Het is misschien wel het meest duizelingwekkende idee uit de moderne natuurkunde: dat de realiteit zich op de allerkleinste schaal totaal anders gedraagt dan we gewend zijn.
Neem bijvoorbeeld elementaire deeltjes, de kleinst mogelijke bouwsteentjes van alles. Hoe klein of groot je het ook bedenkt, of het nu mensen, wolkenkrabbers, pantoffeldiertjes of zelfs complete sterrenstelsels zijn, alles bestaat uit zulke minuscule deeltjes. Die deeltjes worden geregeerd door de tegendraadse wetten van de quantumfysica, die onder meer toestaan dat ze op meerdere plekken tegelijk zijn. ‘Superpositie’, heet dat in quantumkringen. Als mens kun je nooit tegelijk op de Martinitoren én het Empire State Building zijn, maar in die kleinedeeltjeswereld kan dat wel.
Over de auteur
George van Hal schrijft voor de Volkskrant over sterrenkunde, natuurkunde en ruimtevaart. Hij publiceerde boeken over alles van het heelal tot de kleinste bouwstenen van de werkelijkheid.
De vraag die zich daarbij opdringt: vanwaar dat verschil? Waarom kunnen deeltjes iets wat voorwerpen uit de wereld van alledag niet kunnen? Bestaat er een grens? En misschien nog wel belangrijker: wat onthult dat over de basisregels waarop onze gehele werkelijkheid rust?
In de jacht op antwoorden proberen fysici daarom de minuscule quantumwereld, met haar bizarre wetten, op te rekken naar de onze. En dat levert steeds grotere successen op. Letterlijk.
Neem het experiment dat fysici eind april beschreven in het vakblad Science. Daarin tonen ze hoe ze een kristalletje van 16,2 microgram tegelijk in twee richtingen laten trillen: van noord naar zuid én van links naar rechts. Total bizar natuurlijk: alsof je hossend op de moderne Snollebollekes-klassieker Links rechts tegelijk beide richtingen uit danst.
Natuurlijk klinkt 16,2 microgram als weinig, maar naar quantummaatstaven is het gigantisch. Het kristalletje bestaat uit zo’n honderd biljard atomen, 100.000.000.000.000.000, een 1 met – tel ze maar – 17 nullen. En dat terwijl de vorige recordhouder ‘slechts’ zo’n tweeduizend atomen in superpositie wist te brengen. Met dit experiment beginnen fysici zelfs de grens te benaderen van een van de beroemdste gedachtenexperimenten uit de natuurkunde: dat van ‘de kat van Schrödinger’.
Dat experiment werd 88 jaar geleden bedacht door fysicus Erwin Schrödinger. Hij stelde zich een kat voor in een doos met een dichte deksel. In die doos zit een dodelijk gif in een glazen flesje. Dat flesje kan door een willekeurig quantumproces kapotgaan, bijvoorbeeld het wel of niet radioactief vervallen van een atoom. Dat verval stuurt vervolgens een mechanisme aan waarmee het flesje kapotgaat. Komt het gif vrij, dan sterft de kat. Gebeurt dat niet, dan blijft hij leven. De kat, zo extrapoleerde Schrödinger uit de quantumfysica, verkeert zo lang de doos dicht blijft in een superpositie van dood en levend.
Dat is overigens geen metafoor. ‘Onze taal schiet tekort wanneer we het over superposities hebben’, zegt fysicus Oriol Romero-Isart van de universiteit van Innsbruck. Bij het vermengen van leven en dood kan vrijwel niemand zich echt iets voorstellen. Net zomin als bij deeltjes die op meerdere plekken tegelijk zijn. ‘Ik zie het altijd voor me als een wazig plaatje: een deeltje dat is uitgesmeerd over verschillende locaties’, zegt hij. Zo ook bij Schrödingers kat: in de doos zouden leven en dood op bijna magische wijze vermengd zijn.
Schrödinger bedacht het experiment ooit om de meest gangbare interpretatie van de quantumfysica te ridiculiseren: wanneer je al redenerend tot zulke evident onzinnige conclusies komt, klopt er iets niet, wilde hij ermee zeggen. Opmerkelijk is daarom dat het idee tegenwoordig juist dient als hulpmiddel om quantumfysica aan leken uit te leggen.
‘Dood en levend tegelijk’ blijkt immers een handig voorbeeld van superpositie, terwijl de dichte deksel van de doos meteen een tweede eigenaardigheid van de quantumfysica illustreert: het feit dat superpositie slechts bestaat totdat je gaat kijken. Of, natuurkundiger: totdat iemand een meting verricht. Zodra je gaat meten, verdwijnt de superpositie. De kat is dan dood óf levend, een deeltje is niet langer uitgesmeerd, maar scherp.
‘Het moderne inzicht is dat er geen grens bestaat tussen de quantumwereld en die van alledag’, zegt fysicus Carlo Beenakker van de Universiteit Leiden. Er is dus niets fundamenteels dat verhindert dat biljartballen, katten of zelfs mensen in superpositie geraken.
