Zes dingen die iedereen moet weten over kwantumfysica

Kwantumfysica is meestal van meet af aan intimiderend. Het is een beetje vreemd en kan contra-intuïtief lijken, zelfs voor de natuurkundigen die er dagelijks mee te maken hebben. Maar het is niet onbegrijpelijk. Als je iets leest over kwantumfysica, zijn er eigenlijk zes sleutelbegrippen die je in gedachten moet houden. Doe dat, en je zult de kwantumfysica een stuk gemakkelijker te begrijpen vinden.

Alles is gemaakt van golven; ook deeltjes

Er zijn veel plaatsen om dit soort discussie te beginnen, en dit is zo goed als elk ander: alles in het universum heeft zowel deeltjes- als golfkarakter, op hetzelfde moment. Er is een regel in Greg Bear’s fantasy duologie (The Infinity Concerto en The Serpent Mage), waar een personage dat de basisprincipes van magie beschrijft zegt: “Alles is golven, met niets dat golft, over geen enkele afstand.” Ik heb dat altijd erg mooi gevonden als een poëtische beschrijving van de kwantumfysica – diep van binnen heeft alles in het universum een golfkarakter.

Natuurlijk heeft alles in het universum ook een deeltjeskarakter. Dit lijkt volslagen idioot, maar is een experimenteel feit, uitgewerkt via een verrassend bekend proces:

(er is ook een geanimeerde versie hiervan die ik voor TED-Ed heb gemaakt).

Natuurlijk is het beschrijven van echte objecten als zowel deeltjes als golven noodzakelijkerwijs enigszins onnauwkeurig. Eigenlijk zijn de door de kwantumfysica beschreven objecten deeltjes noch golven, maar een derde categorie die een aantal eigenschappen van golven (een karakteristieke frequentie en golflengte, enige spreiding over de ruimte) en een aantal eigenschappen van deeltjes (ze zijn in het algemeen telbaar en kunnen tot op zekere hoogte worden gelokaliseerd) gemeen heeft. Dit leidt tot een levendige discussie binnen de natuurkunde-onderwijsgemeenschap over de vraag of het wel gepast is om in natuurkunde-introcursussen over licht te praten als een deeltje; niet omdat er enige controverse bestaat over de vraag of licht een deeltjeskarakter heeft, maar omdat fotonen “deeltjes” noemen in plaats van “excitaties van een kwantumveld” tot misvattingen bij studenten zou kunnen leiden. Ik ben geneigd het hier niet mee eens te zijn, omdat veel van dezelfde bezwaren zouden kunnen worden ingebracht tegen het “deeltjes” noemen van elektronen, maar het is een betrouwbare bron van blog-gesprekken.

Deze “deur nummer drie” aard van kwantum-objecten wordt weerspiegeld in de soms verwarrende taal die natuurkundigen gebruiken om over kwantum-verschijnselen te praten. Het Higgs boson werd ontdekt bij de Large Hadron Collider als een deeltje, maar je zult natuurkundigen ook horen praten over het “Higgs veld” als een gedelokaliseerd iets dat de hele ruimte vult. Dit gebeurt omdat het in sommige omstandigheden, zoals bij botsingsexperimenten, handiger is om excitaties van het Higgs-veld te bespreken op een manier die de deeltjes-achtige eigenschappen benadrukt, terwijl het in andere omstandigheden, zoals een algemene discussie over waarom bepaalde deeltjes massa hebben, handiger is om de natuurkunde te bespreken in termen van interacties met een heelal-vullend kwantumveld. Het is gewoon verschillende taal die hetzelfde wiskundige object beschrijft.

Quantumfysica is discreet

Het zit ‘m in de naam: het woord “quantum” komt van het Latijn voor “hoeveel” en geeft aan dat er in quantummodellen altijd sprake is van iets dat in discrete hoeveelheden binnenkomt. De energie in een kwantumveld komt in gehele veelvouden van een fundamentele energie. Voor licht wordt dit geassocieerd met de frequentie en de golflengte van het licht – hoogfrequent licht met een korte golflengte heeft een grote karakteristieke energie, terwijl laagfrequent licht met een lange golflengte een kleine karakteristieke energie heeft.

In beide gevallen echter is de totale energie in een bepaald lichtveld een geheel veelvoud van die energie – 1, 2, 14, 137 maal – nooit een vreemde breuk als anderhalf, π, of de vierkantswortel van twee. Deze eigenschap zien we ook in de discrete energieniveaus van atomen, en de energiebanden van vaste stoffen – bepaalde waarden van energie zijn toegestaan, andere niet. Atoomklokken werken vanwege de discreetheid van de kwantumfysica, waarbij gebruik wordt gemaakt van de lichtfrequentie die samenhangt met een overgang tussen twee toegestane toestanden in cesium om de tijd bij te houden op een niveau waarvoor de veelbesproken “schrikkelseconde” nodig is die vorige week werd toegevoegd.

Ultra-precieze spectroscopie kan ook worden gebruikt om te zoeken naar zaken als donkere materie, en is een deel van de motivatie voor een laag-energetisch instituut voor fundamentele fysica.

Dit is niet altijd duidelijk – zelfs sommige dingen die fundamenteel kwantum zijn, zoals zwarte-lichaamsstraling, lijken continue verdelingen te hebben. Maar er is altijd een soort granulariteit in de onderliggende werkelijkheid als je in de wiskunde graaft, en dat is een groot deel van wat leidt tot de vreemdheid van de theorie.

