Experimenten met fotonen. Zijn ze geïsoleerd of verstrengeld?
Er zijn experimenten bedacht om te achterhalen hoe fotonen, lichtdeeltjes, zich gedragen: als deeltje of als een golffunctie. Of als beide. Dat zijn bijvoorbeeld het beroemde ‘double-slit experiment’ en het ‘delayed choice experiment’. Zie hieronder.

De experimenten laten een deeltjeseffect óf een golfeffect zien; nooit beide. Exacte herhaling van de opzet laat telkens hetzelfde resultaat zien. Wanneer men echter een tussentijdse waarneming doet om stiekem te kijken hoe het gedrag tijdens het proces eruitziet, dan leidt dat tot een ander gedrag bij het eindresultaat. De stiekeme waarneming heeft het eindresultaat veranderd. Hoe kan dat?

Wikipedia heeft een goede beschrijving van het iconische Tweespletenexperiment:
https://nl.wikipedia.org/wiki/Tweespletenexperiment

Er is een mooie animatie te vinden die laat zien wat er gebeurt wanneer je een waarnemer toevoegt aan het tweespletenexperiment.

bron: wikimedia

De schijnbare tegenspraak van het tweespletenexperiment zit ‘m in de eigenaardigheid dat voor een deel van het experiment het gedrag van licht/fotonen als deeltjes beschreven moet worden, en gedurende een ander deel van hetzelfde experiment als golven. Dit paradoxale gedrag blijkt niet alleen van toepassing op elektromagnetische straling – een aaneengesloten stroom fotonen – maar ook bij fotonen die één voor één door het experiment gaan. Nu kunnen fotonen misschien nog gezien worden als een bijzondere categorie, een soort hybride mix van deeltjes en golven. Maar dezelfde schijnbare tegenstrijdigheid wordt gezien bij elektronen. Deze worden toch erkend zijn als elementaire deeltjes. En zelfs buckyballen, vrij forse moleculen die bestaan uit 60 koolstofatomen, gedragen zich in het experiment enerzijds als een deeltje en anderzijds als een golf.

De Kopenhaagse interpretatie zegt dat het foton (deeltje) vanaf het moment van creatie gezien moet worden als een kansverdeling die een golfbeweging beschrijft. Dit blijft zo tot het moment van meting. De meting leidt tot collaps van de golffunctie en levert een concrete waarde, bijvoorbeeld een locatie, op. Tussen creatie en ineenstorting kunnen interferenties van golffuncties optreden.
Richard Feynman had het over een padintegraal-formulering. Hij bedoelde hiermee – extreem vereenvoudigd – dat een foton tussen creatie en meting – op weg van A naar B – alle denkbare routes in de ruimtetijd volgt. Het foton is dan dus op vele plaatsen en in vele gedaantes in het universum tegelijkertijd.

Relatiefysica ziet de verschillende elementen van het experiment (fotonen, elektronen, laserkanon, spleten en detector) echter niet als geïsoleerde componenten. Ook het zogenaamd één voor één schieten van fotonen past niet in deze zienswijze, want alles is verstrengeld. Elk foton is verstrengeld met zijn bron. Bij een meting treedt herverdeling van informatie op en ontstaan nieuwe verstrengelingen. Tussen creatie en meting is de informatie, behalve via verstrengeling met zijn bron, ook verstrengeld via andere relaties met het universum. Dit is een variant op de padintegraal-formulering van Feynman.

Klassieke visie op het tweespletenexperiment vergeleken met een visie van samenhang

Voor beide visies geldt:

• Wanneer het grootste deel van de kansverdeling/golffunctie van het foton op de plaat met de twee spleten belandt zal het foton door deze plaat geabsorbeerd worden (In termen van relatiefysica: Wanneer de meeste informatie van het foton de plaat treft is collaps het meest waarschijnlijk. Elke andere optie is dan zo onwaarschijnlijk geworden dat het verwaarloosd mag worden)
• Wanneer het grootste deel van de kansverdeling/golffunctie van het foton door de twee spleten gaat zal alles door deze spleten gaan (In termen van relatiefysica: Wanneer het grootste deel van de informatie door de spleten gaat zal de informatie net zo lang gedeeld blijven worden met alle buren waarmee dat mogelijk is totdat collaps op de detectieplaat onvermijdelijk geworden is. Dan zal alle informatie van het foton collaberen met de detector)

Het verschil tussen beide interpretaties wordt zichtbaar door het plaatsen van een waarnemer voor één van de spleten. In de klassieke interpretatie passeert het foton de waarnemer onaangeroerd. En vervolgens is het een raadsel waarom het foton slechts door die ene spleet gaat en niet meer door beide, waardoor geen interferentie optreedt. Bij een relatie interpretatie zal het foton echter collaberen met de waarnemer. Na deze collaps wordt een nieuw foton gecreëerd met vergelijkbare informatie als waarmee het eerste foton aankwam. Het nieuwe foton is dan echter niet meer verbonden met zijn bron, de laser machine, maar met de stiekeme waarnemer. Voor dit nieuwe foton is een route door beide spleten weliswaar niet onmogelijk (de informatie verdeelt zich door het hele universum), maar zo onwaarschijnlijk dat het verwaarloosd mag worden. De waarschijnlijkheid bepaalt (‘achteraf’ en in macroscopische termen) dat het foton door één spleet is gegaan, omdat het grootste deel van de kansverdeling door één spleet is gegaan.

Vergelijk dit met fotonen die zich door een medium (lucht, water, glas) verplaatsen
Bedenk dat licht zich in vacuüm (klassieke term) voortplant met de lichtsnelheid. In een medium is de snelheid lager. Dit komt omdat de fotonen voortdurend interacties aangaan met de elektronenwolken rond de atomen waaruit het medium is opgebouwd. Dit geeft absorptie en emissie van fotonen en daarmee gaat tijd verloren.

In termen van relatiefysica: Er worden telkens nieuwe fotonen gevormd. Het nieuwe foton heeft een andere bronverstrengeling.