Quantum informatie

DE ALLESOMVATTENDE THEORIE?

Illya Jongeneel.  17 mei 2018

Nog zeker onderwerp van discussie, maar het lijkt dat we dichtbij de zo nagejaagde wet van alles, de allesomvattende theorie zijn. Quantum informatie kan het laatste ontbrekende puzzelstukje zijn. Een uitleg is veelomvattend. Maar allereerst dat stukje quantum wetenschap dat ermee verbonden is: de Non-lokaliteit.

 Non-lokaliteit.

Als twee quantum objecten – bijvoorbeeld, elektronen – op een moment met elkaar in een interactie betrokken zijn geweest, maken ze deel uit van eenzelfde quantum systeem. Bijvoorbeeld, twee fotonen in een kristal bariumboraat hebben elk afzonderlijk onbepaalde eigenschappen, maar de som van die eigenschappen staat wel vast. Ze verkeren in een ‘quantum verstrengeling’ (entanglement).

Verstrengeling van quantum-deeltjes. Getty Images/Science Photo Libra


Voor deze quantum objecten geldt dan een gemeenschappelijke golffunctie. Terwijl deze golffunctie zich door de tijd heen ontwikkelt, blijven de betreffende objecten in een onlosmakelijke samenhang met elkaar verbonden.
Wanneer de betrokken objecten daarna volstrekt gescheiden worden, zodat ze elkaar niet (meer) kunnen beïnvloeden – althans niet op naspeurbare wijze – dan blijkt dat een meting van het éne object toch consequent een toestand weergeeft die precies tegengesteld is ( en complementair) aan de toestand van het andere object op exact hetzelfde moment. Dit geldt zelfs als de deeltjes vele lichtjaren van elkaar verwijderd zijn geraakt.
Het lijkt dus wel alsof de meting van het eerste object onmiddellijk en gelijktijdig effect heeft op de toestand van het tweede – ongeacht de afstand of isolatie tussen beide.
Dit soort effecten worden de non-lokale effecten genoemd in de QM (nonlocality). Letterlijk genomen impliceert deze non-lokaliteit dat snelheden groter dan het licht mogelijk zijn, en dat is in strijd met de relativiteitstheorie. Albert Einstein noemde dit verschijnsel met enige scepsis: ” spooky action at a distance” (Einstein, 1947).

Een andere consequentie van non-lokaliteit is dat effecten, afhankelijk van relatieve waarnemingspositie, vooraf kunnen gaan aan hun gevolgen, wat strijdig is met de elementaire wetten van causaliteit.

Er is echter een andere mogelijkheid denkbaar. Stel dat de betrokken deeltjes na hun scheiding helemaal geen interactie of ‘communicatie’ meer met elkaar hebben. Wat wel blijft gelden is dat ze elkaars complement blijven. Misschien hebben ze hoe dan ook een parallelle ontwikkeling. Het is daarom denkbaar dat de betrokken quantum deeltjes op hun reis door ruimte en tijd alle informatie meenemen die nodig is om op het ‘juiste’ tijdstip de ‘juiste’ eigenschappen te vertonen die nog past in de parallelle ontwikkeling die door de golffunctie wordt voorgeschreven.

Met andere woorden, de deeltjes bewaren zoveel informatie over hun oorspronkelijke situatie dat ze steeds kunnen voldoen aan het ‘programma’ van de golffunctie inclusief al zijn mogelijkheden. Probleem is dat dit een absurd grote informatiecapaciteit zou vergen.

Er wordt gesteld dat het hele mysterie van de quantum fysica te wijten kan zijn aan de beperkte bevattingsvermogens van onze menselijke hersenen:
“In de theorie van de quantum-mechanica bevinden we ons buiten het bereik van de beeldende visualisatie”

Dat laatste is een onderschatting. Ons bevattingsvermogen is weliswaar beperkt maar we zijn wel degelijk in staat om door te redeneren waar de klassieke wetenschapstheorieën het opgeven. Steeds meer vooraanstaande natuurkundigen zijn geïntrigeerd door de schijnbaar onmogelijke uitkomsten van uit de quantum-mechanica voortkomende theorieën. De laatste ontwikkelingen in de wetenschap worden goed samengevat in een artikel van George van Hal in NRC.nl van 20 januari 2017.

