De rol van de waarnemer

Om terug te komen op die acht blinde monniken en hun olifant, volgens mij is het onderdeel van deze experimenten waar veel fysici een blinde vlek voor lijken te hebben juist het onmisbare onderdeel waarvoor informatie een grote rol speelt: de waarnemer. Die is de olifant in de kamer.

Quantum: nieuwe regels of een heel nieuw spel?

Op vrijdag 23 september aanstaande is er in het kader van het Better Future Now Festival in De Waag in Amsterdam een hele dag, met workshops en sprekers, met als motto ‘Quantum: nieuwe regels of een heel nieuw spel?’. Van ca. 15:30 tot 17u wordt daar door experts op diverse terreinen, onder andere Deborah Nas, Carlo Beenakker, Andrija Pavlovic, Douwe-Sjoerd Bosman, Hairi Oumaima, Lieven Vandersypen en Caiseal Beardow, hun visie op de kwantumfysica gebracht. Van 17 tot 18u is er een paneldiscussie. Ik ben ook uitgenodigd als een van de sprekers. Daar ga ik het, binnen de toegestane tijd van tien minuten, over dit onderwerp hebben. Als u bovenstaande in dit bericht gelezen en begrepen hebt, dan weet u al meer dan ik in die tien minuten kwijt kan. Maar er is gelukkig daarna ook nog gelegenheid voor vragen.

Inschrijving voor het festival is gratis.

Kwantumbewustzijn gefalsifiëerd?

Quantumbewustzijn op losse schroeven door ondergronds experiment

Op vrijdag 5 augustus 2022 verschijnt dit artikel met bovenstaande naam in NewScientist. Ik kreeg meteen van twee kanten vragen over wat dit betekent voor de hypothese van het primaire bewustzijn die ik verdedig in mijn boek en op mijn website. Eigenlijk goed nieuws, maar dat zal ik wel even uit moeten leggen.

Het artikel gaat over de zogenaamde Orchestrated Objective Reduction (Orch OR)-theorie van fysicus Roger Penrose en anesthesioloog Stuart Hameroff. Dit is wat deze theorie zegt in het kort:

Er kunnen superposities van kwantumtoestanden ontstaan in je brein, in zogeheten microtubuli (kleine eiwitstructuren in de zenuwcellen in het brein). Een bewuste ervaring vindt plaats op het moment dat die superposities instorten’.

Orchestrated Objective Reduction – Orch OR gefalsifiëerd

Afbeelding uit ‘A review of the ‘Orch OR’ theory’: Microtubules die via de kwantumcollaps informatie verwerken. Dat zou dan bewuste ervaring genereren.

Dit is dus goedbeschouwd een van de theorieën die bewustzijn proberen te verklaren als uiteindelijk een product van de hersenen. Dit keer dan wel als een product van kwantumtoestanden in de hersenen. Het instorten van de superposities – de kwantumcollaps – wordt gezien als fysiek, de superposities zijn alle fysiek – alle mogelijkheden bestaan echt – en gaan dan bij de ineenstorting over in slechts één van alle mogelijkheden, de rest verdwijnt spoorloos in het ‘kwantumniets’.

Als die ineenstorting fysiek is, en dat denken Penrose en Hameroff, dan betekent het een kleine verandering in de totale elektrische lading en volgens de wetten van Maxwell moet er dan een klein elektromagnetisch signaal gegenereerd worden. Dat is dan het signaal wat de onderzoekers, die de Orch OR theorie wilden testen, onderzochten in de diepe grotten van Gran Sasso waar verstoringen van de metingen door kosmische straling zo klein mogelijk zijn omdat die eerst door dikke lagen gesteente heen moeten. Een hoogstwaarschijnlijk kostbaar onderzoek dat opleverde dat de kwantumcollaps geen elektrische signalen genereert. Hiermee is dan een van de basisveronderstellingen van Orch OR gefalsifieerd. Mooi, opgeruimd staat netjes. Eén hypothese minder over de relatie kwantumfysica en bewustzijn. Goed nieuws dus. We hebben er al meer dan genoeg.

Maar de Orch OR theorie heeft volstrekt niets te maken met de hypothese van het primair bewustzijn. Ik hoop dat u dat begrijpt. Orch OR is een loot van de theorieën die bewustzijn proberen te verklaren vanuit het materiële, hier met een snufje kwantumfysica waarbij dat snufje uiteindelijk ook weer een materiële hypothese is. De primair bewustzijn hypothese is dat materie een secundair verschijnsel is dat door dat bewustzijn wordt gecreëerd bij de waarneming. Dat is iets volstrekt anders.

