Kwantummechanica
De eerste stappen in de wereld van kwantummechanica werden gezet in het begin van de twintigste eeuw. Op dat moment begonnen onderzoekers tegen zaken aan te lopen die ze niet konden verklaren aan de hand van de regels van de ‘klassieke’ natuurkunde. Welke dat waren valt buiten het bestek van dit artikel, maar de oplossing die zij vonden voor de discrepantie tussen wat men verwachtte op basis van de bestaande wetmatigheden en wat theorie en experimenten voorspelden, was ‘kwantiseren’.
Daar komt dan ook de naam van de kwantummechanica vandaan: binnen dit wetenschapsgebied is alles gekwantiseerd, oftewel opgedeeld in discrete pakketjes in plaats van onderdeel van een continuüm. Dit geldt voor veel verschillende subatomaire deeltjes, waaronder bijvoorbeeld licht. In plaats van ervan uit te gaan dat licht een geheel is, stelde Max Planck dat het eigenlijk was samengesteld uit pakketjes van energie (die we nu fotonen noemen). Er is een bepaalde minimumhoeveelheid aan energie die lichtdeeltjes moeten hebben, en de energie moet altijd een veelvoud hiervan zijn. Om een voorbeeld te gebruiken uit de dagelijkse praktijk: als je naar de supermarkt gaat om bananen te kopen, dan kan je er een kopen, of vijf, maar geen halve banaan. Bananen in de supermarkt zijn dus gekwantiseerd. Zo zit het ook met de hoeveelheid energie die lichtdeeltjes hebben.
Dit model ken je wellicht nog uit de natuurkundeles, toen het ging over atomen. Ook die werden oorspronkelijk, in de klassieke oudheid al, gedefinieerd als ondeelbare elementen, de basis van materie. Inmiddels weten we dat ook atomen bestaan uit nog kleinere deeltjes – en dat is precies het gebied waarop de regels van de klassieke natuurkunde niet meer opgaan, en die van de kwantummechanica beginnen te gelden.
Deze eerste kwantumtheorie betekende logischerwijs dat licht niet alleen een elektromagnetische golf is, zoals men tot dusver dacht, maar dat het zich ook als deeltje zou kunnen gedragen. Verschillende experimenten hebben dit sindsdien ook aangetoond. De volgende stap was de omgekeerde vaststelling dat zaken die we tot dusver beschouwden als deeltjes, zich ook weer als een golf kunnen gedragen.
Het laatste stuk van de puzzel was dat zeer kleine deeltjes, zoals elektronen, zich kunnen gedragen als golven vóórdat ze zijn waargenomen. Het blijkt namelijk dat de amplitude (zeg maar de sterkte) van de golf op een bepaalde locatie correspondeert met de waarschijnlijkheid dat het deeltje bij een meting daar wordt waargenomen.
Nu we eenmaal weten dat deze zeer kleine deeltjes zich ook als golf kunnen gedragen, wordt aannemelijk dat een deeltje zich tegelijk op meerdere plaatsen kan bevinden – een golf is immers niet tot een plek beperkt, maar is een doorlopend geheel. Echter, op het moment dat we het waarnemen (meten) is dat niet meer mogelijk: we kunnen een deeltje slechts op één plaats tegelijk detecteren. Dit verschijnsel heet een superpositie. Niet alleen de locatie van een deeltje kan een superpositie hebben, maar ook andere eigenschappen – zolang een deeltje zich tenminste als een golf gedraagt.
Omdat we in het dagelijkse leven nooit te maken hebben met deeltjes die zo klein zijn dat ze een golffunctie hebben, is het erg moeilijk voor ons om dit te begrijpen. Zoals aangegeven is dit voor iedereen zo, ook voor experts op dit vlak. Bij grotere objecten heffen kwantumeffecten zoals superpositie elkaar op en merken we er dus niets van.
Ook nu is er nog discussie over wat kwantumeffecten nu precies betekenen. Heeft een deeltje in de kwantummechanica nu twee (of meer) posities, of gewoon geen waarneembare locatie? Vooralsnog is de dominante theorie, met verreweg de meeste volgers dus, de Kopenhagen interpretatie. Deze stelt dat de golffunctie betekent dat we niet alleen niet weten wat de staat van kwantumdeeltjes is tot we ze hebben waargenomen, maar dat ze in objectieve zin ook echt geen definitieve eigenschappen hebben totdat deze zijn waargenomen. Voor dat moment is slechts sprake van een golffunctie, die op het moment van de waarneming “ineenstort” tot een deeltje, waarbij de eigenschappen definitief worden.
Dit heeft nogal bizarre implicaties. We zijn gewend aan een wereld die logisch in elkaar zit, met oorzaken en gevolgen. Dit is het klassieke natuurkundige wereldbeeld zoals beschreven door Newton en Einstein. Er is geen sprake van echte willekeur. Zelfs bij het opgooien van een munt kan je met alle informatie over positie en de kracht die erop gezet wordt van tevoren berekenen of je kop of munt zal krijgen. Bij kwantummechanica is er wel sprake van échte willekeur, ook wel kanseffecten genoemd.
Een goed voorbeeld van zulke kanseffecten is het halfleven van radioactieve atomen, dat aangeeft binnen welke tijd de helft van de deeltjes zijn afgebroken. Of anders gezegd, binnen welke tijdsduur je een vijftig procent kans hebt dat een bepaald deeltje afbreekt. Er zijn echter geen waar te nemen factoren die bepalen of een bepaald atoom wel of niet zal afbreken. Dit is puur een statistische wet. Zo is het ook met andere kwantumeffecten.
