Kwantumfysica. Een intimiderend woord? Een ontzagwekkend woord. Daar brand je als niet-expert je vingers niet aan. Er is een hooggeleerd polemiekje ontstaan over de rechtmatigheid van uitspraken buiten het eigen vakgebied, het eigen specialisme. Onzin natuurlijk, zolang er maar geen onzin verkocht wordt (het polemiekje ontstond tussen bestsellerauteurs) en zolang er maar niet gejat wordt. Meningen over kwantumfysica, zo de eerste polemist, laat iedereen wel graag aan de experts over. Hoe zou dat komen?
De conceptuele stap van onze alledaagse werkelijkheid naar de wereld waar de wetten van de kwantummechanica gelden is erg groot. De grondleggers van de kwantummechanica (Bohr, Heisenberg, Schrödinger) hebben deze stap in de jaren twintig van de twintigste eeuw gezet. Bijna honderd jaar geleden en niemand heeft ook maar iets op de kwantumtheorie kunnen afdingen: de moderne natuurkunde is helemaal gebaseerd op de inzichten die door de grondleggers ontwikkeld zijn. In de klassieke natuurkunde, dus die van vóór de kwantummechanica beschrijven we de baan van een bewegend object door aan te geven op welk moment het op welke plek is. Zo kunnen we bijvoorbeeld precies voorspellen op welk moment de maan zich waar bevindt in haar baan om de aarde. We kennen de kracht tussen aarde en maan (de zwaartekracht), en met behulp van Newtons ‘kracht is massa maal versnelling’ kunnen we de zogenaamde bewegingsvergelijking opstellen, die lossen we op en we hebben de baan.
We zouden dezelfde redenering kunnen volgen om het waterstofatoom te beschrijven, De aarde vervangen we door een proton, de maan door een elektron, de zwaartekracht door de elektrische kracht en klaar. Dit blijkt echter van geen kant te werken. Het elektron cirkelt op een afstand van 10-10 meter rond het proton, wordt dus op zijn cirkelbaan voortdurend ‘de bocht om getrokken’. Dat gebeurt natuurlijk door de elektrische kracht, die zorgt voor een ‘middelpunt zoekende’ versnelling die tot een cirkelbaan leidt. Maar we weten dat versnelde elektrische ladingen straling uitzenden. En als we uitrekenen hoeveel stralingsenergie een elektron op een cirkelbaan van 10-10 meter uitzendt dan blijkt dat zo’n elektron binnen een mum van tijd al zijn energie kwijt is, stil komt te staan en op het proton valt. In contrast met de werkelijkheid: waterstof is stabiel. De bewegingsvergelijking van de kwantummechanica heeft niet als oplossing een precieze baan van het elektron, maar voorspelt waar het elektron op welk moment is met welke waarschijnlijkheid. De waarschijnlijkheid dat het elektron op het proton valt is nul. Het ‘klassieke’ probleem van hierboven wordt in de kwantummechanica automatisch omzeild. De meest waarschijnlijke banen liggen op wel bepaalde afstanden. Hoe verder verwijderd van het proton hoe groter de energie van het elektron. Het energieverschil tussen twee banen komt overeen met een energiekwantum, de banen liggen op ‘gekwantiseerde’ afstand. Niet elke baan is mogelijk. Vandaar de naam kwantummechanica (of kwantumfysica).
De oplossing van de bewegingsvergelijking (in de kwantummechanica heet deze Schrödingervergelijking) is een zogenaamde golffunctie. In plaats van de klassieke baan (plaats als functie van de tijd) vinden we een golf: een amplitude (‘golfhoogte’) als functie van plaats en tijd. De amplitude is een maat voor de waarschijnlijkheid dat, in ons voorbeeld, het elektron zich op een bepaalde tijd op een bepaalde plek bevindt. Dit golfkarakter van deeltjes is radicaal verschillend van het klassieke beeld van materiële objecten. Radicaal verschillend, maar wel ermee te verzoenen. De golflengte is omgekeerd evenredig met de impuls – massa maal snelheid - van het deeltje. Voor het elektron in waterstof is de golflengte van de zelfde orde van grootte als de straal van de baan: dit is het domein van de kwantummechanica. De golflengte van Uw auto is verwaarloosbaar in vergelijking met de afstand naar uw werk: het klassieke domein.
Maar goed: de kwantummechanica beschrijft deeltjes als goven, kent aan plaats en tijd van een deeltje een waarschijnlijkheid toe. Een heel eenvoudig experiment om het golfkarakter aan te tonen is het zogenaamde twee-spletenexperiment. Als een bundel elektronen op een absorberende plaat valt met twee doorlatende spleten (of gaatjes) dicht bij elkaar, op een afstand vergelijkbaar met de golflengte van de elektronen, weten we niet door welk gaatje een individueel elektron passeert. Uit beide gaatjes breidt zich een ‘elektrongolf’ uit, golven versterken en verzwakken elkaar (interfereren) en er ontstaat een karakteristiek interferentiepatroon (strepen of ringen) op een fotografische plaat die als detector dient.
De kwantumfysica heeft inmiddels een onwrikbare experimentele basis. En er worden nog steeds nieuwe, fascinerende experimenten verzonnen. Met als summum, misschien, de kwantumcomputer. Daarin zijn de ‘nulletjes’ en ‘enen’, de bits, van gewone computers vervangen door quantumbits, die met een zekere waarschijnlijkheid nul of een zijn. Zo is het mogelijk meer informatie op te slaan en sneller te rekenen. Praktisch nog ver weg, in principe perfect mogelijk. Microsoft investeert in het onderzoek naar kwantumcomputers!
De kwantumfysica: niet in overeenstemming met onze intuïtie, wel met de werkelijkheid. Ontstaan uit door de menselijke nieuwsgierigheid gedreven onderzoek. Ontdekt door wetenschappers met uitzonderlijke talenten en uitzonderlijke verbeeldingskracht. Toepassingen van de kwantummechanica zijn overal: in computerprocessoren, in geheugenchips, in MRI apparaten, in digitale camera’s enzovoort enzovoort. En nieuwe toepassingen zullen zich blijven aandienen – van grafeen tot kwantumcomputers.
Er is één vraag waar de kwantummechanica geen antwoord op geeft: waarom zit de wereld in elkaar zo als hij in elkaar zit? Waarom volgt de natuur de wetten van de kwantummechanica? Ruimte genoeg om te filosoferen!
Jos Engelen, 4 augustus 2011
