|
6.2 Het relatieve wereldbeeld (het hele kleine)
6.2 Het relatieve wereldbeeld (het hele kleine)
Kwanta De kleinste eenheid die nog de eigenschappen van een element (bv koper) vertoont, heet atoom. Letterlijk betekent dat ‘ondeelbaar’. Maar atomen bleken wel deelbaar te zijn: ze hebben een kern met neutronen en protonen, daar omheen elektronen. In het Periodiek systeem staan alle 118 bekende chemische elementen. De kwantumfysica heeft inmiddels vastgesteld dat die protonen en neutronen op hun beurt zijn samengesteld uit nog kleinere deeltjes: kwanta. Dat bleek uit het onderzoek naar licht afkomstig van gas dat wordt verhit. Dit licht bleek niet als de regenboog uit de kleuren rood t/m blauw te bestaan, die geleidelijk in elkaar overvloeien, dus met alle mogelijke golflengtes. Het liet maar een paar golflengtes zien en welke dat precies zijn, hangt af van het gas. Een kwiklamp geeft andere kleuren (paars, groen, geel) dan een natriumlamp (geel). De verklaring (van Niels Bohr): door verhitting gaan elektronen sneller bewegen en komen in een hogere baan (kwantum-sprong) om de kern terecht. Als ze daar weer uit terugvallen, geven ze iets van hun energie af in de vorm van licht. Hoeveel energie hangt af van de betrokken banen. Bij elke sprong hoort een bepaalde hoeveel energie (een kwantum) en dus typerende kleur. Er blijken vele soorten kwantumdeeltjes te zijn. In het zgn. Standaardmodel staan deze deeltjes gerangschikt, er zijn:
Dualiteit Eeuwenlang discussiëerden geleerden over de vraag of licht een golf is of een deeltje.
1 t/m 4 maken duidelijk dat een foton of elektron zich zowel als golf als deeltje gedragen. Maar hoe kan iets zowel een golf (interfereren, niet botsen) als een deeltje (niet interfereren maar botsen) zijn? En hoe kan een deeltje op twee plaatsen tegelijk zijn (3)? Waarom verandert een golf in een deeltje als het door een detector wordt waargenomen (4)? Hierop zijn verschillende antwoorden bedacht, waarvan de Kopenhaagse (Bohr en Heisenberg) de meest bekende is. Daarin wordt een beslissende rol toegekend aan waarnemen cq het verrichten van metingen. Schrödinger was daar zo ongelukkig mee, dat hij 1935 zelfs een experiment bedacht om deze uitkomst belachelijk te maken (kat in een doos). Kwantumdeeltjes tellen blijkt wat anders te zijn dan overvliegende vogels tellen. Die laatste merken niets van het tellen, onverstoorbaar vliegen ze verder. Maar subatomair onderzoek brengt wijzigingen aan in de onderzochte de werkelijkheid: door het opstellen van een detector verandert een golf in een deeltje. Dat roept filosofische vragen op: Wat betekent dat voor de objectiviteit? Wat is waarnemen eigenlijk? Waarschijnlijkheid In de gewone wereld zijn de dingen precies voorspelbaar mbv de wetten van Newton. Die auto gaat met 50 km per uur voorbij, dan is hij over over een half uur daar, 25 km verderop. In de wereld van het hele grote zijn die dingen ook met zekerheid te zeggen door gebruik te maken van Einsteins formules. Anders waren de maanlandingen mislukt. Maar in de wereld van het hele kleine gaat het niet deterministisch toe. Elektronen bv bewegen met hoge snelheid in een baan rondom de kern. Die baan is een cirkel of ellips met schommelingen en gaat soms kort langs de kern, soms verder er van af. De route wordt beïnvloed door de andere elektronen, de ladingen van protonen en de massa van de kern. Je zou kunnen zeggen dat de elektronen in een wolk om de kern aanwezig zijn. Schrödinger (1925) stelde zich een golf voor als een bewegend deeltje dat is 'uitgesmeerd' en wist daar de zgn. Schrödinger-vergelijking voor te bedenken. In de discussies die volgen is de interpretatie van Max Born de standaard geworden. Hij zegt (1926) dat de formule niet gaat over een golf of deeltje, maar over een kansverdeling. De vergelijking geeft de kans aan waar een kwantumdeeltje zich het meest waarschijnlijk bevindt (waar de golf het hoogst is) en waar die kans klein is (golf laag). Een jaar later maakt Heisenberg duidelijk dat er een onzekerheidsrelatie is tussen plaats en snelheid van een deeltje. Dwz je kunt nooit van allebei zeker zijn. Op het moment van meten kun je de plaats vaststellen, maar dan is niet meer te zeggen met welke snelheid het deeltje gaat. En omgekeerd. Verstrengeling Kwantumdeeltjes kunnen met elkaar ‘verstrengeld’ zijn. Dwz ze horen voortaan bij elkaar, ook al zijn ze vele kilometers van elkaar af. Verstrengeling ontstaat