Het meetprobleem is al geconstateerd in de eerste helft van de 20e eeuw. De vraag is hoe en waarom er een einde komt aan de kwantumtoestandsgolf die in feite een waarschijnlijkheidsverdeling is. Waarschijnlijkheden zijn niet-fysiek en hebben dus meer het karakter van een gedachte. Ondanks alle discussie is er nog steeds geen consensus tussen de fysici over de juiste interpretatie. Daarom een kort overzicht van de meest gangbare hypotheses die elk hun eigen clubje aanhangers hebben. De hypotheses 1 t/m 5, 7 en 10 trachten allemaal het objectieve materiële beeld van het universum te redden. Hypothese 6 is sterk geïnspireerd door virtuele computertechniek. Hypothese 8 en 9 introduceren het niet-fysieke bewustzijn van de waarnemer als verklaring. Voor de aanwijzingen dat het bewustzijn niet genegeerd mag worden kijk hier. De volgorde waarin de hypotheses hier gepresenteerd worden is geen indicatie voor de mate van acceptatie binnen de fysici.
De materiële interpretaties – er zijn fysieke deeltjes – komen langzamerhand steeds meer in de problemen en worden eigenlijk min of meer als onwaarschijnlijk beschouwd. Lees dit artikel op Quanta Magazine.
1: Kopenhagen interpretatie van Niels Bohr en Werner Heisenberg
De kwantumtoestandsgolf is niet-fysiek. Deze toestandsgolf stort in door een meetinstrument dat voldoende groot is.
Kritiek: Voldoende groot is niet nader gespecificeerd. De dubbelspleet is zelf ook een meetinstrument dat zeer groot is ten opzichte van het kwantumobject maar veroorzaakt niet het einde ervan want dan zouden we geen interferentie zien. Verder is elk meetsysteem altijd verbonden met de rest van de wereld.
2: Decoherentie
De onrust van het meetapparaat doet de toestandsgolf zodanig instorten dat er maar een van al die mogelijkheden overblijft en die wordt dan het gemeten object. Dit is de reden dat Qubits, de onderdelen van kwantumcomputers, afgekoeld worden tot dichtbij het absolute nulpunt en uiterst trillingvrij worden gemonteerd.
Kritiek: Hetzelfde bezwaar als bij de Kopenhagen interpretatie.
3: Verborgen variabelen
De kwantummechanica zou incompleet zijn. Men gaat er dan van uit dat het kwantumobject altijd reëeel bestaat maar dat we de variabelen die zijn traject exact zouden beschrijven nog niet kennen.
Kritiek: De Bell-tests hebben steeds weer uitgewezen dat er minstens sneller-dan-licht communicatie moet optreden tussen de fysieke kwantumobjecten. Dat is in regelrecht conflict met de relativiteitswetten van Einstein. Verder is de aard van die veronderstelde communicatie tussen kwantumobjecten nog totaal onbekend. Dat de kwantummechanica incompleet zou zijn is ook merkwaardig gezien het eclatante succes ervan.
4: Multiversa
Alles wat mogelijk is gebeurt ook. Op die manier zijn we van die kansgolf af die bij meting instort tot één object. Bij elke mogelijke uitkomst van een gebeurtenis, en dat kan het verval zijn van één enkel radioactief atoom, splitst het fysieke universum zich in meerdere fysieke universa die elk een andere mogelijke uitkomst bevatten. Een populaire maar nogal anthropocentrische variant daarvan is dat die afsplitsing alleen gebeurt bij elke beslissing van ons, bijvoorbeeld wel of niet die aankoop doen.
Kritiek: De hypothese is noch experimenteel te bewijzen noch te falsifiëren. Uitgaande van: 1/ de door Seth Loyd geschatte informatieinhoud van het universum, 1090 bits, dat is een 1 met 90 nullen en 2/ de kleinste eenheid van tijd, de Plancktijd, van 5,4 x 10-43 seconden kom ik op een onwaarschijnlijk aantal afgesplitste universa per seconde. Verder zijn de recente bevindingen in de kwantumbiologie, de nog onverklaarde efficiency van de kwantumverschijnselen in planten dieren, een sterk argument tegen deze afsplitsingen.
Lees daarvoor elders op deze site: Multiversa en kwantumbiologie.
5: Superselectie
Bij superselectie wordt verondersteld dat superposities van macroscopisch verschillende toestanden niet optreden net zoals de natuur superposities van verschillende ladingen niet toestaat. Een superpositie van de kwantumtoestand van het kwantumdeeltje met de kwantumtoestand van het macroscopisch meetinstrument zou de natuur dan niet toestaan.
Kritiek: Dat de natuur iets niet toestaat is geen verklaring van het betreffende fenomeen maar een verklaring van niet-begrijpen. Hier lijkt de werking van de natuur beschouwd als een bij voorbaat afgesloten doos.
6: De Matrix
We zijn ingelogd in een digitale virtual reality wereld gesimuleerd in een kosmische computer. De natuurwetten zijn niets anders dan de regels van de software. Die computer bevindt zich dan wel buiten het fysieke universum, het is dus een metafysische computer. Uitloggen is doodgaan. Deze hypothese verklaart wel het digitale karakter van de kwantumverschijnselen. Lees vooral dit artikel van Brian Whitworth.
Kritiek: Het is onduidelijk hoe wij inloggen. Verder verplaatst dit alleen de vraag naar de aard van de werkelijkheid naar de aard van metafysische werkelijkheid waarin die computer bestaat.
