Alain Aspect De man die Einsteins ongelijk aantoonde

Zijn grootste prestatie dateert al van dertig jaar terug, maar pas de laatste jaren lijkt hij de erkenning te krijgen die daarbij hoort. Alain Aspect bewees dat Einstein ongelijk had met zijn visie op de quantumtheorie. 'Nou ja, ongelijk? Eigenlijk ook niet.'

Albert Einstein stond begin vorige eeuw aan de wieg van de quantumtheorie, maar toen deze vaste vormen begon te krijgen, werd hij een van de felste criticasters. Hij voerde er een beroemd debat over met Niels Bohr, de Deense voorman van de quantumtheorie. Het debat bereikte in de jaren dertig zijn hoogtepunt maar ging daarna uit als een nachtkaars, onbeslecht. Fysici gingen over tot de orde van de dag en gaven in feite Bohr gelijk - 'de theorie werkt, en als Niels daar een draai aan geeft, zal het wel kloppen'.

Totdat veerig jaar later een jonge Franse fysicus het debat oppikte, omzette in een experiment en beslechtte. Alain Aspect ging de geschiedenis in als de man die Einstein ongelijk gaf. Daarna verdween hij zelf bijna in die geschiedenis: zijn werk bleef nagenoeg onopgemerkt, pas de laatste jaren groeit de erkenning.

Eenvoudig was het ook al niet toen hij aan zijn proeven begon, vertelt Aspect in een conferentieoord in Veldhoven, waar hij vorige maand hoofdgast was op een groot natuurkundecongres, georganiseerd door onderzoeksfinancier FOM. "Er was geen geld, ik moest mijn onderzoeksopstelling bijeenscharrelen tussen de achtergelaten apparaten op het instituut en de meeste collega's negeerden mijn bestaan. Alleen mijn professor stimuleerde mij. Hij was ook nog jong, kende het debat nauwelijks, maar vond het een prikkelend idee."

Dit jaar bereikt hij de pensioengerechtigde leeftijd, maar rentenieren komt nog niet in zijn vocabulaire voor. Een kleine man met een typisch Franse uitstraling: grote snor, zwaar accent. Interviews zijn duidelijk niet zijn favoriete bezigheid. Knorrig heeft hij zich door de voorlichting uit de conferentiezaal laten halen. "Ik ben toch geen politicus", moppert hij. "Als mensen wat van mij willen weten, moeten ze mijn artikelen lezen." Maar goed: noblesse oblige.

Het debat tussen Einstein en Bohr, de grootste natuurkundigen van hun tijd, ging niet over de formules van de quantumtheorie, maar over de interpretatie ervan. God dobbelt niet, was Einsteins beroemde uitspraak in deze. Hij kon niet accepteren dat met de quantumtheorie, die het gedrag van atomen en moleculen beschrijft in termen van waarschijnlijkheden, het laatste woord was gezegd. Er moest iets fundamentelers achter verborgen liggen.

Om te laten zien tot welke absurditeiten de theorie leidde, verzon Einstein een gedachtenexperiment. Dat begon bij het idee dat in de quantumwereld deeltjes overal kunnen zijn. Overal tegelijk, om precies te zijn. Pas als iemand kijkt, pas als een onderzoeker meet waar het zich bevindt, geeft het deeltje zijn positie prijs. Neemt het zijn positie in, moet je eigenlijk volgens de interpretatie van Bohr zeggen. De quantumtheorie zegt alleen wat de kans is om een deeltje op een bepaalde plaats aan te treffen, de meting legt de positie vast.

Daarnaast kunnen deeltjes een eigenschap delen. Ze zijn verstrengeld, zeggen quantumfysici. De gezamenlijke waarde van die eigenschap ligt vast, daarbinnen is het nog ongewis. Maar meet je de eigenschap van het ene deeltje, dan weet je ook wat die van de ander is. Is de een plus, is de ander min. Wijst het ene deeltje naar boven, dan wijst de ander naar beneden.

De verstrengeling blijft in stand, redeneerde Einstein in zijn gedachtenexperiment, ook al zijn de deeltjes mijlenver van elkaar verwijderd. Meet je dan aan het ene deeltje, dan 'weet' het andere onmiddellijk welke waarde het moet hebben. Terwijl die waarde vóór de meting nog in het vage lag. Dat kan helemaal niet, concludeerde Einstein, informatie kan zich niet sneller dan het licht verplaatsen. Die waarde lag dus al vast, alleen krijgt de quantumtheorie daar de vingers niet achter.

Zoals gezegd, het debat werd niet beslecht, maar ging uit als een nachtkaars. De fysica keerde het de rug toe. In 1964 - de twee kemphanen waren reeds overleden - stak de Britse fysicus John Bell het gedachtenexperiment in een nieuw jasje (zie kader) waardoor het als reëel experiment uitvoerbaar werd. Maar het artikel deed nauwelijks stof opwaaien. Begin jaren zeventig ondernam een Amerikaanse groep fysici onder leiding van John Clauser een eerste poging om deze zogeheten ongelijkheid van Bell experimenteel te toetsen. De quantumtheorie kreeg van hen gelijk, maar het oordeel was niet definitief. De verstrengelde deeltjes waren niet ver genoeg uiteen om informatieuitwisseling uit te sluiten.

