In mijn blogje over gedachtenexperimenten haalde ik het Einstein – Podolsky – Rosen (ofwel het EPR) experiment al even aan. Ik beloofde toen dat ik er nog eens een apart blogje over zou schrijven. Nu het EPR experiment in Delft opnieuw in het echt is uitgevoerd en opnieuw Einsteins ongelijk aantoont kom ik daar natuurlijk niet meer onder uit. Opnieuw, inderdaad, want het experiment was al eens uitgevoerd, maar daar kom ik zo op terug. Eerst maar even de kwestie zelf. Om te kunnen snappen waarom het EPR experiment zo tot de verbeelding spreekt is het misschien nodig iets van de geschiedenis van de moderne natuurkunde te weten.

Het EPR experiment draait om de rol van toeval in de quantummechanica. Die quantummechanica is de natuurkunige theorie die het gedrag van kleine deeltjes (atomen en nog veel kleiner) beschrijft. De theorie is altijd onderwerp geweest van hevige discussie vanwege haar vreemdheid. Op het niveau van de kleinste deeltjes gebeuren dingen die je in het alledaagse leven weinig tegen komt. Zo blijkt dat de warmte in een warm voorwerp alleen vrij kan komen in de vorm van kleine energie brokjes, die een minimum grootte hebben. De manier waarop warmte uit een voorwerp komt is dus eerder te vergelijken met een emmer knikkers, waar je er  één voor één een uit kan halen, dan met een emmer water waar je ook hele minuscule druppeltjes uit kan halen. Eigenlijk kun je zeggen dat de natuur digitaal is en niet analoog. Of zoals natuurkundigen het zien: energie blijkt gekwantiseerd te zijn; daaraan dankt de quantummechanica zijn naam. Dit idee is voor het eerst geopperd door Max Planck in 1900.

Misschien vind je het idee van gekwantiseerde engerige geen opzienbarende ontdekking, maar Planck vond het idee van kwanta zo raar, dat hij er zelf eerst niet echt in geloofde. De enige reden dat hij het opperde was dat de straling die van een warm voorwerp af komt op deze manier goed te beschrijven is. Albert Einstein gaf de quantumtheorie vervolgens een flinke impuls toen hij in 1905 liet zien dat ook het foto-elektrisch effect, het ontstaan van elektriciteit als licht op een metalen plaat valt, goed te verklaren is door de aanname van gekwantiseerde energie. Nu waren er dus twee verschijnselen waar het idee van kwanta voor werkte en two makes a crowd. Voor deze ontdekking kreeg Einstein later de Nobelprijs. Wat volgde in de natuurkunde, waren een aantal duizelingwekkende jaren. Na het idee van energiepakketjes volgde namelijk nog een reeks natuurkundige theorieën die elkaar in vreemdheid naar de kroon staken, maar waarmee wel vaak de uitkomsten van experimenten verklaard en voorspeld konden worden. Einstein zelf was niet onverdeeld positief over deze nieuwe natuurkunde. Hoewel hij er eigenlijk zo’n beetje het startschot voor gegeven had en hoewel hij met zijn relativiteitstheorie toch had laten zien niet wars te zijn van vreemde ideeën over de natuur, zat één aspect van de quantummechanica hem erg dwars. Dit was de rol die toeval toebedeeld kreeg.

Einstein was namelijk een determinist. Hij geloofde, dat als je vandaag een oneindig precieze meting zou doen van het universum en je zou perfecte natuurkunde hebben, dat het universum van morgen  precies te voorspellen moest zijn. De quantummechanica sprak dit idee tegen. Één probleem was het onzekerheidsprincipe van Werner Heisenberg. Dit principe was een van die nieuwe natuurkundige theorieën. Heisenberg stelde dat je nooit tegelijk de snelheid en de plaats van een deeltje precies kon vaststellen. Volgens Heisenberg kon je de eigenschap van een deeltje alleen te weten komen door het te beïnvloeden. Als je de snelheid van een deeltje probeerde te meten beïnvloedde je de plaats en andersom. Met dit onzekerheidsprincipe stak hij een spaak in het deterministische wiel. Hij stelde namelijk dat het heelal onmeetbaar was. Je kun nooit precies weten hoe snel alle deeltjes gingen, tenminste niet als je ook wist waar die deeltjes waren. Het heelal voorspellen zat er dan ook niet in en teletransportatie trouwens ook niet. Toen de schrijvers van Star Trek kritiek kregen op hun verhalen over teletransportatie, omdat dit volgens het principe van Heisenberg onmogelijk was, bedachten ze snel een apparaat dat de Heisenberg compensator genoemd werd. Zo werd de serie gered van de werkelijkheid.

Nu is stellen dat de toestand van het heelal niet precies meetbaar is, nog iets anders dan stellen dat de natuur zich in het geheel niet voorspelbaar gedraagt. Heisenberg beweerde ook niet dat de natuur niet deterministisch is, maar anderen deden dat al heel snel wel. Onzekerheid, zo stelden zij, zit in de natuur ingebakken. Zelfs met een precieze meeting van het heelal, perfecte natuurkunde en eventueel een Heisenberg compensator, zou je volgens hen nog niet kunnen weten hoe het heelal er morgen uit ziet. Dat hangt helemaal van het toeval af. Hun kernidee was het idee van superpositie. Een deeltje dat in superpositie is, is in meerdere toestanden tegelijk. Electronen hebben bijvoorbeeld spin, ze kunnen bij wijze van spreken ¹ rechtsom en linksom draaien. Het idee van superpositie stelt dat elektronen tegelijk linksom en rechtsom kunnen draaien. Pas als we de spin gaan meten ‘kiezen’ de elektronen een kant. Dit is een absurd idee en dat vond Einstein ook. Maar dat elektronen blijkbaar twee kanten tegelijk op kunnen draaien, was helemaal niet wat hem het meest dwars zat. Wat Einstein niet beviel was een gevolgtrekking uit deze theorie: als deeltjes in meerdere toestanden tegelijk kunnen zijn totdat ze gemeten worden, dan is de natuur niet deterministisch meer. Zij wordt fundamenteel onvoorspelbaar. Dat vond Einstein maar niets: “God dobbelt niet”, zei hij.

