Categorie: Tijd

Geplaatst op

Verstrengeld in ruimte én tijd

Verstrengeling in de ruimte

Kwantumverstrengeling wordt in het algemeen gebracht als het effect dat als twee (of meer) kwantumobjecten een gemeenschappelijke historie hebben dat ze kwantumverstrengeld zijn totdat een ervan gemeten wordt. Gemeenschappelijke historie betekent dat ze fysieke interactie gehad hebben in het verleden. Dat wil zeggen dat de objecten één gezamenlijke kwantumgolf vormen en dat, als een van de objecten wordt gemeten, dit een onmiddellijke invloed uitoefent op de eigenschappen van de andere objecten. Dit is keer op keer aangetoond in tal van Bell experimenten die daarmee overtuigend effecten aan lijken te tonen die in strijd zijn met de relativiteitswetten. Die zeggen namelijk dat de maximale snelheid van informatieoverdracht de snelheid van het licht is. Voor meer over verstrengeling zie ook deze pagina op deze site.

Verstrengeling in de ruimte en tijd

In 2013 is er een experiment uitgevoerd – Entanglement Swapping between Photons that have Never Coexisted – dat liet zien dat fotonen verstrengeld kunnen worden die nooit samen zijn geweest. Wat betekent dat? Een wat helderder manier om het experiment te beschrijven is ‘verstrengeling in tijd in plaats van ruimte’. Zie onderstaande diagram uit de publicatie van het experiment.

De fotonen vertonen een gemeenschappelijke kwantumgolf die begint bij de creatie van het eerste foton dat verstrengeld is met een tweede foton. Het eerste foton wordt gemeten, waarbij onherroepelijk zijn bestaan eindigt, en het tweede foton wordt verstrengeld met een fotonenpaar dat later in tijd is gecreëerd dan het einde van het eerste foton. Dat eerste foton werd beëindigd door zijn meting. Uiteindelijk wordt foton vier, de tweede van het tweede paar gemeten. De metingen aan foton een en vier blijken gecorreleerd. Dat moet via foton twee en drie zijn gebeurd. Die verstrengeling van al die fotonen met elkaar is gemaakt op een manier zoals in een Bell experiment de polarisaties van twee fotonen worden vergeleken, een polarisator met twee in- en uitgangen waarin de correlaties tussen foton twee en drie worden gemeten. Verdere uitleg laat ik achterwege, dat zou veel te technisch worden. Ik verwijs kwantumfysici naar de publicatie van het experiment. De conclusie die de auteurs uit hun metingen trekken is dat foton een en vier verstrengeld waren terwijl het bestaan van foton een eindigde voordat foton vier werd gecreëerd. Verstrengeling in tijd dus.

Uitleg bij de figuur:

  • I: De geboorte van foton een en twee op t=0.
  • II: Het einde van foton een door de detectie ervan.
  • III: De geboorte van foton drie en vier.
  • IV: Bell projectie van foton twee en drie. Hierdoor raken ze verstrengeld. Omdat drie verstrengeld is met vier zijn alle vier fotonen verstrengeld geraakt al bestaat foton een niet meer.
  • V: Detectie van foton vier.
  • VI: Waarneming van het resultaat door waarnemer!

Retrocausaliteit?

De uitslag van de detecties van foton een en vier worden natuurlijk pas bekeken nadat foton vier gedetecteerd is. Dan pas wordt de uitslag ‘ervaren’ in het bewustzijn van de experimentator. Dat is belangrijk in dit verhaal.

Dit doet sterk denken aan de retrocausale effecten die in de uitgestelde keus experimenten optreden en waarover heftige discussies op het internet te vinden zijn. Zoals ik aan het einde van het bericht Schrödinger’s stopwatch opmerk lijkt de Kopenhaagse interpretatie van de kwantummechanica niet alleen in te houden dat observatie (meting) de ruimtelijke manifestatie van het kwantumobject door de ineenstorting van de kwantumgolf veroorzaakt. Het geobserveerde object wordt niet alleen in de ruimte gemanifesteerd maar ook in de tijd. Ons kijken in de doos manifesteert niet slechts de inhoud in de ruimte, het radioactief atoom, de stopwatch en de geigerteller, maar manifesteert ook de stopwatch met de wijzer op een moment in het verleden.

