Einstein’s Spooky Action at a Distance en Kwantumverstrengeling

Albert Einstein, een van de beroemdste natuurkundigen aller tijden, had moeite met bepaalde aspecten van de kwantummechanica, een theorie die de gedragingen van de kleinste deeltjes in het universum beschrijft. Eén van de concepten die hem bijzonder verwarde, noemde hij “spooky action at a distance” ofwel “griezelige werking op afstand“. Dit fenomeen gaat over het idee dat twee deeltjes, zelfs als ze ver van elkaar verwijderd zijn, op een mysterieuze manier met elkaar verbonden kunnen blijven. In dit artikel gaan we dieper in op wat Einstein bedoelde met deze term, waarom het hem zo verwarde, en hoe moderne natuurkundigen deze eigenschap van de kwantumfysica begrijpen.

Wat is “spooky action at a distance”?

Een introductie tot het concept

“Spooky action at a distance” verwijst naar een fenomeen dat in de kwantummechanica bekendstaat als kwantumverstrengeling. Kwantumverstrengeling is een vreemd verschijnsel waarbij twee of meer deeltjes zo nauw met elkaar verbonden zijn dat de toestand van het ene deeltje direct invloed heeft op de toestand van het andere deeltje, ongeacht de afstand tussen hen. Stel je bijvoorbeeld voor dat je twee elektronen hebt die verstrengeld zijn; als je de eigenschap van één elektron meet, beïnvloedt dat onmiddellijk de eigenschap van het andere elektron, zelfs als ze aan weerszijden van het universum zouden zijn.

Waarom vond Einstein dit concept zo vreemd?

Einstein noemde dit fenomeen “spooky action at a distance” omdat het leek te suggereren dat informatie sneller dan het licht kon reizen. Dit idee stond haaks op zijn eigen relativiteitstheorie, die stelt dat niets sneller kan reizen dan het licht. Voor Einstein was het idee dat twee deeltjes onmiddellijk op elkaar konden reageren, zonder dat er tijd verstreek, een teken dat er iets ontbrak in de kwantumtheorie. Hij geloofde dat er verborgen variabelen moesten zijn, iets dat de mysterieuze verbinding tussen verstrengelde deeltjes kon verklaren zonder de wetten van de klassieke fysica te overtreden.

Het EPR-paradox

In 1935 werkten Einstein en zijn collega’s Boris Podolsky en Nathan Rosen samen aan een wetenschappelijk artikel om hun zorgen over de kwantummechanica uit te drukken. Dit artikel werd bekend als het EPR-paradox, vernoemd naar hun achternamen. De EPR-paradox probeerde aan te tonen dat de kwantummechanica onvolledig was omdat het niet kon uitleggen hoe “spooky action at a distance” mogelijk was zonder de wetten van de klassieke fysica te schenden.

De paradox uitgelegd

De EPR-paradox stelde dat als de kwantummechanica juist was, dan zou het mogelijk moeten zijn om twee deeltjes te verstrengelen en ze vervolgens in tegenovergestelde richtingen te laten reizen. Als je de toestand van een van de deeltjes zou meten, zou de toestand van het andere deeltje onmiddellijk bekend zijn, ongeacht de afstand tussen hen. Dit leek in strijd met het idee dat informatie niet sneller dan het licht kon reizen, en daarom concludeerden Einstein en zijn collega’s dat de kwantummechanica niet het volledige verhaal kon vertellen.

Het experiment van Alain Aspect en de doorbraak in begrip

De experimentele test van de EPR-paradox

Decennia na het publiceren van de EPR-paradox bleef de wetenschappelijke gemeenschap verdeeld over het idee van “spooky action at a distance.” Sommigen geloofden dat Einstein gelijk had en dat er verborgen variabelen moesten zijn die de correlaties tussen verstrengelde deeltjes konden verklaren zonder de snelheid van het licht te overtreden. Anderen waren van mening dat de kwantummechanica volledig was zoals die was, inclusief zijn vreemde voorspellingen.

In de jaren 1970 en 1980 begon deze kwestie duidelijker te worden dankzij een reeks experimenten die werden uitgevoerd door de Franse fysicus Alain Aspect en zijn team. Aspect en zijn collega’s ontwikkelden een experiment dat bekend staat als de Bell-test, genoemd naar de theoretische fysicus John Bell, die een belangrijke rol speelde in het ontwikkelen van de theoretische basis voor deze experimenten.

