Verwarrende en verhullende misverstanden over de kwantumfysica

Wie denkt dat hij de kwantumfysica begrijpt, die begrijpt er niets van.

Aldus stelde Richard Feynman dat zijn vakgebied fundamenteel onbegrijpelijk was. Hij had het niet over de kwantummechanica, de wiskunde die ongeëvenaard precieze voorspellingen deed over het gedrag van atomaire objecten, maar over de interpretatie ervan. Maar is het waar? Is de kwantumfysica fundamenteel onbegrijpelijk? Het lijkt wel zo, maar dat is volgens mij veeleer het gevolg van misverstanden, foutieve beschrijvingen en de ingebrande overtuiging dat de wereld alleen bestaat uit vaste permanente materie.

De misverstanden en foute beschrijvingen (en conclusies) ten aanzien van de kwantumfysica die ik nogal eens tegenkom in boeken en artikelen beperken zich beslist niet tot de domeinen van spirituele literatuur en/of de populairwetenschappelijke media. Dat draagt allemaal niet bij tot het werkelijk begrip van de kwantumfysica en wat dat betekent voor ons beeld van de werkelijkheid. Het is beslist mogelijk om de kwantumfysica te begrijpen op hetzelfde begripsniveau als het begrijpen van de baan die een kogel aflegt zonder dat daarvoor wiskunde aan te pas hoeft te komen. Ik probeer dat in mijn boek uit te leggen en dat zonder dat daar enige wiskunde aan te pas komt zodat de volhardende leek de kwantumfysica kan gaan begrijpen. De vele misverstanden over kwantumfysica verhinderen dat begrip met verwarrende, versluierende en elkaar zelfs tegensprekende uitspraken.

Uit een brochure voor een cursus kwantumfysica

Als voorbeeld van de invloed van die verhullende misverstanden op niet kwantumfysici citeer ik hier de ondertitel van een brochure voor een workshop in het kader van een opleiding voor psychotherapie: ‘Quantummechanica en de invloed daarvan op de werkelijkheid’, georganiseerd door Coach & Care, Utrecht, die op 29 januari 2023 gegeven wordt door Pierre Capel, emeritus professor immunologie:

Alleen geschikt voor hen, die alle zekerheden kunnen loslaten en accepteren dat wij de werkelijkheid niet kunnen begrijpen.”

Als je zoiets leest dan zou je het bijna opgeven om er ook maar iets van te begrijpen. Ter compensatie daarom dit overzicht van misverstanden en foute voorstellingen van zaken.

