100
jaar kwantummechanica
De
geboorte van een nieuwe werkelijkheid - 14-12-2000
Op
14 december 1900 presenteerde Max Planck aan de Duitse Natuurkundige
Kring een paper waarin hij voorstelde dat energie enkel kan worden
ontvangen en verzonden in afzonderlijke pakketjes, die hij kwanta
noemde. Het duurde enkele jaren voor de reikwijdte van die stelling
doordrong, maar nu wordt dit algemeen aanzien als het moment waarop
de kwantummechanica werd geboren.
Kwantummechanica
is de tak van de natuurkunde die het gedrag van materie en licht op
atomaire en subatomaire schaal bestudeert. De wereld van het allerkleinste,
zeg maar. Kwantummechanici pakken wel eens uit met de boutade ‘wie
zegt dat hij de kwantumtheorieën begrijpt, heeft er niks van begrepen’.
Een mooi uitgangspunt, dat frustratie bij voorbaat vermijdt, maar
vooral te maken heeft met het eigenaardige karakter van die wereld
van het allerkleinste.
Kwantummechanica gaat in tegen het gezonde verstand, tegen de manier
waarop we de alledaagse wereld ervaren en begrijpen. In de kwantumwereld
zijn oorzaak en gevolg niet noodzakelijk met elkaar verbonden, kunnen
subatomaire deeltjes zich op twee plaatsen tegelijk bevinden tot iemand
het meet en kan licht zowel een golf als een deeltje zijn.
Op 14 december zal in Berlijn het startschot worden gegeven voor een
week van festiviteiten. Dan is het immers precies 100 jaar geleden
dat Max Planck een paper voorstelde die nu algemeen beschouwd
wordt als de eerste steenlegging voor het kwantumtheoretische bouwwerk,
waarin nu een schier oneindige reeks wetenschappelijke disciplines
en praktische toepassingen onderdak hebben gevonden. Nochtans was
hij, net als andere natuurkundigen in die tijd, enkel op zoek naar
een beschrijving van de manier waarop de kleur (de spectrale kenmerken)
van warmtestraling samenhangt met de temperatuur van het object.
Op dat moment werd algemeen aanvaard dat licht zich gedraagt als een
golf, een wereld die streng gescheiden was van de manier waarop deeltjes
zich gedragen. Planck kwam met een vergelijking op de proppen die
mooi klopte met de resultaten van experimenten, maar kon aanvankelijk
niet verklaren waarom deze vergelijking de juiste was. Op 14 december
1900 stelde hij toch een uitleg voor, maar noemde die zelf een ‘wanhoopspoging’.
De oplossing bestond erin te aanvaarden dat atomen energie in aparte
pakketjes, door Planck kwanta genoemd, uitstralen en niet in de continue
golven die de elektromagnetische theorie veronderstelt. Een revolutionaire
gedachte, maar Planck, die zichzelf altijd als een brave en oplettende
burger beschouwde, bekeek het als een theoretische constructie die
geen uitstaans had met wat er in werkelijkheid gebeurde. Desondanks
kreeg hij in 1918 een Nobelprijs voor zijn ontdekking.
In 1905 zag een jonge klerk in een patentenbureau, Albert Einstein,
meer in Plancks hypothese. Hij ontdekte dat ook het fotoelectrisch
effect - de uitstoot van electronen wanneer een metalen oppervlak
beschenen wordt met licht of x-stralen - verklaard kon worden door
licht te beschouwen als een verzameling kleine energiebundeltjes:
fotonen. Het leverde hem een Nobelprijs op in 1921.
Ook in 1905 ontdekte Rutherford de atomaire kern, een idee
dat in 1913 door Niels Bohr verder werd uitgewerkt. Hij stelde
voor een atoom als een miniatuur-zonnestelsel te beschouwen, waarbij
elektronen als planeten om de atoomkern cirkelden. Elektronen kunnen
daarbij niet eender welke omloop volgen, maar krijgen slechts de keuze
tussen enkele banen. Meteen was verklaard waarom een atoom niet instort:
de laagste omloop is nog steeds een eindje van de kern verwijderd.
Het verklaart ook waarom verschillende elementen straling uitzenden
in specifieke golflengten. Deze corresponderen met de energie die
wordt vrijgegeven of geabsorbeerd als een electron naar een andere
baan springt. Bohr ontving voor deze ontdekking de Nobelprijs in 1922,
ook al bleek later dat zijn theorie enkel opgaat voor het meest eenvoudige
waterstofatoom. Dat deed Max Born, een ander groot fysicus,
besluiten dat “het hele conceptuele systeem van de fysica van de grond
opnieuw moet worden opgebouwd”.
De Eerste Wereldoorlog zette tijdelijk een rem op de ontwikkelingen
in de kwantummechanica, maar vanaf de jaren ‘20 gaat de kennis over
de wereld van het allerkleinste met sprongen vooruit en worden zelfs
twee verschillende kwantumtheorieën opgesteld.
