De kwantumtheorie heeft de overhand in de ongelijkheidstest van Leggett-Garg

Is de natuur werkelijk zo vreemd als de kwantumtheorie zegt, of zijn er eenvoudigere verklaringen? Neutronenmetingen aan de Universiteit van Wenen hebben aangetoond dat de natuur niet functioneert zonder de vreemde eigenschappen van de kwantumtheorie.

Kan een deeltje zich tegelijkertijd op twee verschillende plaatsen bevinden? In de kwantumfysica is dit mogelijk: de kwantumtheorie maakt het mogelijk dat dingen zich tegelijkertijd in verschillende toestanden bevinden – of preciezer: in een superpositie, waarbij verschillende waarneembare toestanden worden gecombineerd. Maar is dit werkelijk het geval? Misschien bevindt het deeltje zich in een heel specifieke toestand, op een heel specifieke plaats, maar weten we dat gewoon niet?

De vraag of het mogelijk is om het gedrag van kwantumobjecten te beschrijven met behulp van een eenvoudiger, meer klassieke theorie, wordt al tientallen jaren besproken. In 1985 werd een manier voorgesteld om dit te meten: de zogenaamde “Legit-Garg-ongelijkheid”. Elke theorie die onze wereld beschrijft zonder de vreemde superpositietoestanden van de kwantumtheorie moet aan deze ongelijkheid gehoorzamen.

Aan de andere kant schendt de kwantumtheorie deze theorie. Metingen met neutronen om de ‘Liggett-Garg-anisotropie’ te testen werden voor het eerst gedaan aan de Technische Universiteit van Wenen – en het resultaat was duidelijk: de Leget-Garg-anisotropie werd geschonden, klassieke verklaringen waren niet langer mogelijk en de kwantumtheorie was verdwenen. zegevierde. Nu zijn de resultaten duidelijk. gepubliceerd In het tijdschrift Materiële beoordelingsbrieven.

Materieel realisme

Meestal gaan we ervan uit dat elk object bepaalde eigenschappen heeft: de bal bevindt zich op een bepaalde plaats, heeft een bepaalde snelheid en misschien een bepaalde rotatie. Het maakt niet uit of we naar de bal kijken of niet. Het heeft deze eigenschappen objectief en onafhankelijk van ons. “Deze opvatting staat bekend als ‘realisme’”, zegt Stefan Sponar van het Atoominstituut van de Universiteit van Wenen.

Uit onze dagelijkse ervaring weten we dat vooral grote, macroscopische objecten zich aan deze regel moeten houden. Zoals we weten kunnen macroscopische objecten worden waargenomen zonder dat ze significant worden beïnvloed. De meting verandert de situatie niet fundamenteel. Deze aannames worden gezamenlijk ‘macroscopisch realisme’ genoemd.

Maar de kwantumtheorie zoals we die nu kennen, is een theorie die dit macroscopisch realisme schendt. Als er voor een kwantumdeeltje verschillende toestanden mogelijk zijn, bijvoorbeeld verschillende posities, snelheden of energiewaarden, dan is elke combinatie van deze toestanden ook mogelijk. Tenminste, zolang deze toestand niet wordt gemeten. Tijdens de meting wordt de superpositietoestand vernietigd: de meting dwingt het deeltje om een ​​beslissing te nemen ten gunste van een van de mogelijke waarden.

Ongelijkheid tussen Leggett en Garg

De kwantumwereld moet echter logisch verbonden zijn met de macroscopische wereld – grote objecten bestaan ​​uiteindelijk uit kleine kwantumdeeltjes. In principe zouden de regels van de kwantumtheorie op alles moeten gelden.

De vraag is dus: is het mogelijk om gedrag in ‘grote’ objecten waar te nemen dat onverenigbaar is met ons intuïtieve beeld van macroscopisch realisme? Kunnen macroscopische objecten ook duidelijke tekenen van kwantumeigenschappen vertonen?

In 1985 publiceerden natuurkundigen Anthony James Leggett en Anupam Garg een formule waarmee macroscopisch realisme kan worden getest: de Leggett-Garg-ongelijkheid.

“Het idee hierachter is vergelijkbaar met de bekendere Bell’s Inequality, waarvoor in 2022 de Nobelprijs voor de natuurkunde wordt toegekend”, zegt Elizabeth Kreuzgruber, eerste auteur van het artikel.