Maar dat is, in mijn ogen, alleen maar ogenschijnlijke retrocausaliteit. Het is de letterlijke creatie van historie door de in tijd later uitgevoerde observatie van een waarnemer. Het is altijd al duidelijk geweest dat onze ervaring van wat dan ook altijd achterloopt op datgene wat de ervaring ons vertelt. In de meeste gevallen is de afstand tot het geïnterpreteerde verleden klein, anders zouden we nooit adequaat kunnen reageren op de wereld. Maar hoe klein die afstand ook is, het is altijd een interpretatie van een gebeurtenis in het verleden. Wij ijlen altijd na op het NU. We leven in het verleden.

Consensus in een virtuele werkelijkheid

De observatie legt dus een gebeurtenis in het verleden vast. Aan het resultaat valt daarna niet meer te tornen. Het verleden, na observatie, staat vast. In mijn boek doe ik een pleidooi voor de visie dat onze ervaren wereld iets is dat zich totaal binnen de geest afspeelt. Een virtuele beleving. Maar dan komt de vraag onherroepelijk op hoe het komt dat wij het doorgaans over onze ervaringen met elkaar eens kunnen zijn. Dat wordt binnen die virtuele werkelijkheid verzekerd door alles wat geobserveerd wordt vast te leggen als niet meer veranderbare historie. De experimentator die het eerst de resultaten van het experiment bekijkt legt daarmee onherroepelijk vast wat er gebeurd is. Daarna kunnen de anderen dit slechts bevestigen. Dat is geen echte retrocausaliteit maar de creatie van historie.

Geplaatst op

Schrödinger’s stopwatch

Een retorische truc

Toen Erwin Schrödinger in 1935 zijn gedachte-experiment met een kat in een gesloten doos aan zijn collega’s, en in het bijzonder Bohr en Heisenberg, presenteerde om het absurde van de Kopenhaagse interpretatie van de kwantumfysica aan te tonen gebruikte hij een retorische truc. Hij introduceerde een levend wezen in het experiment dat in een kwantumsuperpositie zou komen te verkeren. Eigenlijk introduceerde hij daar tussen neus en lippen door bovendien al iets waar Bohr in datzelfde jaar een naam aan zou geven, verstrengeling, tegenwoordig breed geaccepteerd onder fysici. Maar mag je een element introduceren in je experiment, al is het een gedachte-experiment, waarvan eigenlijk niet bekend is wat het nu precies is? Want wat is leven?

Wat is leven eigenlijk?

We kennen het onderscheid tussen leven en dood, althans dat menen we te kennen. We herkennen het wanneer het leven uit een voorheen levend wezen verdwenen is, het overgegaan is in de staat van inerte dode materie. Laat nu de natuurkunde net die wetenschap zijn die zich bezighoudt met dode materie, niet met levende wezens. Een levend wezen heeft een aantal kenmerken, waaronder homeostase en doelgerichtheid, maar is het helder waar deze kenmerken op gebaseerd zijn, wat hun oorsprong is? Een van de grote problemen bij orgaandonors is het correct vaststellen van de dood van de donor zodat het verwijderen van de nog bruikbare organen kan beginnen. We hebben nog geen meetinstrument voor leven, een test die met 100% zekerheid vaststelt of een organisme leeft of dood is. Het is daarom niet zo gek dat Schrödinger in zijn latere carrière een serie lezingen heeft gegeven met als onderwerp “Wat is leven”. Daarmee gaf hij wel het startschot voor wat nu kwantumbiologie heet.