Werner
Heisenberg, Max Born en Pascual Jordan stelden een
complete en consistente kwantumtheorie op, gebaseerd op Heisenbergs
overtuiging dat de fysica gebaseerd moet worden op wat kan worden
gezien en/of gemeten. Met behulp van matrices kon Heisenberg een aantal
eigenschappen van subatomaire deeltjes berekenen, maar moest toen
vaststellen dat de uitkomst afhing van de volgorde van de berekeningen.
In 1927 kwam hij dan met het befaamde onzekerheidsprincipe voor de
dag, dat stelt dat het onmogelijk is zowel de positie als de snelheid
van een deeltje te meten. Een van beiden kan wel, beiden tegelijk
echter niet.
Dat heeft niets te maken met de gebruikte meetapparatuur en het is
niet zo dat we kunnen hopen dat een verdere verfijning van de meetinstrumenten
het ooit mogelijk zal maken beide eigenschappen gelijktijdig te meten.
Omdat de daad van meten zelf het systeem verstoort, kan hoogstens
gemeten worden wat de staat van het systeem is na deze interactie.
Heisenberg kreeg een Nobelprijs in 1932 voor zijn bijdrage aan de
kwantummechanica.
De matrix-formulering van de kwantumtheorie maakt gebruik van erg
geavanceerde wiskunde en zelfs topmathematici hadden moeilijkheden
om ze toe te passen. Maar er stond een andere interpretatie aan te
komen, die zijn oorsprong vindt bij de Franse aristocraat Louis
de Broglie. Hij stelde zich in zijn doctoraatsthesis de vraag
of deeltjes zich niet als een golf konden gedragen. Dat werd later
experimenteel bevestigd door Clinton Davisson en George
Thomson die hiervoor, jawel, een Nobelprijs kregen in 1937. Overigens
had de vader van George Thomson, Joseph Thomson, in 1906 een
Nobelprijs ontvangen voor zijn bewijs dat het electron een deeltje
is.
De Brognies werk inspireerde Erwin Schrödinger, die het electron
niet als een punt of als een tabel (of matrix) bekijkt, maar als een
golffunctie, een wiskundige entiteit die door Born werd verklaard
als de kans om een electron op een bepaalde plaats te vinden. Daarmee
veroverden noties waar klassieke fysici een ernstige allergie voor
hadden ontwikkeld - kans en waarschijnlijkheid in plaats van voorspelbaarheid
en zekerheid - definitief een plaatsje in de natuurkunde. In 1933
kreeg Schrödinger een Nobelprijs voor zijn werk.
Aanhangers van beide kwantumtheorieën vonden elkaars oplossingen maar
niks. Heisenberg noemde Schrödingers theorie “walgelijk”, maar andere
natuurkundigen vonden Heisenbergs constructie dan weer niet om aan
te zien. Veel maakte het allemaal niet uit, want beide theorieën bleken
mathematisch equivalent te zijn.
Nog was niet iedereen tevreden. In 1928 verbond Paul Dirac
Einsteins bijzondere relativiteitstheorie met de kwantummechanica,
voorspelde en passant het bestaan van antimaterie en stond aan de
basis van de ontwikkeling van een nieuwe interpretatie van de kwantumtheorie,
de kwantum veld-theorie, die vandaag in de deeltjesfysica algemeen
gebruikt wordt. Het Nobelprijscomité kon niet meer volgen en Dirac
moest zijn Nobelprijs in 1933 delen met Schrödinger.
Inmiddels is de kwantummechanica overal. Het heeft de logica achter
het Periodiek Systeem van Mendeljev blootgelegd, heeft geholpen de
nucleaire processen in de zon bloot te leggen, vindt zijn toepassing
in cd-spelers enzovoort. Het heeft de basis van de klassieke natuurkunde
grondig gesloopt en is een wetenschappelijke revolutie geweest die
de aanblik van de wereld voorgoed veranderde.
De eigenaardige conclusies waartoe de kwantummechanica hebben geleid,
kunnen niet iedereen bevredigen. Einstein erkende de grote waarde
ervan, maar zei ook dat “de theorie ons niet dichter bij het geheim
van ‘De Oude’ brengt. Hij (God) speelt niet met dobbelstenen”. Kwantummechanica
wordt nu gebruikt om alle natuurlijke fenomenen te verklaren, op de
zwaartekracht na. Men is nu op zoek naar de Grote Geünificeerde Theorie,
die zwaartekracht en kwantumtheorie met elkaar moet verzoenen. De
kandidaat die daarbij nu het meeste aandacht krijgt is de supersnaartheorie,
waarbij de werkelijkheid wordt gezien als bestaande uit kleine snaren,
die vibreren in een 10-dimensionele ruimte. Maar eigenlijk weet men
nog altijd niet wat een electron nu precies is. Er is wel een theorie
die uitstekend blijkt te werken, ook al gaat zij het rationele begripsvermogen
te boven. En voorlopig is dat meer dan genoeg.
(DdV)
Related links:
Albert
Einstein
Een mooi vormgegeven en toegankelijke introductie
in de kwantummechanica
©
David de Vaal
