Kwantumnatuurkundigen van de Hiroshima Universiteit ontdekten dat de resultaten van kwantummetingen fundamenteel verbonden zijn met de interactiedynamiek tussen het meetapparaat en het systeem, waardoor traditionele opvattingen over statische fysieke eigenschappen ter discussie worden gesteld, en waarbij zij suggereren dat de werkelijkheid wordt gevormd door de context van deze interacties. Hun bevindingen wijzen op de noodzaak om de interpretatie van experimentele kwantumgegevens te heroverwegen.
Telkens wanneer de nauwkeurigheid van een meting de door de kwantummechanica gedefinieerde onzekerheidslimiet nadert, worden de uitkomsten van de meting afhankelijk van de dynamiek van de interactie tussen het meetapparaat, dat wordt gebruikt om een fysieke eigenschap van het systeem te bepalen, en het systeem. Deze bevinding zou kunnen verklaren waarom kwantumexperimenten vaak tegenstrijdige resultaten opleveren en basisveronderstellingen met betrekking tot de fysieke werkelijkheid kunnen weerleggen.
Onderzoeksanalyse en bevindingen
Twee kwantumnatuurkundigen van de Hiroshima Universiteit analyseerden onlangs de dynamiek van een meetinteractie, waarbij de waarde van een fysieke eigenschap wordt bepaald door een kwantitatieve verandering in de toestand van de meter. Dit is een moeilijk probleem, omdat de kwantumtheorie de waarde van een fysieke eigenschap niet bepaalt tenzij het systeem zich in een zogenaamde "eigenstaat" van die fysieke eigenschap bevindt, wat een zeer kleine verzameling speciale kwantumtoestanden is waarbij aan de fysieke eigenschap een vaste waarde wordt toegekend.
De onderzoekers losten dit fundamentele probleem op door informatie over het verleden van het systeem te combineren met informatie over de toekomst in een beschrijving van de systeemdynamiek tijdens de meetinteractie, waarbij ze aantoonden dat de waarneembare waarden van een fysiek systeem afhankelijk zijn van de dynamiek van de meetinteractie waarmee ze worden waargenomen.
© Tomonori Matsushita and Holger F. Hofmann, Hiroshima UniversityVolgens de kwantumtheorie worden meetresultaten gevormd door de veranderingen in de relatie tussen het verleden en de toekomst van een systeem, veroorzaakt door de meetinteractie.
"Er heerst veel onenigheid over de interpretatie van kwantummechanica omdat verschillende experimentele resultaten niet te rijmen zijn met dezelfde fysieke werkelijkheid," zegt Holger Hofmann, professor aan de Graduate School of Advanced Science and Engineering aan de Hiroshima Universiteit in Hiroshima, Japan.
"In dit onderzoeksdocument onderzoeken we hoe kwantumsuperposities in de dynamiek van de meetinteractie de waargenomen werkelijkheid vormen van een systeem dat te zien is in de respons van een meter. Dit is een belangrijke stap in de richting van het verklaren van de betekenis van 'superpositie' in de kwantummechanica," aldus Hofmann.
Superpositie en fysieke werkelijkheid
In de kwantummechanica beschrijft een superpositie een situatie waarin twee mogelijke werkelijkheden naast elkaar lijken te bestaan, ook al kunnen ze duidelijk worden onderscheiden wanneer de juiste meting wordt uitgevoerd. De analyse van het onderzoek van het team suggereert dat superposities verschillende soorten werkelijkheden beschrijven wanneer verschillende metingen worden uitgevoerd. De werkelijkheid van een object hangt af van de interacties van het object met zijn omgeving.
"Onze resultaten tonen aan dat de fysieke werkelijkheid van een object niet gescheiden kan worden van de context van al zijn interacties met de omgeving, verleden, heden en toekomst en leveren krachtig bewijs tegen de wijdverbreide overtuiging dat onze wereld kan worden gereduceerd tot louter een configuratie van materiële bouwstenen," zei Hofmann.