Wat is de Bell-test?

De Bell-test was ontworpen om te bepalen of de correlaties tussen verstrengelde deeltjes konden worden verklaard door klassieke verborgen variabelen, zoals Einstein suggereerde, of dat ze echt het gevolg waren van kwantumverstrengeling. In eenvoudige bewoordingen wilde de Bell-test aantonen of de natuurwetten van de klassieke fysica voldoende waren om de vreemde gedragingen van deeltjes op kwantumniveau te verklaren.

Het experiment van Aspect was een geavanceerde versie van eerdere tests en gebruikte fotonen (lichtdeeltjes) die verstrengeld waren. Hij scheidde deze fotonen over grote afstanden en testte vervolgens hun polarisaties. Wat Aspect ontdekte, was dat de correlaties tussen de verstrengelde fotonen sterker waren dan wat klassieke verborgen variabelen zouden kunnen verklaren. Dit betekende dat de kwantummechanica inderdaad voorspellingen deed die verder gingen dan de klassieke fysica en dat de vreemde, “griezelige” actie op afstand echt was.

De implicaties van Aspect’s experimenten

De resultaten van Aspect’s experimenten waren baanbrekend omdat ze lieten zien dat de natuur fundamenteel anders werkt op het kwantumniveau dan we gewend zijn in onze dagelijkse ervaring. De resultaten ondersteunden het idee dat kwantumverstrengeling echt is en dat het een fenomeen is dat niet kan worden verklaard door klassieke fysica alleen. Dit suggereert dat deeltjes op een mysterieuze manier verbonden kunnen blijven, zelfs over grote afstanden, en dat deze verbindingen direct kunnen zijn, zonder de tussenkomst van tijd of ruimte zoals wij die begrijpen.

De experimenten van Aspect waren niet alleen een bevestiging van de kwantummechanica, maar ook een afwijzing van het idee dat er verborgen variabelen moesten zijn zoals Einstein dacht. In plaats daarvan ondersteunen ze het idee dat de kwantummechanica, met al zijn vreemdheid en tegenintuïtieve concepten, een complete en accurate beschrijving geeft van de wereld op het allerkleinste niveau.

Moderne interpretaties en de betekenis van “spooky action at a distance”

Het concept van kwantumverstrengeling in de moderne fysica

Met de experimenten van Alain Aspect als bewijs, hebben natuurkundigen hun begrip van kwantumverstrengeling verder ontwikkeld. Vandaag de dag wordt kwantumverstrengeling niet alleen geaccepteerd als een echt fenomeen, maar het is ook een kerncomponent van verschillende moderne technologieën en onderzoeksmogelijkheden.

Verstrengeling speelt een cruciale rol in de ontwikkeling van kwantumcomputers, die het potentieel hebben om berekeningen uit te voeren op een snelheid die veel hoger is dan die van klassieke computers. In een kwantumcomputer kunnen verstrengelde qubits (de kwantumversie van bits in klassieke computers) op een manier met elkaar communiceren die niet mogelijk zou zijn zonder verstrengeling. Dit maakt het mogelijk om meerdere berekeningen tegelijkertijd uit te voeren, wat leidt tot exponentieel snellere processen.

Daarnaast speelt kwantumverstrengeling ook een belangrijke rol in kwantumcryptografie, een techniek die gebruikmaakt van de principes van de kwantummechanica om informatie overdracht extreem veilig te maken. Omdat het afluisteren van verstrengelde deeltjes hun toestand verandert, kan elke poging tot afluisteren door een derde partij onmiddellijk worden gedetecteerd.

De filosofische implicaties van “spooky action at a distance”

Naast zijn wetenschappelijke toepassingen heeft “spooky action at a distance” ook geleid tot filosofische discussies over de aard van de werkelijkheid en hoe we deze begrijpen. Het idee dat deeltjes op een mysterieuze manier met elkaar verbonden kunnen blijven, roept vragen op over de aard van ruimte en tijd en over hoe onze fysieke werkelijkheid in elkaar zit.

Sommige wetenschappers en filosofen suggereren dat kwantumverstrengeling een aanwijzing kan zijn dat ruimte en tijd niet fundamentele bouwstenen van de natuur zijn, maar eerder verschijnselen die voortkomen uit een diepere, nog onbegrepen realiteit. Anderen zien het als bewijs dat de natuur fundamenteel niet-lokaal is, wat betekent dat objecten in het universum op een directe en onmiddellijke manier met elkaar verbonden kunnen zijn, ongeacht de afstand tussen hen.

