Voor wie beweert de kwantumtheorie te begrijpen
De kwantumtheorie: zeggen dat je ze begrijpt is net een bewijs dat je ze niet begrijpt…
Toepassingen in het dagelijks leven
Veel fysici stellen zich al jaren vragen over de ware betekenis van de kwantumtheorie. Het is immers een theorie die begrippen hanteert die ons eigen voorstellingsvermogen overtreffen. Wat is de realiteit die schuil gaat achter de kwantumtheorie?
Al blijven ook vandaag nog velen wantrouwend als het over kwantumtheorie gaat en al blijft haar ware aard nog een groot vraagteken, toch vindt men er nu al talloze toepassingen van in ons dagelijks leven. Denk maar aan laserstralen, aan televisie en smartphones of aan de kwantumcomputers die er zitten aan te komen.
Vergeet vooral ook niet haar belang in onze zoektocht in de kosmologie naar het echte begin van ons heelal.
Twee theorieën die de wereld veranderden
De voorbije twintigste eeuw zal voor de fysica en de kosmologie gekend blijven als de eeuw van de ontdekking van twee spectaculaire theorieën, een eeuw van wetenschappelijke revoluties.
In de eerste plaats was er in 1905 en in 1915 de publicatie van Albert Einsteins speciale en algemene relativiteitstheorie. In zijn relativiteitstheorie gaf Einstein voor het eerst in de geschiedenis een sluitende uitleg voor tal van fysische fenomenen, die tot dan toe zonder verklaring bleven. Maar hoe volledig de relativiteitstheorie ook was en nog steeds is, toch kan men ze enkel gebruiken om fysische fenomenen te bestuderen die zich in het heelal op grote schaal voordoen. De relativiteitstheorie is met andere woorden een perfect instrument om problemen te bestuderen zoals de vorming van sterrenstelsels, de beweging van planeten en sterren, de uitdijing van het heelal of het ontstaan van zwarte gaten.
Maar wanneer men wil onderzoeken wat er zich in het hart van de materie afspeelt, dan laat de relativiteitstheorie het afweten. De 'micro-wereld' van fotonen, elektronen, quarks en andere kleine deeltjes blijkt totaal andere wetten te volgen dan die van de relativiteitstheorie. Hier geldt dan ook een andere theorie, met name de kwantumtheorie.
Ook de kwantumtheorie vond haar oorsprong in de twintigste eeuw. De basis ervan werd reeds in het jaar 1900 door Max Planck en Einstein gelegd. De verdere uitwerking ervan zou in de daarop volgende dertig jaar volgen.
Een nieuwe blik op de werkelijkheid
Meer dan andere theorieën is de kwantumtheorie gehuld in een waas van geheimzinnigheid. Ze vertrekt vanuit een volledig nieuwe visie van de realiteit. Volgens de kwantumtheorie mag men zich de kleinste deeltjes in de natuur niet langer voorstellen als kleine materiële bolletjes die zich op een bepaalde plaats bevinden. Ons vroeger beeld van een atoom klopt niet meer. Wij mogen ons een atoom niet langer voorstellen als een soort mini planetenstelsel, zoals op de afbeelding hieronder voorgesteld wordt.
Copyright afbeelding: Publiek domein
Volgens de kwantumtheorie leiden elektronen, fotonen, protonen en alle andere kleine deeltjes geen gewoon materieel bestaan in hun 'mini-wereld'. Over die kleinste deeltjes kan men enkel zeggen dat ze zich 'ergens' in de ruimte bevinden, waar ze zich 'juist' bevinden kan men niet bepalen. Men kan alleen met een zekere 'waarschijnlijkheid' bepalen waar ze zich bevinden. Kwantumdeeltjes leiden met andere woorden geen normaal materieel bestaan, maar wel een 'virtueel' bestaan, en dit virtueel bestaan kan enkel beschreven worden met behulp van een wiskundige functie..
Voor alle duidelijkheid: deze vaststelling heeft niets te maken met de nauwkeurigheid van meetinstrumenten of waarnemingstechnieken. De kleinste deeltjes leiden gewoon een virtueel bestaan en het is ons eigen voorstellingsvermogen dat beperkt is en zijn limieten heeft. De kwantumtheorie verplicht ons bijgevolg om op een totaal andere manier naar de ons omringende materie te kijken.
Begrijpe wie kan...
Je zal waarschijnlijk opwerpen dat dit onmogelijk is of dat je er niets van begrijpt. Maar treur niet, je bent niet alleen. "Wie zegt dat hij de kwantumtheorie begrijpt, bewijst door dergelijke uitspraak juist dat hij er niets van heeft begrepen". Dit is geen goedkoop citaat. Het zijn woorden van niemand minder dan Niels Bohr, een van de vaders van de kwantumtheorie.
Maar, als kleine deeltjes volgens de kwantumtheorie een probabilistisch bestaan leiden, hoe kan men dan weten dat die deeltjes echt bestaan? Hier voltrekt zich het wonder van de kwantumtheorie. Volgens de kwantumtheorie worden die kleine deeltjes, van zodra men ze waarneemt, verplicht om uit hun virtuele wereld van waarschijnlijkheid te treden en zich voor te doen als reële deeltjes met specifieke eigenschappen. Kwantumdeeltjes leiden met andere woorden een duaal bestaan: ze bestaan 'virtueel' als men ze niet waarneemt, maar als men ze waarneemt worden ze verplicht om uit hun dualiteit te treden en een 'reëel' bestaan te leiden. Het is alsof de wereld van de microdeeltjes het niet apprecieert dat men ernaar kijkt omdat ze dan verplicht worden uit hun normale toestand van waarschijnlijkheid te treden. Anders gezegd: het waarnemen van hun wereld is hun wereld 'verstoren'.
