Waarom meer natuurkundigen beginnen te denken dat ruimte en tijd “illusies” zijn

Afgelopen december werd de Nobelprijs voor natuurkunde toegekend voor de experimentele bevestiging van een kwantumfenomeen dat al meer dan 80 jaar bekend is: verstrengeling. Zoals bedacht door Albert Einstein en zijn medewerkers in 1935, kunnen kwantumobjecten op mysterieuze wijze met elkaar in verband worden gebracht, zelfs als ze over grote afstanden van elkaar verwijderd zijn. Maar hoe bizar het fenomeen ook klinkt, waarom verdient dit oude idee nog steeds de meest prestigieuze prijs in de natuurkunde?

Toevallig meldde een ander team van vooraanstaande wetenschappers van Harvard, MIT, Caltech, Fermilab en Google slechts enkele weken voordat de recente Nobelprijswinnaars zouden worden geëerd in Stockholm, dat ze een operatie hadden uitgevoerd op de kwantumcomputer van Google die kon worden geïnterpreteerd als een lekke band Wormholes zijn tunnels door het universum die kunnen fungeren als een kortere weg door ruimte en tijd en zijn geliefd bij scifi-fans. Hoewel de tunnel die in dit nieuwste experiment is gerealiseerd alleen bestaat in een 2D-universumspel, zou het een doorbraak kunnen zijn voor toekomstig onderzoek. op het snijvlak van de natuurkunde. .

Maar waarom is verstrengeling gerelateerd aan ruimte en tijd? En hoe kan het belangrijk zijn voor toekomstige natuurkundige doorbraken? Het concept van verstrengeling, goed begrepen, betekent dat het universum ‘monometrisch’ is, zoals filosofen het noemen, en dat alles in het universum, op een fundamenteel niveau, deel uitmaakt van één verenigd geheel. Het is een bepalende eigenschap van de kwantummechanica dat de fundamentele realiteit ervan wordt beschreven in golftermen, en dat het monadische universum een ​​globale functie vereist. Tientallen jaren geleden lieten onderzoekers als Hugh Everett en Dieter Zeh zien hoe de realiteit van ons dagelijks leven uit zo’n uitgebreide kwantummechanische beschrijving zou kunnen voortkomen. Maar pas nu ontwikkelen onderzoekers zoals Leonard Susskind of Sean Carroll ideeën over hoe deze verborgen kwantumrealiteit niet alleen materie zou kunnen verklaren, maar ook de structuur van ruimte en tijd zelf.

Verstrengeling is veel meer dan zomaar een vreemd kwantumfenomeen. Het is het werkende principe achter zowel de reden waarom de kwantummechanica de wereld tot één samenvoegt als waarom we deze fundamentele eenheid ervaren als veel afzonderlijke dingen. Tegelijkertijd is verstrengeling de reden waarom we in de klassieke realiteit lijken te leven. Het is – in de letterlijke zin van het woord – de lijm en schepper van werelden. Verstrengeling is van toepassing op objecten die uit twee of meer componenten bestaan ​​en beschrijft wat er gebeurt als het kwantumprincipe dat “alles wat echt kan gebeuren” wordt toegepast op deze samenstellende objecten. Dienovereenkomstig is de staat van verstrengeling de superpositie van alle mogelijke combinaties waarin de componenten van het samenstellende object kunnen zijn om hetzelfde algehele resultaat te produceren. Nogmaals, het is de golvende aard van het kwantumveld die zou kunnen helpen verklaren hoe verstrengeling eigenlijk werkt.

Stel je een perfect kalme zee van glas voor op een stormachtige dag. Vraag jezelf nu af, hoe kan zo’n niveau worden geproduceerd door twee individuele golfpatronen over elkaar heen te leggen? Een mogelijkheid is dat de superpositie van twee perfect vlakke vlakken weer leidt tot een perfect vlak resultaat. Maar een andere mogelijkheid dat er een vlak oppervlak ontstaat, is als twee identieke golfpatronen door een halve oscillatiecyclus op elkaar worden gelegd, zodat de golftoppen van het ene patroon de golfdalen van het andere elimineren en vice versa. Als we alleen de omtrek van het glasvocht zouden observeren, omdat het het resultaat is van twee uitstulpingen samen, zouden we de patronen van de individuele uitstulpingen niet kunnen zien. Wat volkomen gewoon lijkt als we het over golven hebben, heeft zelfs nog meer bizarre gevolgen wanneer het wordt toegepast op concurrerende realiteiten. Als je buurvrouw je vertelt dat ze twee katten heeft, de ene levend en de andere dood, betekent dat ofwel de eerste of de tweede kat dood is en de overgebleven kat leeft – dat zou een vreemde en griezelige manier zijn om huisdieren te beschrijven, en je weet misschien niet wie van hen de gelukkige is, maar je komt op de drift van de buurman. Niet zo in het kwantumrijk. In de kwantummechanica geeft dezelfde verklaring aan dat de twee katten zijn samengevoegd tot een superpositie van toestanden, waaronder de eerste kat leeft en de tweede is dood en de eerste kat is dood terwijl de andere leeft, maar ook mogelijkheden waarbij beide katten half zijn levend en halfdood, of dat de eerste kat een derde van hen in leven is, terwijl de tweede katten samen goed zijn voor tweederde van het verloren leven. In een kwantitatief paar katten lossen het lot en de omstandigheden van de individuele dieren volledig op in het geval van het geheel. Evenzo zijn er in het kwantumuniversum geen individuele objecten. Alles wat bestaat, wordt gecombineerd tot één “één”.

