Interpretatie van de kwantummechanica

De kwantummechanica is, samen met de algemene relativiteitstheorie, de meest succesvolle theorie ooit. Al haar voorspellingen zijn tot hiertoe bevestigd en geen enkel experiment heeft haar tot nu in verlegenheid gebracht. Niettemin blijft er een zekere vreemdheid aan kleven, ook voor de specialisten. Niels Bohr zegt: “Wie de kwantummechanica niet vreemd vindt, heeft er niets van begrepen”. Deeltjes die op twee plaatsen tegelijk kunnen zijn, deeltjes die elkaar op grote afstand onmiddellijk beïnvloeden, eigenschappen die pas ontstaan als ze gemeten of waargenomen worden… Het is toch even in het haar krabben. Bijna een eeuw trachten fysici en filosofen een waterdichte interpretatie te vinden voor kwantumfenomenen. Dat is tot hiertoe nog niet gelukt. 

 

“Wie de kwantummechanica niet vreemd vindt, heeft er niets van begrepen”

Niels Bohr ("Atomic Physics and the Description of Nature”, 1934)

Ineenstorting van de golffunctie door meting volgens de Kopenhageninterpretatie.

Het basisprobleem is het volgende. We keren terug naar het tweespleten-experiment in 7.4. Voor we enige meting over de plaats van het elektron uitvoeren wordt dit elektron beschreven door een ψ functie die een superpositie of som is van beide mogelijkheden (doorgang door spleet A + doorgang door spleet B). Na de meting ontstaat er een nieuwe golffunctie ψ, die het waargenomen resultaat beschrijft.  Men spreekt in het vakjargon van de collaps (ineenstorting) van ψ. Denk hier ook aan de ongelukkige kat van Schrödinger, die voor de waarneming in een zombie-achtige toestand verkeert.

 

Waarom verandert de golffunctie plots? Wat gebeurt daar precies? Welke eigenschap van het elektron wordt door de golffunctie beschreven? (voor de meting en erna)

In de interpretatie van Bohr – die daarom de Kopenhageninterpretatie wordt genoemd – is er geen probleem. De functie ψ heeft geen fysische betekenis, het is enkel een middel om de kans te berekenen om het elektron ter hoogte van A of van B aan te treffen. Door de interactie tussen het kwantumsysteem (het elektron) en het meetapparaat krijgt het elektron de eigenschappen die we waarnemen. Bohr ziet hierin geen enkel probleem. Hij schrijft: “Het is verkeerd te denken dat het de taak van de natuurkunde is om uit te vinden hoe de natuur is. De natuurkunde gaat uitsluitend over wat wij over de natuur kunnen zeggen”.

Einstein, Schrödinger, en anderen hadden het hier heel moeilijk mee. Zo lezen we in een brief van Schrödinger van 31 mei 1929: “Ik weet dat het niet de fout is van Niels Bohr dat hij geen filosofie heeft gestudeerd. Maar ik betreur het diep, dat door zijn gezag de hersens van één of twee of drie generaties van streek zullen zijn en verhinderd om over de problemen te denken die ‘Hij’ pretendeert opgelost te hebben.”

 

Intussen werden tal van andere interpretaties bedacht. Een tegenwoordig nog altijd populaire bij een aantal fysici is de veel-werelden-hypothese die  Hugh Everett bedacht in 1957. Ze gaat als volgt. Het elektron komt aan voor de dubbele spleet. Nu ontstaan er twee parallelle werelden: in de ene gaat het elektron door spleet A, in de andere door spleet B. Tussen beide werelden is geen enkele communicatie of interactie mogelijk. Experimentele ondersteuning van deze interpretatie is dus onmogelijk. Wiskundig is deze interpretatie volledig in orde maar het is toch moeilijk zich voor te stellen dat er voortdurend kopies van onszelf ontstaan.

Er is blijkbaar toch nog wat werk aan de winkel. En waarom nemen we niets van al deze vreemde kwantumtoestanden in de ‘gewone’ wereld waar?  Dat komt omdat de kwantumsuperpositie (dit is de combinatie van twee elkaar uitsluitende toestanden, zoals dood of levend in het geval van de kat) verloren gaat door verstoringen door de omgeving. Hierdoor verdwijnt de superpositie en wordt het kwantumsysteem een ‘gewoon’, alledaags systeem. Verstrengelde elektronen verliezen door deze storingen hun verstrengeling.

Dat we wel – en terecht – een bekeuring kunnen krijgen omdat we op een bepaalde plaats te hard rijden, komt dus door de erg kleine waarde van de constante van Planck in vergelijking met wat we in de kwantumwereld gewoon zijn.

De lotgevallen van de kat van Schrödinger volgens de veel-werelden-hypothese. Elke gebeurtenis splitst de wereld in twee. Nadat de doos geopend wordt, is de kat dood in één wereld en levend in een andere. Beide werelden zijn even reëel, maar kunnen nooit met elkaar interageren.