Heel het heelal is informatie.

Een groeiende groep natuurkundigen denkt dat informatie de fundamentele bouwsteen is van het universum, dat het universum gemaakt is van informatie. Die informatie kun je meten en opsporen, maar niemand weet wat informatie eigenlijk is .
‘Niemand weet wat we ons exact bij informatie moeten voorstellen”, zegt theoretisch fysicus Erik Verlinde van de Universiteit van Amsterdam. „We weten alleen heel goed hoe we het moeten tellen.”

Vernietigen van informatie kost altijd energie

Fysici bewezen de afgelopen jaren bijvoorbeeld een raadselachtig verband tussen informatie en energie, waardoor informatie tastbare gevolgen heeft in onze fysieke wereld. Dat inzicht begon bij de ideeën van de Duits-Amerikaanse fysicus Rolf Landauer, die in 1996 beschreef hoe je voor informatieopslag en informatieoverdracht altijd fysieke systemen nodig hebt. Een USB-stick of harde schijf voor opslag, bijvoorbeeld, of de gedrukte letters op deze pagina voor overdracht. Informatie moet daarom zelf ook aan onze fysieke natuurwetten gehoorzamen, luidde zijn conclusie.

Daarop paste Landauer de wetten van de warmteleer, de thermodynamica, toe op informatie. Hij leidde in een publicatie in het vakblad Physics Letters A af dat het vernietigen van informatie altijd energie kost. Bij het wissen van je harde schijf komt daardoor een beetje warmte vrij. Niet vanwege een of ander mechanisch effect waarbij het ene deel van de schijf over het andere deel wrijft, maar omdat informatie weggooien nu eenmaal fundamentele, fysieke gevolgen heeft. Informatie heeft, met andere woorden, gevolgen in de echte wereld.

Theoretici als Verlinde gaan zelfs nog een stap verder, door te stellen dat informatie de fundamentele bouwsteen is van onze gehele werkelijkheid, van tastbaar tot ongrijpbaar. De meeste natuurkundigen zijn er daarom van overtuigd dat een beter begrip van informatie het zaadje kan blijken waaruit een nieuwe natuurkunderevolutie groeit. Een boude gedachte, omdat de ware aard van informatie nog in nevelen gehuld is.

Wie probeert een exacte definitie te geven, raakt onherroepelijk verstrikt in de beperkte verklaringskracht van ons menselijk vocabulaire. Zelfs de wiskunde, de taal die fysici het liefst gebruiken om hun ideeën in te vangen, biedt geen uitkomst. „Niemand heeft de precieze wiskundige structuur van informatie op microscopisch niveau door”, zegt ook natuurkundige Robbert Dijkgraaf, directeur van het Institute for Advanced Study in Princeton. „Zelfs Erik Verlinde niet.”

Dat is opvallend. Zeker wanneer je bedenkt dat in het dagelijks leven iedereen wel een instinctief begrip heeft van wat we met het woord informatie bedoelen. De krant staat bijvoorbeeld bomvol informatie. We noemen die informatie dan ‘het nieuws’, een term die redelijk goed aansluit bij wat je met je boerenverstand kan bedenken als informatiedefinitie. Informatie is iets dat je nog niet wist, of iets dat je kunt leren.

Maar in de fysica heb je een exactere definitie nodig. Halverwege de vorige eeuw deed de Amerikaanse wiskundige Claude Shannon een eerste poging. Hij beschreef het simpelste systeem voor informatieopslag, een systeem dat zich in twee afzonderlijke – even waarschijnlijke – toestanden kan bevinden, zoals ‘aan’ en ‘uit’. De informatie in zo’n systeem noemt men een bit: een nul of een één. In april vorig jaar toonde Lucas Celéri van de federale universiteit van Goiás in Brazilië zelfs aan dat het Landauerprincipe overeind blijft in een systeem dat de raadselachtige wetten van de quantumfysica gehoorzaamt. Een belangrijk gegeven omdat het juist de quantumversie van informatie is die de belangrijkste rol speelt in de moderne natuurkunde.

