In een beroemd gedachte-experiment speelt Schrödingers kat de hoofdrol; het dier zou levend en dood tegelijk zijn. Een natuurkundige heeft nu een proef bedacht om dit idee te checken.

Wie kent hem niet: de kat van Schrödinger? Dit arme dier zit opgesloten in een doos met een duivelse uitvinding die het beest op een willekeurig, niet te voorspellen moment een dodelijk gif kan toedienen. Buiten de doos is er geen manier om te weten of dat al is gebeurd. Daardoor zou het beroemde poezenbeest volgens de quantummechanica dood en levend tegelijk moeten zijn. Tenminste, zolang je de doos dicht laat. Til je het deksel op, dan zie je ofwel een dode, ofwel een levende kat.

Lees ook:

• Zijn er deeltjes met een bizar grote elektrische lading?
• DNA-achtige moleculen in het hart van de zon?

De bedenker van dit macabere gedachte-experiment was de Oostenrijkse natuurkundige Erwin Schrödinger. Die dacht overigens niet écht dat je huisdieren in een ongewisse toestand van levend en dood kunt brengen. Integendeel: met zijn bedenksel wilde hij juist illustreren hoe bizar de quantummechanica eigenlijk is. Natúúrlijk is die kat of levend of dood, ook voordat je een blik in de doos werpt. Maar waarom eigenlijk? Eén wetenschapper die daar zo zijn ideeën over heeft, is de Brit Roger Penrose.

Onlangs won hij de Nobelprijs voor de natuurkunde voor zijn werk aan zwarte gaten, maar hij heeft in de loop der jaren ook de nodige andere – soms behoorlijk speculatieve – ideeën gelanceerd. Een daarvan kan mogelijk verklaren waarom er geen zombiekatten-in-dozen zijn.

En nu is natuurkundige Sandro Donadi van het Frankfurt Institute for Advanced Studies er met collega’s in geslaagd dat idee te checken met een experiment – een écht experiment, welteverstaan.

Vervormde ruimtetijden

Waar het allemaal om draait, is dat een deeltje binnen de quantummechanica niet per se een precies bepaalde plek heeft. Zolang je niet kijkt waar het zich bevindt, is er slechts sprake van een kansverdeling: je hebt zoveel procent kans dat het zich op plek A bevindt, zoveel procent kans dat het zich op plek B bevindt, enzovoort. Het bevindt zich, in natuurkundige termen, in een superpositie: een combinatie van meerdere mogelijke posities. Neem je het deeltje vervolgens waar, dan verandert die superpositie ogenblikkelijk in een enkele positie, zo zegt de meest gangbare interpretatie van de quantummechanica. Trek je dat idee van de deeltjeswereld door naar de wereld om ons heen, dan krijg je dat kattenverhaal van Schrödinger.

Penrose’ idee is nu dat de zwaartekracht daar een stokje voor steekt. De algemene relativiteitstheorie – onze huidige zwaartekrachtstheorie – zegt namelijk dat een voorwerp met zijn massa de omliggende ruimtetijd vervormt. Hebben we het over een voorwerp dat zich op twee plekken tegelijkertijd bevindt, dan betekent dat ook twee vervormde ruimtetijden.

Hoe zwaarder een voorwerp is, hoe meer die ruimtetijden vervormd raken en hoe moeilijker het wordt om beide ruimtetijden tegelijkertijd in stand te houden. Vanaf een bepaalde massa (ver onder de massa van zelfs de magerste kitten) is die dubbele toestand instabiel. De natuur kiest dan voor één mogelijkheid, zonder dat iemand daar een waarneming voor hoeft te doen.

Maar is dat ook echt hoe het zit? Een manier om dat te checken, is door steeds zwaardere voorwerpen in superpositie te brengen. Misschien bereik je dan op een gegeven moment het punt waarop die superpositie vanzelf verdwijnt ten gevolge van de zwaartekracht. Dat is echter hondsmoeilijk, zo is de afgelopen jaren wel gebleken.

Volgens Donadi kan het makkelijker. Ook de plek van een voorwerp dat zich niet overduidelijk in superpositie bevindt, zegt hij, is – zolang je het niet waarneemt – niet helemaal exact bepaald.

Kiest dat voorwerp ineens wél een specifieke plek, niet doordat je ernaar kijkt maar door toedoen van de zwaartekracht, dan worden omringende deeltjes als het ware opgeschrikt. Daardoor gaan die deeltjes willekeurig in het rond bewegen, waarbij ze wat licht uitzenden. Licht dat je zou kunnen meten.

Dat laatste hebben Donadi en zijn team nu gedaan door in de labs onder het Italiaanse Gran Sasso-bergmassief kristallen van het element germanium te bestuderen. Als die kristallen geen licht uit zouden zenden, zou je 506 fotonen verwachten, veroorzaakt door bekende processen in de omliggende rotsen. Donadi en collega’s maten er echter 576.

Bevestigd of ontkracht?

Zijn die zeventig extra fotonen dan ontstaan door kriskras in het rond bewegende deeltjes, opgeschrikt door een deeltje dat dankzij de zwaartekracht een plek kiest? Misschien. Probleem is alleen dat als de theorie van Penrose klopt, je nog veel meer van zulke fotonen zou verwachten. Het resultaat is dus geen bevestiging van Penrose’ theorie, maar een ontkrachting.

Natuurkundige Dirk Bouwmeester van de Universiteit Leiden zegt echter: “Om precies te weten wat er gebeurt als een superpositie onder invloed van de zwaartekracht verdwijnt, moet je een theorie hebben die de algemene relativiteitstheorie combineert met de quantummechanica.”

Zo’n theorie is er nog niet, waardoor je wat hem betreft ook niet zo stellig kunt zeggen dat er deeltjes in beweging worden gebracht die licht uitzenden. Hij zet daarom zelf toch in op het in superpositie brengen van zo zwaar mogelijke objecten.

Donadi ziet zeker ook brood in zulke experimenten, maar gaat zelf verder op de door hem ingeslagen weg. Hij wil nu ook uitrekenen wat voor licht kristallen zouden moeten uitzenden bij allerlei varianten op de theorie van Penrose. Met die resultaten in het achterhoofd duikt hij vervolgens weer het lab in. En wie weet kunnen we dan ooit die halfdode kat eindelijk definitief ten grave dragen.

Deze Far Out staat ook in KIJK 12/2020.

Bron: Nature Physics, KIJK: Het controversiële universum van Roger Penrose

Tekst: Jean-Paul Keulen

Beeld: ANDRZEJ WOJCICKI/SPL/ANP

Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Word dan lid van KIJK!