Deze ideeën hebben geleid tot discussies over de interpretaties van de kwantummechanica, zoals de Kopenhagen-interpretatie, die stelt dat de toestand van een kwantumsysteem pas definitief wordt bepaald op het moment dat het wordt gemeten, en de Veel-werelden-interpretatie, die suggereert dat alle mogelijke uitkomsten van kwantumgebeurtenissen daadwerkelijk plaatsvinden, elk in zijn eigen aparte universum.

Kritiek en openstaande vragen

Hoewel “spooky action at a distance” inmiddels een goed geaccepteerd fenomeen is binnen de natuurkunde, zijn er nog steeds vragen en discussies over wat het precies betekent en hoe het in ons begrip van het universum past. Sommige natuurkundigen zoeken nog steeds naar een onderliggende theorie die verder gaat dan de kwantummechanica en die misschien enkele van de paradoxen en eigenaardigheden van de huidige theorie kan verklaren.

Er zijn ook vragen over de grenzen van verstrengeling. Hoe groot kan een systeem zijn en toch verstrengeld blijven? Kunnen we verstrengeling gebruiken om informatie over lange afstanden te verzenden op manieren die nu nog onvoorstelbaar zijn? Deze en andere vragen blijven onderwerpen van actief onderzoek en discussie.

Conclusie: Einstein’s verwarde voorgevoel was juist

De betekenis van “spooky action at a distance” vandaag

Het idee van “spooky action at a distance”, zoals ooit spottend genoemd door Albert Einstein, is nu een geaccepteerd en essentieel onderdeel van de kwantummechanica. Waar Einstein ooit twijfelde aan de volledigheid van de kwantumtheorie, heeft modern onderzoek aangetoond dat zijn intuïtie over de vreemdheid van de kwantumwereld terecht was. Zijn bezorgdheid over de “griezelige” aspecten van kwantumverstrengeling heeft uiteindelijk geleid tot diepgaand onderzoek dat ons begrip van de natuurwetten heeft uitgebreid en verdiept.

De ontdekking en bevestiging van kwantumverstrengeling door experimenten zoals die van Alain Aspect heeft ons gedwongen om onze concepten van ruimte, tijd, en zelfs de werkelijkheid zelf te herzien. Dit fenomeen staat nu centraal in veel van de opkomende technologieën van de 21e eeuw, zoals kwantumcomputing en kwantumcryptografie, en heeft ons tegelijkertijd belangrijke filosofische vragen opgeleverd over de fundamenten van de natuur.

Het blijvende mysterie

Ondanks de vele doorbraken blijft kwantumverstrengeling een mysterieus fenomeen. Het stelt natuurkundigen voor uitdagingen die ons begrip van het universum tot de grenzen van de menselijke kennis en verbeelding drijven. Terwijl we blijven zoeken naar antwoorden en proberen de diepste geheimen van de natuur te onthullen, is het duidelijk dat de “spooky action at a distance” van Einstein ons nog vele jaren van fascinerend onderzoek en verwondering zal bieden.

De bijdrage van Einstein aan deze discussie, hoewel sceptisch, was van onschatbare waarde. Zijn vraagtekens bij de kwantummechanica hielpen een weg te banen voor een dieper begrip en inspireerden talloze experimenten en theorieën die volgden. Het is een mooi voorbeeld van hoe wetenschappelijke scepticisme en nieuwsgierigheid kunnen leiden tot grote vooruitgang en nieuwe inzichten in de fundamenten van ons bestaan.

Bronnen

1. Aspect, Alain, Philippe Grangier, and Gérard Roger. “Experimental Realization of Einstein-Podolsky-Rosen-Bohm Gedankenexperiment: A New Violation of Bell’s Inequalities.” Physical Review Letters 49.2 (1982): 91-94.
2. Bell, John S. “On the Einstein Podolsky Rosen Paradox.” Physics Physique Физика 1.3 (1964): 195-200.
3. Einstein, A., Podolsky, B., & Rosen, N. (1935). “Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete?” Physical Review, 47(10), 777.
4. Nielsen, Michael A., and Isaac L. Chuang. “Quantum Computation and Quantum Information.” (2000).
5. Zeilinger, Anton. “A Foundational Principle for Quantum Mechanics.” Foundations of Physics 29.4 (1999): 631-643.