Icon up Overzicht

Delft bewijst ongelijk Einstein (Exaktueel)

Onderwerp: Quantumwereld

Begrippen: Elementair deeltje

Een opgave van de redactie van Stichting Exaktueel. Op basis van artikelen in de media worden opgaven gemaakt die aansluiten bij het natuurkunde-onderwijs in het voortgezet onderwijs.

In de NRC van 24 augustus 2015 geeft Bruno van Wayenburg uitleg over een spectaculair experiment aan de universiteit van Delft. Natuurkundigen toonden aan dat Einstein in 1935 ongelijk had toen hij zijn ongeloof uitsprak over een gevolg van de quantumfyisica. Die voorspelde spookachtig gedrag: als twee deeltjes samen een quantumfysisch geheel vormen en de toestand van een van de deeltjes wordt veranderd, dan verandert onmiddellijk de toestand van het andere deeltje ook, hoe ver ze ook van elkaar verwijderd zijn. Einstein vond dit spookachtig.

a) Wat is er spookachtig aan deze onmiddellijke beïnvloeding op afstand?

In het Delftse experiment zijn twee deeltjes, waarvan een zich op de ene plaats bevindt en het andere op een andere plaats, quantumfysisch ‘verstrengeld’: als je door een meting een eigenschap van het ene deeltje verandert, weet je onmiddellijk dat ook de corresponderende eigenschap van het andere deeltje is veranderd (zie verderop voor achtergrondinformatie).

Van Wayenburg schijft: “Wat er zo spookachtig aan is, blijkt als je quantumverstrengelde deeltjes van elkaar scheidt, tot er  – zeg – een lichtjaar afstand zit tussen de beide plaatsen. Dan zou de onmiddellijke beïnvloeding zich sneller verplaatsen dan het licht, en dat kan absoluut niet volgens de relativiteitstheorie.” In het Delftse experiment is de afstand tussen de beide plaatsen 1,3 kilometer. De onderzoekers vonden dat er minder dan 3,7 microseconde zit tussen de gebeurtenis op de ene plaats en de daardoor veroorzaakte verandering in de andere plaats.  

b) Laat zien dat dit sneller is dan de tijd die een lichtsignaal nodig zou hebben om van de ene plaats naar de andere te gaan.  

Het experiment is geraffineerd opgezet. Het is namelijk razend ingewikkeld om een situatie te creëren waarin twee deeltjes op grote afstand van elkaar verstrengeld zijn. En bovendien moet buiten twijfel aangetoond kunnen worden dat verandering van de eigenschap van het ene deeltje resulteert in verandering van de overeenkomstige eigenschap van het andere. In het lab van Ronald Hanson in Delft is men daarin geslaagd.

Op internet kun je het animatiefilmpje dat Bruno van Wayenburg heeft gemaakt over quantumverstrengeling. Dit filmpje staat hieronder. Beantwoord de volgende vragen aan de hand van dit filmpje.

c) Hoe wordt hier uitgelegd wat ‘verstrengeling’ is?

d) Er wordt nog een bijzondere mogelijkheid genoemd voor kleine deeltjes die in het dagelijks leven niet voorkomt.

e) Waarom is dit experiment niet in strijd met de aanname dat de lichtsnelheid de grootste mogelijke snelheid is?

Achtergrondinformatie

De komst van de relativiteitstheorie en de quantumfysica zetten een eeuw geleden de natuurkunde op zijn kop. Het tijdperk van de ‘klassieke natuurkunde’ ging over in dat van de ‘moderne natuurkunde’.

Albert Einstein werd in één klap beroemd toen de voorspellingen die hij deed op grond van zijn relativiteitstheorie bleken te kloppen met de waarnemingen. Duidelijk was dat bij grote snelheden – dat is in de buurt van de lichtsnelheid – de gewone wetten van Newton niet precies genoeg zijn om de verschijnselen te verklaren. Dit is te begrijpen vanuit de aanname dat de lichtsnelheid de grootste snelheid is waarmee signalen overgebracht kunnen worden.

Kort na de relativiteitstheorie kwam de quantumfysica, waaraan vooral de naam van Niels Bohr verbonden is. Het bleek dat de natuur zich voor zeer kleine objecten – dat is op atomaire schaal – niet gedraagt zoals we in de gewone wereld om ons heen gewend zijn.