bv als bij een botsing een elektron en een anti-elektron (positron) ontstaan. Een eigenschap van die deeltjes is, dat ze een draaiing of spin (up en/of down) kunnen hebben. Zolang er nog niet gemeten is, zijn de deeltjes nog onbepaald: in superpositie. Dwz ze hebben allebei een spin up en een spin down. Op het moment van meten, komt aan die superpositie een einde en wordt het up of down. Als je voor het elektron ‘up’ vaststelt, dan is op hetzelfde moment het positron ‘down’. Het bijzondere is ‘op hetzelfde moment’. Hoe kan aan het positron instantaan de informatie worden overgebracht dat hij down moet zijn? Einstein vond dit iets onmogelijks en sprak van ‘spooky action at a distance’. Hij dacht dat de situatie van beide deeltjes al bij het begin was vastgelegd. Vergelijk een paar handschoenen. Als je er één ziet (voor de linkerhand), weet je ook iets over de ander (voor de rechterhand). Maar die verklaring is in de jaren '70 door de proeven (Bell, Clauser, Aspect) afgevallen. Er is werkelijk sprake van overdracht van informatie zonder dat het tijd kost. Inmiddels is het ook gelukt om aan één van de verstrengelde deeltjes een tweede eigenschap te geven. En op hetzelfde moment blijkt het andere deeltje ook die nieuwe eigenschap te hebben (teleportatieproef). Geleerden zijn er nog niet uit hoe deze dingen zijn te verklaren. Onbegrijpelijk Deeltjes kunnen op twee plekken gelijk zijn (superpositie), een golf kan ook een deeltje zijn (dualiteit), en er is sneller dan het licht verstrengeling over grote afstand. De natuurkundige Niels Bohr zei (19..): “Wie niet geschokt is als hij voor het eerst in aanraking komt met de quantumtheorie, heeft er niets van begrepen.” Zijn collega Richard Feynman zei in een college (1964) “I think I can safely say that nobody really understands quantum mechanics’’. Hij vraagt zijn studenten om alle bestaande concepten over golven en deeltjes los te laten, ook die over wat kan en wat niet kan. Echter, om die abstracte quantumwereld uit te leggen, kan hij niet zonder de vergelijking met deeltjes en golven van water of geluid. Maar hij zal dan ook het verschil daarmee benadrukken. Dit is een opmerkelijke parallel met wat Augustinus en andere theologen over God opmerken: Hij is anders dan al het andere, onvoorstelbaar, een onbegrijpelijk geheim. Maar het is wel goed om te weten dat dat geheim er is, God te zoeken en in woorden die meer mis dan raak zijn over en tot God iets te zeggen. Conclusies Op het meest fundamentele niveau gedraagt de werkelijkheid zich niet-deterministisch, maar probabilistisch. Er valt alleen iets over te zeggen in termen van kans en waarschijnlijkheid. Dit is een onthutsende uitkomst: de klassieke natuurkunde was altijd op zoek naar harde feiten en wetten met een voorspellende waarde. Einstein had daar moeite mee, hij weigerde het niet-deterministische karakter van de quantumwereld te aanvaarden: 'God dobbelt niet', schreef hij (4 dec 1926) in een brief aan Niels Bohr. Maar de latere ontwikkelingen hebben hem geen gelijk gegeven. In de wereld van het hele kleine regeren statistische wetten. De vele toepassingen (MRI, PET-scan, laser, nanotechnologie) bevestigen dat keer op keer. Van het mechanische wereldbeeld moeten we dan ook minimaal zeggen zeggen dat het verre van volledig is. Het is een ‘simpele’ voorstelling van zaken, een handige vereenvoudiging om onze dagelijkse dingen te snappen en beheersen. Maar aan de basis daarvan ligt een probabilistische wereld van deeltjes, golven, krachtvelden die voortdurend op elkaar in werken. Het doet denken aan het woest en ledig van ‘in den beginne’ (Gen 1: 1). Op een groter niveau van lengte, massa, tijd levert dat onze dagelijkse wereld op (Newton), op een heel veel groter niveau de astronomische wereld (Einstein). Waarom op grotere schaal het onbepaalde van de kwantumdeeltjes verdwijnt is niet duidelijk en voorwerp van debat. In elk geval zijn die grote werelden niet zo gedetermineerd als we denken. We moeten rekening houden met het onverwachte, nl waar de wereld van het hele kleine doorwerkt in onze wereld. De kwantum biologie laat daar al iets van zien: bv de fotosynthese van planten, of het richtinggevoel van trekvogels. Mutaties van DNA kunnen mbv kwantumdeeltjes verklaard worden. De vraag komt op hoe we ons Gods invloed op deze wereld kunnen voorstellen. Brian Greene geeft opnieuw een toegankelijke uitleg van de kwantumwereld. | ||
| terug | ||