Misverstanden en andere kronkels

  1. Kwantumfysica is ontdekt door onderzoek op atomaire schaal, maar het is niet beperkt tot atomaire dimensies. Zelfs het gedrag van biljartballen is na enige botsingen 100% onderhevig aan kwantumonzekerheid. Zelfs de maan bestaat door haar te observeren. Kwantummechanica is de grotere theorie die volledig de klassieke materiële Newton-mechanica omvat.
  2. Verstrengeling en telepathie hebben niets met elkaar te maken. Informatie kan niet worden getransporteerd door verstrengeling en telepathie is het transport van informatie van de ene geest naar de andere. Verstrengeling heeft hoogstwaarschijnlijk te maken met de informatie die de waarnemer al heeft over de deeltjes voordat die uit elkaar gingen.
  3. De dualiteit van de deeltjesgolf wordt vaak voorgesteld als ofwel het deeltje dat zich ook als een golf gedraagt, ofwel de golf die zich ook als een deeltje gedraagt. Dit is een verwarrende en verkeerde voorstelling van zaken. Er is helemaal geen deeltje tot het moment dat het wordt waargenomen. Dat volgt althans uit experimenten. Vóór de waarneming was er een golf van mogelijkheden die in locatie en tijd oscilleerde en die op elke locatie de waarschijnlijkheid vertegenwoordigde om het deeltje te vinden als we op die specifieke locatie op die tijd zouden kijken. Het is dus of een golf of een deeltje, maar niet allebei tegelijk. Het is dus niet een deeltje dat zich ook als een golf gedraagt.
  4. Een oscillerende en zich voortplantende golf van waarschijnlijkheden is geen materie, het is mind-stuff. Kansen zijn getallen. Cijfers bestaan ​​niet buiten de geest, althans buiten de geest hebben ze geen betekenis.
  5. We zien de kwantumgolf zelf niet, nooit. Ook niet met de meest geavanceerde instrumenten. Uit de uitkomsten van onze experimenten deduceren we achteraf dat er sprake was van golfgedrag.
  6. Het bij een dubbele spleet afgevuurd elektron gaat niet door beide spleten. Dat is wat de niet-materiële kwantumgolf, die het gedrag van het elektron voorstelt, doet, door twee spleten gaan. Het is pas bij de detector dat de golf eindigt en het elektron zich manifesteert. Dus je hoeft je geen deeltje voor te stellen dat zich op twee plekken tegelijk bevindt.
  7. Er wordt vaak gezegd, wanneer we in een dubbelspletenexperiment observeren door welke spleet het deeltje gaat, dat we dan deeltjesgedrag zien. Dit is beslist niet wat er gebeurt. We zien nog steeds golfgedrag. Wanneer de doorgang door de spleten wordt geobserveerd, zal de kwantumgolf altijd weer gereduceerd worden tot slechts één van de spleten en dus niet door beide spleten gaan zoals in het standaard dubbelspleetexperiment. Dit is kwantumreductie, een gedeeltelijke kwantumcollaps. De golf reageert dus blijkbaar op de informatie die de experimentele opstelling kan opleveren. Maar uiteindelijk is dit nog steeds golfgedrag. De golf gaat door één van de waargenomen spleten – welke is onvoorspelbaar – en breidt zich vervolgens weer uit totdat hij de detector bereikt waar het deeltje zich dan uiteindelijk materialiseert. Dat golfgedrag in en na de spleet verklaart het beste het over één enkele vlek uitgespreide patroon van treffers dat we dan zien in plaats van de gebruikelijke lichte en donkere banden.
  8. Het vaak geuite idee dat deeltjes alle mogelijke paden tegelijk naar de detector nemen, is duidelijk in tegenspraak met het realistische concept van een deeltje. Echter, als puur wiskundig apparaat om de numerieke kans te voorspellen waar het deeltje het doel zal bereiken, is het idee inderdaad nuttig. Maar dat maakt het nog geen realistische beschrijving van de werkelijke stand van zaken.
  9. Uitgestelde keuze-experimenten lijken retro-causaliteit aan te tonen. Dit lijkt alleen zo omdat het uiteindelijk observeren van het resultaat door een waarnemer als belangrijke component in het experiment wordt genegeerd als onderdeel van het experiment. Menselijke observatie is echter altijd de onmisbare laatste handeling van een meting. Zonder observatie en rapportage weten we niets. Wanneer de waarneming de deeltjesmanifestatie creëert, creëert ze deze ook noodzakelijkerwijs als bestaand in de tijd inclusief een historie. Dit werd overigens al geïmpliceerd door de Kopenhagen-interpretatie die zegt dat het geen zin heeft om te spreken over het bestaan van het deeltje vóór de meting.
  10. In tegenstelling tot wat sommige spirituele leraren zeggen, bewijst kwantumfysica niet het voortbestaan ​​van de geest. Maar je kunt prima verdedigen dat de kwantumfysica het overleven van de geest bij het overlijden van het lichaam weliswaar niet bewijst maar wel ondersteunt. De hypothese dat het de geest van de waarnemer is die de kwantumgolf bij observatie doet ‘instorten’, is zeer goed verdedigbaar, is ook vaak verdedigd en verklaart veel kwantumverschijnselen die in geen enkel opzicht materieel verklaarbaar zijn uitstekend. Veel van de eerste kwantumfysici ondersteunden de hypothese van de ineenstorting van de kwantumgolf door de observatie gedaan door de niet-materiële geest van de waarnemer. Wanneer deze hypothese wordt aanvaard, moet de voor de hand liggende conclusie zijn dat de geest dan geen product van de hersenen kan zijn en daarom een ​​goede kans heeft om de materiële ondergang van de hersenen te overleven.

