Locality, Probability and the Relevance of History

In het uitgestrekte landschap van de moderne natuurkunde staan twee monumentale zuilen zij aan zij, maar ze lijken vaak een andere taal te spreken. De een is de relativiteitstheorie, die ons leert dat niets sneller dan het licht kan reizen en dat oorzaken hun effecten moeten voorafgaan in een strikte, lokale volgorde. De andere is de kwantummechanica, het regelboek voor de subatomaire wereld, die een realiteit beschrijft waarin deeltjes over enorme afstanden met elkaar verbonden kunnen zijn op manieren die diezelfde lokale orde lijken te tarten. Decennialang is deze spanning aangescherpt door een beroemd raadsel dat bekend staat als de stelling van Bell. Deze stelling suggereert dat als het universum de regels van de relativiteit volgt en als deeltjes definitieve eigenschappen hebben voordat we ze meten, bepaalde statistische patronen in experimenten nooit zouden mogen voorkomen. Toch komen die patronen in laboratoria over de hele wereld wel voor. Het universum lijkt de regels van lokale oorzaak en gevolg te breken, wat natuurkundigen dwingt te kiezen tussen het opgeven van het idee dat oorzaken lokaal zijn of het accepteren dat het universum vreemder is dan we dachten.

Een nieuw artikel van filosoof Sebastian Horvat biedt een andere manier om naar dit raadsel te kijken. In plaats van te kiezen tussen lokaliteit en het vreemde gedrag van kwantumdeeltjes, suggereert Horvat dat ons begrip van hoe het verleden het heden beïnvloedt, het deel is dat aangepast moet worden. Hij stelt dat het conflict niet voortkomt uit het feit dat de natuur niet-lokaal is, maar omdat we ervan zijn uitgegaan dat het verleden in een specifieke, technische zin irrelevant is voor het heden. Door te herdefiniëren wat het betekent voor een theorie om "lokaal" te zijn in een probabilistische wereld, betoogt Horvat dat kwantumverschijnselen perfect lokaal kunnen blijven zonder de lichtsnelheid te schenden, mits we accepteren dat het volledige verhaal van hoe een situatie tot stand is gekomen belangrijker is dan we voorheen geloofden.

Om de verschuiving te begrijpen, moet men eerst zien hoe de oude regels zijn geschreven. Lange tijd geloofden natuurkundigen dat als je alles wist over het onmiddellijke verleden van een gebeurtenis, je precies kon bepalen wat er daarna zou gebeuren. Dit is het idee van functionele determinatie: het heden is een direct resultaat van het onmiddellijke verleden. Echter, de kwantummechanica is niet deterministisch; zij werkt met waarschijnlijkheden. Je kunt niet met zekerheid zeggen waar een elektron zal landen, alleen hoe waarschijnlijk het is dat het op verschillende plaatsen landt. Om dit te accommoderen, stelde de beroemde natuurkundige John Bell een gewijzigde regel voor. Hij suggereerde dat hoewel het verleden misschien niet de exacte uitkomst bepaalt, het wel de waarschijnlijkheid van die uitkomst zou moeten bepalen. In de visie van Bell zou, als je de staat van het onmiddellijke verleden kent, de waarschijnlijkheid van een gebeurtenis hier niet veranderen, ongeacht wat er ver weg gebeurt op een plek die het licht niet kan bereiken. Dit werd de standaardtest voor "lokale causaliteit".

Horvat betoogt dat de test van Bell, hoewel logisch, een cruciale nuance mist wanneer deze wordt toegepast op een wereld van waarschijnlijkheden. Hij wijst erop dat de regel van Bell elk mogelijk scenario in isolatie behandelt. Het vraagt: "Gegeven dit specifieke verleden, wat is de waarschijnlijkheid van deze toekomst?" Maar Horvat suggereert dat een meer natuurlijke manier om het idee van lokale determinatie te generaliseren, is door te kijken naar hoe waarschijnlijkheden zelf met elkaar in relatie staan over verschillende mogelijke geschiedenissen heen. In zijn visie moet een werkelijk lokale theorie ervoor zorgen dat de waarschijnlijkheidsverdeling van een gebeurtenis wordt bepaald door de waarschijnlijkheidsverdeling van gebeurtenissen in haar onmiddellijke verleden. Het is een subtiele maar diepgaande verschuiving: in plaats van dat gebeurtenissen andere gebeurtenissen bepalen, of gebeurtenissen waarschijnlijkheden bepalen, bepalen de verdelingen van mogelijkheden de verdelingen van toekomstige mogelijkheden.

