Schematische weergave van het MIT-experiment. (afb: MIT)

Natuurkundigen van het MIT hebben vrijwel geïdealiseerde versie uitgevoerd van een van de beroemdste experimenten in de kwantumfysica. Hun bevindingen tonen, met atoomprecisie, het duale maar ongrijpbare karakter van licht aan (zowel golf als deeltje). Ze bevestigen ook dat Albert Einstein het bij het verkeerde eind had met betrekking tot dit specifieke kwantumscenario.
Het gaat om het beroemde dubbelspleetexperiment, dat voor het eerst in 1801 werd uitgevoerd door de Britse wetenschapper Thomas Young om te laten zien hoe licht zich gedraagt als een golf. Vandaag de dag, met de formulering van de kwantummechanica, staat het dubbelspleetexperiment bekend om zijn verrassend eenvoudige demonstratie van een verbluffende realiteit: dat licht bestaat als zowel een deeltje als een golf.
Nog vreemder is dat deze dualiteit niet tegelijkertijd kan worden waargenomen. Het zien van licht in de vorm van deeltjes verhult onmiddellijk het golfachtige karakter ervan en vice versa.

Het oorspronkelijke experiment betrof het schijnen van een lichtstraal door twee parallelle spleten in een scherm en het observeren van het patroon dat zich vormde op een tweede, verafgelegen scherm. Je zou verwachten dat er twee overlappende lichtvlekken te zien zijn, wat zou impliceren dat licht bestaat uit deeltjes, oftewel fotonen. In plaats daarvan produceert het licht afwisselend heldere en donkere strepen op het scherm, in een interferentiepatroon vergelijkbaar met wat er gebeurt wanneer twee rimpelingen in een vijver elkaar ontmoeten.
Dit suggereert dat licht zich gedraagt als een golf. Nog vreemder is dat wanneer men probeert te meten door welke spleet het licht zich beweegt, het licht zich plotseling gedraagt als deeltjes en het interferentiepatroon verdwijnt.
Het dubbelspleetexperiment wordt tegenwoordig in de meeste natuurkundelessen op middelbare scholen onderwezen als een eenvoudige manier om het fundamentele principe van de kwantummechanica te illustreren: dat alle fysieke objecten, inclusief licht, tegelijkertijd deeltjes en golven zijn.

Einstein en Bohr

Bijna een eeuw geleden stond het experiment centraal in een vriendschappelijk debat tussen natuurkundigen Albert Einstein en Niels Bohr. Einstein was niet echt een liefhebber van de kwantummechanica, waar niet met zekerheden maar waarschijnlijkheden wordt gewerkt. “God dobbelt niet”, was zijn oordeel over de kwantummechanica.
In 1927 betoogde Einstein dat een fotondeeltje slechts door één van de twee spleten zou moeten gaan en daarbij een lichte kracht op die spleet zou moeten uitoefenen, zoals een vogel die een blad ritselt terwijl hij voorbijvliegt.
Hij stelde voor dat men zo’n kracht kon detecteren terwijl men tegelijkertijd een interferentiepatroon observeerde, waardoor de deeltjes- en golfkarakteristieken van het licht tegelijkertijd werden waargenomen. Als reactie hierop paste Bohr het kwantummechanische onzekerheidsprincipe toe en toonde aan dat de detectie van het pad van het foton het interferentiepatroon zou uitwissen.

Wetenschappers hebben sindsdien meerdere versies van het dubbelspleetexperiment uitgevoerd en die hebben allemaal, in verschillende mate, de geldigheid van de door Bohr geformuleerde kwantumtheorie bevestigd. Nu hebben natuurkundigen van MIT de ‘ideale’ versie van het dubbelspleetexperiment uitgevoerd. Hun versie reduceert het experiment tot de kwantumessentie.
Ze gebruikten individuele atomen als spleten en zwakke lichtbundels, zodat elk atoom maximaal één foton verstrooide. Door de atomen in verschillende kwantumtoestanden te plaatsen, konden ze de informatie die de atomen over het pad van de fotonen verkregen, aanpassen. De onderzoekers bevestigden daarmee de voorspellingen van de kwantumtheorie: hoe meer informatie er werd verkregen over het pad (d.w.z. de deeltjesaard) van het licht, hoe minder zichtbaar het interferentiepatroon was.

Ze toonden aan wat Einstein fout had. Wanneer een atoom door een passerend foton wordt ‘geritseld’, neemt de golfinterferentie af. “Einstein en Bohr hadden nooit gedacht dat dit mogelijk was, om zo’n experiment uit te voeren met afzonderlijke atomen en afzonderlijke fotonen,” zegt Wolfgang Ketterle, leider van het MIT-team. “Wat we hebben gedaan, is een geïdealiseerd gedachte-experiment.”

Ketterles groep bij MIT experimenteert met atomen en moleculen die ze superkoelen tot temperaturen net boven het absolute nulpunt (0 K) en die ze rangschikken in configuraties die ze met laserlicht insluiten. Binnen deze ultrakoude, zorgvuldig afgestemde wolken kunnen exotische verschijnselen ontstaan die alleen op kwantumniveau, op de schaal van één atoom, voorkomen.
In een recent experiment onderzochten de onderzoekers een schijnbaar ongerelateerde vraag: hoe lichtverstrooiing de eigenschappen kan onthullen van materialen die zijn opgebouwd uit ultrakoude atomen.

