Aaron O'Connell: Betekenis geven aan een zichtbaar kwantumobject

Dit is een voorstelling van jullie hersenen. Jullie hersenen kunnen in twee delen verdeeld worden. De linkerhelft, de logische kant en de rechterhelft, de intuïtieve kant. Als we een schaal hadden om de bekwaamheid van elke hemisfeer te meten dan kunnen we ons verstand in kaart brengen. Bijvoorbeeld: dit zou iemand zijn die helemaal logisch is. Dit zou iemand zijn die helemaal intuïtief is. Dus waar zou je jouw verstand zetten op deze schaal? Enkelen van ons hebben misschien gekozen voor een van deze extremen, maar ik denk dat bij de meeste mensen in het publiek jullie verstand zoiets is als dit -- met een hoge bekwaamheid in beide hemisferen tegelijkertijd. Ze sluiten elkaar niet uit. Je kan logisch én intuïtief zijn.

Ik beschouw mezelf als een van deze mensen, samen met de meeste andere experimentele kwantumfysici, die een hoop logica nodig hebben om deze complexe ideeën samen te brengen. Maar tegelijkertijd, hebben we een hoop intuïtie nodig om de experimenten werkelijk uit te voeren. Hoe ontwikkelen we deze intuïtie? Wel, we spelen graag met dingen. We spelen ermee en we kijken hoe ze reageren. Daaruit ontwikkelen we onze intuïtie. Eigenlijk doen jullie net hetzelfde.

Een intuïtie die je misschien ontwikkeld hebt over de jaren is dat een ding zich op ieder moment slechts op één plaats bevindt. Ik bedoel, het kan raar klinken om er over na te denken dat een ding zich op twee plaatsen bevindt op hetzelfde tijdstip, maar je bent niet geboren met dit denkbeeld, je hebt het ontwikkeld. Ik herinner me dat ik keek naar een kind dat speelde op een autodrempel. Het was een kleuter en hij was er niet erg goed in, hij viel steeds. Maar ik wed dat spelen met de drempel hem een erg waardevolle les geleerd heeft en dat is dat grote dingen jou niet zomaar laten passeren, en dat ze op één plaats blijven.

Dit is dus een goed conceptueel model om van de wereld te hebben, tenzij je een deeltjesfysicus bent. Het zou een slecht model zijn voor een deeltjesfysicus, omdat ze niet spelen met autodrempels, ze spelen met erg kleine rare deeltjes. Wanneer ze met hun deeltjes spelen, merken ze dat deze allerlei erg rare dingen doen zoals recht door muren vliegen, of op twee plaatsen tegelijk zijn. Ze schreven al deze observaties op en ze noemden het de theorie van de kwantummechanica.

Dat is waar fysica stond een paar jaren geleden. Je had kwantummechanica nodig om kleine, minuscule deeltjes te beschrijven. Maar je had het niet nodig om grote, alledaagse objecten rondom ons te beschrijven. Dit klopte niet met mijn intuïtie en misschien is het gewoon omdat ik niet erg vaak met deeltjes speel. Wel, ik speel soms met ze, maar niet erg vaak. Ik heb ze nog nooit gezien. Ik bedoel, niemand heeft ooit een deeltje gezien. Maar het klopte ook niet met mijn logische kant. Omdat, als alles gemaakt is uit kleine deeltjes en al de kleine deeltjes volgen de wetten van de kwantummechanica, zou alles dan niet gewoon de wetten van de kwantummechanica moeten volgen? Ik zie geen enkele reden waarom niet. Ik zou me hierover een stuk beter voelen als we op één of andere manier konden tonen dat een alledaags object ook de regels van de kwantummechanica volgt. Dus enkele jaren geleden begon ik eraan.

