Een gedachte-experiment dat centraal stond in de discussie tussen de beroemde natuurkundigen Albert Einstein en Niels Bohr in 1927 is eindelijk werkelijkheid geworden. De bevindingen verhelderen een van de belangrijkste mysteries van de kwantumfysica: is licht echt een golf, een deeltje, of een complexe mengeling van beide?
De discussie van Einstein en Bohr betreft het dubbele-spletenexperiment, dat teruggaat tot 1801, toen de natuurkundige Thomas Young het testte. Young gebruikte deze proef om te betogen dat licht een golf is, terwijl Einstein beweerde dat licht eigenlijk een deeltje is. Bohr’s werk in de kwantumfysica stelde gedurfd voor dat licht, in zekere zin, beide kan zijn. Einstein was het niet eens met deze controversiële opvatting en bedacht een gemodificeerde versie van Young’s experiment om het tegen te gaan.
Nu hebben Chao-Yang Lu en zijn collega’s van de Universiteit van Wetenschap en Technologie van China een experiment uitgevoerd dat Einstein’s idee waarmaakt. Ze gebruikten de beste middelen van de moderne experimentele fysica om te onthullen dat kwantumobjecten net zo bijzonder zijn in hun dubbele golf- en deeltjesnatuur als de natuurkundigen uit de jaren ’20 vermoeden. “Het zien van de kwantummechanica ‘in actie’ op dit fundamentele niveau is eenvoudigweg adembenemend,” zegt Lu.
In het klassieke dubbele-spletenexperiment richten onderzoekers licht op een paar smalle, parallelle spleten die voor een scherm zijn geplaatst. Als licht een deeltje zou zijn, zou het scherm een blob licht achter elke spleet moeten tonen, maar Young en talloze onderzoekers die volgden, zagen in plaats daarvan een “interferentiepatroon” van afwisselende donkere en lichte strepen. Dit wees erop dat licht meer als een golf is die door de spleten stroomt, waarbij het scherm de rimpelingen opvangt die in elkaar botsen. Opmerkelijk is dat het interferentiepatroon aanhoudt, zelfs als de intensiteit van het licht wordt verminderd tot een enkel deeltje licht, of een foton. Betekent dit dat het perfect deeltje-achtige foton op de een of andere manier met zichzelf interfereert, alsof het ook een golf is?
Bohr stelde de notie van “complementariteit” voor, waarbij het onmogelijk is om de deeltjesnatuur van de foton waar te nemen wanneer deze golfgedrag vertoont en vice versa. Tijdens hun debatten over de vraag of dit werkelijk het geval is, stelde Einstein zich voor om een extra spleet voor het gebruikelijke paar te plaatsen, die zou worden uitgerust met veren, zodat deze zou kunnen terugspringen wanneer de foton deze binnenkwam. Op basis van de beweging van de veren zouden natuurkundigen dan kunnen bepalen of de foton door de bovenste of onderste spleet ging. Volgens Einstein zou dit betekenen dat het mogelijk zou zijn om tegelijkertijd het deeltje-gedrag van de foton te beschrijven – die door een specifieke spleet beweegt als een klein balletje – en zijn golfgedrag, zoals blijkt uit het interferentiepatroon, wat de complementairiteit zou tegenspreken.
Lu zegt dat zijn team dit apparaat wilde bouwen op de “ultieme kwantumgrens”, dus zij schoten een enkele foton niet op een spleet, maar op een atoom dat op dezelfde manier kon terugveren. Bovendien plaatste het raken van het atoom de foton in een kwantumtoestand die gelijk is aan een mengsel van bewegen naar links en naar rechts, wat ook een interferentiepatroon produceerde toen het een detector raakte. Om een atoom op deze manier te gebruiken, maakten de onderzoekers gebruik van lasers en elektromagnetische krachten om het extreem koud te maken, wat het mogelijk maakte om zijn kwantum-eigenschappen uiterst nauwkeurig te beheersen. Dit was cruciaal voor het testen van Bohr’s tegenargument tegen Einstein: hij beweerde dat het onzekerheidsprincipe van Heisenberg, dat stelt dat als de verandering in de impuls van de spleet van de terugslag heel goed bekend is, de positie vaag zou worden en vice versa, het interferentiepatroon zou kunnen vernietigen.