Quantumverstrengeling onthult een heel nieuw, uitgestrekt gebied om te verkennen. Het definieert een nieuwe basis voor de wetenschap en zet onze zoektocht naar een theorie van alles op zijn kop – om voort te bouwen op kwantumkosmologie in plaats van op deeltjesfysica of snaartheorie. Maar hoe realistisch is het voor natuurkundigen om een ​​dergelijke aanpak te volgen? Verrassend genoeg is het niet alleen realistisch – dat doen ze ook echt. Onderzoekers in de voorhoede van de kwantumzwaartekracht beginnen de ruimte-tijd te heroverwegen als gevolg van verstrengeling. Steeds meer wetenschappers baseren hun onderzoek op de onafscheidelijkheid van het universum. De hoop is groot dat ze door deze benadering eindelijk tot een begrip van ruimte en tijd komen, in de diepten van de fundamenten, waarlijk.

Of de ruimte nu bij elkaar wordt gehouden door verstrengeling, natuurkunde wordt beschreven door abstracte objecten voorbij ruimte en tijd of de ruimte van mogelijkheden die wordt vertegenwoordigd door de universele Everett-golffunctie, of alles in het universum wordt gereduceerd tot een enkel kwantumobject – al deze ideeën delen een kenmerkend smaak van monisme. Op dit moment is het moeilijk te beoordelen welke van deze ideeën de toekomst van de natuurkunde zullen bepalen en welke uiteindelijk zullen uitsterven. Wat interessant is, is dat hoewel de ideeën oorspronkelijk werden ontwikkeld in de context van de snaartheorie, ze de snaartheorie lijken te zijn ontgroeid, en snaren spelen geen rol meer in het laatste onderzoek. De rode draad lijkt nu te zijn dat ruimte en tijd niet meer essentieel zijn. Hedendaagse natuurkunde begint niet met ruimte en tijd om dingen voort te zetten die in deze reeds bestaande achtergrond zijn vastgelegd. In plaats daarvan zien ruimte en tijd zichzelf als producten van een meer fundamentele projectorrealiteit. Nathan Cyberg, een pionier op het gebied van snaartheoretici aan Princeton’s Institute for Advanced Study, is niet de enige met zijn gevoel als hij zegt: “Ik ben er bijna zeker van dat ruimte en tijd illusies zijn. Dit zijn rudimentaire concepten die zullen worden vervangen door iets ingewikkelder.” Bovendien speelt in de meeste scenario’s die opkomende ruimtetijden voorstellen, verstrengeling de hoofdrol. Zoals wetenschapsfilosoof Rasmus Yaxland opmerkt, betekent dit uiteindelijk dat er geen individuele objecten meer in het universum zijn; Dat alles met al het andere verbonden is: “Om verstrengeling te omarmen terwijl de wereld relaties maakt, gaat dat ten koste van het opgeven van de mogelijkheid van scheiding. Maar misschien moeten degenen die bereid zijn die stap te zetten naar verstrengeling kijken voor de basisrelatie waardoor het zal dit wereldpotentieel (en misschien het hele andere wereldpotentieel) vormen.” Dus wanneer ruimte en tijd verdwijnen, ontstaat er een verenigde.

Hachette-boekencollectie

Integendeel, vanuit het perspectief van het kwantummonisme zijn dergelijke verbijsterende gevolgen van kwantumzwaartekracht niet ver weg. Reeds in de algemene relativiteitstheorie van Einstein is de ruimte niet langer een stationaire fase. Het is eerder de bron van de massa’s materie en zijn energie. Net als de mening van de Duitse filosoof Gottfried W. Leibniz, beschrijft het de relatieve orde der dingen. Als er nu, volgens de kwantitatieve eenheid, nog maar één ding over is, valt er niets meer te rangschikken of te rangschikken en is er uiteindelijk geen behoefte meer aan het begrip ruimte op dit fundamentele niveau van beschrijving. Hij is ‘de Ene’, een enkel kwantumuniversum dat aanleiding geeft tot ruimte, tijd en materie.

“GR = QM”, beweerde Leonard Susskind stoutmoedig in een open brief aan onderzoekers in de kwantuminformatiewetenschap: Algemene relativiteitstheorie is niets anders dan kwantummechanica – een honderd jaar oude theorie die met groot succes op allerlei dingen is toegepast, maar nooit was echt. Helemaal begrijpelijk. Zoals Sean Carroll opmerkt: “Zwaartekracht was waarschijnlijk verkeerd om te kwantificeren, en ruimte-tijd lag al die tijd op de loer in de kwantummechanica.” Voor de toekomst: “in plaats van de zwaartekracht te kwantificeren, moeten we misschien de kwantummechanica proberen. Of, nauwkeuriger maar minder opwindend, “zwaartekracht vinden in de kwantummechanica”, suggereert Carroll op zijn blog. Kwantum serieus vanaf het begin, als het wordt opgevat als een theorie die zich niet in ruimte en tijd voordoet, maar binnen een meer fundamentele weergave-apparaatrealiteit, hadden veel doodlopende wegen in de verkenning van de kwantumzwaartekracht kunnen worden vermeden.Als we de monistische effecten van de kwantummechanica hadden geaccepteerd – De erfenis van een drieduizend- een jaar oude filosofie overgenomen in de oudheid, vervolgd in de middeleeuwen, nieuw leven ingeblazen in de renaissance, geknutseld in de romantiek – al toen Everett en Zee erop zinspeelden in plaats van vast te houden aan de interpretatie van de afkorting van mechanica van de invloedrijke kwantumpionier Niels Bohr. in een hulpmiddel, zullen we op weg zijn om de fundamenten van de werkelijkheid te demystificeren.

Aangepast van Eén: hoe een oud idee de toekomst van de natuurkunde inhoudt van Heinrich Bas. Copyright © 2023. Verkrijgbaar bij Basic Books, een afdruk van Hachette Book Group, Inc. Alle rechten voorbehouden.