7: Spontane ineenstorting
De Schrödingervergelijking waaruit de kwantumgolf resulteert wordt aangepast met een nieuwe natuurconstante zodat elk fysisch systeem spontaan een sprongetje maakt waardoor de kwantumcollaps optreedt. Hoe groter het systeem, hoe sneller de collaps. Dat is wel iets wat met experimenten met meetinstrumenten van oplopend formaat bepaald zou moeten kunnen worden. Daarom lijkt deze hypothese falsifieerbaar.
Kritiek: Geen enkel systeem bestaat afzonderlijk van de rest van de wereld. Een meetinstrument hangt niet geïsoleerd in het luchtledige maar zit vast aan de laboratoriumtafel, aan de vloer, aan het gebouw, etc.
8: Geen ineenstorting
Het universum is één grote verstrengelde kwantumgolf die nooit ineenstort. Het universum is daarmee één groot netwerk van alle mogelijkheden waarin elke waarnemer een mogelijk traject aflegt en aldus zijn eigen historie vastlegt. Dit lijkt op de multiversum hypothese maar het grote verschil is dat daarbij al die splitsende universa een fysiek materieel bestaan hebben. Hierbij is er juist geen fysieke werkelijkheid en alleen maar waarnemend bewustzijn en een niet-fysieke kansgolf.
Kritiek: Het is onduidelijk hoe de interactie van het bewustzijn van de waarnemer met die universum-kwantumgolf plaatsvindt. Verder is het een probleem hoe twee waarnemers het met elkaar eens kunnen worden over hun waarnemingen. Zie Eugene Wigner.
9: Projectiepostulaat van John von Neumann
Ook meetinstrumenten moeten voldoen aan de kwantummechanische wetten, aangezien ze samengesteld zijn uit kwantumobjecten, elektronen, protonen, neutronen, fotonen, etc. Dat betekent dat het meetinstrument na de fysieke meting nog steeds in de kwantumgolftoestand verkeert. Het raakt verstrengeld met kwantumobject. De menselijke waarnemer is de laatste in die keten van kwantumtoestanden maar aangezien de mens ook uiteindelijk weer bestaat uit kwantumobjecten, kan zijn fysieke lichaam ook niet de kwantumcollaps veroorzaken. Feitelijk kan niets dat zich in het fysieke materiele domein bevindt, dat doen en daarom heeft de kwantumcollaps een niet-fysieke oorzaak. En dat kan alleen het niet-fysieke bewustzijn zijn.
Kritiek: Twee voorwerpen die niet-rood zijn hebben niet noodzakelijk dezelfde kleur. De niet-fysieke oorzaak van de kwantumcollaps is net zo niet noodzakelijk gekoppeld aan het niet-fysiek veronderstelde bewustzijn. Het is überhaupt de vraag of iets niet-fysieks kan inwerken op het fysieke aangezien het niet-fysieke dan fysieke componenten moet bezitten. Tenslotte duikt hier ook weer het probleem van meerdere waarnemers op. Zie Eugene Wigner.
10 De Quantum Handshake van John Cramer
John G. Cramer heeft een interessante interpretatie voorgesteld die onze opvattingen van causaliteit schendt. De kwantumgolf kent ook een oplossing die terug in de tijd zou lopen, een zogenaamde advanced wave. Deze terug in de tijd lopende golf is een reflectie van de normale kwantum toestandsgolf die terugkomt bij de bron op het moment dat de normale golf deze verlaat. De twee golven vormen een transactie tussen de bron en de bestemming, de ‘handshake’, waardoor de energie overgedragen wordt, in onze ogen min of meer instantaan. Dat is dus de kwantum collaps.
Kritiek: Cramer moet voor zijn interpretatie wel een zekere hoeveelheid fysische energie aan de kwantum toestandsgolf toekennen. De kwantumgolf is daarmee tegelijk een kansverdeling én materiëel. Zijn interpretatie is niet via experimenten te onderscheiden van de kwantum mechanica, heeft nogal wat kritiek gehad en kent weinig aanhangers onder fysici.
Een experiment dat de interpretaties zou kunnen testen
Kortom, zoveel hoofden, zoveel zinnen. Al deze interpretaties ‘leven’ nog. Een artikel van december 2018 in Quanta Magazine gaat over een – nog niet uitgevoerd – experiment dat duidelijkheid zou moeten gaan geven over de verschillende interpretaties. Het is een experiment met vier experimentatoren waarbij getest wordt of een van hen de andere experimentatoren wel of niet als een gesuperponeerde kwantumgolf mag beschouwen. Het is een variant dus op Wigner’s Friend. Het was toen nog niet technisch uitvoerbaar en er is dus ook nog geen uitslag waarmee een aantal van deze interpretaties uitgesloten zouden kunnen worden. Maar in 2019 is er daadwerkelijk een experiment uitgevoerd dat leek aan te tonen dat minstens een van de volgende drie aannamen over de fysische werkelijkheid niet klopt:
- Vrije keus: Alice en Bob kunnen vrij kiezen wat ze zullen meten.
- Lokaliteit: De keuzes van Alice en Bob beïnvloeden elkaars uitkomsten niet.
- Waarnemer onafhankelijke Feiten: Alle waarnemers kunnen hun uitkomsten met elkaar overeenstemmen.
Deze drie aannemen zijn basisaannamen van kwantumtheorie.
Ondanks al die verschillende interpretaties is de kwantummechanica de meest succesvolle fysische theorie als je succes beoordeelt op grond van haar ongeëvenaard accurate voorspellingen. Je kunt dit probleem daarom negeren in je laboratorium. Maar filosofisch gezien is het meetprobleem beslist een uiterst belangrijk vraagstuk, namelijk over de aard van de werkelijkheid. We kunnen proberen om een hypothese te formuleren die alle verschijnselen bevat en verklaart. Daarvoor dienen we wel een strakke set uitgangspunten te formuleren.