Ik heb er één gemaakt. Dit is het eerste object dat je kan zien dat in een mechanische kwantum-superpositie is geweest. We kijken hier naar een minuscule computerchip. Je kan min of meer het groene punt zien in het midden. Dat is het stuk metaal waarover ik zo dadelijk ga praten. Dit is een foto van het object. Hier zoem ik een beetje in. We kijken recht in het midden daar. Dan hier een erg, erg grote close-up van het kleine stukje metaal. We kijken naar een klein stukje metaal in de vorm van een surfplank en het steekt uit over een richel. Ik maakte dit ding ongeveer op dezelfde manier zoals je een computerchip zou maken. Ik ging in een cleanroom met een verse silicium-wafer en boog me gedurende ongeveer 100 uren over al de grote machines. Voor de afwerking moest ik mijn eigen machine bouwen om dit zwembad-vormig gat te maken onder het apparaat. Dit apparaat heeft het vermogen om in een kwantum-superpositie te zijn, maar het heeft hiervoor een beetje hulp nodig.

Laat ik jullie een analogie geven. Je weet hoe oncomfortabel het is om in een drukke lift te staan? Ik bedoel, wanneer ik alleen in een lift ben, doe ik allerlei rare dingen, maar wanneer andere mensen instappen, stop ik daarmee omdat ik hen niet wil lastigvallen, of, hen ronduit niet bang wil maken. Kwantummechanica zegt dat levenloze objecten op dezelfde manier werken. De medepassagiers voor levenloze objecten zijn niet enkel mensen, maar ook het licht dat erop schijnt en de wind die er langs blaast en de warmte van de kamer. Dus wisten we dat als we wilden dat dit stuk metaal zich kwantummechanisch zou gedragen, we alle passagiers buiten zouden moeten gooien.

Dat deden we. We deden alle lichten uit en plaatsten het in een vacuüm en zogen alle lucht eruit. Dan koelden we het tot net een fractie van een graad boven het absolute nulpunt. Nu, helemaal alleen in de lift, is het kleine stukje metaal vrij om zich te gedragen hoe het wilt. We maten zijn beweging. We zagen dat het zich op erg rare manieren bewoog. In plaats van perfect stil te zitten, vibreerde het. Het vibreerde op een manier alsof het ademde als een uitzettende en samentrekkende ballon. Door het een zacht duwtje te geven, konden we het laten vibreren en niet vibreren tegelijkertijd -- iets dat slechts toegestaan is in kwantummechanica.

Wat ik hier vertel is iets werkelijk fantastisch. Wat betekent het voor een ding om te vibreren en niet te vibreren tegelijkertijd? Laat ons denken aan de atomen. Bijvoorbeeld: alle triljoenen atomen die dat stuk metaal vormen, staan stil en tegelijkertijd bewegen diezelfde atomen naar boven en beneden. Ze staan slechts op nauwgezette tijdstippen op één lijn. De rest van de tijd zijn ze gedelokaliseerd. Dit betekent dat elk atoom in twee verschillende plaatsen is op hetzelfde tijdstip, wat betekent dat het hele stuk metaal zich op twee plaatsen bevindt. Ik vind dat te gek. (Gelach) Echt.

(Applaus)

Het was het waard om mezelf al die jaren op te sluiten in een cleanroom om dit te doen. Want, kijk, het verschil in schaal tussen een enkel atoom en dat stuk metaal is ongeveer hetzelfde als het verschil tussen dat stuk metaal en jou. Als een enkel atoom tegelijkertijd op twee verschillende plaatsen kan zijn, kan dat stuk metaal op twee verschillende plaatsen zijn, waarom jij dan niet? Ik bedoel, dit is slechts mijn logische kant. Stel je voor dat je op verschillende plaatsen bent op hetzelfde tijdstip, hoe zou dat zijn? Hoe zou je bewustzijn omgaan met je lichaam gedelokaliseerd in de ruimte?

Er is nog een deel van het verhaal. Wanneer we het opwarmden en de lichten aandeden en in de doos keken, zagen we dat het stuk metaal zich nog steeds op één plaats bevond. Ik moest dus een nieuwe intuïtie ontwikkelen dat het lijkt dat al de objecten in de lift werkelijk slechts kwantumobjecten zijn bij elkaar gepropt in een minuscule ruimte.

Je hoort veel zeggen over hoe kwantummechanica aantoont dat alles met elkaar verbonden is. Wel, dat is niet helemaal juist. Het is meer dan dat, het is dieper. Het is zo dat al die connecties, jouw connecties met al de dingen rondom jou letterlijk definiëren wie je bent. Dat is de diepgaande rariteit van kwantummechanica.

Dank je.

(Applaus)