De onzekerheidsrelatie
Dit duaal gedrag van de materie leidt ons naar een andere belangrijke eigenschap van de wereld van het extreem kleine: de onzekerheidsrelatie van Heisenberg. Volgens deze onzekerheidsrelatie blijkt het onmogelijk om tegelijk op een nauwkeurige manier én de snelheid van een deeltje én zijn juiste locatie te bepalen. Hoe nauwkeuriger men één van beide grootheden wil meten, des te groter zal de onnauwkeurigheid zijn op de andere grootheid.
Het is niet te verwonderen dat de kwantumtheorie is uitgegroeid tot één van de meest verwarrende theorieën ooit. Ze is lange tijd, ook nu nog, het onderwerp geweest van hevige wetenschappelijke controverses. De discussies die Bohr en Einstein hierover voerden op de Solvay-conferentie van 1928 in Brussel zijn legendarisch. Was het dan zo dat de natuur weigerde onder een bepaalde limiet haar geheimen prijs te geven? Einstein kon zich bij dergelijke visie niet neerleggen. Hij wou niet aannemen dat de wereld van het superkleine uiteindelijk bepaald werd door een soort "probabilistisch spel met dobbelstenen" (sic).
Of je nu voor of tegen de kwantumtheorie bent, het is vandaag de enige theorie die ons helpt het gedrag van de kleinste deeltjes in de natuur te verklaren. Tal van concrete toepassingen in ons dagelijks leven zagen dankzij de kwantumtheorie het leven.
Draaiende deeltjes
Kwantumdeeltjes hebben een belangrijke eigenschap die men de 'spin' (to spin = draaien) of draaiing van het deeltje noemt. De spin kan men zich best voorstellen als het draaien van een kwantumdeeltje rond zijn as. Hieronder worden twee kwantumdeeltjes voorgesteld met tegengestelde spin. Die voorstelling kan verwarrend overkomen omdat de spin van een kwantumdeeltje niets te maken heeft met het impulsmoment zoals men het in de klassieke fysica kent. Men moet de spin of het draaien van kwantumdeeltjes enkel zien als een manier om een bepaalde kwantumeigenschap van deeltjes weer te geven.
Copyright afbeelding: Publiek domein
Aangezien deeltjes op twee manieren rond hun as kunnen draaien, in wijzerzin of in tegenwijzerzin, zal men aan elk deeltje ofwel een 'up' of 'down', een 'op'-spin of een 'neer'-spin toekennen. Ook voor de spin van een kwantumdeeltje zijn de kwantumprincipes van toepassing. Dit betekent dat zolang het kwantumdeeltje niet waargenomen wordt, dit deeltje een as kan hebben die in om het even welke richting kan draaien. Het heeft in die toestand dus een quasi oneindig aantal draairichtingen. Maar eenmaal men dit deeltje waarneemt, zal het één welbepaalde draairichting aannemen. Ook de spin van een deeltje treedt dan uit zijn 'wazig' bestaan. Op bovenstaande afbeelding wordt een deeltje voorgesteld met een spin in de richting noord-zuid.
Verstrengelde deeltjes
In de kwantumwereld zijn kwantumdeeltjes vaak twee aan twee met elkaar verstrengeld. Ze doen zich dan voor als paren en vormen één systeem. Deeltjes afzonderlijk te beschrijven wordt onmogelijk. Bij verstrengelde deeltjes zal elke wijziging aan de toestand van één van beide deeltjes automatisch een gevolg hebben voor het andere deeltje. Die verandering die het tweede deeltje ondergaat als gevolg van verandering aan het eerste deeltje, gebeurt daarbij ogenblikkelijk, waar dit tweede deeltje zich ook moge bevinden.
Nemen we als voorbeeld een elektronenpaar waarin beide elektronen een tegengesteld spin hebben. Indien het eerste elektron een up-spin heeft, dan zal het tweede een down-spin hebben. Maar wanneer men de spin van het eerste elektron verandert, dan zal ogenblikkelijk ook de spin van het tweede elektron veranderen, zodat de spin van beide elektronen steeds verschillend blijft.
Deze geheimzinnige eigenschap blijft daarbij behouden, zelfs al bevindt het tweede elektron zich aan de andere kant van onze Melkweg (zie afbeelding hieronder). De werking op afstand tussen de verstrengelde elektronen is dus niet gebonden aan één bepaalde lokaliteit. In de kwantumtheorie heerst het principe van de 'niet-lokaliteit'.
Copyright afbeelding: Publiek domein
Deze kwantumeigenschap heeft verstrekkende gevolgen, want het blijkt dus mogelijk te zijn om ogenblikkelijk een bepaalde informatie te versturen naar een totaal andere plaats. Informatie kan dus ogenblikkelijk 'geteleporteerd' worden, en dit zal in de toekomst zeker gebruikt worden voor nieuwe technologische toepassingen..
Hoe kan dit?
De 'niet-lokaliteit' is en blijft nog altijd een grote vraag in de fysica. Hoe kan informatie aan een snelheid hoger dan de lichtsnelheid worden verstuurd?
Dit fenomeen is zo verwonderlijk dat Einstein het nooit heeft willen aanvaarden. Volgens hem was de kwantumtheorie daarom nog een onvolledige theorie en moest er nog een onderliggende verklaring worden gevonden worden. Immers volgens hem "speelt God niet met dobbelstenen" (sic).
Tekst: Emile Beyens, 25 augustus 2024