De 10 dogma’s van de wetenschap

In het kader van bovenstaande misverstanden en hun oorzaak is het goed om hier de tien kernovertuigingen eens op te sommen die de meeste wetenschappers zonder bewijs als vanzelfsprekend beschouwen en van waaruit ze – onder andere – proberen de kwantumfysische verschijnselen als verstrengeling en kwantumcollaps te begrijpen. Geen wonder dat de kwantumfysica onbegrijpelijk wordt verklaard:

  1. Alles is in wezen mechanisch. Honden zijn bijvoorbeeld complexe mechanismen, in plaats van levende organismen met eigen doelen. Zelfs mensen zijn machines, “Lumbering robots”; in de aanschouwelijke beschrijving van Richard Dawkins, met hersenen die lijken op genetisch geprogrammeerde computers.
  2. Alle materie is onbewust. Het bezit geen innerlijk leven of subjectiviteit of gezichtspunt. Zelfs het menselijk bewustzijn is een illusie die wordt voortgebracht door de materiële activiteiten van de hersenen.
  3. De totale hoeveelheid materie en energie is altijd hetzelfde (met uitzondering van de oerknal, toen ineens alle materie en energie van het heelal verscheen).
  4. De natuurwetten staan ​​vast. Ze zijn vandaag hetzelfde als in het begin, en ze zullen voor altijd hetzelfde blijven.
  5. De natuur is doelloos en evolutie heeft geen doel of richting.
  6. Alle biologische overerving is materieel, en wordt gedragen in het genetische materiaal, DNA en in andere materiële structuren.
  7. De geest zit in de hoofden en is niets anders dan de activiteiten van de hersenen. Als je naar een boom kijkt, is het beeld van de boom die je ziet niet “daarbuiten”, waar het lijkt te zijn, maar in je hersenen.
  8. Herinneringen worden als stoffelijke sporen in de hersenen opgeslagen en bij overlijden uitgewist.
  9. Onverklaarbare verschijnselen zoals telepathie zijn illusoir.
  10. Mechanistische geneeskunde is de enige soort die echt werkt.

Bovenstaande is overgenomen uit ‘Science Set Free’ van Rupert Sheldrake. Bekijk ook vooral deze YouTube video van zijn presentatie op de EU2013 Thunderbolts Conferentie waarin hij deze dogma’s van de wetenschap op zijn eigen vriendelijk humoristische wijze bespreekt en afbreekt.

En de multiversa dan?

Dr. Strange in the Multiverse of Madness © Marvel Studios

Als je bovenstaande rijtje dogma’s goed leest begrijp je waarschijnlijk heel goed waar die waanzinnige multiversa hypothese zijn oorsprong heeft. Gewoon materie erbij verzinnen.

Angst? Waarvoor?

De felle oppositie van materialistisch denkende personen tegen de gedachte dat de geest van de waarnemer een actieve factor is in kwantumverschijnselen, is niet op feiten gefundeerd maar het gevolg van een geloof dat alles verklaard kan en moet worden uit permanente materie en de interactie daartussen. Dat is een geloof, geen bewezen feit als u dat nog steeds mocht denken. Zaken die niet verklaard kunnen worden uit dat geloof in permanente materie bestaan volgens deze gelovigen niet of horen dat in elk geval niet te doen. Wanneer die tegenstand zo fel is dan is die zeer waarschijnlijk gebaseerd op een diep verborgen angst. Wat die angst is, dat is de vraag.

Nobelprijs natuurkunde voor aantonen non-lokaliteit kwantumverstrengeling

Het werd tijd dat de Bell gehoord werd.

John Clauser, Anton Zeilinger, Alain Aspect. Nobelprijs natuurkunde 2022.