Een fysisch correct gedachte-experiment

Ook gedachte-experimenten dienen fysisch correct te zijn, alles wat in het experiment wordt gebruikt dient nauwkeurig en zonder ambivalentie omschreven te zijn. Einstein was daar een meester in. Dus eigenlijk mag Schrödingers gedachte-experiment niet als een correct fysisch experiment beschouwd worden. Dus laten we die valselijk geïntroduceerde levende kat er nu maar uit laten en vervangen door iets dat wel fysisch goed omschreven kan worden, dode materie. Een klokje of stopwatch bijvoorbeeld dat tot stilstand gebracht wordt door het vuren van de geigerteller.

Het Schrödinger stopwatch experiment: Een hermetisch gesloten doos bevat een radioactief atoom waarvan bekend is dat de kans dat het na een uur vervallen is 50% is. Het is volgens de Kopenhaagse interpretatie niet te voorspellen wanneer het atoom vervalt en dat is nog steeds de gangbare opinie onder fysici. Als het atoom vervalt produceert het radioactieve straling die door een geigerteller, ook in de doos, wordt gedetecteerd. Het signaal van de geigerteller wordt gebruikt om een lopende stopwatch, ook in de doos, te stoppen. We wachten nu een uur en openen dan de doos om te zien of en wanneer de stopwatch gestopt is.

De Kopenhaagse interpretatie zegt ons dat het atoom, de geigerteller en de stopwatch één gezamenlijke superpositie van kwantumtoestanden vormen, verstrengeling dus, zolang de doos dicht is en er nog niet gemeten is. Zodra wij de doos openen stort de kwantumgolf in en observeren wij de gematerialiseerde inhoud van de doos. Stel nu dat de stopwatch gestopt blijkt te zijn na 44 minuten, dus 16 minuten voordat de doos geopend werd. Wij constateren dus dat het atoom 16 minuten geleden verviel. Realiseer je nu eens dat de stopwatch pas materialiseerde – met de wijzer op 44 minuten – bij het openen van de doos. In het hele uur daarvoor was er geen lopende of stopgezette stopwatch, maar een niet-materiële verstrengelde toestandsfunctie van de inhoud van de doos.

De waarnemer creëert ook de tijd

Ziedaar – logisch voortvloeiend uit de Kopenhaagse interpretatie – de oorsprong van de tijd. De waarnemer creëert niet alleen de materie die zich aan ons voordoet, maar ook – met terugwerkende kracht in de tijd – het moment waarop dat gebeurde. We creëren dus met onze waarneming ook de tijd. Een verbluffende conclusie. Geen wonder dat de Kopenhaagse interpretatie niet zo populair is onder de fysici. Maar die andere hypotheses zijn nog veel onwaarschijnlijker.

Als u hier nog twijfelt, verwijs ik u daarom naar de uitgestelde keus experimenten die eveneens retrocausaliteit lijken aan te tonen – niet dat van Kim et al. van 1999, daar zit een fout in de opzet en in de interpretatie – maar die net zo goed of zelfs beter uit te leggen zijn als de achteraf creatie van historie en tijd.

Geplaatst op

Aristoteles en de tijd

Naam: Aristoteles
Geboren: Stageira, 384 v.Chr.
Overleden: Chalkis, 322 v.Chr.
Land: Polis Athene, Macedonië
Functie: filosoof
Afbeelding Publiek domein, https://commons.wikimedia.org

Het blijkt interessant om de gedachten van Aristoteles over de tijd naast mijn inzichten over de tijd en de kwantumfysica te zetten. Er zijn treffende overeenkomsten.

Een citaat uit Fysica, boek 4.11:

But neither does time exist without change; for when the state of our own minds does not change at all, or we have not noticed its changing, we do not realize that time has elapsed, any more than those who are fabled to sleep among the heroes in Sardinia do when they are awakened; for they connect the earlier ‘now’ with the later and make them one, cutting out the interval because of their failure to notice it.


So, just as, if the ‘now’ were not different but one and the same, there would not have been time, so too when its difference escapes our notice the interval does not seem to be time. If, then, the non-realization of the existence of time happens to us when we do not distinguish any change, but the soul seems to stay in one indivisible state, and when we perceive and distinguish we say time has elapsed, evidently time is not independent of movement and change. It is evident, then, that time is neither movement nor independent of movement.

