Natuur, balans en harmonie

Lode Stevens

Je zou het niet zeggen, maar kwantumfysica wordt al decennia toegepast in de sterrenkunde. We denken maar aan de eigenaardige singulariteit van zwarte gaten, aan neutronensterren en witte dwergen, waar de tegendruk niet geleverd wordt door kernreacties maar door het uitsluitingsprincipe van Pauli. Dit principe zegt dat der geen twee elementaire deeltjes in dezelfde kwantumtoestand (energie) kunnen voorkomen, zodat elektronen (witte dwergen) en neutronen niet als het ware tegen elkaar kunnen gedrukt worden.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Velen worden afgeschrikt door het woord kwantummechanica. Dit is zo “tegennatuurlijk”, zo tegen ons dagelijks gezond verstand in. Richard Feynman heeft ooit gezegd dat hij (of zij) die beweert kwantummechanica te verstaan, er niet voldoende van verstond om te verstaan dat hij (of zij) het eigenlijk niet verstaat.

En toch kunnen we in het dagelijkse leven niet zonder kwantummechanica: CD-speler, computer, PET – andere scaners, plasmaschermen, supergeleiding, elektronenmicroscoop, kernenergie (zon en sterren) laser.

De klassieke mechanica is deterministisch. Ze kan, in principe, ondubbelzinnige voorspellingen doen. De uitkomst van het experiment ligt feitelijk al vast voordat we meting verrichten. Dit kunnen we in het de kwantumtheorie niet meer toepassen. De theorie is immers indeterministisch: ze lever de waarschijnlijkheid dat een bepaald meetresultaat gevonden worden. Het resultaat zal plaatsvinden, zeg me echter niet waar en wanneer.

Laten we aanvangen met het beroemde tweespleten experiment. Sinds Newton (deeltjes) en Huygens (golven, zij het dat hij longitudinale golven bedoelde) werd er geredetwist over de aard van licht. In de negentiende eeuw voerde Thomas Young een beroemd experiment uit.

Met een lamp belichtte hij via een nauwe spleet twee andere dicht bij elkaar staande spleten, die alzo dienst deden als twee coherente lichtbronnen. Op een ververwijderd scherm constateerde hij een centrale heldere streep omgeven aan beiden kanten door afwisselend donkere en lichte strepen: interferentie. De heldere en donkere strepen op het scherm wijzen erop dat bij licht additieve en destructieve effecten optreden. Licht is bijgevolg een golfverschijnsel, specifiek een elektromagnetische golf, want hoe kunnen deeltjes, bijvoorbeeld elektronen, destructief met elkaar reageren.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

In 1900 toonde Max Planck aan dat verscheidene effecten in de fysica alleen uitgelegd konden worden als we licht beschouwen als bestaande uit deeltjes(fotonen). Vele experimenten volgden, die inderdaad aantoonden dat licht bestond uit fotonen. Eentje was de verklaring, door Albert Einstein die hiervoor de Nobelprijs ontving, van het foto-elektrisch effect. Vraag: waaruit bestaat licht nu eigenlijk? De oplossing kwam in begin van de 20 ste eeuw van de Broglie: licht bezit een dualistisch karakter.

Toen kwam de mogelijkheid om licht foton per foton (in plaats van met biljoenen tegelijk) door de spleten van het experiment van Young te sturen. En van het resultaat viel men zowat achterover: voerde men dit experiment voldoende lang uit dan verscheen er ook het klassieke interferentiepatroon. Hoe moet je dit interpreteren?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Het antwoord is eenvoudig: het eenzame foton is door beide openingen gegaan. Een deeltje dat door dat door beide openingen tegelijk gaat? Ja, indien we aannemen dat een foton dan slechts een deeltje is als het scherm wordt waargenomen ( de meting). Vooraleer de meting gebeurt, is het foton een golffunctie, een waarschijnlijkheidsgolf ( niet te vergelijken met golven op zee).

Nadien heeft men de proef van Young uitgevoerd met elektronen, met protonen, met atomen, met ionen en steeds bekwam men hetzelfde interferentiepatroon. Het idee dat de elementaire deeltjes objectief bestaan, onafhankelijk van of ze worden waargenomen of niet, zoals personen, bomen en sterren is bijgevolg vals ( Werner Heisenberg).

