Alternatieve feiten verspreiden zich als een virus over de samenleving. Nu lijkt het erop dat ze zelfs de wetenschap hebben besmet - althans het kwantumrijk. Dit lijkt misschien intuïtief. De wetenschappelijke methode is immers gebaseerd op de betrouwbare noties van waarnemen, meten en herhaalbaarheid. Een feit, zoals vastgesteld door een meting, moet objectief zijn, zodat alle waarnemers het daarmee eens kunnen zijn.
Maar in een recent gepubliceerd artikel in Science Advances laten we zien dat in de microwereld van atomen en deeltjes die wordt beheerst door de vreemde regels van de kwantummechanica, twee verschillende waarnemers recht hebben op hun eigen feiten. Met andere woorden, volgens onze beste theorie over de bouwstenen van de natuur zelf kunnen feiten feitelijk subjectief zijn.
Waarnemers zijn krachtige spelers in de kwantumwereld. Volgens de theorie kunnen deeltjes zich op verschillende plaatsen of in één keer bevinden - dit wordt een superpositie genoemd. Maar vreemd genoeg is dit alleen het geval wanneer ze niet worden waargenomen. Op het moment dat je een kwantumsysteem observeert, kiest het een specifieke locatie of staat - waardoor de superpositie wordt verbroken. Het feit dat de natuur zich zo gedraagt, is in het lab meerdere keren bewezen, bijvoorbeeld in het bekende dubbele spleetexperiment.
In 1961 stelde natuurkundige Eugene Wigner een provocerend gedachte-experiment voor. Hij vroeg zich af wat er zou gebeuren als de kwantummechanica wordt toegepast op een waarnemer die zelf wordt geobserveerd. Stel je voor dat een vriend van Wigner een kwantummuntstuk gooit - dat zich in een superpositie van zowel koppen als staarten bevindt - in een gesloten laboratorium. Elke keer dat de vriend de munt opgooit, zien ze een definitief resultaat. We kunnen zeggen dat Wigner's vriend een feit vaststelt: het resultaat van de toss is absoluut kop of staart.
Wigner heeft van buitenaf geen toegang tot dit feit en moet volgens de kwantummechanica de vriend en de munt beschrijven om een superpositie te krijgen van alle mogelijke resultaten van het experiment. Dat komt omdat ze "verstrikt" zijn - spookachtig verbonden, zodat als je de ene manipuleert, je ook de andere manipuleert. Wigner kan deze superpositie nu in principe verifiëren met behulp van een zogenaamd "interferentie-experiment" - een soort kwantummeting waarmee je de superpositie van een heel systeem kunt ontrafelen, waarmee wordt bevestigd dat twee objecten in de war raken.
Wanneer Wigner en de vriend de biljetten later vergelijken, zal de vriend erop staan dat ze voor elke toss een duidelijk resultaat hebben gezien. Wigner zal het echter oneens zijn wanneer hij vriend en munt op een superpositie observeert.
Dit geeft een raadsel. De realiteit die door de vriend wordt waargenomen, kan niet worden verzoend met de realiteit aan de buitenkant. Wigner beschouwde dit oorspronkelijk niet als een paradox, hij stelde dat het absurd zou zijn om een bewuste waarnemer te beschrijven als een kwantumobject. Later verliet hij deze opvatting en volgens formele leerboeken over de kwantummechanica is de beschrijving volkomen geldig.
Het experiment
Het scenario is lang een interessant gedachte-experiment gebleven. Maar weerspiegelt het de realiteit? Wetenschappelijk is er tot voor kort weinig vooruitgang op geboekt, toen Časlav Brukner van de Universiteit van Wenen aantoonde dat, onder bepaalde aannames, Wigner's idee kan worden gebruikt om formeel te bewijzen dat metingen in de kwantummechanica subjectief zijn voor waarnemers.
Brukner stelde een manier voor om dit idee te testen door het vriendenscenario van Wigner te vertalen naar een raamwerk dat voor het eerst werd opgesteld door de natuurkundige John Bell in 1964. Brukner bekeek twee paar Wigners en vrienden, in twee afzonderlijke dozen, en voerde metingen uit op een gedeelde staat - binnen en buiten buiten hun respectievelijke doos. De resultaten kunnen worden samengevat om uiteindelijk te worden gebruikt om een zogenaamde "Bell-ongelijkheid" te evalueren. Als deze ongelijkheid wordt geschonden, kunnen waarnemers alternatieve feiten hebben.
We hebben deze test nu voor het eerst experimenteel uitgevoerd aan de Heriot-Watt University in Edinburgh op een kleinschalige quantumcomputer die bestaat uit drie paar verstrengelde fotonen. Het eerste fotonenpaar vertegenwoordigt de munten en de andere twee worden gebruikt om de toss - het meten van de polarisatie van de fotonen - in hun respectievelijke doos uit te voeren. Buiten de twee dozen blijven aan elke kant twee fotonen over die ook gemeten kunnen worden.
Ondanks het gebruik van de allernieuwste kwantumtechnologie, duurde het weken om voldoende gegevens van slechts zes fotonen te verzamelen om voldoende statistieken te genereren. Maar uiteindelijk zijn we erin geslaagd aan te tonen dat de kwantummechanica inderdaad onverenigbaar is met de aanname van objectieve feiten - we hebben de ongelijkheid geschonden.
De theorie is echter gebaseerd op enkele veronderstellingen. Deze omvatten onder meer dat de meetresultaten niet worden beïnvloed door signalen die boven de lichtsnelheid reizen en dat waarnemers vrij zijn om te kiezen welke metingen moeten worden uitgevoerd. Dat kan al dan niet het geval zijn.
Een andere belangrijke vraag is of afzonderlijke fotonen als waarnemers kunnen worden beschouwd. In het theorievoorstel van Brukner hoeven waarnemers niet bij bewustzijn te zijn, ze moeten alleen feiten kunnen vaststellen in de vorm van een meetresultaat. Een levenloze detector zou daarom een geldige waarnemer zijn. En de kwantummechanica van het leerboek geeft ons geen reden om aan te nemen dat een detector, die zo klein kan worden gemaakt als een paar atomen, niet moet worden omschreven als een kwantumobject, net als een foton. Het kan ook zijn dat standaard kwantummechanica niet van toepassing is op grote lengteschalen, maar testen is een apart probleem.
Dit experiment laat daarom zien dat we, althans voor lokale modellen van de kwantummechanica, ons idee van objectiviteit moeten heroverwegen. De feiten die we ervaren in onze macroscopische wereld lijken veilig te blijven, maar een grote vraag rijst hoe bestaande interpretaties van kwantummechanica subjectieve feiten kunnen accommoderen.
Sommige natuurkundigen zien deze nieuwe ontwikkelingen als ondersteunende interpretaties die het mogelijk maken dat meer dan één uitkomst optreedt voor een waarneming, bijvoorbeeld het bestaan van parallelle universums waarin elke uitkomst plaatsvindt. Anderen zien het als overtuigend bewijs voor intrinsiek waarnemer-afhankelijke theorieën zoals Quantum Bayesianism, waarin de acties en ervaringen van een agent centrale zorgen van de theorie zijn. Maar weer anderen beschouwen dit als een sterke aanwijzing dat de kwantummechanica misschien zal afbreken boven bepaalde complexiteitsschalen.
Dit zijn duidelijk allemaal diep filosofische vragen over de fundamentele aard van de werkelijkheid. Wat het antwoord ook is, er wacht u een interessante toekomst.