Alain Aspect, Anton Zeilinger en John Clauser hebben samen de 2022 Nobelprijs toegekend gekregen voor hun inspanningen om aan te tonen dat kwantumverstrengeling bestaat en dat die non-lokaal is. John Clauser was de eerste die dat experimenteel aantoonde met een Bell test in 1972. In 1982 wordt zijn resultaat bevestigd door Alain Aspect, maar er zijn dan nog achterdeurtjes (loopholes) te bedenken die zijn resultaten op een klassiek fysische manier zouden kunnen verklaren. Dan – 35 jaar later in 2017 – voert Anton Zeilinger een test uit die alle eventuele loopholes definitief uitsluit.

Kwantumverstrengeling bestaat en is non-lokaal, dat wil zeggen de relatie die de deeltjes met elkaar hebben is instantaan en niet afhankelijk van hun onderlinge afstand en is dus strijdig met de relativiteitswetten van Einstein omdat zo’n relatie onmiddellijke communicatie tussen de deeltjes zou inhouden.

Eerlijk gezegd was een test die de eventuele loopholes uitsluit al in 2015 gedaan door het team van Hanson en Henson in Delft. Maar het is de heren Clauser, Aspect en Zeilinger van harte gegund, deze prijs. Het was in 1972 nog een heftig omstreden punt en dit soort onderzoek werd in die tijd nog niet echt gezien als bevorderlijk voor je wetenschappelijke carrière. Non-lokaliteit zette (te) grote vragen bij het beeld van de natuur zoals dat toen algemeen bestond. Het kon gewoon niet. Clauser en Aspect zetten hun carrière dus op het spel. Zie deze quote op Quanta Magazin in het artikel over de Nobelprijs onder de kop “Who performed Bell’s experiment?”: “Initially, physicists including Richard Feynman discouraged Clauser from pursuing the experiment, arguing that quantum mechanics needed no further experimental proof.

Misschien maar even kort uiteenzetten wat de zogenaamde Bell test in principe inhoudt, de meer uitgebreide beschrijving vind je in mijn boek, hoofdstuk 5, “Het theorema van Bell”.

Het theorema van Bell

John Stewart Bell (1928-1990) publiceerde in 1964 wat nu het Bell theorema heet. Met dit theorema kan in principe experimenteel aangetoond worden of lokale variabe­len wel of geen rol spelen in kwantumverschijnselen. Lokale variabelen leg ik nu hier niet uit maar het betekent uiteindelijk dat de kwantumdeeltjes permanent bestaan gedurende hun reis van bron naar detector – zoals wij aannemen dat kogels permanent bestaan over hun hele traject van bron tot doel, en zelfs eigenlijk al daarvoor. Onthoudt dat. De experimentele opzet van een Bell experiment moet zodanig zijn dat sneller-dan-licht communicatie tussen verstrengelde objecten uitgesloten is.

De meeste Bell-tests zijn uitgevoerd met gepo­lariseerd licht – dat wil zeggen gepolariseerde fotonenparen. Een EM-golf bestaat uit een elektrische en een magnetische veld component, deze oscilleren loodrecht op elkaar en allebei oscilleren loodrecht op de richting waarin het licht reist. De trillingsrichting van de elektrische component van de EM-golf wordt de polarisatierichting genoemd. Een polarisatiefilter, zoals een polaroid bril, laat alleen licht door dat in een bepaalde richting trilt. Als het licht in onder schuine hoek ten opzichte van de oriëntatie van het filter oscilleert wordt maar een deel van het licht doorgelaten. Het gepasseerde licht trilt in de richting die het filter heeft afgedwongen. Als het invallende licht loodrecht op de richting van het filter trilt dan wordt er niets doorgelaten. Licht is een EM-golf maar die golf bestaat kwantumfysisch gezien uit massa’s fotonen die stuk voor stuk gepolariseerd zijn. Hoe we ons de polarisatie van een enkel foton moeten voorstellen is niet duidelijk en dat doen we dan ook maar niet.

Verticaal gepolariseerd licht kan 90o gedraaid naar horizontaal in twee stappen. Daarbij blijft er 50% over van de verticaal gepolariseerde fotonen.