Dat zoiets nooit gebeurt, heeft alleen een praktische reden. ‘In de echte wereld raak je continu verstrengeld met alles om je heen’, zegt Beenakker. Fysici spreken van ‘verstrengeling’ wanneer twee deeltjes quantummechanisch met elkaar verbonden raken, ook zonder dat er iets fysieks is dat ze aan elkaar vastmaakt. Die massale verstrengeling van alles met alles vangt voorwerpen in de wereld van alledag in een soort onzichtbaar quantumspinnenweb.
Eén enkele waarneming – een lichtdeeltje dat op je oog valt, een warmtetrilling die je huid raakt, de wind die door je haren blaast – is vervolgens al genoeg om dat hele web van deeltjes tegelijk van hun superposities te ontdoen. Alsof je simultaan miljarden en miljarden dozen uit Schrödingers gedachtenexperiment opent. Die overgang van quantumnatuurkunde naar het alledaagse heet in de natuurkunde ‘decoherentie’.
‘Het mechanisme achter decoherentie wordt goed begrepen’, zegt Romero-Isart. De belangrijkste resterende vraag is daarom: hoelang kun je het uitstellen? Dat is onder meer relevant wanneer je een quantumcomputer wilt bouwen, een futuristisch rekenbeest dat de wetten van de quantumfysica gebruikt en daarom zolang mogelijk beschermd moet blijven tegen decoherentie.
Op een fundamenteler niveau kunnen de antwoorden op zulke vragen bovendien meer onthullen over de manier waarop de werkelijkheid in haar diepste wezen werkt. Bestaat er bijvoorbeeld een punt waarop voorwerpen simpelweg te zwaar worden voor quantumeffecten? Volgens sommige fysici is de quantumfysica niet zo gediend van zwaartekracht: hoe zwaarder iets is, hoe sneller het dan zijn quantumeigenschappen verdient.
Anderen, zoals Romero-Isart, hopen juist dat de zwaartekracht van quantumvoorwerpen ons iets nieuws gaat leren. ‘Ik ben echt benieuwd wat er gebeurt met het zwaartekrachtsveld van een zwaar voorwerp in superpositie’, zegt hij. Volgens de algemene relativiteitstheorie van Einstein is zwaartekracht in essentie slechts een kromming van ruimte en tijd, vergelijkbaar met de kuil die een zware loden bal veroorzaakt wanneer je die op een schuimrubberen mat legt. ‘Raken de ruimte en tijd rond zo’n voorwerp dan zelf óók in superpositie?’, vraagt Romero-Isart. ‘Dat is echt terra incognita, totaal onontgonnen terrein. We hebben geen enkele theorie om te voorspellen wat er dan zal gebeuren.’
Fysici gebruiken twee methoden om de quantumgrenzen steeds verder op te rekken: dingen laten trillen in meerdere richtingen, of experimenten met interferentiepatronen, zoals het zogeheten tweespletenexperiment. Daarbij maakt men gebruik van het feit dat deeltjes ook golven zijn, een andere vreemde conclusie uit de wereld van de quantumfysica.
Of, nou ja, vreemd: eigenlijk is dat juist heel inzichtelijk, vindt Beenakker. ‘Bij golven is het niet zo raar dat ze op meerdere plaatsen tegelijk kunnen zijn. Het maakt de quantumfysica begrijpelijker.’
Wanneer je in een vijver twee stenen laat vallen, zullen de golven die ontstaan elkaar overlappen. Fysici noemen dat een interferentiepatroon. Omdat ook deeltjes golven zijn, gebeurt iets soortgelijks wanneer je deeltjes door twee spleten laat stromen. Elke spleet doet daarna dienst als het steentje in de vijver, zodat achter beide spleten golven ontstaan. Ook hier overlappen die elkaar en maken ze een interferentiepatroon.
Maar nu komt de crux: dat werkt zelfs wanneer je maar één deeltje tegelijk op die twee spleten afstuurt. In de alledaagse wereld zou niets kunnen overlappen en interfereren, maar in de quantumwereld duikt toch het interferentiepatroon op. De enige verklaring? Dat ene deeltje moet simultaan door beide spleten gaan.
Met dat experiment boekten fysici tot nog toe de grootste successen in het opschalen van quantumeffecten. Het vorige record, met een molecuul bestaand uit tweeduizend atomen, werd op die manier geboekt. ‘En wij denken nu ook na over mengvormen: iets dat je én laat trillen én met zichzelf laat interfereren’, zegt Romero-Isart.
Romero-Isart droomt bovendien al jaren van de volgende revolutionaire stap: het in superpositie brengen van levende wezens. ‘We naderen nu het punt waarop zoiets mogelijk wordt’, zegt hij. Zijn belangrijkste kandidaat heeft hij al: het beerdiertje. Dat schier onverwoestbare microwezen overleefde eerder tijdens experimenten al eens in het vacuüm van de ruimte, aan de buitenkant van internationaal ruimtestation ISS. En in 2021 doken zelfs al berichten op van verstrengelde beerdiertjes, al bleek dat later schromelijk overdreven.
‘De grootste uitdaging als je micro-organismen in superpositie wilt brengen, is om Source: Volkskrant