What is the connection between quantum relationality and symmetry-based relationality?

De natuurkunde is al lang verdeeld in twee kampen die schijnbaar verschillende talen spreken. Aan de ene kant staat de kwantummechanica, het regelboek voor het zeer kleine, waar deeltjes zich tegelijkertijd in meerdere toestanden kunnen bevinden en waar de handeling van het kijken naar iets lijkt te veranderen wat dat ding is. Aan de andere kant staat de algemene relativiteitstheorie, de theorie van de zwaartekracht en het zeer grote, waar ruimte en tijd flexibel zijn en waar de positie van een object alleen zin heeft wanneer het wordt vergeleken met iets anders. Decennialang hebben natuurkundigen opgemerkt dat beide theorieën zwaar leunen op het idee van "relationaliteit"—het concept dat eigenschappen geen absolute feiten over het universum zijn, maar eerder relaties tussen dingen. In de wereld van de zwaartekracht is de locatie van een object betekenisloos zonder een referentiepunt, zoals een klok of een herkenningspunt. In de kwantumwereld hangt de toestand van een deeltje vaak af van wie het meet. Toch zijn de twee theorieën, ondanks deze gedeelde afhankelijkheid van relaties, standvastig gescheiden gebleven, en het bleef onduidelijk of hun versies van "relationaliteit" daadwerkelijk hetzelfde zijn of slechts een toevalligheid van vocabulaire.

Een nieuw artikel door Emily Adlam stelt een gedurfde unificatie voor: dat het relationele karakter van de kwantummechanica niet een vreemde, unieke eigenaardigheid van de subatomaire wereld is, maar eigenlijk exact hetzelfde fenomeen is als dat in de relativiteitstheorie. De auteur suggereert dat de reden waarom kwantumtoestanden lijken te veranderen afhankelijk van de waarnemer, simpelweg is omdat ze eigenschappen beschrijven die inherent relatief zijn, net zoals richting of positie in de ruimte. In dit licht is een kwantumtoestand geen beschrijving van de absolute realiteit van een deeltje, maar een beschrijving van hoe dat deeltje zich verhoudt tot een specifiek referentiestelsel, vergelijkbaar met hoe een kompasnaald alleen betekenis heeft wanneer deze wordt vergeleken met het magnetische veld eromheen. Als dit idee standhoudt, zou het enkele van de diepste mysteries van de kwantumfysica kunnen doen verdwijnen, in het bijzonder het verwarrende puzzelstukje over hoe een enkele, definitieve realiteit voortkomt uit een wereld van mogelijkheden.

Om het argument te begrijpen, moet men eerst het verschil begrijpen tussen twee soorten fysieke grootheden. In de natuurkunde zijn sommige feiten absoluut en onveranderlijk, terwijl andere "partieel" zijn. Een partiële observeerbare is een grootheid die gemeten kan worden, maar die alleen zin heeft wanneer deze aan een referentie is gekoppeld. Bijvoorbeeld: zeggen dat een auto met zestig mijl per uur rijdt, is een partiële observeerbare; het is alleen waar relatief aan de weg. De snelheid zelf is geen vaste eigenschap van de auto in isolatie. In contrast hiermee is een "complete" observeerbare een volledig, zelfstandig feit, zoals de afstand tussen de auto en een specifieke boom op een specifiek moment. In de relativiteitstheorie hebben natuurkundigen lang geweten dat we alleen maar partiële observeerbare kunnen meten. We kunnen nooit een absolute snelheid of een absolute richting meten; we kunnen alleen meten hoe dingen zich verhouden tot onze meetinstrumenten.

Adlam neemt dit gevestigde feit uit de relativiteitstheorie en past het toe op de kwantumwereld. Ze betoogt dat elke kwantumtoestand die we ooit hebben opgeschreven of gemeten, een partiële observeerbare beschrijft. Wanneer een natuurkundige een kwantumtoestand opschrijft voor de spin van een deeltje, beschrijft hij niet een absolute richting waarin de spin in het universum wijst. In plaats daarvan beschrijft hij de oriëntatie van de spin relatief aan een specifieke as, die wordt gedefinieerd door het meetapparaat. Het artikel suggereert dat de beroemde "Wigner's Friend"-paradox — een gedachte-experiment waarbij twee waarnemers het oneens zijn over de vraag of een deeltje is ineengestort in een enkele toestand of in een superpositie blijft — simpelweg ontstaat omdat de twee waarnemers verschillende referentieassen gebruiken. De ene waarnemer beschrijft het deeltje relatief aan zijn eigen laboratoriumapparatuur, terwijl de andere het beschrijft relatief aan een ander kader. Er is geen tegenstrijdigheid, zo stelt de auteur, omdat beide simpelweg verschillende relaties rapporteren.

