Wetenschappers in Delft bewijzen na 80 jaar Einsteins ongelijk

Het lijkt erop dat wetenschappers verbonden aan de TU Delft hebben voor het eerst onomstotelijk hebben bewezen dat deeltjes elkaar sneller dan het licht kunnen beïnvloeden. De onderzoeksgroep die onder leiding van Ronald Hanson staat, maakt daarmee een eind aan een tachtigjarige discussie over de aard van de realiteit, die begonnen werd door Einstein in 1935. Het onderzoek legt een nieuwe basis voor niet te hacken quantumnetwerken en sluit één van de grote natuurkunderaces van de moderne tijd af.

Volgens Einstein zou een deeltje niet sneller dan met de lichtsnelheid een ander deeltje kunnen beïnvloeden. Dat was een rechtstreeks gevolg van zijn inmiddels honderdjarige Algemene Relativiteitstheorie.

Volgens de wetten van de quantummechanica, die rond dezelfde tijd werd bedacht, zou dit wel kunnen. Einstein vond deze "spooky action at a distance", zoals hij het noemde, maar niks: "In dat geval zou ik liever timmerman zijn, of zelfs werken in een speelhal, dan dat ik natuurkundige zou willen zijn."

Het Delftse onderzoek draait om een groot fundamenteel vraagstuk van de quantummechanica. Deze theorie, die het gedrag van de kleinste stukjes materie die we kunnen meten beschrijft, strookt niet met wat we ervaren als logisch. In de quantummechanica kan bijvoorbeeld teleportatie optreden, kan een deeltje op meerdere plaatsen bestaan en staat niks helemaal vast. Om te begrijpen wat de groep uit Delft heeft gedaan, geef ik je eerst een korte introductie over de kleine deeltjes die bedoeld worden.

Elementaire deeltjes, de kleinste deeltjes die er bestaan, hebben meetbare eigenschappen. Dit kan bijvoorbeeld een lading zijn, maar ook meer abstracte eigenschappen, zoals iets wat de 'spin' genoemd wordt. Het is een eigenschap die het makkelijkst voor te stellen is als een magnetische lading in een bepaalde richting. Voor nu is het genoeg om te weten dat het gemeten kan worden.

Deze deeltjes kunnen onder bepaalde omstandigheden met elkaar verstrengeld raken, als ze bijvoorbeeld op precies dezelfde plek en tijd ontstaan. Bij verstrengelde deeltjes kan de spin van een deeltje A direct invloed kan hebben op de spin van een ander deeltje B. Stel je voor dat je met je geliefde in bed ligt, in elkaar verstrengeld. Als jij je been beweegt tegen het been van je partner, dan beweegt haar/zijn been direct in de tegenovergestelde richting. Klassieke actie-reactie.

Dit wordt pas raar in de quantumwereld, omdat deze directe reactie kan plaatsvinden op elke mogelijke afstand. Een beetje alsof jij je been aan de ene kant van het universum beweegt en het been van je bae aan de andere kant van het universum hetzelfde doet als wanneer je wel samen in bed zou liggen.

Dat principe veroorzaakte grote problemen voor Einstein's theorie van Algemene Relativiteit. Hierin stelt hij namelijk dat deeltjes elkaar niet sneller dan met de snelheid van het licht kunnen beïnvloeden. Nergens en nooit. Maar precies dat principe is dus door de Delftse wetenschappers onomstotelijk ontkracht.

Om te checken of Einstein gelijk had met zijn twijfels over de quantumwereld, bedacht de Ierse natuurkundige John Bell in 1964 een test. Hij stelde wiskundige voorwaarden op voor een experiment. Als aan zijn test werd voldaan, zou dat bewijs voor een normale wereld leveren, zo niet, dan betekende dat definitief dat de quantumrariteiten het fundament van onze werkelijkheid vormen.

In de jaren '80 werd het voor het eerst mogelijk om experimenten uit te voeren waarmee de theorie van Bell getest kon worden. Door experimentele limitaties bleven er echter altijd mazen achter in de experimenten. De deeltjes die werden getest konden elkaar bijvoorbeeld nog beïnvloeden omdat ze te dicht bij elkaar stonden, of de meetapparatuur was niet accuraat genoeg.

Zo bleven er twijfels over de fundamenten van de spookachtige quantumwereld, en het vreemde gedrag van de deeltjes op de kleinste schaal in ons universum.

Tot voor kort dus, want om de test van Bell uit te voeren, hebben de wetenschappers op de campus van de TU Delft drie verschillende laboratoria opgezet.

Op punt A en B wisten ze een elektron vast te zetten in een diamant. Dat elektron probeerden ze te verstrengelen met een foton, dat werd doorgestuurd naar C, waar de spin van beide elektronen gemeten werd. Door de grote afstand tussen A en B en door de precieze meetapparatuur konden ze de test van Bell breken en zo een einde maken aan de 80 jarige quantumvete. Einstein zat er definitief naast.

Het onderzoek bevestigt een lang verwacht, nooit eerder bewezen fundament van de quantummechanica – en van de werkelijkheid. Dit soort onderzoek heeft bijvoorbeeld grote gevolgen voor quantumnetwerken. Omdat de deeltjes onmiddellijk reageren op een meting aan de andere kant, is het mogelijk om netwerken te maken waarin informatie niet onderschept kan worden.

Misschien is het maar goed ook dat het zo lang heeft geduurd voordat deze discussie beslecht werd. Als Einstein dit in zijn tijd al had geweten, was hij misschien wel houten kasten gaan bouwen of zou hij voor een carrière als flipperkastreparateur hebben gekozen. En dat zou best zonde geweest zijn.