Einstein had het (een beetje) mis over kwantumfysica, zo blijkt uit een nieuwe versie van het beroemde dubbele-spleet-experiment
Een baanbrekend experiment toont opnieuw aan dat licht in de kwantumwereld zowel als golf als deeltje bestaat, maar dat we beide niet tegelijkertijd kunnen zien.
Albert Einstein stond erom bekend dat hij een hekel had aan het idee van de kwantumtheorie dat fysieke objecten, waaronder licht, zowel als deeltje en als golf bestaat en dat deze dualiteit niet tegelijkertijd kan worden waargenomen. Maar een nieuwe, eenvoudige herhaling van een fundamenteel kwantumexperiment levert het meest overtuigende, directe bewijs tot nu toe dat Einstein misschien ongelijk had.
In een recent artikel in Physical Review Letters hebben wetenschappers van het MIT met succes het dubbele spleet-experiment op atomaire schaal gerepliceerd, wat een ongekend niveau van empirische precisie mogelijk maakte. Door superkoude atomen te gebruiken als “spleten” waar licht doorheen kan gaan, bevestigde het team dat de golf-deeltjesdualiteit van licht – met al zijn paradoxale eigenschappen – zelfs op de meest fundamentele kwantumschalen standhoudt.
Het dubbele spleet-experiment, voor he teerst in 1801 uitgevoerd door de Britse natuurkundige Thomas Young, illustreert de dubbele aard van licht in de kwantumwereld. Wanneer je een lichtstraal – foton-“deeltjes” die een rechte baan volgen – door twee parallelle spleten op een scherm schijnt, verschijnt aan de andere kant een interferentiepatroon dat lijkt op de vereniging van twee rimpelingen in een vijver, als een “golf”. Maar als je deze mysterieuze overgang in actie probeert vast te leggen door in de spleet te kijken, verlies je het interferentiepatroon.
Niels Bohr, Einsteins belangrijkste tegenstander in dit debat, noemde dit resultaat complementariteit, het idee dat het onmogelijk is om complementaire eigenschappen van een kwantumsysteem tegelijkertijd te meten. Maar Einstein veronderstelde dat, als een flinterdunne spleet die door een veer op zijn plaats werd gehouden, door licht werd geraakt, de afzonderlijke fotonen de veer op een deeltjesachtige manier zouden doen trillen. Op deze manier zouden we de dualiteit van licht in actie kunnen vastleggen.
Om deze hypothese te testen heeft het MIT-team hun experimentele opstelling teruggebracht tot de schaal van afzonderlijke atomen, die ze hebben afgekoeld tot microkelvin-temperaturen (ter vergelijking: één kelvin komt overeen met -272 °C). ze gebruikten lasers om meer dan 10.000 atomen in een nette, kristalachtige configuratie te rangschikken. In deze streng gecontroleerde omgeving konden de onderzoekers de “vaagheid” van elk atoom, oftewel de zekerheid van zijn locatie aanpassen. Een vaag atoom vergroot simpelweg de kans dat een foton dat erdoorheen gaat zich als een deeltje gaat gedragen.
“Deze afzonderlijke atomen zijn als de kleinste spleten die je maar kunt maken”, legde Wolfgang Ketterle, de hoofdauteur van het artikel uit. Door de atomaire “spleten” herhaaldelijk te bombarderen met fotonen konden Ketterle, Nobelprijswinnaar in 2001, en zijn team het diffractiepatroon registreren van de fotonen die door de atomaire spleten werden verstrooid.
Wat ze ontdekten was, zoals te verwachten, dat Bohr gelijk had. Hoe meer ze inzoomden op de baan van een individueel foton, hoe zwakker het diffractiepatroon werd, wat bevestigt dat we licht niet tegelijkertijd als golf en als deeltje kunnen waarnemen. Ze probeerden ook de lasers uit te schakelen die de atomen op hun plaats hielden – de “veer” voor hun opstelling. Zelfs dan was het onmogelijk om de baan van een foton te volgen zonder het golfachtige interferentiepatroon te verstoren.
“In veel beschrijvingen spelen de veren een belangrijke rol. Maar wij laten zien dat de veren hier niet van belang zijn; het enige dat telt is de onscherpte van de atomen”, legde Vitaly Fedoseev, hoofdauteur van het onderzoek, uit. “Daarom moet men een meer diepgaande beschrijving gebruiken [zoals Bohrs complementariteit], die gebruik maakt van kwantumcorrelaties tussen fotonen en atomen.”
Einstein wordt er soms van beschuldigd dat hij een hekel had aan kwantumfysica. Dat is niet per se waar. Einstein vond dat de kwantumtheorie nog verder uitgewerkt moest worden, vooral wat betreft de overmatige afhankelijkheid van willekeurigheid, maar hij heeft de geldigheid ervan nooit volledig verworpen. Zoals hij in een beroemde brief aan natuurkundige Max Born schreef, is kwantummechanica “zeker indrukwekkend”, maar zijn instinct zegt hem dat het “nog niet het echte werk is… God dobbelt niet.”
Einstein had veel vragen over kwantummechanica, waarvan er vele nog steeds onbeantwoord zijn. En zoals het debat tussen Einstein en Bohr – en de nieuwe bevinding van MIT – illustreert, blijven zijn rigoureuze, provocerende uitdagingen van wat natuurkundigen als vanzelfsprekend beschouwen, ons begrip van de vreemde, paradoxale wereld van de kwantummechanica bevorderen.
Artikel: Coherent and Incoherent Light Scattering by Single-Atom Wave Packets, Vitaly Fedoseev, , Hanzhen Lin, Yu-Kun Lu, Yoo Kyung Lee, Jiahao Lyu and Wolfgang Ketterle
Eerste publicatie: 2 augustus 2025
Bron: diverse persberichten, MIT-News
