EINSTEINS SPECIALE RELATIVITEITSTHEORIE OPNIEUW BEVESTIGD

(Rob van den Berg)

Sterrenkundige Kenneth Brecher van Boston University heeft aan de hand van astronomische waarnemingen laten zien dat de lichtsnelheid onafhankelijk is van de snelheid van de lichtbron. Het is een experimentele bevestiging van Einsteins speciale relativiteitstheorie. Hij presenteerde zijn resultaten tijdens een onlangs gehouden bijeenkomst van de American Physical Society in Long Beach, Californië.

Brecher bestudeerde de heftigste verschijnselen die er in het heelal bestaan, zogenaamde gamma ray bursts (GRBs), korte uitbarstingen van gammastraling afkomstig van de rand van het waarneembare heelal. Hoewel nog niet duidelijk is hoe ze ontstaan, wordt aangenomen dat materie die zulke intense straling uitzendt, zich met enorme snelheden door het heelal voortbeweegt. En als gevolg van de explosie gebeurt dat in verschillende richtingen ten opzichte van de aarde. Brecher realiseerde zich dat de gammastraling die we hier waarnemen dus afkomstig is van materie die zich van ons af beweegt maar ook van materie die juist naar ons toekomt.

Als de lichtsnelheid afhankelijk zou zijn van de snelheid waarmee de bron zich voortbeweegt - wat volgens Einstein onjuist is - zou de intense gammapuls als gevolg van zijn lange reis door het heelal een beetje zijn verbreed in de tijd. Om dat te testen bestudeerde Brecher snelle intensiteitsveranderingen in het licht van een aantal GRBs en kwam op grond daarvan tot de conclusie dat als er al enige variatie in de lichtsnelheid is, deze kleiner is dan drie miljardste millimeter per seconde. Omgerekend betekent dit dat de lichtsnelheid met een meetnauwkeurigheid van één op de 10 constant is. Aangezien de lichtsnelheid de fundamentele natuurkundige grootheid is die ruimte en tijd met elkaar verbindt, pleitte Brecher er in zijn lezing voor om de naam ervan te veranderen in de `constante van Einstein'.

ijkse fysicus Erwin Schrödinger die deze vraag in de jaren twintig vertaalde in een beroemd gedachtenexperiment: 'Schrödingers kat'. Hierbij bevindt zich in een afgesloten doos een radioactief preparaat dat een bepaalde kans heeft een stralingsdeeltje uit te zenden. Dat wordt gedetecteerd door een Geiger-Müllerteller die een magneet inschakelt die op zijn beurt een haakje opzij trekt opdat een hamer een flesje blauwzuur kapot kan slaan. Resultaat: de eveneens in de doos aanwezige kat legt het loodje.

Zolang we niet kijken, gaat de redenering, is de radioactieve kern in een samengestelde toestand van 'vervallen' en 'niet-vervallen'. En dus bevindt de kat zich in een superpositie van 'levend' en 'dood'. Pas door de doos te openen dwingt de waarnemer het systeem een van beide toestanden aan te nemen. De 'dubbeltoestand' van de kat zelf kan dus nooit worden geconstateerd.

Sinds Schrödinger zijn paradox van de dode en niet-dode kat formuleerde, hebben theoretisch fysici zich het hoofd gebroken over de vraag of de exotica van de quantumwereld bij schaalvergroting stand kunnen houden dan wel onherroepelijk verloren gaan. De discussie heeft een verrassende wending genomen nu Amerikaanse onderzoekers verbonden aan het National Institute of Standards and Technology (NIST) er naar hun zeggen in zijn geslaagd een vorm van Schrödingers kat experimenteel te realiseren (Science, 24 mei).

Onderzoekers onder leiding van Chris Monroe en David Wineland leidden één berylliumatoom in een elektromagnetische holte en ioniseerden het, zodat het zat opgesloten. Met een laser werd het gekoeld, tot het ion zo goed als stilstond, waarna het met behulp van twee iets verschillend afgestelde lasers in een superpositie van twee energieniveaus werd gebracht: 'spin omhoog' en 'spin omlaag'. Met een paar andere lasers scheidden de experimentatoren vervolgens beide toestanden met behulp van een resonantietechniek fysiek van elkaar. Het resultaat was één berylliumion op twee plaatsen tegelijk, 80 miljoenste millimeter van elkaar. Dat is aanzienlijk meer dan de afmeting van het ion.

Bestrijders van Schrödingers kat voeren aan dat dit verschil in positie van de twee iontoestanden niet leidt tot aparte eigenschappen (dood en levend) op alledaags macroniveau. De onderzoekers hebben vastgesteld dat bij nog verder fysiek scheiden van de twee atoomtoestanden de levensduur van de superpositie snel afneemt tot nul.

Het onderzoek aan NIST is van belang voor de studie naar het verschijnsel decoherentie, waarbij de superpositie van quantumtoestanden door interactie met de omgeving verloren gaat. Quantumcomputers, die op het principe van quantumtoestanden in superpositie gebaseerd zijn, hebben alleen toekomst als de coherentie lang genoeg stand houdt om voldoende logische bewerkingen te kunnen uitvoeren. Hoe dan ook, het kan nooit kwaad eens met Schrödingers kat te experimenteren, in plaats van er alleen maar over te filosoferen.