Einstein had ongelijk: God dobbelt wel

De quantumtheorie is vreemd, druist vaak in tegen onze intuïtie en is daarom moeilijk te accepteren. Als een appel op tafel is blijven liggen, kunnen we ervan uitgaan dat ie er de volgende dag nog ligt. Zo niet, dan heeft iemand hem meegenomen of opgegeten. In de wereld van het quantum, de subatomaire wereld, is dat niet zo zeker; er is hooguit een bepaalde kans om de appel op tafel aan te treffen. En ligt-ie er niet, dan is het onmogelijk een oorzaak of schuldige aan te wijzen.

Albert Einstein geloofde daar niets van. 'God dobbelt niet', zei hij: de kansrekening van de quantumtheorie kon volgens Einstein niet het hele verhaal zijn. Er moest een -nog onbekende- theorie aan ten grondslag liggen die het klassieke wereldbeeld herstelde.

Einstein had vooral moeite met het quantumbegrip van gekoppelde systemen. Dat komt erop neer dat de totale toestand van een systeem perfect gedefinieerd kan zijn, terwijl over de afzonderlijke onderdelen niets bekend is.

Dat leidt tot vreemde effecten. Als van die appel van zoëven bijvoorbeeld bekend is dat hij tien pitjes bevat en hij wordt in tweeën gehakt, dan is het nog onbekend hoeveel pitjes elke helft bevat. Dat wordt pas duidelijk als iemand gaat tellen. Maar in de quantumwereld ligt de verdeling vóór het tellen nog helemaal open. Het kan drie-zeven zijn, of zes-vier. Het tellen zelf legt de verdeling pas vast. Maar dat betekent ook dat het tellen in de ene appelhelft automatisch bepaalt hoeveel pitjes er in de andere zitten.

Einstein vond dat dus onzin. Het kon niet zo zijn dat het aantal pitjes in de ene helft werd bepaald door het tellen in de andere. Volgens hem lag de verdeling van de pitjes van tevoren al vast. Het was slechts aan de onvolkomenheid van de quantumtheorie te wijten dat die verdeling vóór de telling ongewis was.

Het was een theoretisch debat dat pas in 1964 -negen jaar na Einsteins dood- een nieuwe wending kreeg. De Schot John Bell stelde toen een aantal ongelijkheden op waar een klassieke theorie -en dus ook Einstein onbekende totaaltheorie- aan moest voldoen. De quantumtheorie voorspelde dat de ongelijkheden werden geschonden.

Het pleit leek beslecht toen de Fransman Alain Aspect in 1985 met een experiment de ongelijkheden wist te overtreden. Maar sommige sceptici gaven zich nog niet gewonnen. Ze zagen nog twee ontsnappingsmogelijkheden. Ten eerste zaten de deelsystemen (de twee appelhelften) bij Aspect dicht bij elkaar; daardoor bestond er een kans dat de informatie van het ene deelsysteem (het aantal pitjes) ongemerkt snel het andere deel zou kunnen bereiken. Dat 'lek' werd twee jaar geleden gedicht.

Het andere hiaat betrof de lage detectiegraad. In de meeste experimenten werd slechts een kleine fractie van de gegenereerde systemen gemeten. Dat liet de mogelijkheid open dat het 'bewijs' van Aspect niet meer was dan een statistische aberratie, een toevalstreffer.

Amerikaanse fysici hebben nu ook deze ontsnappingsroute afgesneden. In de Nature van 15 februari beschrijven ze hun experiment waarin ze telkens twee berylliumionen vasthouden in een zogeheten quantumval. Na wat gemanipuleer met een laser zijn er vier uitkomsten mogelijk: de ionen zijn beide fluorescerend, allebei niet, of de een wel en de ander niet.

Het voordeel van deze aanpak is dat nu alle ionenparen worden geregistreerd. De uitkomst van de meting wordt namelijk bepaald door de verhouding tussen de aantallen gelijke en verschilende paren. En het mooie is: ook in dit experiment worden de ongelijkheden van Bell geschonden.

De echte die-hards onder de sceptici hebben nu nog één strohalmpje: het finale experiment waarbij én de deelsystemen voldoende zijn gescheiden én de detectiegraad hoog genoeg is, moet nog worden gedaan. Maar voor de commentator van Nature is dat niet meer nodig. Alle Bell-testen hebben de quantumtheorie gelijk gegeven, hoezeer er ook met de parameters van het experiment is gevarieerd.

Maar er is meer. De Amerikanen hebben voor hem bewezen dat fysici de quantumwereld goed in de vingers hebben gekregen. Het vereist nogal wat om ionen zo te manipuleren dat ze aan de wensen van de experimentator voldoen en toch hun vreemde quantumeffecten behouden. Dat biedt perspectieven voor gekoppelde quantumsystemen met vele deeltjes. De quantumcomputer bijvoorbeeld.