Aristoteles zegt hier dus dat tijd niet bestaat zonder verandering die door ons [bewustzijn] waargenomen wordt. Als er geen verandering wordt ervaren dan ervaren we ook geen tijd. Tijd is dus niet de beweging maar is er ook niet onafhankelijk van.

Now we perceive movement and time together: for even when it is dark and we are not being affected through the body, if any movement takes place in the mind we at once suppose that some time also has elapsed; and not only that but also, when some time is thought to have passed, some movement also along with it seems to have taken place. Hence time is either movement or something that belongs to movement. Since then it is not movement, it must be the other.

Als we een ‘voor’ en een ‘na’ waarnemen, dus een verandering, dan is er tijd. Maar tijd is niet de verandering. Het is een vergelijking tussen twee nu-momenten. De opeenvolging leggen we er zelf in door er een ‘voor en ‘na’ aan toe te kennen.

When, therefore, we perceive the ‘now’ one, and neither as before and after in a motion nor as an identity but in relation to a ‘before’ and an ‘after’, no time is thought to have elapsed, because there has been no motion either. On the other hand, when we do perceive a ‘before’ and an ‘after’, then we say that there is time. For time is just this-number of motion in respect of ‘before’ and ‘after’.

Het ‘nu’ verandert zelf niet maar de in elk ‘nu’ vastgelegde momenten wel.

De uitgestelde kwantumwisser

Deze visie op tijd van Aristoteles doet me sterk denken aan de gevolgtrekkingen die we kunnen maken uit de resultaten van de uitgestelde keus kwantum wisser experimenten. Bij een eenvoudig dubbelspleet experiment ontstaat er altijd waarneembare interferentie achter de dubbelspleet. Een patroon van donkere en lichte banden. Of er nu fotonen, electronen, atomen of grotere moleculen op de dubbelspleet worden afgevuurd.

Opbouw van het interferentiepatroon in de tijd bij het tweespletenexperiment uitgevoerd met elektronen.
Provided with kind permission of Dr. Tonomura to Wikimedia Commons

In de uitgestelde keus experimenten worden in principe ook fotonen door een dubbelspleet gezonden maar daarbij wordt ook informatie verzameld over welke spleet het foton gepasseerd heeft. De gemeten informatie over de gepasseerde spleet wordt willekeurig vastgelegd dan wel onherroepelijk vernietigd om na te kunnen gaan wat het effect is van informatie over de gepasseerde spleet op het interferentiepatroon. De resultaten zijn conform de voorspellingen van de kwantum mechanica maar desalniettemin intrigerend.

  • Indien er informatie beschikbaar is over welke spleet door het foton is gepasseerd wordt het resultaat van het experiment zodanig beïnvloed (geen interferentie) dat de conclusie moet zijn dat de toestandsgolf van het foton zich al in de spleet als fysiek foton gemanifesteerd moet hebben (de kwantumcollaps).
  • Het experiment is zodanig opgezet dat het moment dat die informatie gemeten en geregistreerd wordt in tijd ligt na het verschijnen van het foton in de spleet.

Dit lijkt op het eerste gezicht op een werking die in het verleden terug reikt. Retrocausaliteit dus. Dat wil niet zeggen dat we het verleden kunnen veranderen, eenmaal gemeten ligt het onherroepelijk vast. Maar zodra we de actieve waarnemer erbij betrekken is retrocausaliteit niet meer nodig als verklaring. De waarnemer legt dan door zijn bewuste observatie namelijk op dat moment de volgorde van de gebeurtenissen pas vast. Het is dan niet de instrumentele detectie van de spleet-passage die een effect uitoefent op het interferentiegedrag van het foton. De historie – de opeenvolging van nu-momenten – wordt vastgelegd door de beschouwing van de waarnemer. Dat is tijd.