Geen gehalveerde fotonen maar waarschijnlijkheden

Bij polarisatie geldt dat fotonen die niet precies in de richting van het polariserende filter trillen, bijvoorbeeld onder een hoek van 30o, voor 50% doorgelaten worden maar daarbij niet gehalveerd worden. Hun frequentie wordt niet aange­tast, maar de waarschijnlijkheid dat ze door het filter heen gaan hangt wel af van de hoek die hun polarisatie maakt met de oriëntatie van het filter. Dus als ze lood­recht op die oriëntatie gepolariseerd zijn is de kans dat ze erdoorheen gaan nul. Onder een hoek van 45o is de kans volgens de kwantummechanica dat ze door het filter komen ca. 71%. De fotonen die door het filter gaan zijn niet veranderd van energie, golflengte en frequentie. Ze zijn beslist niet gehalveerd. Het gaat dus puur om kansen.

De Bell test met gepolariseerde fotonen

Schema van een Bell twee kanalen experiment. A en B zijn de polarisators die ten opzichte van elkaar geroteerd kunnen worden.

De fotonen worden gedetecteerd (D+ of D-) en bij elke onderlinge hoek van de polarisators (A en B) worden de coïncidenties (tegelijk optredende detecties) en de hoek tussen A en B geregistreerd in de coïncidentiedetector. Volgens de behoudswetten van de fysica dienen de polarisatierichtingen van beide fotonen identiek te zijn indien ze als paar zijn gecreëerd.  Maar deze gezamenlijke polarisatie is wel weer een kwantummanifestatie bij meting en is dus volstrekt willekeurig bij detectie van een foton.

Spooky action at a distance?

Als het linker foton bij detectie een bepaalde polarisatie blijkt te hebben, dan moet het rechter foton op dat moment dezelfde polarisatie hebben aangezien ze als paar gecreëerd zijn. En dat is vreemd als hun polarisatie pas ‘echt’ bestaat bij detectie zoals de kwantummechanica lijkt te zeggen. Dat lijkt op onderlinge communicatie. Maar zodra je dat veronderstelt moet je je ook afvragen hoe die communicatie tussen die twee verloopt: “Hallo ik ben gemeten, nu moet jij onmiddellijk ook je polarisatie laten zien en wel dezelfde als die ik op dit moment laat zien”. Dat is Einstein’s “spooky action at a distance”.

Klassiek permanente deeltjes of materialisatie door observatie

Het gaat er dus bij het Bell experiment om of vastgesteld kan worden of de polarisatie van de fotonen al bestond vanaf het moment van hun creatie (klassieke permanente deeltjes) of dat ze pas ‘materialiseren’ op het moment van hun detectie (non-lokale kwantum interpretatie). Volgens de non-lokale kwantumtheorie moet, in­dien de twee polarisators ten opzichte van elkaar niet gelijk georiënteerd zijn, de correlatie tussen de polarisaties van de fotonenparen – de [D-/D-] of [D+/D+] coïncidenties – groter uitvallen dan de correlatie die de klassieke permanente deeltjes theorie voorspelt.

Die van de hoek afhankelijke correlatie tussen de coïncidenties kan voor beide theorieën, klassiek lokaal of non-lokaal kwantum, voorspeld worden. Het geniale van Bell was dat hij inzag dat verschillen tussen klassieke lokale en kwantumtheorie optraden indien de polarisators (A en B) andere hoeken met elkaar maakten dan 0o, 90o, 180o of 270o. Zie figuur voor de voorspellingen van de correlaties zoals berekend in beide theorieën. Zo laat de figuur zien dat voor bijvoorbeeld een hoek van 158o tussen de twee polarisators de klassiek lokale verwachting voor de correlatie 0,75 (75%) zal zijn, maar voor de non-lokale kwantum verwachting zal dat 0,85 (85%) zijn.

De klassieke en de kwantummechanisch voorspelde correlaties tussen detecties van de gepolariseerde fotonenparen, gemeten bij verschillende hoeken tussen de polarisators in een Bell experiment. De blauwe kromme komt overeen met non-lokaliteit.