En dus ging Albert Einstein met Boris Podolsky en Nathan Rosen zitten om een gedachtenexperiment te verzinnen waardoor je meteen kon zien dat het idee van superpositie gewoonweg niet waar kon zijn. Om het ongelijk van aanhangers van superpositie aan te tonen gebruikten Einstein, Podolsky en Rosen het idee van tweelingdeeltjes. De toestanden van die deeltjes zijn gekoppeld. We kunnen dus twee deeltjes hebben waarvan we niet weten in welke toestand ze zijn (volgens het superpositieprincipe), maar waarvan we wel weten dat ze een tegengestelde spin hebben. Stel je een tweelingdeeltje voor zeiden de EPR auteurs, waarvan de afzonderlijke deeltjes heel ver, misschien wel een lichtjaar uit elkaar zijn gedreven. Vervolgens meten de we de spin van één deeltje. Dat springt volgens het superpositieprinciepe pas door die meting in een bepaalde spin. Het andere deeltje moet dat dan ook doen: maar… hoe ‘weet’ het ene deeltje dat een ander deeltje een lichtjaar verderop gemeten wordt?. Volgens Einstein kan er niets sneller bewegen dan het licht, dus even een boodschap over zenden kan niet. Er moet een magische werking op afstand zijn òf het superpositieprincipe klopt niet.­­­

In het EPR experiment staat dus met het superpositieprinciepe de vraag of de natuur deterministisch is op het spel. Dat is nogal wat. Toegegeven: het EPR experiment is niet het makkelijkst te begrijpen gedachtenexperiment dat ooit bedacht is, maar als gedachtenexperiment is het vrij overtuigend. Het superpositieprincipe zelf is al niet erg intuïtief, maar als er ook nog magische werking op afstand bij komt kijken, dan kan het toch bijna niet waar zijn. Exit toeval in de kwantummechanica. Toch? Nee dus. De man die Einstein in het ongelijk stelde heette Alain Aspect. Hij voerde in de jaren 80 van de vorige eeuw een experiment uit in de kelders van zijn laboratorium in Parijs waarmee door metingen aan deeltjes vastgesteld kon worden of de werking op afstand die in het EPR gedachtenexperiment zo een belangrijke rol speelt, bestaat. En zijn antwoord was ja. Deze deeltjes blijken te reageren zoals het superpositieprincipe voorspelt. Einstein had ongelijk en de natuur was ondeterministisch.

Hoe spectaculair het experiment van Alain Aspect ook was, het probleem met echte experimenten is dat de uitkomst ook bepaald kan zijn door de experimentele opstelling. Werden de metingen in Aspects experiment wel snel genoeg uitgevoerd? En zaten er geen andere fouten in de opstelling? Het experiment dat de Delfste wetenschappers eind Oktober gedaan hebben zou waterdicht moeten zijn. Alle mogelijke fouten in het experiment van Aspect, zijn geadresseerd. Er is ongelofelijk precieze apparatuur gebruikt. De opstelling gebruikt daarnaast glasvezels die over de hele campus liggen en is daarmee kilometers groot. Met al deze verbeteringen toonde het definitief Einsteins ongelijk aan. Nou ja definitief… ook het Delftse experiment zal wel weer ten prooi vallen aan allerlei kritiek op de details van de opstelling. Want dat is natuurlijk het probleem met echte experimenten: dat er foutjes in kunnen sluipen.

En dat soort foutjes geven weer ruimte om de controverse nog een tijdje te laten bestaan. Tot een nog groter en nog duurder experiment Einsteins ongelijk opnieuw aantoont of tot dat er een theorie bedacht wordt die ook de metingen verklaart, maar die intuïtiever is. Ik zou zelf inzetten op het laatste denk ik. Maar tot een dergelijke theorie gevonden is, is de wereld nog even ondeterministisch. Is dat erg? Ach, misschien is het ook alleen maar erg voor theoretisch natuurkundigen.

Meer Lezen?

Er is rondom het Delftse experiment natuurlijk veel pers geweest, waarvan ik het beeldverhaal over het experiment, dat de Volkskrant publiceerde het meest leeswaardig vond.

Ik schreef zelf al eerder een blogje over gedachtenexperimenten in het algemeen. En over het nut van echte experimenten in de blogjes “waardendragers” en “eksters”. Ook het blogje lableven over Bruno Latour’s studie naar de gang van zaken in een biomedisch laboratorium is gerelateerd aan dit blogje.

[1] Dit is echt ‘bij wijze van spreken’. Electronen kun je niet ‘zien’, ze zien er niet uit als balletjes en ze draaien waarschijnlijk al helemaal niet. Spin is een van de eigenschappen van electronen, maar het is een heel theoretisch/wiskundig concept.