Gisin's Argument and the Limits of Causal Explanations in Relativistic Spacetime

Het universum lijkt een geheim te herbergen dat onze alledaagse intuïtie over hoe dingen met elkaar verbonden zijn, tart. In de wereld van de klassieke fysica moet je, als je iets ver weg wilt beïnvloeden, een signaal door de ruimte tussen jou en dat object sturen, en dat signaal kan niet sneller reizen dan het licht. Deze regel, bekend als de snelheidslimiet van het kosmos, vormt het fundament van Einsteins speciale relativiteitstheorie. Toch hebben experimenten met subatomaire deeltjes herhaaldelijk aangetoond dat twee deeltjes zodanig verbonden kunnen zijn dat het meten van het een onmiddellijk de staat van het ander onthult, ongeacht de enorme afstand die hen scheidt. Dit fenomeen, genaamd kwantumnonlokaliteit, suggereert een verbinding die de ruimte tussen hen negeert. Decennialang hebben natuurkundigen geprobeerd deze spookachtige actie op afstand te verzoenen met de strikte regels van de relativiteitstheorie, waarbij ze zich afvroegen of er een verborgen mechanisme bestaat dat de link verklaart zonder de kosmische snelheidslimiet te schenden.

Een natuurkundige genaamd Nicolas Gisin stelde eerder een krachtig argument voor dat suggereerde dat een dergelijk verborgen mechanisme niet kan bestaan als het de wetten van de relativiteit respecteert. Zijn redenering was dat als een verborgen invloed van het ene deeltje naar het andere reist, de volgorde waarin gebeurtenissen plaatsvinden afhankelijk zou zijn van wie er kijkt. Voor de ene waarnemer zou het eerste deeltje gemeten kunnen worden vóór het tweede; voor een andere waarnemer die met een andere snelheid beweegt, zou het tweede deeltje als eerste gemeten kunnen worden. Gisin betoogde dat als de verborgen invloed consistent moet zijn voor iedereen, deze voor ten minste één van deze waarnemers terug in de tijd zou moeten reizen, wat het fundamentele principe schendt dat het verleden niet van de toekomst afhankelijk kan zijn. Echter, Gismeens oorspronkelijke argument rustte op een specifieke aanname: dat het verborgen mechanisme werkt als een perfecte machine, waarbij elke input leidt tot een enkele, vooraf bepaalde output. Dit liet een gat in ons begrip, aangezien veel moderne theorieën van de kwantummechanica betrokken zijn bij echte willekeur, waarbij de uitkomst niet vooraf vaststaat maar werkelijk probabilistisch is.

Felix Rutzinger, de auteur van deze studie, zette zich af om dat gat te dichten door Gismeens argument te herzien en te vragen of het standhoudt wanneer het verborgen mechanisme toegestaan wordt om werkelijk willekeurig te zijn. Om dit te doen, introduceerde Rutzinger een nieuwe manier van denken over oorzaak en gevolg die rekening houdt met het feit dat verschillende waarnemers de tijd anders zien stromen. Hij stelde zich een scenario voor waarin hetzelfde experiment wordt beschreven door een andere set oorzaak-en-gevolgregels voor elke waarnemer, afhankelijk van hun snelheid en richting. Deze regels zijn gekoppeld aan het referentiekader van de waarnemer, maar ze moeten nog steeds overeenstemmen met de werkelijke resultaten die in het laboratorium worden vastgelegd. Door een wiskundig kader te bouwen dat toestaat dat deze verschillende perspectieven naast elkaar bestaan, was Rutzinger in staat om te testen of een willekeurig, niet-lokaal model de toetsing van de relativiteit kan doorstaan.

Het onderzoek leverde twee belangrijke bevindingen op die de beperkingen voor ons begrip van kwantumverbindingen aanscherpen. Ten eerste toonde Rutzinger aan dat als we eisen dat de regels van oorzaak en gevolg er voor elke waarnemer exact hetzelfde uitzien, geen enkel willekeurig model de experimentele resultaten kan verklaren zonder het principe te schenden dat het verleden niet door de toekomst kan worden beïnvloed. Dit resultaat breidt de oorspronkelijke conclusie van Gisin uit naar het domein van de willekeur, waarmee wordt bewezen dat zelfs een probabilistisch verborgen mechanisme niet zowel relativistisch als niet-lokaal kan zijn als de causale structuur identiek blijft voor iedereen. Maar de auteur ging verder en testte een zwakkere voorwaarde waarbij de basisverbindingen tussen gebeurtenissen hetzelfde blijven, maar de richting van de invloed mag omdraaien afhankelijk van wie er kijkt. Dit is een flexibeler idee, een idee dat sommige natuurkundigen hebben gesuggereerd noodzakelijk te kunnen zijn om bepaalde kwantumtheorieën zin te geven.

Zelfs met deze flexibiliteit bleek de deur gesloten te blijven. Het tweede resultaat toonde aan dat als we toestaan dat de richting van de invloed verandert met de waarnemer, maar nog steeds vasthouden aan het principe dat het verleden niet door de toekomst kan worden beïnvloed, we nog steeds niet de statistieken kunnen reproduceren die in echte experimenten worden waargenomen. De wiskunde laat zien dat een dergelijk model onvermijdelijk zou falen om overeen te komen met de gegevens, door limieten te voorspellen voor hoe sterk deeltjes gecorreleerd kunnen zijn die simpelweg niet in de natuur worden waargenomen. Sterker nog, het artikel merkt op dat experimenten deze voorspelde limieten met een enorme marge hebben geschonden, ver voorbij wat verklaard zou kunnen worden door meetfouten. Dit betekent dat elke theorie die probeert kwantumcorrelaties te verklaren via verborgen oorzaken, ofwel het idee moet opgeven dat het verleden vaststaat, ofwel de vrijheid van experimentatoren om hun instellingen te kiezen moet opgeven, ofwel moet accepteren dat de causale structuur zelf geen fundamenteel kenmerk van de werkelijkheid is, maar slechts een nuttige beschrijving die verandert met de waarnemer.

De implicaties van deze bevindingen zijn diepgaand voor de voortdurende zoektocht naar een dieper begrip van het universum. Ze suggereren dat de spanning tussen kwantumnonlokaliteit en relativiteit niet slechts een technische hindernis is die gladgestreken kan worden door een slim model, maar een fundamenteel kenmerk van de natuur. Als we willen vasthouden aan het idee dat het verleden onafhankelijk is van de toekomst, en dat wetenschappers vrij kunnen kiezen wat ze meten, dan moeten we accepteren dat er geen enkel, universeel verhaal van oorzaak en gevolg bestaat dat voor alle waarnemers geldt. Het universum biedt, zo lijkt het, geen eenvoudig, verborgen script dat voor iedereen op dezelfde manier verloopt. In plaats daarvan lijkt de verbinding tussen verre deeltjes een kenmerk te zijn dat zich verzet tegen het worden vastgelegd door een enkel, consistent causaal narratief, wat ons dwingt om opnieuw na te denken over wat het betekent voor een gebeurtenis om een andere te veroorzaken in een relativistische wereld.