Wanneer Horvat deze nieuwe, meer flexibele definitie van lokaliteit toepast op de gegevens, ontstaat er een verrassend resultaat. De vreemde correlaties die worden gezien in kwantumeperimenten, die de ongelijkheden van Bell schenden, breken deze nieuwe regel niet noodzakelijkerwijs. De schending vindt alleen plaats als we vasthouden aan een extra, verborgen aanname: het idee dat de geschiedenis irrelevant is. Dit is de aanname die we vaak als vanzelfsprekend beschouwen in de natuurkunde, namelijk de overtuiging dat zodra je de huidige staat van een systeem kent, de specifieke weg die het heeft afgelegd er niet toe doet voor het voorspellen van de toekomst. Het is de overtuiging dat het huidige moment alle noodzakelijke informatie bevat, en dat het verleden slechts een vergeten verhaal is.

Horvat demonstreert dat als je deze aanname loslaat, het conflict verdwijnt. Hij stelt voor dat de toekomstige waarschijnlijkheid van een gebeurtenis afhankelijk kan zijn van de geschiedenis van hoe de huidige staat is bereikt. Om dit te visualiseren, stel je voor dat er een rode kubus in een kamer verschijnt. Als je aanneemt dat de geschiedenis irrelevant is, zou je het toekomstige gedrag voorspellen op basis enkel van het feit dat het nu een rode kubus is, ongeacht hoe hij daar terecht is gekomen. Maar als de geschiedenis relevant is, kan de toekomst van de kubus afhangen van of hij arriveerde vanuit een rode piramide of een rode bol. In de kwantumwereld is de "rode kubus" een meetresultaat, en de "geschiedenis" ervan omvat de specifieke keten van gebeurtenissen die heeft geleid tot de staat waarin de verstrengelde deeltjes zich nu bevinden. Het artikel suggereert dat de correlaties die we zien geen magische verbindingen door de ruimte zijn, maar het resultaat van het feit dat de huidige staat een geheugen draagt van zijn specifieke oorsprong.

Dit betekent niet dat oorzaken terug in de tijd reizen of dat de toekomst het verleden verandert. Het betekent eerder dat de waarschijnlijkheid van wat er nu gaat gebeuren niet uitsluitend wordt vastgesteld door de snapshot van het heden, maar wordt verfijnd door de volledige context van hoe die snapshot tot stand is gekomen. Het artikel betoogt dat het universum niet "Markoviaans" is, een technische term voor systemen waarbij de toekomst alleen afhangt van het heden. In plaats daarvan is het universum gevoelig voor zijn eigen geschiedenis. De waarschijnlijkheid van een gebeurtenis wordt bepaald door de waarschijnlijkheid van de gebeurtenissen in haar onmiddellijke verleden, maar die waarschijnlijkheidsverdeling van het verleden zelf wordt gevormd door de diepere geschiedenis. Dit stelt de theorie in staat om de lichtsnelheid en de lokale aard van oorzaak en gevolg te respecteren, terwijl het toch rekenschap geeft van de spookachtige verbindingen die de kwantummechanica onthult.

De implicaties van dit standpunt zijn aanzienlijk voor hoe we de realiteit begrijpen. Het suggereert dat de "spookachtige actie op afstand" waar Einstein zo'n afkeer van had, een illusie zou kunnen zijn, gecreëerd door de relevantie van de geschiedenis te negeren. Als we accepteren dat het verleden ertoe doet, kunnen we het geruststellende idee behouden dat oorzaken lokaal zijn en dat niets sneller dan het licht reist. Het artikel beweert geen elk mysterie van de kwantummechanica te hebben opgelost, noch biedt het een volledige nieuwe theorie van het universum. In plaats daarvan biedt het een nieuw logisch kader dat de tegenstrijdigheid tussen de relativiteitstheorie en de kwantummechanica wegneemt. Het suggereert dat de weg vooruit niet ligt in het opgeven van lokaliteit, maar in het erkennen dat het verhaal van hoe we hier terecht zijn gekomen essentieel is voor het begrijpen van waar we naartoe gaan.

Uiteindelijk nodigt dit werk ons uit om de aard van tijd en causaliteit te heroverwegen. Het stelt voor dat het universum een tapijt is waarbij de draden van het verleden zijn geweven in de waarschijnlijkheden van de toekomst. Door te erkennen dat de geschiedenis relevant is, kunnen we de twee grote zuilen van de natuurkunde verenigen zonder het fundamentele principe op te offeren dat oorzaken lokaal zijn. Het artikel laat ons met de mogelijkheid dat een lokale, realistische theorie van de kwantumwereld nog steeds binnen bereik ligt, mits we bereid zijn om naar het volledige verhaal van het verleden te luisteren, en niet alleen naar het huidige moment.