Ook quantuminformatie kost energie

Met behulp van een handigheidje onttrok Celéri in zijn experiment informatie aan een systeem van drie deeltjes. Een proces waarbij keer op keer warmte ontstond. Het lukte hem, met andere woorden, om informatie uit een quantumsysteem in zijn laboratorium te vertalen naar energie. Toch weet ook Celéri niet wat die informatie precies is. „We hebben geen enkele manier om de aard van informatie te definiëren”, zegt hij. „Ik kan je wel vertellen hoe je de hoeveelheid informatie in een systeem moet berekenen, maar niet wat het is.”

Desondanks krijgt quantuminformatie in de moderne natuurkunde een steeds belangrijkere rol. Wie de ongrijpbare eigenschappen van de quantumfysica op klassieke bits loslaat, zet de stap naar de qubit: een informatiedrager die niet alleen nul of één kan zijn, maar ook nul en één tegelijk, iets dat fysici superpositie noemen. Qubits hebben bovendien de maffe eigenschap dat ze met elkaar willen verstrengelen. Wie vervolgens een meting verricht aan het ene qubit, leert ook iets over de ander. Hoe ver die qubits fysiek ook uit elkaar zitten.

Verstrengelde informatie kan basis zijn van heelal

Quantuminformatie speelt mogelijk zelfs een doorslaggevende rol in het universum. Doordat quantuminformatie aan elkaar kan klitten en vastklinken tot kettingen van verstrengelde nullen en enen, blijft die informatie op spookachtige wijze met elkaar verbonden, zelfs over duizelingwekkende kosmische afstanden. Dat magistrale weefsel van verstrengelde informatie kan best eens de basis zijn waaruit het gehele heelal bestaat. „Vanuit het klassieke beeld van informatie was je niet ver gekomen in het beschrijven van het universum”, zegt Beenakker. „Daar heb je echt verstrengeling voor nodig.”

Een van de mensen die daarmee aan de haal gaat, is Verlinde. Hij haakt met zijn ideeën aan bij de al langer heersende opvatting in de moderne theoretische fysica dat ruimte en tijd, grootheden die mensen als Einstein gebruikten om de glibberige kenmerken van de werkelijkheid te vangen, niet fundamenteel zijn. Daaronder gaat een diepere laag schuil. „De eerste ideeën over hetgeen waarmee we die diepere laag kunnen beschrijven, bestaan al”, zegt Dijkgraaf.

Hij doelt op onderzoek naar de mysterieuze eigenschappen van zwarte gaten, waaruit fysici de afgelopen jaren een aantal opmerkelijke conclusies trokken. Wanneer een voorwerp in een zwart gat valt, gebeuren vermoedelijk twee dingen. Allereerst peuzelt dat zwarte gat het voorwerp op, waarbij alle informatie over dat voorwerp onherroepelijk verloren lijkt te gaan. Tegelijk wordt de horizon, de grens waar voorbij je niet meer aan de overweldigende aantrekkingskracht van het zwarte gat kunt ontkomen, een klein beetje groter. Voor elke bit aan informatie die je in een zwart gat gooit, groeit het oppervlak van zijn horizon met een vierkante plancklengte, de lengte waarvan fysici vermoeden dat het de kleinst mogelijke lengte in de kosmos is.

Elke bit informatie die in een zwart gat verdwijnt moet terug te vinden zijn
Dat betekent dat je elke bit die in een zwart gat verdwijnt, na afloop terug kunt vinden aan het oppervlak. Hoewel die informatie in praktische zin voor ons ‘onleesbaar’ is, gaat het daardoor niet echt verloren. Wie de machinerie van zwarte gaten nauwkeurig doorgrondt, kan de informatie in theorie reconstrueren.

Dat is opnieuw een aanwijzing dat er ‘iets’ aan de hand is met informatie. Als informatie een zwart gat kan laten groeien, heeft het ook op kosmische schaal fysieke invloed. Dankzij een analogie tussen de op de horizon gevangen informatie van een zwart gat en de gehele kosmos, ontwikkelden theoretici, waaronder Nobelprijswinnaar Gerard ’t Hooft, zelfs het zogeheten holografisch principe. Dat principe stelt dat de werkelijkheid een soort hologram is, het gevolg van het gedans van nullen en enen op een onzichtbare horizon rond het heelal.