“We realiseerden ons dat we de mate waarin dit verstrooiingsproces op een deeltje of een golf lijkt, kunnen kwantificeren, en we realiseerden ons al snel dat we deze nieuwe methode konden toepassen om dit beroemde experiment op een zeer geïdealiseerde manier uit te voeren”, aldus medeonderzoeker Valery Fedoseev.

10 000 atomen

In hun nieuwe studie werkten de onderzoekers met meer dan 10 000 atomen, die ze koelden tot microKelvintemperaturen. Ze gebruikten een reeks laserstralen om de bevroren atomen te rangschikken in een gelijkmatig verdeelde, kristalachtige roosterconfiguratie. In deze opstelling bevindt elk atoom zich ver genoeg van elk ander atoom om in feite als één enkel, geïsoleerd en identiek atoom beschouwd te kunnen worden. 10 000 van dergelijke atomen kunnen een signaal produceren dat gemakkelijker te detecteren is dan één of twee atomen.

De groep redeneerde dat ze met deze opstelling een zwakke lichtbundel door de atomen zouden kunnen laten schijnen en konden observeren hoe een enkel foton verstrooid wordt door twee aangrenzende atomen, als een golf of een deeltje. Dit zou vergelijkbaar zijn met hoe licht in het oorspronkelijke dubbelspleetexperiment door twee spleten gaat. “Wat we hebben gedaan, kan worden beschouwd als een nieuwe variant op het dubbelspleetexperiment”, zegt Ketterle. “Deze afzonderlijke atomen zijn de kleinste spleten die je maar kunt bouwen.”
Om op het niveau van afzonderlijke fotonen te werken, moest het experiment vele malen worden herhaald en moest een ultragevoelige detector worden gebruikt om het lichtpatroon dat door de atomen werd verstrooid, te registreren. Uit de intensiteit van het gedetecteerde licht konden de onderzoekers direct afleiden of het licht zich gedroeg als een deeltje of een golf.

Ze waren vooral geïnteresseerd in de situatie waarin de helft van de fotonen die ze inzonden zich gedroegen als golven en de andere helft als deeltjes. Ze bereikten dit door een methode te gebruiken om de waarschijnlijkheid dat een foton als een golf of als een deeltje verschijnt, aan te passen, door de ‘vaagheid’ van een atoom (de onzekerheid) te sturen.
In hun experiment wordt elk van de 10 000 atomen op zijn plaats gehouden door laserlicht dat kan worden veranderd om de greep van het licht te versterken of te verzwakken. Hoe losser een atoom wordt vastgehouden, hoe vager. Het vagere atoom ritselt gemakkelijker en registreert het pad van het foton. Door de vaagheid van een atoom aan te passen, kunnen onderzoekers dus de waarschijnlijkheid vergroten dat een foton deeltjesachtig gedrag vertoont. Hun waarnemingen kwamen volledig overeen met de theoretische beschrijving.

In hun experiment testte de groep Einsteins idee over hoe het pad van het foton te detecteren. Conceptueel gezien, als elke spleet in een extreem dun vel papier zou worden gesneden dat door een veer in de lucht hangt, zou een foton dat door één spleet gaat de corresponderende veer met een bepaalde graad moeten doen trillen, wat een signaal zou zijn van de deeltjesaard van het foton. In eerdere realisaties van het dubbelspleetexperiment hebben natuurkundigen zo’n veerachtig ingrediënt opgenomen en de veer speelde een belangrijke rol bij de beschrijving van de duale aard van het foton.

Ketterle en zijn collega’s waren in staat de proef uit te voeren zonder de spreekwoordelijke veren. De atoomwolk wordt aanvankelijk op zijn plaats gehouden door laserlicht, vergelijkbaar met Einsteins concept van een spleet die door een veer wordt opgehangen. De onderzoekers redeneerden dat als ze hun ‘veer’ zouden weglaten en precies hetzelfde fenomeen zouden waarnemen, dit zou aantonen dat de veer geen effect heeft op de golf-/deeltjesdualiteit van een foton.

Ontegelijk

Ook dat was wat ze ontdekten. Gedurende meerdere metingen schakelden ze de veerachtige laser die de atomen op hun plaats hield uit en voerden vervolgens snel een meting uit in een miljoenste van een seconde, voordat de atomen vager werden en uiteindelijk door de zwaartekracht naar beneden vielen. In deze korte tijd zweefden de atomen effectief in de vrije ruimte. In dit scenario zonder veer zagen de onderzoekers hetzelfde fenomeen: het golf- en deeltjeskarakter van een foton konden niet tegelijkertijd worden waargenomen.

Fedoseev: “In veel beschrijvingen spelen de veren een belangrijke rol. Maar wij laten zien dat nee, de veren hier niet van belang zijn; alleen de vaagheid van de atomen is van belang. Daarom moet men een diepgaandere beschrijving gebruiken, die gebruikmaakt van kwantumcorrelaties tussen fotonen en atomen.”

De onderzoekers wijzen er op dat het jaar 2025 door de Verenigde Naties is uitgeroepen tot Internationaal Jaar van de kwantumwetenschap en -technologie, ter ere van de formulering van de kwantummechanica 100 jaar geleden. De discussie tussen Bohr en Einstein over het dubbelspleetexperiment vond slechts twee jaar later plaats.

Bron: Science Daily