Kwantummechanica

De kwantummechanica is een tak van de natuurkunde die het gedrag bestudeert van deeltjes zoals atomen, elektronen en fotonen, maar ook van bijna alles wat zich op moleculair en submoleculair gebied bevindt.

De conclusies van de kwantummechanica, die in de eerste helft van de twintigste eeuw werd ontwikkeld, zijn vaak bizar en contra-intuïtief.

WAT IS HET VERSCHIL TUSSEN KWANTUMMECHANICA EN KLASSIEKE NATUURKUNDE?
Veel van de vergelijkingen van de klassieke mechanica, die de beweging en interacties van dingen met gewone afmetingen en snelheden verklaren, zijn nutteloos op de schaal van atomen en elektronen.

Voorwerpen bestaan in de klassieke mechanica op een bepaalde plaats en op een bepaald moment. Voorwerpen in de kwantumfysica bestaan in een wolk van waarschijnlijkheid; ze hebben een specifieke kans om op punt A te bestaan, een andere kans op punt B, enzovoort.

WANNEER VERSCHEEN DE KWANTUMMECHANICA VOOR HET EERST?

Volgens de Universiteit van St. Andrews in Schotland heeft de kwantummechanica zich in de loop van tientallen jaren ontwikkeld, beginnend als een verzameling omstreden wiskundige verklaringen voor waarnemingen die de klassieke natuurkunde niet kon verklaren (opent in nieuw tabblad). Het begon rond dezelfde tijd dat Albert Einstein zijn relativiteitstheorie publiceerde, een andere revolutie in de natuurkunde die de beweging van objecten met hoge snelheden beschrijft. In tegenstelling tot de relativiteitstheorie kan de kwantummechanica echter niet worden teruggevoerd op één enkele wetenschapper. Integendeel, in de late jaren 1800 en de jaren 1930 hebben verschillende wetenschappers bijgedragen tot een fundament dat geleidelijk erkenning en experimenteel bewijs verwierf.

Volgens het Perimeter Instituut probeerde de Duitse natuurkundige Max Planck in 1900 te verklaren waarom voorwerpen bij een bepaalde temperatuur, zoals de gloeidraad van een gloeilamp van 1.470 graden Fahrenheit (800 graden Celsius), een bepaalde kleur hadden – in dit geval rood (opent in nieuw tabblad). Planck begreep dat de vergelijkingen die de natuurkundige Ludwig Boltzmann gebruikte om het gedrag van gassen te beschrijven, konden worden gebruikt om de temperatuur-kleurrelatie te verklaren. Het probleem was dat het werk van Boltzmann gebaseerd was op het idee dat elk afzonderlijk gas uit kleine deeltjes bestaat, wat impliceert dat licht ook uit afzonderlijke deeltjes bestaat.

Deze theorie druiste in tegen het gangbare geloof in die tijd, toen de meeste wetenschappers dachten dat licht een continue golf was, niet een klein pakketje. Planck geloofde niet in atomen of discrete lichtdeeltjes, maar Einsteins publicatie “Concerning a Heuristic Point of View Toward the Emission and Transformation of Light” (opent in een nieuw tabblad) in 1905 gaf zijn theorie een impuls.

Licht, volgens Einstein, verplaatst zich niet als een golf maar als “energiekwanta”. Dit pakketje energie kan volgens Einsteins onderzoek “alleen in zijn geheel worden geabsorbeerd of opgewekt” wanneer een atoom “springt” tussen gekwantificeerde trillingsfrequenties. Hieraan dankt de kwantummechanica haar “kwantum” naam.

In zijn werk gebruikte Einstein deze nieuwe manier van denken over licht om het gedrag van negen verschijnselen te verklaren, waaronder de exacte kleuren die Planck beschreef als uitgezonden door een gloeilampgloeidraad. Hij beschreef ook hoe het foto-elektrisch effect werkt, dat optreedt wanneer specifieke tinten licht elektronen verdrijven van metalen oppervlakken.

GOLF-DEELTJE DUALITEIT: WAT IS HET?

Licht diffractie. Experiment met twee spleten. Theorie van de jonge lichtgolven

Het experiment met de dubbele spleet, waarbij elektronen een golfpatroon genereren wanneer twee spleten worden gebruikt, wordt in dit diagram afgebeeld. (Foto credit: Shutterstock/grayjay)
(een nieuw tabblad wordt geopend)
In de kwantummechanica kunnen deeltjes tegelijkertijd als golven en als deeltjes bestaan. Het dubbele-spleetexperiment, waarbij deeltjes zoals elektronen worden afgevuurd op een bord met twee spleten erin en een scherm erachter dat oplicht als een elektron het raakt, is hiervan het beroemdste voorbeeld. Volgens een beroemd artikel in Nature zouden de elektronen, als ze deeltjes waren, twee schitterende lijnen achterlaten op de plaats waar ze het scherm hadden geraakt nadat ze door een van de spleten waren gegaan (opent in een nieuw tabblad).