Voor een compleet begrip van hoe de werkelijkheid in elkaar steekt, zijn dergelijke theorieën volgens Dijkgraaf echter onvoldoende. „We moeten ook kunnen uitleggen hoe uit die informatie lijnen, punten, en ruimte en tijd ontstaan”, zegt hij. „En hoe dat vervolgens leidt tot de relativiteitstheorie van Einstein.”
Wat opnieuw ontbreekt, is een goed begrip van wat informatie nu precies is. Wat is een bit, en hoe kun je er eentje in een zwart gat gooien? Hoe ‘weet’ een bit dat het de ene keer een deeltje moet vormen, en de andere keer een stukje lege ruimte?

Het zijn vragen die onherroepelijk naar boven borrelen wanneer je in je hoofd probeert een beeld te vormen van dergelijke exotische ideeën over de rol van informatie in het universum.

Informatie is geen ding, maar de bouwsteen van een ding

Frustrerend genoeg blijken antwoorden op die vragen ook op dit kosmische canvas te ontbreken. „Je kunt je inderdaad afvragen: wat is die informatie dan?”, zegt Verlinde. Wie teruggrijpt naar de informatiedefinitie van Shannon, denkt wellicht aan een systeem dat codeert voor een enkele bit aan informatie. Voor een qubit kan dat bijvoorbeeld een elektron zijn, dat de ene kant op tolt voor een nul en de andere voor een één. Is dat elektron dan een bit aan informatie?

„Nee”, zegt Verlinde. „Het idee is juist dat dat elektron zelf ook weer is opgebouwd uit quantuminformatie. Je moet je die informatie niet voorstellen als een ding. Het is juist datgene waaruit alle dingen ontstaan”, zegt hij. Daarmee sluit hij zich aan bij een beroemde uitspraak van de Amerikaanse theoretisch fysicus John Wheeler, die in de jaren zeventig stelde dat in het heelal sprake was van It from bit . Oftewel: een fysiek ding (een ‘it’) bestaat altijd uit bits, uit informatie.

Een interessante gedachte, al kan niemand je vertellen hoe je van ‘bit’ naar ‘it’ komt. Dat betekent volgens Verlinde niet dat informatie geen rol kan spelen in de natuurkundige beschrijving van de werkelijkheid, maar wel dat er een punt komt waarop je gedwongen wordt dieper te graven. „Uiteindelijk willen we toch weten waar materie precies vandaan komt”, zegt hij.

De snaartheorie is uit, informatie is de nieuwe mode

Die vraag bracht fysici tot nog toe bij de snaartheorie, een theorie die het beeld van kleine deeltjes als fundamentele bouwsteentjes verving door het beeld van een werkelijkheid bestaand uit trillende snaartjes en vellen. „En nu ontdekken we quantuminformatie als volgend station”, zegt Verlinde.

Of dat het eindpunt is, weet niemand. Voor een beter begrip moet de beschrijving van verstrengelde informatie samensmelten met de wiskunde van de snaartheorie. Verlinde: „Dan kunnen we begrijpen hoe de snaartheorie, en de beschrijving van de materie die daarbij hoort, tevoorschijn komt uit die informatietaal.” Pas dan weten we hoe ketens van verstrengelde bits weten dat ze soms een deeltje moeten zijn en soms een stuk lege ruimte.

Daarbij is een beter begrip van verstrengelde informatie het vertrekpunt, zegt Beenakker. „Je kunt zeggen dat de 19e eeuw de eeuw van energie was. In de 20e eeuw was verstrengeling vooral iets filosofisch. En nu, in de 21e eeuw, blijkt verstrengeling iets waar je echt iets mee kunt. Het onderlegt een heel groot deel van de werkelijkheid.”

Voorlopig weet niemand of de ware aard van informatie zich zal onthullen in slimme machientjes in het lab, of in het diepst van onze kosmos. Maar wie informatie straks echt snapt, zet de eerste stap naar een volgende fysicarevolutie. Want, stelt Beenakker, een ding is echt zeker: „De ultieme theorie van ruimte en tijd is niet meetkundig, maar gebaseerd op informatie.”

Het laatste traject op weg naar de allesomvattende  theorie.

