Icon up Overzicht

Quantum versus Klassiek

Onderwerp: Atoomfysica, Elektromagnetisch spectrum, Ioniserende straling, radioactiviteit, Kern- & Deeltjesprocessen (vwo), Kernfysica, Quantumwereld

Newton en zijn appels; het leek zo logisch. Tegenwoordig kunnen deeltjes door energiebarrières heen tunnelen; licht blijkt tegelijkertijd uit biljartballetjes en energiegolven te bestaan en hoe goed je meetinstrument ook is: 'meten' is niet 'weten'...

De beruchte Quantumtheorie verwart menig bètabrein, omdat het regelrecht spot met ons gezond verstand. Nu, meer dan 100 jaar na de geboortedatum van de quantummechanica, is het onderwerp onvermijdelijk deel van elke natuurkunde gerelateerde opleiding. Zuchtend en steunend boven de droge theorie en ingewikkelde wiskunde vraagt een student zich wel eens af: Hoe verzin je zoiets?

“I think it is safe to say that no one understands Quantum Mechanics.” (Richard Feynman)

In januari 1900 was het nog niet duidelijk hoe elementen onderling verschillen. Het elektron was net ontdekt (1897), maar niemand wist waar deze elektronen zich binnen de atomen bevonden. Aangezien quantummechanica de theorie is die het gedrag van materie op atomische schaal beschrijft, is het misschien verrassend dat de theorie in die tijd al begon te ontstaan. De basisontdekking van de quantummechanica werd dan ook min of meer 'per ongeluk' gedaan en werd ook niet meteen serieus genomen.

Zoals ook toen al bekend was, stralen objecten elektromagnetische golven uit; warme voorwerpen zijn roodgloeiend en hete zijn blauw of zelfs wit. Verscheidene wetenschappers probeerden deze observaties in een formule, met kleur als functie van temperatuur, te vatten. Op 19 oktober 1900 kondigde Max Planck een formule aan, die bij de experimentele resultaten volkomen paste, maar hij had geen idee waarom.

 

Natuurlijk zocht hij naar de achterliggende theorie en tijdens zijn zoektocht ontdekte hij dat zijn stralingsformule niet kon kloppen als energie continu is. Op 14 december 1900 publiceerde hij dit (toentertijd radicale) idee, maar tegelijkertijd weigerde hij te geloven dat energie ook echt gequantiseerd, d.w.z in pakketjes van een bepaalde grootte, kon zijn. De door hem gevonden fundamentele basis van de quantummechanica deed hij af als een wiskundig trucje, dat fysisch gezien niet juist kon zijn.

In 1905 gebruikte Albert Einstein het idee van gequantiseerde energie om het foto-elektrische effect te verklaren. Robert Millikan wilde Einstein niet geloven en probeerde tien jaar lang experimenteel tegenbewijs te leveren. Hij deed tot zijn eigen teleurstelling precies het omgekeerde, maar won hiervoor wel een Nobelprijs.

 

In 1911 ontdekt Ernest Rutherford de atoomkern. Pas toen, in de ontwikkeling van quantummechanica, hadden fysici een correct beeld van het atoom. Slechts twee jaar later introduceerde Niels Bohr een wiskundig model van het atoom, dat het emissiespectrum van het waterstofatoom gedeeltelijk kon verklaren. Jammer genoeg gold zijn model totaal niet voor andere elementen dan Waterstof. Natuurkundigen zochten met man en macht naar een algemenere theorie.

"At the moment physics is again terribly confused. ... I wish I had been a movie comedian or something” (Wolfgang Pauli)

 

Een van hen, Werner Heisenberg, begon systematische lijsten van toegestane fysische waarden te ontwikkelen. Max Born bekeek deze lijsten en zag dat zij als wiskundige matrices zouden kunnen worden geïnterpreteerd. Aan het einde van de zomer hadden Heisenberg, Born en Pascual Jordan een volledige theorie van de quantummechanica ontwikkeld. (Jordan was komen helpen nadat hij Born had afgeluisterd toen deze quantummechanica besprak met een collega in een trein) Deze theorie, genoemd "matrixmechanica", is uiterst wiskundig en (te) moeilijk om mee te werken.

