Het verzet van Einstein tegen de kwantuminterpretatie van Bohr

Einstein was, ondanks zijn bijdrage aan de kwantumfysica met zijn uitleg van het foto-elektrisch effect met de kwanta van Planck, sterk gekant tegen de kwantummechanica van Bohr, Heisenberg, Pauli, Born en von Neumann. Volgens Einstein ontbrak er aan de theorie nog het een en ander ondanks de geboekte successen. Einstein was ondanks zijn scherpe inzicht een materialistische denker die nog helemaal in de geest van de klassieke fysica met echte harde deeltjes met massa, snelheid en energie dacht. Fotonen waren volgens hem echte permanent bestaande deeltjes met een energie en impuls (stoot) die rechtstreeks afhingen van hun frequentie, hoewel de filosofische vraag nog stond wat de frequentie van zo’n deeltje eigenlijk betekende. De groep van Bohr propageerde juist het idee dat er vóór de meting alleen een niet-materiële toestandsgolf bestond die pas bij meting overging in een materieel deeltje.

Einstein was vooral een uitstekende bedenker van gedachte-experimenten (gedanken-experimenten), op die manier had hij ook zijn relativiteitstheorie ontwikkeld. Hij bedacht dan ook een aantal gedachte-experimenten waarmee hij hoopte Bohr en de zijnen te kunnen overtuigen dat hun kwantumtheorie in elk geval nog verre van compleet was. Hij vroeg zich in het eerste gedachte-experiment, dat hij op de Solway conferentie van 1927 in de strijd gooide, af wat er zou gebeuren als je bij een dubbele spleet experiment wist door welke spleet een foton ging. Volgens hem voorspelde de kwantumtheorie, zoals die op dat moment was, twee tegenstrijdige uitkomsten, namelijk wel en geen interferentiepatroon op het scherm achter de dubbele spleet.

‘Gedanken’-experiment met bewegende spleet en fotonen

Einstein’s redenering ging aldus:

• Een foton bezit een impuls. Impuls is een fysieke grootheid die de stoot aangeeft die een deeltje kan uitdelen. Die impuls is evenredig met de frequentie van het foton. Hoewel het foton geen rustmassa heeft en altijd met de snelheid van het licht beweegt kan het toch een stoot uitdelen op een voorwerp dat het raakt. Bekijk eventueel de YouTube video hierboven. Of als je liever leest: Fotonen, geen massa wel impuls? op natuurwetenschappen.nl
• We schieten enkele fotonen – monochromatisch, dus allemaal dezelfde frequentie en golflengte – af met een fotonenkanon. Die fotonen moeten eerst door een beweegbare spleet waarvan we de op en neergaande beweging kunnen meten. Na de beweegbare spleet moeten de fotonen omlaag of omhoog om door de dubbele spleet te kunnen. We meten de terugstoot van een passerend foton met die be­weegbare spleet. Het foton heeft een snelheid en een richting die worden beïnvloed door de spleet wat klassiek fysiek betekent dat de spleet ook op zijn beurt moet gaan bewegen. Actie is gelijk aan reactie en tegengesteld gericht. Die tegengestelde beweging van de spleet kunnen we – in principe – meten.

• Achter de beweegbare spleet bevindt zich weer de gewone dubbelspleet en scherm. De beweegbare spleet in de figuur is een tekening die daadwerkelijk door Bohr gemaakt is in het vinden van een antwoord op de uitdaging van Einstein. Hij tekende zelfs de moertjes waarmee de spleethouder op de drager van de opstelling vastgemaakt zou moeten worden.
• Uit de terugstoot van de beweegbare spleet weten we welke spleet het foton gekozen heeft.  Als de spleet omlaag beweegt dan moet het foton omhooggaan en dus door de bovenste spleet gaan. Als de spleet omhoogschiet dan moet het elektron omlaaggaan en dus door de onderste spleet gaan.
• We weten dus nu door welke spleet het foton is gegaan. Volgens de kwantumtheorie zal er zich nu een toestandsgolf uitbreiden vanaf die ene spleet. Maar vanaf de andere spleet zal er zich nu geen toestandsgolf uitbreiden. Er is daarom geen mogelijkheid tot interferentie, we zullen geen interferentiepatroon op het scherm zien. Het resultaat van het schieten van een groot aantal fotonen ziet er dan uit als een enkele vage vlek met midden achter de dubbele spleten de grootste intensiteit.
• Tot zover uitstekend geredeneerd en niets tegen in te brengen.
• Maar je kunt, zegt Einstein, het fotonenkanon samen met die enkele spleet ook beschouwen als een samengestelde bron van fotonen, zodat het experiment nu een gewoon dubbelspleet experiment wordt waarmee we fotonen op een dubbele spleet afvuren.

Bij deze alternatieve opzet van het experiment, die eigenlijk mechanisch exact gelijk is maar alleen in gedachten qua onderdelen anders ingedeeld, verwachten we nu wél interferentie. De reden daarvoor is dat het niet zou mogen uitmaken wat voor fotonenbron er precies wordt gebruikt. Als de fotonen maar allemaal dezelfde frequentie hebben.

Een verontrustende contradictie

Met dezelfde opzet, alleen in gedachten anders ingedeeld, verwachten we dus én wel én geen interferentie. De kwantumtheorie voorspelt twee tegenstrijdige uitkomsten en dat betekent dat ze niet volledig is.

Bohr vond na een nachtje piekeren min of meer een antwoord op deze uitdaging. Het foton dat door de enkele spleet gaat en daar van richting verandert verliest daardoor een deel van zijn impuls. Die is overgegaan op de bewegende spleet. Dat is volkomen in overeenstemming met de wet van impulsbehoud. Dat betekent dat het foton iets van zijn frequentie verliest door de interactie met de bewegende spleet. De frequenties van de fotonen zijn nu niet meer allemaal gelijk waardoor het interferentiepatroon verstoord wordt omdat de maxima per foton anders zijn, en zelfs kan overgaan in een vage vlek.