“De ongelijkheid van Bell betreft echter de vraag hoe sterk het gedrag van een deeltje gerelateerd is aan een ander kwantumverstrengeld deeltje. De ongelijkheid van Leggett-Garg betreft slechts één object en stelt de vraag: hoe is de toestand ervan op specifieke tijdstippen gerelateerd aan de toestand van hetzelfde object op andere specifieke tijdstippen?” “

Sterkere verbindingen dan de klassieke natuurkunde toelaat

Leggett en Garg veronderstelden dat een object op drie verschillende tijdstippen gemeten kon worden, en dat elke meting twee verschillende resultaten kon opleveren. Zelfs als we helemaal niets wisten over de vraag of en hoe de toestand van dat lichaam in de loop van de tijd verandert, kunnen we nog steeds analyseren hoe sterk de uitkomsten op verschillende tijdstippen statistisch met elkaar in verband staan.

Het is mogelijk wiskundig te bewijzen dat de sterkte van deze correlaties nooit een bepaald niveau kan overschrijden – ervan uitgaande dat het algemene realisme waar is. Leggett en Garg waren in staat een ongelijkheid te bewijzen die altijd waar moet zijn in elke holistisch-realistische theorie, ongeacht eventuele details die verband houden met de theorie.

Maar als het object zich aan de regels van de kwantumtheorie houdt, zouden er aanzienlijk sterkere statistische correlaties moeten zijn tussen de meetresultaten op de drie verschillende tijdstippen. Als het lichaam zich tussen meetmomenten tegelijkertijd in verschillende toestanden bevindt, zou dit volgens Leggett en Garg moeten leiden tot sterkere correlaties tussen de drie metingen.

Neutronenstralen: kwantumobjecten van centimetersformaat

“Maar het is niet eenvoudig om dit probleem experimenteel te onderzoeken”, zegt Richard Wagner. “Als we het macroscopisch realisme willen testen, hebben we een object nodig dat in zekere zin macroscopisch is, dat wil zeggen dat de grootte vergelijkbaar is met de grootte van onze gebruikelijke alledaagse objecten.” Maar tegelijkertijd moet het lichaam de mogelijkheid hebben om kwantitatieve eigenschappen te vertonen.

“Neutronenbundels, zoals we die gebruiken in neutroneninterferometers, zijn hiervoor ideaal”, zegt Hartmut Lemmel, verantwoordelijk voor het S18-instrument aan het Institut Laue-Langevin (ILL) in Grenoble, waar het experiment werd uitgevoerd.

In de neutroneninterferometer, een ideale kristalsiliciuminterferometer die begin jaren zeventig voor het eerst met succes werd gebruikt aan het Atoominstituut van de Technische Universiteit van Wenen, wordt de binnenkomende neutronenbundel op de eerste kristalplaat in twee deelbundels gesplitst en vervolgens opnieuw gecombineerd door een ander stuk neutroneninterferometer. silicium. Er zijn dus twee verschillende manieren waarop neutronen van de bron naar de detector kunnen reizen.

‘De kwantumtheorie zegt dat elk neutron tegelijkertijd langs beide paden beweegt. De twee deelbundels liggen echter enkele centimeters uit elkaar. In zekere zin hebben we te maken met een kwantumobject dat naar kwantumnormen massief is’, zegt Niels Gerrits. .

Met behulp van een geavanceerde combinatie van verschillende neutronenmetingen kon het team van de Technische Universiteit van Wenen de ongelijkheid van Leggett-Garg testen, en het resultaat was duidelijk: de ongelijkheid werd geschonden.

Neutronen gedragen zich op een manier die door geen enkele realistische theorie op macroniveau kan worden verklaard. Ze reizen feitelijk op twee paden tegelijk en bevinden zich tegelijkertijd op verschillende plaatsen, op centimeters afstand van elkaar. Het idee dat “het neutron zich slechts langs een van de twee paden kan verplaatsen, maar we weten niet welke”, werd dus weerlegd.

“Ons experiment bewijst dat de natuur echt zo vreemd is als de kwantumtheorie beweert. Welke realistische klassieke theorie je ook bedenkt, ze zal de werkelijkheid nooit kunnen verklaren. Zonder de kwantumfysica werkt het niet”, zegt Stefan Sponar.