Volgens de kwantumtheorie hangt de verschuiving van de meter die de waarde vertegenwoordigt van de fysieke eigenschap die bij een meting wordt waargenomen, af van de dynamiek van het systeem, als gevolg van de terugwerkende fluctuaties waarmee de meter de toestand van het systeem verstoort. Kwantumsuperposities tussen de verschillende mogelijke systeemdynamieken bepalen de respons van het meetapparaat en kennen er specifieke waarden aan toe.
De auteurs zetten voorts uiteen dat de fluctuaties in de systeemdynamiek afhangen van de sterkte van de meetinteractie. Binnen de zwakke interacties zijn de fluctuaties van de systeemdynamiek verwaarloosbaar klein en kan de verschuiving van de meting worden bepaald aan de hand van de Hamilton-Jacobi-vergelijking, een klassieke differentiaalvergelijking die de relatie tussen een fysieke eigenschap en de daarmee samenhangende dynamiek uitdrukt.
Als de meetinteractie sterker is, worden ingewikkelde kwantuminterferentie-effecten tussen verschillende systeemdynamieken waargenomen. Voor volledig opgeloste metingen is een totale randomisatie van de systeemdynamiek nodig. Dit komt overeen met een superpositie van alle mogelijke systeemdynamica, waarbij kwantuminterferentie-effecten alleen die componenten van het kwantumproces bepalen die corresponderen met de eigenwaarden van de fysieke eigenschap.
Eigenwaarden zijn de waarden die de standaard kwantummechanica toekent aan meetresultaten: precieze fotonaantallen, spin-up of spin-down, enzovoort. Zoals de nieuwe resultaten laten zien, zijn deze waarden het resultaat van de volledige randomisatie van de dynamiek. Er moet rekening worden gehouden met verschillende waarden wanneer de systeemdynamiek niet volledig door de meting gerandomiseerd wordt.
Gevolgen voor het begrijpen van kwantummetingen
Interessant genoeg biedt deze waarneming een nieuw perspectief op het gebruik van meetresultaten om de werkelijkheid te beschrijven. Algemeen wordt verondersteld dat gelokaliseerde deeltjes of integer spin-getallen meetonafhankelijke elementen van de werkelijkheid zijn, maar deze onderzoeksresultaten suggereren dat deze waarden alleen worden gegenereerd door kwantuminterferenties bij voldoende krachtige metingen. Ons begrip van de betekenis van experimentele gegevens behoeft mogelijk een grondige herziening.
Hofmann en zijn team kijken ernaar uit om de tegenstrijdige resultaten die in veel kwantumexperimenten worden waargenomen verder te verduidelijken. "Context-afhankelijke werkelijkheden kunnen een breed scala aan schijnbaar tegenstrijdige kwantumeffecten verklaren. We werken nu aan betere verklaringen voor deze verschijnselen. Uiteindelijk is het doel om een meer intuïtief begrip van de fundamentele concepten van de kwantummechanica te ontwikkelen, waarbij misverstanden worden vermeden die worden veroorzaakt door een naïef geloof in de realiteit van microscopische objecten," aldus Hofmann.
Referentie: "Dependence of measurement outcomes on the dynamics of quantum coherent interactions between the system and the meter" by Tomonori Matsushita and Holger F. Hofmann, 31 July 2023, Physical Review Research.Zie: https://scitechdaily.com/quantum-breakthrough-scientists-rethink-the-nature-of-reality/
DOI: 10.1103/PhysRevResearch.5.033064
Het onderzoek werd gefinancierd door het Japan Science and Technology Agency.
Commentaar: Bedenk welke invloed dit heeft op onze planeet, waar miljarden mensen de wereld op basis van de leugens van de reguliere media waarnemen en beoordelen; welke invloed moet dit op hen hebben, en op de werkelijkheid zelf?
Het lijkt er echter ook op dat veel van diezelfde mensen de misleidingen nu in hoog tempo doorzien en de werkelijkheid met meer nauwkeurigheid beginnen te bekijken, en de vraag rijst welke invloed dit eventueel zal hebben op hen als mensen, maar ook op de werkelijkheid die wordt waargenomen?