Lokaliteit gefalsifieerd

Als de gemeten correlatie van alle coïncidenties bij die hoek van 158o dus groter is dan 75% dan zijn lokale verborgen variabelen gefalsifieerd en is experimenteel bevestigd dat de polarisaties van beide fotonen pas ‘materialiseren’ bij meting in de D+ en D- detectoren. Op die manier kan aangetoond worden dat onderlinge communicatie met een snelheid die maximaal die van het licht is, in elk geval uitgesloten is en wordt de hypothese dat deeltjes pas bestaan bij detectie sterk bevestigd. Daarvoor is dus bij een Bell experiment vereist dat communicatie tussen de fotonen met maximaal de lichtsnelheid wordt uitgesloten.

Het betekent in elk geval dat er zeer hoge eisen aan Bell experimenten worden gesteld. Twee absolute eisen zijn:

  • Communicatie met maximaal de lichtsnelheid dient uitgesloten zijn; dat betekent dat de onderlinge afstand van de detectoren links en rechts zeer groot moet zijn of het tijdsverschil tussen de coïnciderende detecties links en rechts juist zeer klein.
  • Alle in het experiment verzonden fotonen dienen ook gemeten te zijn om te voorkomen dat er fotonparen die geen coïncidentie van dezelfde polarisatie vertonen buiten de meting vallen en daarmee de gemeten correlatie groter kunnen doen lijken.
  • Alle fotonen dienen van een bron te zijn die uitsluit dat hun creatie afhankelijk zou kunnen zijn van de experimentatoren.

Het experiment van Anton Zeilinger in 2017 heeft volledig aan al deze eisen voldaan. Hij gebruikte sterrenlicht fotonen.

Wat nu? Wanneer bestaat iets?

Elke Bell test – zie de tijdlijn op Quanta Magazine – heeft tot nu toe met toenemende bewijskracht bevestigd dat de kwantumdeeltjes hun eigenschappen – zoals polarisatie – pas ‘krijgen’ bij detectie. Met andere woorden, ze bestaan niet materieel totdat ze gedetecteerd worden.

Dat is nogal wat. Zeker als je bedenkt dat de kwantumwetten beslist niet beperkt zijn tot het atomaire domein maar ook gelden voor objecten met afmetingen in de grootteorde die wij met onze eigen zintuigen kunnen waarnemen, of groter. Er bestaat geen enkel goed argument waarom de kwantumwetten niet meer zouden gelden op ons dagelijks ervaringsniveau. De maan bestaat pas bij detectie. Punt. Sorry, professor Einstein.

Nu kun je eens over de volgende vraag gaan nadenken: als de polarisatie van een foton pas bestaat op het moment van detectie, hoe kan een polaroid filter dan werken? Ik laat je hierover voorlopig zelf even piekeren.

Daarom moet je je ten diepste gaan afvragen wat detectie en observatie eigenlijk zijn en wat het betekent als je de deur van je huis achter je dichtdoet en er niemand meer in huis achterblijft. De inhoud van je huis bestaat niet materieel zolang er niemand kijkt. De waarschijnlijkheid dat de inhoud zich vrijwel precies weer materialiseert zoals je die had achtergelaten is 99,999999999% (of nog dichterbij 100% maar nooit precies 100%). Dat is weer geruststellend natuurlijk. Zolang we de rol die de waarnemer speelt niet erkennen blijft de interpretatie van de kwantumfysica een vraagstuk dat dringend om een oplossing vraagt. Dat is mijn mening, en daar sta ik zeker niet alleen in. Veel fysici zijn al overtuigd van de rol van de waarnemer in experimenten, zoals Carlo Rovelli bijna met zijn hypothese dat alle eigenschappen van objecten ook – net als snelheden dat nu al zijn – relatief zijn. Lees Bernardo Kastrup, ook volgens hem is de permanentie van materie een verkeerd beeld van de werkelijkheid.

In elk geval wordt kwantumverstrengeling nu als vaststaand aangetoond beschouwd en wordt tegenwoordig gezien als een kwantumfenomeen dat uiterst interessante toepassingen mogelijk maakt, zoals kwantumcomputers op basis van licht die nu door de Twentse startup Quix Quantum worden geleverd. Maar daarover in een volgend bericht.