Beide theorieën hadden merkwaardige consequenties. Zo volgde uit de relativiteitstheorie dat het tempo waarin de tijd verloopt niet voor iedere waarnemer gelijk is, maar afhankelijk is van de snelheid waarmee hij zich beweegt ten opzichte van een andere waarnemer. De ‘tweelingparadox’ maakte dit duidelijk: als van een tweeling de een achterblijft op aarde en de ander met zeer hoge snelheid een ruimtereis maakt, dan is deze bij terugkomst op aarde minder verouderd dan de eerste. Dat leek te raar voor woorden, maar inmiddels weten we – bijvoorbeeld van wat er met deeltjes van de kosmische straling gebeurt – dat dit verschijnsel zich echt voordoet. En dus moeten we accepteren dat de natuur anders is dan we dachten.

Het was ook Einstein die met een proef liet zien dat licht in de vorm van energiepakketjes komt, waarbij de energie afhangt van de frequentie van het licht. Licht komt dus in de vorm van een soort deeltje, ook foton genoemd. Licht heeft dus zowel een golf- als een deeltjeskarakter. Omgekeerd hebben heel kleine materiedeeltjes – bijvoorbeeld elektronen ook zowel een golf- als een deeltjeskarakter. Welke van de twee verschijningsvormen – golf of  deeltje – ze laten zien is afhankelijk van de meetopstelling waarmee hun eigenschappen gemeten worden. Met elektronen kun je bijvoorbeeld net als met licht interferentieproeven doen.

Men zegt dat de natuur gequantiseerd is: alles komt in afgemeten pakketjes (het woord quantum betekent hoeveelheid). Met een getal kan dat aangegeven worden. Al gauw ontdekte men andere eigenschappen die we in de dagelijkse wereld niet tegen komen, zoals het ‘hoofdquantumgetal’, het ‘magnetisch quantumgetal’ en het ‘spinquantumgetal’.

 

Net als de relativiteitstheorie heeft de quantumfysica gevolgen die men aanvankelijk maar moeilijk kon accepteren. Zo is het bijvoorbeeld – anders dan in de klassieke natuurkunde – niet mogelijk om tegelijkertijd snelheid en plaats van een deeltje heel precies te meten. Hoe preciezer je de plaats meet, met een meetopstelling die daarvoor geschikt is, hoe minder je te weten kunt komen over de snelheid van dat deeltje. En omgekeerd.

Een ander verschijnsel is dat in een atoom nooit twee elektronen dezelfde combinatie van quantumgetallen kunnen hebben. Neem bijvoorbeeld een atoom op het laagste energieniveau met twee elektronen. Beide elektronen hebben dan hetzelfde hoofdquantumgetal, maar een verschillende spin: als het ene elektron ‘spin op’ heeft dan heeft het andere noodzakelijk ‘spin neer’. Als je op een of andere manier het eerste elektron zou dwingen om te verspringen naar de toestand ‘spin neer’ dan zal tegelijkertijd het andere elektron verspringen naar ‘spin op’. Men zegt dat deze elektronen dan ‘verstrengeld’ zijn, in dit geval binnen hetzelfde atoom.

Hetzelfde zal gebeuren als de afstand tussen twee verstrengelde deeltjes groter is. Het lijkt alsof er een boodschap wordt doorgegeven van het ene deeltje naar het andere. Onmiddellijk. En daar begint het probleem dat Einstein had met de quantumfysica. Hij vond dit een spookachtig gedrag dat zou botsen met de relativiteitstheorie die stelt dat een signaal nooit sneller dan met de lichtsnelheid overgebracht kan worden.

Einstein zette de discussie in 1935 op scherp. En pas nu is er een experiment uitgevoerd – in Delft – dat lijkt uit te wijzen dat die spookwerking zich toch voordoet.

 

De quantumfysica op zich staat niet meer ter discussie. Toepassingen van deze theorie hebben ons leven veranderd. Zonder quantumfysica geen smartphones. Dus hoe vreemd sommige verschijnselen ook mogen zijn, de natuur trekt zich niets van onze verbazing aan. De natuur doet wat hij doet. En wij met onze overtuigingen moeten dan maar wijken voor haar wetten.

Bronnen

Voor dit artikel zijn een aantal krantenartikelen gebruikt. Drie van deze artikelen zijn voor iedereen toegankelijk!

DE WERKELIJKHEID IS NU BEWEZEN SPOOKACHTIG
NRC 24 aug 2015

SPOOKWERKING: EINSTEIN HAD ONGELIJK
NRC 22 okt 2015

DANKZIJ DELFT HOEFT EINSTEIN GEEN SPOKEN MEER TE ZIEN
De Volkskrant 22 okt 2015

DELFT BEWIJST ONGELIJK EINSTEIN (alleen voor abonnees)
De Gelderlander 22 okt 2015