Het artikel bouwt dit geval op door aan te tonen dat kwantumtoestanden van symmetrie-variante eigenschappen — eigenschappen die veranderen wanneer je je perspectief draait of verschuift — altijd gerelativeerd moeten worden. Als je probeert een kwantumtoestand te beschrijven zonder een referentiestelsel, wordt de beschrijving een rommelige, incoherente mix die alle specifieke informatie over de toestand van het deeltje verliest. Echter, zodra je een referentiestelsel introduceert, zoals een specifieke richting in de ruimte gedefinieerd door een magneet, neemt de kwantumtoestand een heldere, coherente vorm aan. De auteur gebruikt een raamwerk ontwikkeld door andere onderzoekers om aan te tonen dat het wiskundig consistent is om een situatie te hebben waarin de relatie tussen twee systemen een definitieve, niet-superponeerde toestand is, terwijl de toestand van het ene systeem ten opzichte van het andere in een superpositie lijkt te zijn. Dit betekent dat de "vreemdheid" van kwantumsuperpositie misschien geen kenmerk is van de realiteit zelf, maar een kenmerk van hoe we dingen beschrijven ten opzichte van een referentiepunt.

Dit perspectief biedt een frisse kijk op het meetprobleem, de langlopende moeilijkheid om uit te leggen waarom we één uitkomst zien wanneer een kwantumsysteem schijnbaar in vele toestanden tegelijk is. In de standaard kwantummechanica wordt de overgang van een superpositie van mogelijkheden naar een enkel resultaat vaak beschreven als een "instorting" van de golffunctie, een proces dat wiskundig abrupt en fysiek mysterieus is. Adlam suggereert dat deze instorting geen plotseling, magisch evenement is, maar een natuurlijk gevolg van de interactie tussen een partiële observeerbare en een referentiestelsel. Wanneer een kwantumsysteem sterk interageert met een meetapparaat, is het systeem niet langer slechts een verzameling relatieve eigenschappen; het raakt verstrengeld met het referentiekader op een manier die de lineaire regels van kwantumevolutie doorbreekt. De "instorting" is simpelweg het moment waarop de benadering om het systeem als onafhankelijk van het referentiekader te behandelen, faalt.

Het artikel beweert niet het meetprobleem volledig te hebben opgelost. Het biedt geen nieuwe vergelijking die precies voorspelt wanneer een instorting plaatsvindt, noch biedt het een volledig model van het fysieke mechanisme dat de relatieve kwantumwereld met de absolute klassieke wereld verbindt. In plaats daarvan suggereert het dat de oplossing ligt in het erkennen dat kwantummechanica alleen van toepassing is op partiële observeerbare, terwijl de definitieve uitkomsten die we zien, complete observeerbare zijn. De auteur betoogt dat omdat we alleen partiële observeerbare kunnen meten, we nooit daadwerkelijk een kwantumtoestand van een complete observeerbare hebben gezien. Het vreemde gedrag van de kwantummechanica, inclusclusief het vermogen om op twee plaatsen tegelijk te zijn, is alleen van toepassing op de relatieve, symmetrie-variante grootheden. De definitieve, enkelvoudige uitkomsten die wij ervaren, zijn de invariante, complete feiten die ontstaan wanneer deze relatieve grootheden aan een referentiestelsel worden gekoppfel.

Door voor te stellen dat kwantum-relationaliteit en relativistische relationaliteit één en hetzelfde zijn, overbrugt het artikel een kloof die de natuurkunde al een eeuw scheidt. Het suggereert dat het universum niet bestaat uit absolute, onafhankelijke objecten, maar uit relaties. De kwantumtoestand is niet een snapshot van de ziel van een deeltje, maar een beschrijving van zijn houding ten opzichte van de waarnemer. Dit standpunt vereist niet dat we het idee van een echte, objectieve wereld opgeven; het herkadert die wereld eerder als een netwerk van verbindingen. Het artikel concludeert dat hoewel er meer werk nodig is om volledig te beschrijven hoe deze verbindingen ontstaan en breken, de weg vooruit ligt in het stoppen met het zoeken naar absolute kwantumtoestanden en het beginnen met het begrijpen van de specifieke, relationele aard van de grootheden die we daadwerkelijk kunnen meten. Daarmee biedt het artikel een stille, logische verklaring voor waarom de kwantumwereld zo vreemd lijkt: zij is vreemd omdat we proberen relatieve zaken te beschrijven alsof het absolute zaken zijn.