Kan Primair Bewustzijn ook gefalisifiëerd?

Mocht je de hypothese van het primair bewustzijn willen falsifiëren dan kan dat een stuk eenvoudiger en goedkoper dan met een mediageniek experiment diep onder de Gran Sasso. De hypothese van primair bewustzijn is in mijn boek gebaseerd op het begrip informatie. De informatie die een meting of observatie kan opleveren bepaalt hoe het geobserveerde object zich gedraagt of heeft gedragen. Het is steeds duidelijker aan het worden in experimenten dat hoe minder informatie een meting oplevert hoe meer golfgedrag wordt vertoond. Het meest extreme voorbeeld daarvan is het effect dat wanneer gekeken wordt door welke spleet van de dubbelspleet het object ging, het kenmerkende interferentiepatroon, de lichte en donkere banden verdwijnen in een enkele uitgespreide vlek. Nog steeds het resultaat van een golf maar nu van een die door slechts één spleet ging. De onontkoombare conclusie is dan dat het object zich in slechts één spleet gemanifesteerd moet hebben – als antwoord op het feit dat de informatie die we konden verkrijgen daar precies over ging. Dat het om informatie gaat is echter geen bewijs dat het om het bewustzijn van de waarnemer gaat al moeten we ons afvragen of informatie nog wel iets betekent als het niet in ons bewustzijn verschijnt. Maar, net zoals het ineenstorten van de kwantumgolf een elektrisch signaal zou moeten produceren een basisaanname is van Orch OR, is de ineenstorting van de kwantumgolf door beschikbare informatie een basisaanname van het primair bewustzijn. Als we die aanname kunnen falsifiëren dan wordt het lastig voor die hypothese.

De kwantuminformatiewisser kan dat

De kwantum informatiewisser experimenten zijn een goede stap in die richting maar voor het falsifiëren van de informatiehypothese moet er nog iets aan gesleuteld worden. In alle kwantumwisser experimenten gebeurt het onherroepelijk vernietigen van de informatie over de gekozen spleet door een halfdoorlatende spiegel. En laat dat nu net een fysiek onderdeel zijn waarvan elke fysicus, die de Kopenhaagse interpretatie min of meer volgt, vreemd genoeg automatisch aanneemt dat het een uitzondering vormt op de regel dat een fysiek object, als het maar massief genoeg is, de kwantumcollaps teweegbrengt. De kwantumcollaps vindt volgens zo’n fysicus plaats in en door de detector en niet door de halfdoorlatende spiegel of andere optische onderdelen. Mijn suggestie is echter dat de kwantumgolf pas instort op grond van de informatie die beschikbaar is. Dus niet door de detector maar door het vernemen van het resultaat van de detector. Dat wil zeggen dat, als we die informatie pas na het passeren van de detector onherroepelijk vernietigen vóórdat iemand die gezien kan hebben, het interferentiepatroon van lichte en donkere lijnen weer getoond wordt. Zo’n precisie experiment is zonder meer uitvoerbaar in een willekeurig goed uitgerust universitair optisch laboratorium.

Aangepaste kwantumwisser. Het wel of niet wissen van de pad informatie gebeurt hier ná detectie door D3 en D4 en wordt gestuurd door de QRNG toevalsgenerator.© Paul J. van Leeuwen

In het bovenstaande figuur kun je zien dat de kwantumwisser onderdelen – twee simpele schakelaars – zich direct achter de detectoren bevinden. De set-up is een redelijk eenvoudige aanpassing, eigenlijk een drastische versimpeling, van een in 1999 uitgevoerd kwantumwisser experiment op de Maryland universiteit in Baltimore. Dat experiment wordt nogal eens ge- of misbruikt door er-is-alleen-materie fysici om de onzin van de kwantumwisser aan te tonen aangezien het 1999 Maryland experiment een fundamentele fout in zijn opzet had waardoor de conclusie niet gewettigd was. De debunkers gaan dan gemakshalve voorbij aan de correcte én geslaagde kwantumwisser experimenten die naderhand gedaan zijn aan dezelfde universiteit. Voor diegenen die zich willen verdiepen in deze ‘harde’ kwantumwisser verwijs ik naar deze pagina op mijn website of naar hoofdstuk 13: ’Falsifieerbaarheid van het bewustzijnsmodel’ in mijn boek.

Het wachten is dus op onderzoekers die deze kans om de primaire bewustzijn hypothese te kunnen falsifiëren niet voorbij willen laten gaan. Geen Gran Sasso nodig. De NewScientist lezer wacht op ze en ik ook.

Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Italië