Een echt experiment

Een wat zwak verweer van Bohr in mijn ogen en ook nog vrijwel volledig klassiek natuurkundig geredeneerd. Maar het was dan ook in 1927, de kwantumtheorie was nog volop in ontwikkeling en de techniek was er nog niet om het experiment echt uit te voeren. In 2014 was de techniek zover gevorderd dat het gedachte-experiment van Einstein daadwerkelijk uitgevoerd kon worden. Ik beschrijf dat uitgevoerde experiment uitgebreid in mijn boek, hoofdstuk 5. De dubbelspleet is vervangen door de twee atomen van een zuurstof molecuul. Welk zuurstofatoom geraakt is door het foton wordt gemeten via het opgevangen elektron dat wegvliegt van het geraakte atoom. Er wordt onderzocht of het interferentiepatroon afhangt van het wel of niet kunnen vaststellen van welk atoom door het foton geraakt is.

Het resultaat van het experiment is dat de interferentie verdwijnt zodra we kunnen weten welk zuurstofatoom door het foton geraakt is. Het artikel is nogal technisch maar in de ‘Abstract’ wordt inderdaad het effect van wel of niet beschikbare informatie op de interferentie beschreven. “This wave-like behaviour and corresponding interference is absent if ‘which-slit’ information exists.”. Er wordt echter ook uitdrukkelijk gerefereerd aan de overdracht van de impuls van het foton aan de bewegende spleet zoals Bohr in zijn antwoord aan Einstein beargumenteerde. Bohr kreeg dus gelijk en Einstein zat fout. Maar dat is wat mij betreft wat kort door de bocht. Ik wil toch even aandacht geven aan iets wat Einstein uitstekend zag waarna zowel hij als Bohr blijkbaar blind waren voor wat er werkelijk aan de hand was.

De blinde vlekken van Einstein én Bohr

Waar Einstein en Bohr beide aan voorbijgingen was dat er wel een essentieel verschil is tussen de twee manieren waarop we het “dubbele spleet met bewegende spleet experiment” beschouwen. Misschien heeft u het opgemerkt maar het heeft bij mij best lang geduurd voordat ik het zag.

In de indeling waarbij de bewegende spleet geen deel uitmaakt van de fotonenbron kunnen we weten door welke spleet het foton ging. Uit dat ‘kunnen weten’ wordt door Einstein ingezien dat afgeleid kan worden dat de toestandsgolf nog maar uit één spleet komt. Dat is een diep en uiterst belangrijk inzicht. In de alternatieve indeling waarbij de bewegende spleet als een onderdeel van de fotonenbron wordt gezien kunnen we dat ineens niet meer weten; het wordt daar min of meer stilzwijgend aangenomen dat dat zo is. Dat is een uitermate belangrijk verschil. Dat dat niet zo gemakkelijk herkend wordt komt volgens mij doordat materieel gezien beide versies volledig identiek zijn en dat ze zich dus identiek zouden moeten gedragen. Het verschil in indeling is alleen in gedachten gemaakt. Er zit nog steeds een bewegende enkele spleet tussen de primaire fotonenbron en de dubbele spleet. Alleen wordt nu stilzwijgend aangenomen dat we die niet kunnen bekijken. In beide gevallen zou Bohrs argument van impulsverlies van toepassing zijn, het verschil zit ‘m dus eigenlijk alleen in het wel of niet kunnen weten welke spleet gekozen is.

U zou dus nu de conclusie kunnen trekken, zoals de onderzoekers dat lijken te doen, dat het inderdaad de impulsoverdracht is die de interferentie zou laten verdwijnen maar daar zijn meerdere argumenten tegen in te brengen. Ten eerste is dat ook van toepassing in het geval dat de onderzoekers niet konden bepalen welk atoom geraakt was omdat de atomen aan elkaar bleven zitten. Daar was natuurlijk net zo goed impulsoverdracht, dus dat kan het verschil niet uitmaken. Ten tweede is dit niet het enige experiment waarbij de interferentie verdwijnt zodra we kunnen weten welke weg door het kwantumobject is gekozen. Ik beschrijf er twee in mijn boek: Het uitgestelde keus experiment met enkele atomen in Australië aan de universiteit van Canberra en het uitgestelde keus experiment met beeldvorming door twee fotonen aan de Universiteit van Maryland, Baltimore.

Kortom; meten is weten is realiseren

Zodra we kunnen weten welke weg het kwantumobject afgelegd heeft blijkt dat de toestandsgolf zich daaraan heeft aangepast. Zodra we kunnen weten welke spleet is gekozen zal de toestandsgolf nog maar door één spleet zijn gegaan. Ik spreek hier expres over de toestandsgolf en niet over het deeltje om de reden dat we nooit het verschil vast zullen kunnen stellen tussen ‘er was even een materieel deeltje in de spleet’ en ‘de toestandsgolf ging door één spleet dus de waarschijnlijkheid om het foton daar bij meting aan te treffen was 100%’. Ik heb mijn voorkeur voor de laatste optie aangezien die minder veronderstelt ten aanzien van de zogenaamde kwantumcollaps, die gebeurt dan pas op het scherm en niet in de spleet, en daarom een grotere kans heeft om dichter bij de waarheid te zitten. Ockham’s Scheermes.

Tenslotte; als het inderdaad gaat om het ‘kunnen weten’, dan ligt de connectie met het bewustzijn van de waarnemer natuurlijk voor de hand.