Kortom, de kwantumfysica lijkt de ideeën van Aristoteles over tijd te bevestigen. Er tekent zich nu een belangrijk verschil af tussen ervaren tijd en klokkentijd. De laatste werd in de 16e eeuw door Newton geïntroduceerd als de enige tijd die in de fysica van belang was. Daarmee werd de waarnemer dus buiten spel gezet, die was niet meer van belang in het fysieke universum. De kwantumfysica lijkt de ervaren tijd weer terug te brengen als iets dat ook in de fysica een rol speelt waarmee de waarnemer als informatieverwerker weer een actieve deelnemer wordt aan het universum.

Geplaatst op

Kwantumfysica en tijd

Professor Vlatko Vedral is hoogleraar fysica aan de Oxford universiteit. Hij publiceert over kwantumfysica en haar effecten in de macrowereld. Bekijk deze aflevering “Living in a quantum world” van hem op YouTube: https://youtu.be/vaUfZak8Ug4. Op het laatst van de aflevering wordt er een vraag over tijd en kwantumfysica gesteld (ca. 1:10u) en in zijn antwoord beschrijft hij het gedrag van een supernauwkeurige klok en wat er gebeurt met de laatste cijfertjes als je die klok een halve meter optilt in het zwaartekrachtveld. En dan vraagt hij zich af wat het betekent als je je die klok voorstelt in een kwantumsuperpositie op de twee verschillende hoogtes in het zwaartekrachtveld. Een superpositie van twee verschillende tijdlijnen dus. Fascinerend.

Overigens is het eerste deel van zijn presentatie – ca. 45 minuten – eigenlijk een zeer compacte versie van mijn kwantumfysica cursus. Alles komt langs: interferentie, de Mach-Zehnder interferometer, Schrödingers kat, de Kopenhagen interpretatie tegenover het multiversum, uitgestelde keus experimenten, interferentie met grote moleculen, de oriëntatie van ons roodborstje op het aardmagnetisch veld in zijn jaarlijkse trek, de 100% efficiency van chlorophyl. Een aanrader dus.

Geplaatst op

Massa en energie, tijd en en ruimte, de misvattingen

Quanta Magazine, een webservice die altijd interessante artikelen produceert en die ik graag lees, kwam gisteren weer met een leuk artikel waar relativiteit, kwantumfysica en zwarte gaten een belangrijke rol speelden. Daarin kom ik toch weer een paar misvattingen tegen, volgens mij dan, waar ik toch even iets over kwijt wil.

Symmetrie, het ‘simpele’ idee achter grote ontdekkingen

Citaat uit: Einstein, Symmetry and the Future of Physics | Quanta Magazine

“Solar energy arrives on Earth and becomes mass in the form of green leaves, creating food we can eat and use as fuel for thought. “

De misvatting is dat energie op mysterieuze wijze in massa wordt omgezet en andersom. Dat is echter niet de boodschap van E=mc2. Energie en massa zijn als de twee zijden van dezelfde munt. Ze zijn identiek. Dat is in te zien bij wat er gebeurt bij het versnellen van een object tot dichtbij de snelheid van het licht.

Volgens de speciale relativiteit wordt al die energie die je in die versnelling stopt omgezet in trage massa. Het gaat steeds meer energie kosten om er nog een beetje extra snelheid aan te geven. Daarom kunnen we op die manier nooit de lichtsnelheid zelf bereiken, de trage massa zou oneindig worden. Dit effect is overtuigend aangetoond bij het versnellen van protonen in de LHC in Geneve. Hoe sneller ze gaan hoe meer massa ze krijgen en hoe sterker de magnetische velden moeten zijn om ze in de bocht te houden.

In de algemene relativiteit is de centrale basisaanname dat trage massa en zware massa identiek zijn oftewel dat de versnellingskracht door de zwaartekracht identiek is aan de versnellingskracht die je ondervindt in bijvoorbeeld een draaimolen. Dat zegt mij dus dat massa en energie hetzelfde ding zijn. Dat ook een opgeladen accu ietsje zwaarder moet zijn dan een lege. De energie die vrijkomt bij kernfusie wordt echter vaak uitgelegd alsvolgt:

“De massa van de twee gefuseerde atoomkernen is kleiner dan de die van de oorspronkelijke kernen samen. Dat is dan energie geworden en die massa is weg. “

Maar kijk even naar de werkelijke opvatting die de fysici hanteren en zoals je die op WikiPedia – de engelse pagina – kan lezen: “Mass and energy can be seen as two names (and two measurement units) for the same underlying, conserved physical quantity.[18] Thus, the laws of conservation of energy and conservation of (total) mass are equivalent and both hold true.“. Opmerkelijk is dat de Nederlandse versie van die pagina hier niet echt duidelijk over is.