Indien we bij een van beide spleten (of bij allebei) een detector plaatsen die ons leert langs welke spleet het foton of ander deeltje is gegaan, dan bekomt men geen interferentiepatroon. Men heeft een experiment uitgevoerd waarin we weten welke weg het deeltje heeft genomen. En zolang we dit kunnen weten, kan het deeltje niet langs beide spleten tegelijkertijd zijn gegaan en verschijnt er bijgevolg geen interferentiepatroon. Zelfs indien we niet naar de detector kijken, krijgen we geen interferentiepatroon omdat de mogelijkheid bestaat om te weten langs waar het deeltje is gegaan. Om een interferentiepatroon te bekomen mag zelfs de mogelijkheid van kennis van de gevolgde weg niet bestaan. Bestaat de mogelijkheid van het kennen van de gevolgde weg niet, dan moet er zich een interferentiepatroon vormen.

 

 Waarmee we dan aanbeland zijn bij de tweede grote peiler van de kwantummechanica:

het onzekerheidsbeginsel van Heisenberg.
Veronderstel eens even dat je een virus wil zien, gebruik makende van zichtbaar licht. Dit is hopeloos. Immers het virus is te klein of anders gezegd, de gebruikte golflengte is te groot. We moeten hiervoor golven met zeer kleine golflengte (grote frequentie) gebruiken zoals in een elektronenmicroscoop. Hierbij moeten we dan bedenken dat de energie van een golf rechtevenredig is met zijn frequentie (omgekeerd evenredig met de golflengte)

 

En nu willen we een elektron te zien krijgen. We willen bijgevolg zijn positie nauwkeurig bepalen. Daarvoor moeten we bestralen met zeer korte golflengten (enorm veel energie), zodat we geen zinnig woord meer kunnen zeggen over de snelheid (het moment) van het elektron. Omgekeerd, bestralen we met een grote golflengte, dan kennen we de snelheid van het deeltje (die veranderen we immers niet, we gebruiken te weinig energie), maar zijn we alle informatie aangaande de positie van het elektron kwijt (we “zien” het niet). Het is dus uitgesloten dat we tegelijkertijd en het moment (mv) en de positie(x) van het elektron nauwkeurig kunnen kennen. Hoe nauwkeuriger we het ene kennen, des te waziger wordt het andere. We kunnen het ook anders (relativistisch) formuleren: hoe nauwkeuriger we de energie (E) van een elementair deeltje kennen, hoe minder we te weten komen op welk moment (t) het deeltje die energie bezat.

 

De Copenhageninterpretatie van de kwantummechanica zegt bijgevolg dat we niet kunnen spreken van een elementair deeltje, tenzij het wordt waargenomen. We moeten ook rekening houden met de waarnemer (de meeting). In de klassieke mechanica speelde de waarnemer helemaal geen rol, hij was volstrekt neutraal en onafhankelijk.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Nu bedacht John Bell in 1964 op CERN een experiment om na te gaan hoever klassieke – en kwantummechanica van elkaar verwijderd zijn. Hij beschreef een experiment waarbij men kon meten dat een elementair deeltje kon “communiceren” met een ander dat zover ervan verwijderd was dat zelfs licht die afstand in die tijd kon overbruggen. En in 1984 lukte het Alain Aspect dit experiment uit te voeren, met succes. Twee aan elkaar gekoppelde deeltjes (totale spin nul) bewogen uit elkaar. Veranderde men de spin van het ene deeltje, dan gebeurde dit ook automatisch met het andere, alhoewel beide deeltjes zover van elkaar verwijderd waren dat communicatie met de lichtsnelheid onmogelijk was.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Het Aspectexperiment

 

Bell’s theorema luidt dan ook: niet alleen bestaan de elementaire deeltjes waaruit de wereld is opgebouwd niet als dusdanig, tenzij ze worden waargenomen ( de gekende Copenhageninterpretatie), ze zijn zelfs, op het meest essentiële niveau, niet afzonderlijk identificeerbaar van andere deeltjes, arbitrair ver ervan verwijderd.

 
John Bell formuleerde het onzekerheidsbeginsel in termen van wat we kunnen kennen of wat we niet kunnen kennen in een experiment.

 

Bron: Lezing Tony Dethier 19/02/2005 Europlanetarium Genk

 

Kwantumfysica