Kan het verleden echt zijn voordat je het meet?

Er is een beroemde stelling van de fysici Anthony Leggett en Anupam Garg. Zo beroemd dat hij hun naam heeft gekregen: de LG-ongelijkheid.

De LG-ongelijkheid

De stelling gaat over het zogenaamde ‘macro-realisme’. Daarmee bedoelen we het idee dat een (fysiek) ‘groot’ systeem op grote schaal altijd in een goedbepaalde toestand verkeert, en dat metingen deze toestand niet verstoren. Dit idee past bij onze intuïtie: onze bekende natuurwetten gelden (altijd en overal) op dezelfde manier. Ze zijn objectief en worden niet beïnvloed wanneer er metingen worden gedaan.

En als het grote systeem steeds kleiner wordt: blijft dat realisme dan gelden? De LG-ongelijkheid formuleert op welke schaal het macro-realisme mistig wordt. Verdampt. Verdwijnt. Het trekt als het ware de grens tussen macro en micro. De wiskunde is ingewikkeld, maar het idee is best te begrijpen.

Bestaat iets als je het niet meet?

Dat de maan om de aarde draait, ook als we er niet naar kijken, dat is duidelijk. Dat hij er een half uur geleden ook was (ok, op net een ander plekje), daar twijfelt evenmin iemand aan. Dezelfde zekerheid van het bestaan geldt voor een biljartbal, ook al is die veel kleiner. Voor een knikker. Maar nog veel kleiner: voor een proton? Een elektron? Precies daar gaat de stelling over: gedraagt het proton zich nog steeds net als de maan, of niet?

In 1985 stelden Anthony Leggett en Anupam Garg hun wiskundige grenstest voor. Hij is gebaseerd op twee aannames:

1. Macroscopisch realisme. Dat betekent dat een systeem bestaat op een bepaald moment in één bepaalde toestand, ongeacht of het wordt waargenomen of niet (toegepast: ‘de maan is er, of je nu kijkt of niet’).

2. Niet-invasieve meetbaarheid. Dat wil zeggen dat je die toestand kunt meten, zonder de toekomstige evolutie ervan te verstoren (toegepast: ‘als je naar de maan kijkt, dan wordt de loop van de maan daardoor niet beïnvloed’).

Hun vraag was: geldt deze regel ook als je een systeem kleiner maakt? Op welke schaal krijg je eigenlijk problemen?

Micro

Bij micro – dus: als de schaal te klein wordt – dan komen we op het terrein van de kwantumtheorie. Metingen op dit gebied laten zien dat de intuïtieve waarheden van macro-realisme worden geschonden. Niet af en toe, maar herhaaldelijk. Keer op keer. Systematisch.

Blijkbaar is een kwantumsysteem op een fundamenteel andere manier gedefinieerd dan een macro-systeem. Het heeft niet een bepaalde eigenschap, ongeacht of er iemand is die het meet, maar de eigenschap hangt af van de waarneming. Hoe vreemd ook: de waarnemer zélf heeft invloed op de uitkomst van zijn experiment – en dat is heel erg in strijd met onze intuïtie.

Vlak voor het experiment…

Experimenten met supergeleidende qubits, fotonen en nucleaire spins hebben allemaal schendingen van Leggett-Garg laten zien. Metingen aan zulke piepkleine kwantumsystemen onderzoeken dus dit dilemma:

=> heeft een niet-geobserveerd kwantumsysteem een ‘verhaal’, oftewel een voorgeschiedenis van wat er vlak voor de waarneming is gebeurd, net zoals dat in de macro-wereld geldt,

=> creëert het uitvoeren van een experiment met terugwerkende kracht de bijbehorende geschiedenis, en was die dus niet eerder aanwezig?

Wel, het is vervelend, maar metingen aan de kwantumwereld bevestigen het tweede.

Dat betekent dat de vraag ‘wat deed het systeem vlak voordat we keken’ een zinloze vraag is geworden. Niet omdat je het niet kunt METEN (dat is alleen maar een praktisch probleem) maar omdat het fundamenteel onmogelijk is om het te WETEN. Je kunt er niets zinnigs over zeggen, want het is nog onbepaald.

Vreemd, maar onontkoombaar: het verleden ligt nog niet vast. Pas als de waarnemer zijn keus heeft gemaakt voor het experiment, ontstaat óók de voorgeschiedenis. Dat is geen praktische, maar een conceptuele beperking. Principieel. Ongelofelijk.

Pittig

Dit is filosofisch behoorlijk pittig, vind ik persoonlijk. Het is niet logisch. Niet zoals wij intuïtief denken. Maar ja: ons denken en onze logica zijn gevormd onder macro-realisme. Is het dan niet vanzelfsprekend dat ons brein weinig kan met een wereld die daarbuiten ligt?

Wat logisch niet is te bevatten, kan soms iets duidelijker worden met een verhaaltje. Je krijgt misschien niet meer begrip, maar wel een soort gevoel voor het bizarre.

Een SF-verhaal

Het kwantumprincipe van de LG-ongelijkheid speelt een centrale rol in het SF-verhaal ‘Het unificatiecriterium van Botteschied’. Deze vertelling (geheel fictie!) staat in de verhalenbundel ‘Zwervers’, en is digitaal te lezen op de site van Fantasize. De link daarvan is: https://www.fantasize.nl/actueel/vertelling-het-unificatiecriterium-van-botteschied-charles-van-wettum/ Info over het boek vind je op https://www.wettum.org/zwervers . De paperback kan via de docent, bol of amazon.

Het Ebook is oa te vinden bij kobo: https://www.kobo.com/nl/nl/ebook/zwervers .