Natuurkundigen hebben onlangs wijzigingen voorgesteld in de beroemde paradox van Schrödingers kat, die zouden kunnen helpen verklaren waarom kwantumdeeltjes in meer dan één toestand tegelijk kunnen bestaan, terwijl grote objecten (zoals het universum) dat niet lijken te kunnen.
Einsteins relativiteitstheorie en kwantummechanica
De natuurkunde is een complex en fascinerend vakgebied dat tracht de fundamentele wetten te begrijpen die ons universum beheersen. Twee van de meest invloedrijke en succesvolle theorieën op dit gebied zijn Einsteins relativiteitstheorie en kwantummechanica.
Relativiteit, voornamelijk geformuleerd door Albert Einstein in het begin van de 20e eeuw, heeft ons begrip van ruimte, tijd en zwaartekracht radicaal veranderd. Deze theorie bestaat uit twee hoofdonderdelen: speciale relativiteit en algemene relativiteit. De speciale relativiteitstheorie beschrijft in wezen het gedrag van objecten die zich met snelheden dicht bij die van het licht voortbewegen, terwijl de algemene relativiteitstheorie zwaartekracht verklaart als een kromming van de ruimte-tijd als gevolg van de aanwezigheid van massa en energie.
Aan de andere kant is de kwantummechanica een theorie die het gedrag van subatomaire deeltjes, zoals elektronen en fotonen, beschrijft. In tegenstelling tot de klassieke fysica stelt deze theorie dat deze deeltjes in superposities kunnen bestaan, wat betekent dat ze meerdere toestanden tegelijkertijd kunnen innemen. Een elektron kan bijvoorbeeld zowel in een golfttoestand als in een deeltjesttoestand verkeren totdat het wordt waargenomen. Met andere woorden, wanneer een meting wordt uitgevoerd, stort het kwantumsysteem in een van deze toestanden in, waardoor een precieze waarde voor de gemeten waarneembare grootheid wordt verkregen.
Compatibiliteitsprobleem
Het probleem doet zich voor wanneer men deze twee theorieën probeert te verenigen in één samenhangende beschrijving van het universum. Relativiteit en kwantummechanica lijken namelijk op een aantal cruciale punten met elkaar in tegenspraak te zijn. Zo voorspelt de kwantummechanica het bestaan van superposities, terwijl de algemene relativiteitstheorie een universum beschrijft waarin objecten welomschreven posities en snelheden hebben. Bovendien gebruikt de kwantummechanica een probabilistisch kader om het gedrag van deeltjes te beschrijven, terwijl de relativiteitstheorie gebruikmaakt van deterministische vergelijkingen om de dynamica van ruimte-tijd te beschrijven.
De paradox van Schrödingers kat illustreert deze onverenigbaarheid perfect. In dit beroemde scenario bevindt een kat zich in een doos met een apparaat dat een gif kan vrijgeven, waardoor de kat sterft. Volgens de kwantummechanica bevindt de kat zich, zolang de doos gesloten is, in een superpositie, zowel levend als dood. Pas wanneer de doos wordt geopend en de kat wordt waargenomen, wordt zijn toestand bepaald. Dit is echter in tegenspraak met de klassieke intuïtie dat de kat niet levend of dood kan zijn, maar zich in één welbepaalde toestand moet bevinden.
Om deze twee schijnbaar tegenstrijdige perspectieven met elkaar te verzoenen, hebben natuurkundigen een wijziging voorgesteld van de Schrödingervergelijking, die centraal staat in de kwantummechanica. Deze wijziging suggereert dat kwantumsystemen spontaan met regelmatige tussenpozen instorten, waardoor ze gedefinieerde waarden voor hun waarneembare grootheden krijgen. Met andere woorden, in plaats van voor onbepaalde tijd in een superpositie te blijven, ‘kiezen’ kwantumdeeltjes uiteindelijk op willekeurige en spontane wijze een specifieke toestand.
Een innovatieve benadering
Om dit beter te begrijpen, kunt u zich voorstellen dat u door twee verschillende lenzen naar de wereld kijkt. Aan de ene kant hebt u de lens van de kwantummechanica, waarmee u de wereld van subatomaire deeltjes kunt zien, waar dingen in meerdere toestanden tegelijk kunnen verkeren, als een soort probabilistische dans. Aan de andere kant heb je de lens van Einsteins algemene relativiteitstheorie, die je een beeld geeft van het universum op grote schaal, waar objecten welomschreven deterministische banen volgen, zoals planeten die rond een ster draaien.
Deze twee visies op de wereld lijken dus vaak met elkaar in tegenspraak te zijn. De kwantummechanica vertelt ons dat dingen vaag en onzeker kunnen zijn, terwijl de algemene relativiteitstheorie ons vertelt dat alles precies en gedefinieerd is. Het is een beetje alsof je olie en water probeert te mengen: het lijkt gewoonweg niet mogelijk.
In het kader van dit nieuwe onderzoek dachten natuurkundigen: wat als we, in plaats van dingen als vaag of precies te zien, een manier zouden vinden om ze beide tegelijk te laten zijn, maar op verschillende schaalniveaus? Daar komt de wijziging van de Schrödingervergelijking om de hoek kijken.
Deze wijziging suggereert dat kwantumsystemen, zoals subatomaire deeltjes, spontaan kunnen instorten met regelmatige tussenpozen, waardoor ze een specifieke toestand kiezen uit een veelheid aan mogelijkheden. Dit geeft ze een soort ‘duwtje in de rug’ naar een bepaalde toestand, waardoor ze beter aansluiten bij onze klassieke visie op de wereld op grote schaal, die wordt beheerst door de algemene relativiteitstheorie.
Met andere woorden, deze wijziging van de Schrödingervergelijking stelt kwantumdeeltjes in staat om in de loop van de tijd over te gaan van een vage en onzekere toestand naar een precieze en gedefinieerde toestand, zonder dat daarvoor een externe waarneming nodig is. Dit zou verklaren waarom we macroscopische objecten, zoals katten in dozen, niet in vreemde superposities zien, maar eerder in gedefinieerde en waarneembare toestanden.
Het is alsof we een manier hebben gevonden om de twee lenzen samen te voegen om een duidelijker en consistenter beeld te krijgen van de wereld om ons heen. Er is natuurlijk nog veel werk te doen om dit idee te testen en te zien of het echt klopt, maar het is een spannend perspectief dat ons zou kunnen helpen de mysteries van het universum beter te begrijpen.
Een stap naar een verenigde theorie
Deze voorstellen zouden een belangrijke stap kunnen zijn naar de langverwachte vereniging van de algemene relativiteitstheorie en de kwantummechanica. Door een dynamiek van spontane ineenstorting te integreren, bieden onderzoekers een perspectief waarin de twee theorieën niet langer in directe tegenstelling tot elkaar staan, maar verschijnen als verschillende facetten van dezelfde realiteit, die volgens complementaire principes functioneren. Deze benadering maakt de weg vrij voor rijkere theoretische modellen, die tot nu toe onverklaarbare verschijnselen kunnen beschrijven, zoals kwantumzwaartekracht of het gedrag van zwarte gaten op microscopische schaal. Deze vorderingen getuigen van de menselijke vindingrijkheid in het omgaan met de fundamentele paradoxen van de natuur en nodigen uit tot verder onderzoek om eindelijk de wereld van het oneindig grote te verbinden met die van het oneindig kleine.