"We also took part in the attempts to distill the unknown mechanics of the atom out of the experimental results. . . The art of guessing correct formulas . . . was brought to considerable perfection." (Max Born)

 

Anderen lieten ondertussen het onderwerp ook niet rusten. In 1923 associeerde Louis de Broglie een golf met een deeltje, maar hij was nooit duidelijk over wat dat nou echt betekende. Het was aan Erwin Schrödinger om dit vage idee te verwerken. Terwijl hij op vakantie was met een vriendin, tijdens de kerstmis van 1925, bedacht hij de “Schrödinger vergelijking”(!). Deze formule staat vaak centraal in boeken over quantummechanica.

>

 

De ψ in zijn formule stond voor een "schaduw golf" en was een aanwijzing van de positie van een elektron. Verward door een vraag van Heisenberg over het foto-elektrische effect veranderde hij de betekenis van ψ naar "dichtheid van lading". Het was Born die het idee introduceerde dat |ψ|2 gelijk stond voor de waarschijnlijkheid dat een bepaald quantumtoestand bestaat. Bohr en Heisenberg breidden, werkend in Kopenhagen, de waarschijnlijkheid interpretatie van de golffunctie uit. De resulterende Kopenhaagse interpretatie is nu nog de meest algemeen geaccepteerde interpretatie van de Quantumtheorie.

Oftewel, slechts 25 jaar nadat Planck het eerste gezicht van een nieuwe fysica liet zien, waren er niet één, maar twee concurrerende versies van de quantummechanica: de matrixmechanica van Heisenberg en de golftheorie van Schrödinger. De twee versies schenen volkomen verschillend en er was een bitter debat over wie gelijk had. Binnen een jaar was de ruzie echter voorbij. Erwin Schrödinger en Carl Eckert bewezen namelijk onafhankelijk dat de twee theorieën, hoewel ze zeer verschillend leken, altijd dezelfde uitkomst opleverden.

Het buitengewone succes van quantummechanica in experimenten overweldigde niet iedereen. Een aantal wetenschappers, met inbegrip van Schrödinger, De Broglie en Einstein, bleven ongelukkig met de waarschijnlijkheidsinterpretatie van de theorie. Schrödinger vond dat zijn eigen formule misbruikt werd en verzon een beroemd gedachtenexperiment dat volgens hem aantoonde hoe absurd het waarschijnlijkheidsidee was. Tegenwoordig wordt "Schrödingers kat", juist gebruikt om de consequenties van de quantumtheorie uit te leggen.

“I do not like it, and I am sorry I ever had anything to do with it.” (Erwin Schrödinger)

Ook Einstein bleef tot de dag van zijn dood af en toe geneigd gedetailleerde kritiek te geven op de aanwezigheid van het concept waarschijnlijkheid in de theorie. Niels Bohr reageerde hier regelmatig op en de resulterende uitwisseling wordt nu het "debat Bohr-Einstein" genoemd.

“God does not play dice with the universe.” (Albert Einstein)

“Stop telling God how to behave!.” (Niels Bohr)

Het debat Bohr-Einstein dwong de scheppers van de quantummechanica om hun redenering aan te scherpen. In 1935 vond Einstein, in samenwerking met Boris Podolsky en Nathan Rosen, een situatie waarin de resultaten van quantummechanica en die van het gezonde verstand elkaar tegenspraken.

Volgens de quantumtheorie bestond er een situatie waarin de meting van een deeltje op een bepaalde plaats ook onmiddellijk informatie verstrekt over een tweede deeltje verderop. De drie wetenschappers publiceerden een document dat beweerde dat "Geen redelijke definitie van werkelijkheid dit toe zou laten." In 1964 gebruikte John Bell de situatie van Einstein, Podolsky en Rosen om een hypothese te produceren die in 1982 door Alain Aspect en zijn medewerkers getest werd. Ze ontdekten dat de natuur zich inderdaad gedroeg op de manier die Einstein en anderen zo onlogisch vonden.