Tot zover de laatste inzichten. We zijn er nu bijna. Wat ontbreekt is een samenvoeging van deze laatste ontwikkelingen in de wetenschap in een samenvattende allesomvattende maar eenvoudige these.

Een onoplosbare tegenstelling leek – en lijkt – te zijn die tussen de relativiteitstheorie van Einstein en de quantumtheorie. Juist deze schijnbare tegenstelling brengt ons wellicht tot de allesomvattende theorie. Daarvoor een zijsprong via de vraag:

Wat is een zwart gat?

Voor natuurkundigen is die vraag zeer relevant. Zij hopen in het ­binnenste van deze kosmische veelvraten antwoord te vinden op de grootste raadsels uit de fysica. Kwesties als: wat zijn de meest fundamentele bouwstenen van de werkelijkheid? En: is het mogelijk om ­alles wat we over de wereld weten samen te vatten in één theorie? Bij dat einddoel komen ze nu verleidelijk dicht in de buurt. In het heelal vinden processen plaats waarbij zwarte gaten ontstaan. Dat ­gebeurt bijvoorbeeld wanneer zware sterren sterven. Het geweld waarmee dat gepaard gaat, perst de kern van de voormalige ster zo hard samen dat zij ­onder haar eigen zwaartekracht instort. Een kosmische cascade waarin alles wordt samengeperst in één enkel punt. Een zwart gat is een punt in de ruimte waaruit je nooit meer kunt ontsnappen. In 1915 liet de Duitse natuurkundige Karl Schwarzschild als eerste met behulp van ­Einsteins algemene relativiteitstheorie zien dat je voorwerpen zó zwaar kon maken dat zelfs het licht niet langer aan hun zwaartekracht kan ontsnappen. Zulke voorwerpen ballen door hun waanzinnig grote massa uiteindelijk samen in een enkel, letterlijk punt: een plek zonder afmeting, een bolletje met diameter nul. Dat bizarre punt noemden fysici later een ­singulariteit.

Zwarte gaten zijn extreem. ‘Het is volkomen onmogelijk om ze met onze huidige natuurkunde te beschrijven’, zegt astronoom Heino Falcke. Dat komt door een berucht probleem in de fysica: haar twee belangrijkste theorieën – de relativiteitstheorie van Einstein en de quantumtheorie – willen met geen mogelijkheid samenwerken. Wanneer fysici beide aan elkaar willen plakken, gaat het mis. Hun formules geven dan ineens volkomen belachelijke antwoorden. De blik van veel fysici is daarom stevig gericht op zwarte gaten. De veronderstelde singulariteiten in het binnenste van die gaten kun je alleen beschrijven met een combinatie van beide theorieën. Zwarte gaten geven waarschijnlijk inzicht in hoe quantumtheorie en relativiteit in elkaar elkaar overvloeien.

En juist deze schijnbare onverenigbaarheid van beide theorieën is mogelijk de basis voor de allesomvattende theorie. Aannemelijk is dat beide conflicterende theorieën tegelijkertijd en in singulariteit geldig zijn. En dat deze singulariteit van toepassing is op alles.

Hoewel nog vatbaar voor verbetering en kritiek dan nu de basis voor de allesomvattende theorie in de vorm van een these.

These:

De fundamentele bouwsteen van alles is de verstrengeling van met elkaar verbonden complementaire tegenstellingen.

Processen komen tot stand door de wisselwerking van de verstrengelde complementaire tegenstellingen die tegenovergesteld aan elkaar actief of inactief zijn.

In ons heelal is de primaire complementaire tegenstelling: materie/non-materie waarbij non-materie waarschijnlijk vertegenwoordigd wordt door Quantum-informatie. 

De ruimte wordt gevuld met materie en tegelijkertijd met niet materiële Quantum-informatie. Die Quantum-informatie is verstrengeld met (entanglement) en dus in constante wisselwerking met de materie. Het is immers  de verbonden tegenstelling daarvan.  Quantum-informatie is dus ook de verbinding tussen alle materie.

De niet materiële Quantum informatie zou je bijgevolg God kunnen noemen; of wat er ook aan namen gegeven is voor wat is maar niet is.

Geef een reactie