In dat stadium betrad Alain Aspect het toneel. "Ik was op slag verliefd", zegt hij nu, meer dan 35 jaar later. "Het artikel van Bell was verreweg het beste dat ik ooit had gelezen. Kort, helder, to the point. Ik was enthousiast. Ik wilde, nee: ik moest dit experiment doen."

Waarom?
"De groep van John Clauser had mooi werk geleverd, maar het was pas een eerste stap, nog verre van ideaal. De deeltjes moeten zo gescheiden zijn dat ze geen informatie meer kunnen uitwisselen, en dat was hun niet helemaal gelukt. Ik had iets uitgevonden waarmee dat wel zou moeten kunnen lukken."

Wat was die vinding?
"De techniek doet er eigenlijk niet toe. In de natuurkunde gaat het erom dat je een goed idee hebt om te onderzoeken. Als het idee goed is, ontdek je vanzelf hoe de uitwerking moet."

Maar ik wil toch graag weten wat die vinding was.
"De quantumeigenschap die ik onder de loep nam, was de zogeheten polarisatierichting van fotonen, lichtdeeltjes. Je kunt dan proberen de polarisatoren pas in te stellen nadat de verstrengelde fotonen uiteen zijn gegaan, maar dat is technisch nogal lastig. Mijn vinding was een lichtschakelaar waarmee ik de fotonen naar de ene of de andere polarisator kon sturen. Heel simpel eigenlijk."

Wat was de uitkomst van het experiment?
"Niet zo snel. Het onderzoek heeft een evolutie van negen jaar doorgemaakt voordat we met zekerheid een antwoord konden geven. Het luisterde allemaal erg nauw en het kostte ons enige tijd voordat we de opstelling volledig in de vingers hadden. Maar gaandeweg werd duidelijk dat de quantumtheorie ging winnen."

Had u dat verwacht?
"Toen ik hier in 1975 aan begon, stond ik heel open tegenover de kwestie. Ik wilde het theorema van Bell testen, ik zou het arrogant hebben gevonden als ik destijds, als beginnend natuurkundige, al met mijn oordeel had klaargestaan. Maar de tweede meetsessie, in 1982, was zo ongelofelijk precies, zo in overeenstemming met de quantumtheorie, dat ik niet meer twijfelde. Overigens lukte het ons pas bij de derde sessie om de fotonenparen die elkaar nog zouden kunnen beïnvloeden, te scheiden van de paren die dat niet meer konden. Toen was het pleit definitief beslecht."

Is dat zo? Sommige fysici twijfelen nog. Fotonen laten zich moeilijk detecteren en het zou kunnen dat de natuur u een loer heeft gedraaid en alleen die fotonen laat detecteren die in het quantumstraatje passen.
Geïrriteerd: "Jaja, ik ken die discussie. Maar John Bell zei al dat dat een achterhoedegevecht is. De detectiegraad is nu 20 procent. Mensen werken eraan en zullen de efficiëntie opvoeren naar 60 of 80 procent. Op een gegeven moment is dat probleem opgelost, maar dan is er geen principiële grens overschreden. Er is geen natuurwet die onderscheid maakt tussen hoge of lage detectie. Wij hebben wel zo'n grens overschreden. Onze fotonen waren zo ver gescheiden dat ze elkaar zelfs niet met de lichtsnelheid hadden kunnen informeren. En sneller dan het licht kan ook informatie zich volgens Einsteins relativiteitstheorie niet verplaatsen."

Daarmee heeft u Einsteins ongelijk bewezen. Dat is nogal wat.
"Zo zag ik dat niet. Ja natuurlijk, hij heeft ongelijk gekregen. Maar eigenlijk ook niet. In feite bleek verstrengeling precies zo vreemd, en ongelofelijk als Einstein dacht. Dat hij daarom zocht naar een andere verklaring, kun je hem niet verwijten. Met de kennis van nu kunnen wij zeggen: ja de quantumwereld is werkelijk zo ongelofelijk. Dat neemt niet weg dat ik een immense bewondering voor Einstein heb."

En toen gebeurde er iets vreemds. U beslechtte het grootste debat uit de fysica van de twintigste eeuw, en het bleef stil.
"Ik zei al, de fysica had de hele kwestie de rug toegekeerd. Dat wil zeggen, de oudere generatie. Zij waren gewoon aan het werk gegaan en maakten zich niet druk om de interpretatie. Jongere fysici wisten nergens van. Zij kenden de artikelen van Einstein en Bohr niet, wisten vaak zelfs helemaal niet van het bestaan van het debat af. Geef me een uur om het toe te lichten en ze worden enthousiast, zei ik altijd, maar daar kreeg ik zelden de kans voor.

"Lange tijd was de dominante gedachte dat de quantumtheorie één mysterie kende: het golf-deeltjeskarakter. Een elektron gedraagt zich soms als een golf, soms als een deeltje. Het hangt er maar van af hoe je ernaar kijkt. 'Maak je geen zorgen als je het niet begrijpt', zei de grote fysicus Richard Feynman altijd, 'Ik begrijp het zelf ook niet.'