In plaats daarvan verschijnt er een interferentiepatroon op het scherm wanneer het experiment wordt uitgevoerd. Alleen als de elektronen golven zijn met pieken (hoge punten) en dalen (lage punten) die met elkaar kunnen interfereren, is dit patroon van donkere en lichte banden zinvol. Het interferentiepatroon verschijnt zelfs wanneer een enkel elektron tegelijk door de spleten wordt geschoten – een resultaat dat vergelijkbaar is met een enkel elektron dat met zichzelf interfereert.

De vergelijkingen van Einsteins speciale relativiteitstheorie (opent in een nieuw tabblad) werden in 1924 door de Franse natuurkundige Louis de Broglie gebruikt om aan te tonen dat deeltjes golfachtige kenmerken kunnen vertonen en dat golven deeltjesachtige kenmerken kunnen vertonen, een ontdekking waarvoor hij een paar jaar later de Nobelprijs kreeg (opent in een nieuw tabblad).

HOE WORDEN ATOMEN BESCHREVEN IN DE KWANTUMMECHANICA?
Niels Bohr, een Deense natuurkundige, probeerde in de jaren 1910 de kwantummechanica te gebruiken om de inwendige structuur van atomen te beschrijven. Op dat moment was bekend dat een atoom bestond uit een dichte, positief geladen kern, omgeven door een zwerm kleine, negatief geladen elektronen. Bohr rangschikte de elektronen in banen rond de kern, vergelijkbaar met planeten in een subatomair zonnestelsel, behalve dat hun baanafstanden beperkt waren. Het atoom kan bij bepaalde energieën straling opvangen of afgeven door van de ene baan naar de andere te springen, wat hun kwantumkarakter weerspiegelt.

Volgens de American Physical Society werkten twee wetenschappers onafhankelijk van elkaar en gebruikten zij afzonderlijke lijnen van wiskundig denken om kort daarna een vollediger kwantumbeeld van het atoom op te bouwen (opent in nieuw tabblad). Werner Heisenberg, een Duitse natuurkundige, bereikte dit door de “matrixmechanica” op te stellen. Erwin Schrödinger, een Oostenrijks-Ierse natuurkundige, ontwikkelde een vergelijkbare theorie die bekend staat als de “golfmechanica”. In 1926 toonde Schrödinger aan dat deze twee manieren vergelijkbaar waren.

Het vroegere Bohr-model van het atoom werd vervangen door het Heisenberg-Schrödinger-model, waarin elk elektron als een golf rond de kern van een atoom werkt. Elektronen gehoorzamen aan een “golffunctie” en bezetten “banen” in plaats van banen in het Heisenberg-Schrödingermodel van het atoom. In tegenstelling tot de cirkelvormige banen van het Bohr-model, komen atomaire banen voor in een scala van configuraties, variërend van bollen tot halters tot madeliefjes, volgens de website van wetenschapper Jim Clark (opent in nieuw tabblad).

WAT IS DE PARADOX VAN DE SCHRÖDINGER’S KAT?

De kat van Schrödinger is een vaak verkeerd geïnterpreteerd gedachte-experiment dat de bedenkingen van sommige van de vroege ontwikkelaars van de kwantummechanica over de uitkomsten weergeeft. Terwijl Bohr en veel van zijn studenten geloofden dat de kwantummechanica impliceerde dat deeltjes geen welomschreven eigenschappen hebben totdat ze worden gedetecteerd, konden Schrödinger en Einstein dat niet geloven omdat het zou leiden tot absurde conclusies over de aard van de werkelijkheid. In 1935 stelde Schrödinger een experiment voor waarbij het leven of de dood van een kat zou worden bepaald door het willekeurig omdraaien van een kwantumdeeltje, waarvan de toestand verborgen zou blijven totdat de doos werd geopend. Schrödinger wilde met een voorbeeld uit de werkelijkheid, dat berustte op het probabilistische karakter van een kwantumdeeltje maar een onzinnig resultaat opleverde, de belachelijkheid van Bohr’s opvattingen aantonen.

Totdat de doos werd geopend, bestond de kat in de ondenkbare tweeledige toestand van tegelijkertijd levend en dood zijn, volgens Bohr’s theorie van de kwantummechanica. (Dit experiment is nooit uitgevoerd op een echte kat.) Dit heeft er volgens zowel Schrödinger als Einstein toe bijgedragen om aan te tonen dat de kwantummechanica een onvolmaakte theorie was die spoedig zou worden ingehaald door een theorie die overeenkwam met de dagelijkse ervaring.

Deel dit