Het tweespleten-experiment

Figuur 1: het verwachte patroon als de deeltjes zich als kogels zouden gedragen.

Figuur 2: Er vormt zich een patroon met interferentie.

Dit experiment is een mooie illustratie van het duale karakter van de materie en van het complementariteitsprincipe. Het werd bedacht als gedachtenexperiment door de Amerikaanse fysicus en Nobelprijswinnaar Richard Feynman in 1965 en werd sindsdien ook verschillende keren in het lab uitgevoerd. Feynman noemde dit experiment het grootste mysterie van de kwantummechanica.
Vereenvoudigd voorgesteld gaat het als volgt. Doorheen een wand met twee evenwijdige sleuven wordt een bundel elektronen gestuurd. In de veronderstelling dat elektronen zich als kleine kogeltjes gedragen, verwacht men op een scherm een patroon zoals in figuur 1. Met een geschikte opstelling neemt men echter het patroon van figuur 2 waar. Er treedt dus interferentie tussen verschillende elektronen op, zou men kunnen besluiten. Nu treedt dit patroon ook op als de elektronen één voor één worden afgevuurd. Het is alsof elk elektron door beide sleuven tegelijk passeert, interfereert met zichzelf en daarna terug samenkomt op de achterwand!

Het wordt nog merkwaardiger als we na het scherm met beide sleuven een detector plaatsen die ons leert door welk van beide sleuven het elektron passeert: het interferentiepatroon verdwijnt en er ontstaat terug het patroon van figuur 1.

Dit merkwaardige experiment toont aan dat kwantumdeeltjes zoals elektronen of fotonen zich heel verschillend gedragen  dan  de deeltjes waarmee we vertrouwd zijn zoals biljartballen.  ‘Gewone’ deeltjes hebben eigenschappen die afhangen van de deeltjes zelf en niet van hoe deze deeltjes bestudeerd worden. Het mysterieuze van de kwantummechanica is dat dat voor kwantumdeeltjes totaal anders is. Het experiment, onze wijze van waarnemen, welke we eigenschap we zullen waarnemen. Het deeltje krijgt dus naargelang van het experiment : een deeltjesgedrag als we een detector plaatsen, een golfgedrag er zonder. Wat we waarnemen is niet de natuur zelf, maar de natuur zoals ze verschijnt onder onze manier van vragen stellen, schreef Heisenberg.

We kunnen het nog een beetje straffer maken door een opstelling te maken waarbij de informatie over de keuze van spleet waardoor het elektron  gegaan is verloren  gaat. Het elektron is als het ware  ‘vergeten’ door welke spleet het is gegaan en er ontstaat terug een interferentiepatroon zoals in figuur 2 !

Dit gebeurt in het zogenaamde quantumeraser – experiment: de ‘kwantumgom’. Dit is een experiment waarin eerst een detector het elektron een teken meegeeft, bijvoorbeeld een bepaalde spinoriëntatie, waardoor het een deeltje wordt. Daarna  zorgt men ervoor dat de informatie over deze oriëntatie verloren gaat: het elektron gedraagt zich dan weer als een golf.