Bekijk het dus even anders. De gefuseerde atoomkern heeft een enorme kinetische energie gekregen bij de fusie, snelheid dus. Die kinetische energie is exact gelijk aan de ‘verdwenen’ massa. Die massa is echter helemaal niet verdwenen. Door de snelheid waarmee de gefuseerde kern beweegt heeft hij ook meer massa. Dat zegt de speciale relativiteit ook al. Zou je deze fusie zich kunnen laten afspelen in een thermisch volledig afgesloten doos die op een weegschaal staat dan zou je geen verschil in gewicht – en dus massa – constateren.

Dat elke waarnemer altijd dezelfde snelheid van het licht waarneemt is een fysisch feit maar gaat in tegen ons zogenaamde gezonde verstand dat ons zegt hoe de dingen zouden moeten werken. Daarover heb elders op deze website nog wat te zeggen in ‘Wat is licht‘.

Geplaatst op

Donkere materie, antimaterie en anti-tijd

Een nieuwe hypothese die ‘eenvoudige’ en, belangrijk, toetsbare verklaringen zou moeten bieden voor onder andere donkere materie en het gemis aan antimaterie in ons universum. Lees het artikel in de Volkskrant van Govert Schilling. Of lees de engelstalige samenvatting bij Physics.aps.org. Het hele artikel van Boyle, Finn en Turok van het Perimeter Instituut – Ontario – Canada vindt u hier.

Wij houden van symmetrie

In het anti-universum verloopt de tijd volgens dit idee in de tegengestelde richting van ons universum, bestaat alles uit antimaterie en is het ook nog eens gespiegeld ten opzichte van ons. Daar mee worden aan drie belangrijke symmetrievoorwaarden voldaan waar ons universum zonder anti-universum niet aan voldoet. Dat heet CPT-symmetrie. Erg aantrekkelijk dus. We vinden symmetrie nu eenmaal mooi. Bij de Big Bang ontstonden beide universa tegelijk en ontwikkelden zich in tegengestelde tijdsrichtingen. Maar er is meer. Het model verklaart het feit dat wij nauwelijks antimaterie lijken aan te treffen in ons universum. Het voorspelt ook de donkere materie die wij aan lijken te treffen in ons universum als een zware variant van het neutrino en ook de hoeveelheid ervan die wij hebben berekend lijken met de theorie overeen te komen. Tot nog toe was ik geen uitgesproken fan van donkere materie als verklaring van de te grote rotatiesnelheden van de buitenste sterren in sterrenstelseld maar dit zou mij wel eens kunnen ‘bekeren’.

Tenslotte is deze hypothese een leuke bevestiging van het idee dat wij de tijd ervaren door het toenemen van entropie. In het anti-universum zou de entropie namelijk in de omgekeerde richting moeten verlopen. Vanuit ons perspectief gezien lopen de klokken in het anti-universum achteruit en worden de mensen daar onverbiddelijk jonger om uiteindelijk in de baarmoeder van hun moeders geperst te worden.

Waar is dat anti-universum?

De vraag blijft natuurlijk knagen waar dat anti-universum zich bevindt. Maar wellicht is dat een verkeerde vraag. Dimensies als ruimte en tijd zijn een ervaring, een product van de energetische veranderingen in de materie en van onze herinnering.

Uiteindelijk zouden beide universa – als ze ophouden met uitdijen en de zwaartekracht uiteindelijk gaat winnen – weer bij elkaar kunnen komen bij de zogenaamde Big Crunch. Waarop waarschijnlijk weer een nieuwe Bang zou volgen. Maar daar hoeven we ons voorlopig geen zorgen over te maken.