“Bohr’s tegenargument was briljant. Maar het gedachte-experiment bleef bijna een eeuw theoretisch,” zegt Lu. Door de lasers af te stemmen, konden Lu en zijn collega’s de onzekerheid in de impuls van het atoom als spleet beheersen. Bij het doen hiervan ontdekten ze dat Bohr’s bewering correct was en dat ze het interferentiepatroon konden wissen door de vaagheid van de impuls aan te passen. Indrukwekkend is dat de onderzoekers deze aanpasbaarheid ook gebruikten om toegang te krijgen tot een tussenliggende toestand waar ze enkele terugslaginformatie konden meten en ook een vage versie van het interferentiepatroon konden zien. Hier vertoonde de foton effectief zowel golf- als deeltje-eigenschappen tegelijk, zegt Lu.
“De echte interesse ligt in [deze] tussentoestand,” zegt Wolfgang Ketterle van het Massachusetts Institute of Technology. Eerder dit jaar voerden hij en zijn collega’s een variant van Einstein’s experiment uit. Ze gebruikten ultracoolde atomen die door lasers werden gecontroleerd om een versie van Einstein’s experiment uit te voeren waarbij het paar spleten kan bewegen. Waar Lu en zijn collega’s een enkel atoom gebruikten om licht in twee richtingen te verstrooien, stootten hier twee atomen licht in dezelfde richting uit, en het effect van de foton die elk atoom raakte, kon worden gedetecteerd aan de hand van de veranderingen in hun kwantumtoestanden. Ketterle zegt dat dit een conceptueel andere manier is om golf-deeltje dualiteit te onderzoeken en duidelijker vastlegt wat de foton deed, omdat deze “welke-kant” informatie wordt opgeslagen in een van de twee afzonderlijke atomen, maar het is een lichte afwijking van Einstein’s oorspronkelijke idee.
Hij en zijn collega’s experimenteerden ook met het plotseling uitzetten van hun lasers — wat gelijkstaat aan het verwijderen van de veren van de beweegbare spleten — en vervolgens het schieten van fotonen op de atomen. Bohr’s conclusie bleef standhouden, aangezien het uitwisselen van impuls tussen de atomen en de foton, plus het onzekerheidsprincipe, nog steeds het interferentiepatroon’s strepen kon “wegwassen”. Deze versie van Einstein’s idee zonder veren was nog niet eerder getest, zegt Ketterle. “In de atomische fysica, met koude atomen en lasers, hebben we echte kansen om de kwantummechanica met helderheid te demonstreren die eerder niet mogelijk was.”
Philipp Treutlein van de Universiteit van Basel in Zwitserland zegt dat de twee experimenten krachtig enkele van de fundamenten van de kwantummechanica demonstreren. “Met ons moderne begrip weten we het antwoord op hoe de kwantummechanica werkt op microscopische schaal. Maar het maakt altijd een verschil of je het echt ziet, zo te zeggen, als iemand dat experiment daadwerkelijk uitvoert.” Het experiment van Lu en zijn team komt conceptueel overeen met de tekeningen die in het historische verslag van de debatten tussen Bohr en Einstein blijven bestaan, en gedraagt zich precies op de manier zoals de kwantummechanica voorspelt dat het zou moeten gedragen, zegt hij.
Voor Lu is er nog meer te verkennen, zoals het verder classificeren van de kwantumtoestand van de spleet, evenals het vergroten van de massa. Maar het experiment heeft ook immense educatieve waarde. “Bovenal hoop ik dat het de pure schoonheid van de kwantummechanica overbrengt,” zegt hij. “Als een paar jonge mensen het interferentiepatroon in real time zien verschijnen of verdwijnen en zeggen: ‘Wauw, de natuur werkt echt zo,’ dan is het experiment al geslaagd.”