"Pas in de jaren tachtig begon, mede door mijn experiment, het besef door te dringen dat verstrengeling óók een mysterie is. Een ander mysterie. Zelfs Feynman heeft dat pas in 1983 erkend."

Nu komt die erkenning alsnog. Sinds een jaar of vijf prijkt uw naam op lijstjes voor de Nobelprijs en in 2010 kreeg u de prestigieuze Wolfprijs voor natuurkunde, vaak een voorbode voor de Nobelprijs. Wat is er gebeurd?
"Dat moet u mij niet vragen. Ik weet niet waarom mensen mij ineens gaan noemen als mogelijke winnaar.

"Nou ja, dankzij mijn experiment is duidelijk geworden dat verstrengeling een vreemd, maar ook reëel fenomeen is. Dat heeft tot nieuwe takken van onderzoek geleid. De quantumcomputer of teleportatie zijn alleen denkbaar doordat er zoiets als verstrengeling bestaat. Daardoor heeft mijn experiment ook erkenning gekregen.

"En zeg nou zelf, het beslechten van een debat tussen Einstein en Bohr is toch een aardige prestatie."

Als het al voor natuurkundigen zo moeilijk is te beseffen dat dit een belangrijk debat was, hoe kun je dan de leek overtuigen van het belang van uw werk?
Hij veert op, trommelt met zijn vingers op tafel. "Als je dit niet begrijpt, begrijp je de wereld niet. Waarom is deze tafel massief, waarom timmer ik daar niet doorheen? Zonder kennis van de quantumtheorie begrijp je dat niet.

"Natuurlijk, de quantumwereld is gek, weird. De meeste fysici voelen zich ongemakkelijk bij de concepten en beelden die erbij horen. Maar het is wat het is. Dat is het mooie van de fysica. Je mag de gekste ideeën bedenken, ze krijgen pas betekenis als je een experiment ontwerpt waaraan je dat idee kunt toetsen. En dan vertelt de natuur of je gelijk hebt of niet.

"Zo is de quantumtheorie ontstaan en heeft ze ons lasers en transistors gebracht. Alle moderne technieken zijn door deze theorie tot stand gekomen. Het is niet een of andere handige knutselaar geweest die toevallig in een garage een computer bedacht. Nee, de beste fysici van de wereld hebben dit mogelijk gemaakt. Zonder quantumtheorie was er geen informatiemaatschappij geweest."

Spookachtige werking
"Heeft u een vaste aanstelling? Anders lijkt het me voor uw carrière niet verstandig dat u mijn theorema gaat onderzoeken." De Britse fysicus John Bell keek zijn jonge Franse collega aan. Tien jaar eerder, in 1964, had hij het beroemde debat tussen Albert Einstein en Niels Bohr over de quantumtheorie omgebouwd tot een zogeheten ongelijkheid. Daarmee kon het pièce de résistance in dit debat, een gedachtenexperiment van Einstein, experimenteel worden getoetst. Maar de fysica had geen interesse getoond voor Bells artikel en de Brit vreesde dat de jonge Alain Aspect weinig waardering zou oogsten.

De kern van Einsteins kritiek was dat volgens de quantumtheorie atomaire deeltjes zoals elektronen informatie kunnen uitwisselen met een snelheid die zijn eigen relativiteitstheorie verbiedt. Hij geloofde niet in deze 'spookachtige werking op afstand', zoals hij het noemde. Volgens Einstein bezitten de deeltjes die informatie al, maar beschikt de wetenschap nog niet over een theorie die dat zichtbaar kan maken.

Bell zette deze gedachte om in een uitvoerbaar experiment. Had Einstein gelijk - dat wil zeggen, als elektronen of andere quantumdeeltjes uit elkaar gaan, 'spreken ze af' hoe ze allebei op metingen zullen reageren - dan zou de uitkomst van dat experiment altijd beneden een bepaalde waarde blijven. Maar als de quantumtheorie het bij het rechte eind had - dat wil zeggen, de deeltjes 'beslissen' pas wat ze doen als ze gemeten worden - zou de uitkomst boven die waarde liggen.

Sommigen betwijfelen nog wel of de ongelijkheid van Bell het gedachtenexperiment van Einstein volledig afdekt, maar de proef van Aspect was eenduidig: de grenswaarde werd ruim overschreden.

Alain Aspect
Geboren: 15 juni 1947 in Agen (Lot et Garonne, Frankrijk)

Gehuwd, twee kinderen

1965-1971: opleiding natuurkunde aan universiteit van Orsay

1974-1983: promotieonderzoek in Orsay: 'Drie experimentele testen van de ongelijkheden van Bell met verstrengelde fotonen'.

Huidige aanstelling: hoogleraar optica aan Technische Hogeschool van Palaiseau

Meer over

Wilt u iets delen met Trouw?

Tip hier onze journalisten

Op alle verhalen van Trouw rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright@trouw.nl.
© 2019 de Persgroep Nederland B.V. - alle rechten voorbehouden