Een van de beroemdste experimenten in de natuurkunde is het “double slit experiment”, ofwel het “tweespletenexperiment”. Dit experiment leert ons met een ongeëvenaarde vreemdheid, dat licht of materie zich de ene keer als golf gedraagt en de andere keer als deeltjes. Daarnaast toont het experiment aan dat observatie van een deeltje van invloed is op zijn gedrag.
Het ogenschijnlijk simplistische experiment is van onschatbare waarde binnen de kwantummechanica.
Wat is het Double Slit Experiment?
Bij het experiment wordt een bundel licht door een barrière met twee gleuven gestuurd. Hierbij zijn twee gleuven in een metalen plaat gesneden, waar licht doorheen wordt gestuurd, eerst als een constante golf, daarna in afzonderlijke deeltjes. Wat er echter gebeurt, is allesbehalve eenvoudig te verklaren en heeft gezorgd voor een van de grootste debatten binnen de kwantummechanica.
Deeltjes in golven
Aan het begin van de 19e eeuw geloofden de meeste wetenschappers dat licht uit deeltjes bestond en niet uit golven. De Engelse wetenschapper Thomas Young had een voorgevoel dat de deeltjestheorie niet het einde van het verhaal was en wilde bewijzen dat licht een golf was. Hij wist dat golven op voorspelbare manieren (dus in vaste patronen) op elkaar inwerken, en als hij die interacties met licht kon demonstreren, kon hij bewijzen dat licht inderdaad een golf was. Dus begon hij een experiment: hij sneed twee spleten in een metalen plaat en scheen er licht doorheen op een scherm.
Als licht inderdaad uit deeltjes zou bestaan, zouden de deeltjes die de metalen plaat raken afkaatsen en de deeltjes die door de spleten zouden gaan, zouden de twee spleten op het scherm weergeven. Als licht echter een golf was, zou het experiment heel anders verlopen: als het licht eenmaal door de spleten was gepasseerd, zouden de lichtgolven zich uitwaaieren en met elkaar interfereren.
Waar de hoogtepunten van de golven zouden samenkomen, zouden ze elkaar versterken en een helderdere plek op het scherm achterlaten. Waar ze zouden samenkomen met aan de ene zijde een piekgolf en aan de andere zijde een laagtepunt, dan zouden ze elkaar opheffen en een donkere plek op het scherm achterlaten. Dat zou een zogenaamd ‘interferentiepatroon’ veroorzaken, waarbij een zeer heldere spleetvorm wordt weergegeven, die wordt omgeven door ‘echo’s’ die aan beide kanten steeds zwakker worden weergegeven.
Dit was de uitkomst van het experiment, licht reist in golven.
Verfijning Double Slit Experiment
Rond het begin van de 20e eeuw begonnen enkele wetenschappers dit idee te verfijnen. Max Planck suggereerde dat licht en andere soorten straling in gekwantificeerde hoeveelheden voorkomen (dus geen constante hoeveelheid). Albert Einstein stelde het idee voor van het foton, een “kwantum” van licht dat zich gedraagt als een deeltje. Hij zei dat licht zowel een deeltje als een golf was.
Terug naar het tweespletenexperiment. Als licht inderdaad een deeltje was geweest, zou er een onregelmatig patroon op het scherm zijn verschenen in plaats van een interferentiepatroon. De apparatuur die de wetenschappers ter beschikking hadden, stelde ze in staat om de lichtdeeltjes één voor één door de spleten sturen. Toen de wetenschappers dit deden, gebeurde er iets vreemds. Het interferentiepatroon was nog steeds zichtbaar en er verscheen geen onregelmatig patroon op het scherm.
Dit suggereert dat er iets heel, heel vreemds aan de hand is: de fotonen lijken te ‘weten’ waar ze naartoe zouden gaan als ze in een golf waren gestuurd.
Je kan het jezelf voorstellen als een school vissen die precies weet waar hij heen moet zwemmen, waarbij elke vis afzonderlijk feilloos weet welke plek hij moet innemen, zonder het patroon te verstoren.
Dit betekent dit dat “alle mogelijke paden van deze deeltjes elkaar kunnen verstoren, ook al komt er maar één van de mogelijke paden voor.” De analogie hierbij is dat alle realiteiten tegelijkertijd bestaan, totdat het eindresultaat zich voordoet.
Nog vreemder
Toen de wetenschappers detectoren bij elke spleet plaatsten om te bepalen door welke spleet elk foton passeerde, verdween het interferentiepatroon. Dat suggereert dat alleen de observatie van de fotonen de vele realiteiten de nek omdraait.
Wat leren we van het tweespletenexperiment?
Wat vertelt het experiment ons? Het suggereert dat deeltjes, zoals elektronen, op de een of andere manier de eigenschappen aannemen van deeltjes die als golf door de spleten worden gestuurd. Dat is de beroemde dualiteit van golfdeeltjes binnen de kwantummechanica.
Het suggereert ook dat observatie, het meten van een kwantumsysteem een diepgaand effect heeft op het systeem. De vraag hoe dat precies gebeurt, vormt het meetprobleem van de kwantummechanica. Het zal dan ook nog wel even duren voordat er een goede verklaring komt voor de uitkomsten van dit experiment.
Wat het Double Slit Experiment ons wel leert is dat ons bewustzijn – dus het meten van de fotonen in dit experiment – onze realiteit waarschijnlijk bepaalt.