Kwantumfysica is probabilistisch

Een van de meest verrassende en (historisch gezien, althans) controversiële aspecten van de kwantumfysica is dat het onmogelijk is om met zekerheid de uitkomst van een enkel experiment met een kwantumsysteem te voorspellen. Wanneer natuurkundigen de uitkomst van een experiment voorspellen, neemt de voorspelling altijd de vorm aan van een waarschijnlijkheid voor het vinden van elk van de specifieke mogelijke uitkomsten, en vergelijkingen tussen theorie en experiment impliceren altijd het afleiden van waarschijnlijkheidsverdelingen uit vele herhaalde experimenten.

De wiskundige beschrijving van een kwantumsysteem neemt meestal de vorm aan van een “golffunctie,” in vergelijkingen meestal voorgesteld door de Griekse letter psi: Ψ. Er is veel discussie over wat deze golffunctie precies voorstelt, waarbij twee kampen kunnen worden onderscheiden: zij die de golffunctie als een echt fysisch ding beschouwen (de jargonterm hiervoor is “ontische” theorieën, waardoor iemand hun voorstanders “psi-ontologen” heeft genoemd) en zij die de golffunctie slechts beschouwen als een uitdrukking van onze kennis (of het gebrek daaraan) over de onderliggende toestand van een bepaald kwantum-object (“epistemische” theorieën).

In beide klassen van fundamentele modellen wordt de waarschijnlijkheid van een uitkomst niet direct gegeven door de golffunctie, maar door het kwadraat van de golffunctie (losjes gesproken dan; de golffunctie is een complex wiskundig object (dat wil zeggen dat er imaginaire getallen zoals de vierkantswortel van negatief 1 bij betrokken zijn), en de bewerking om de waarschijnlijkheid te krijgen is iets ingewikkelder, maar “het kwadraat van de golffunctie” is genoeg om het basisidee te krijgen). Dit staat bekend als de “Regel van Born” naar de Duitse natuurkundige Max Born die dit voor het eerst voorstelde (in een voetnoot bij een artikel in 1926), en komt op sommigen over als een lelijke ad hoc toevoeging. In sommige delen van de kwantumfysica wordt actief gezocht naar een manier om de regel van Born af te leiden uit een fundamenteler principe; tot nu toe is geen van die pogingen volledig geslaagd, maar het levert veel interessante wetenschap op.

Dit is ook het aspect van de theorie dat leidt tot dingen als deeltjes die in meerdere toestanden tegelijk zijn. Alles wat we kunnen voorspellen is waarschijnlijkheid, en voorafgaand aan een meting die een bepaalde uitkomst bepaalt, bevindt het systeem dat wordt gemeten zich in een onbepaalde toestand die wiskundig gezien overeenkomt met een superpositie van alle mogelijkheden met verschillende waarschijnlijkheden. Of je dit beschouwt als het systeem dat werkelijk in alle toestanden tegelijk is, of slechts in één onbekende toestand, hangt grotendeels af van je gevoelens over ontische versus epistemische modellen, hoewel deze beide onderhevig zijn aan beperkingen van het volgende punt op de lijst:

Quantumfysica is niet-lokaal

De laatste grote bijdrage van Einstein aan de natuurkunde werd niet algemeen als zodanig erkend, vooral omdat hij ongelijk had. In een artikel uit 1935 dat hij samen met zijn jongere collega’s Boris Podolsky en Nathan Rosen schreef (het “EPR-artikel”), gaf Einstein een duidelijke wiskundige verklaring van iets dat hem al enige tijd dwarszat, een idee dat we nu “verstrengeling” noemen.

In het EPR-artikel werd betoogd dat de kwantumfysica het bestaan mogelijk maakte van systemen waarin metingen die op ver van elkaar verwijderde plaatsen werden verricht, zodanig gecorreleerd konden zijn dat de uitkomst van de ene werd bepaald door die van de andere. Zij beweerden dat dit betekende dat de uitkomsten van de metingen vooraf bepaald moesten zijn, door een of andere gemeenschappelijke factor, omdat het alternatief zou vereisen dat het resultaat van de ene meting naar de locatie van de andere met snelheden sneller dan de lichtsnelheid zou worden overgebracht. De kwantummechanica moet dus onvolledig zijn, slechts een benadering van een diepere theorie (een “lokale verborgen variabele” theorie, een theorie waarin de resultaten van een bepaalde meting niet afhangen van iets dat verder weg is van de meetplaats dan een signaal met de lichtsnelheid zou kunnen reizen (“lokaal”), maar worden bepaald door een factor die beide systemen in een verstrengeld paar gemeen hebben (de “verborgen variabele”)).

Dit werd gedurende een dertigtal jaren als een vreemde voetnoot beschouwd, omdat er geen manier leek te zijn om het te testen, maar in het midden van de jaren zestig werkte de Ierse natuurkundige John Bell de consequenties van het EPR-paper nader uit. Bell toonde aan dat je omstandigheden kunt vinden waarin de kwantummechanica correlaties tussen verre metingen voorspelt die sterker zijn dan elke mogelijke theorie van het type waar E, P en R de voorkeur aan geven. Dit werd in het midden van de jaren zeventig experimenteel getest door John Clauser, en een reeks experimenten door Alain Aspect in het begin van de jaren tachtig wordt algemeen beschouwd als het definitieve bewijs dat deze verstrengelde systemen onmogelijk kunnen worden verklaard door een lokale theorie van verborgen variabelen.

De meest gangbare benadering om dit resultaat te begrijpen is te zeggen dat de kwantummechanica niet-lokaal is: dat de resultaten van metingen op een bepaalde plaats kunnen afhangen van de eigenschappen van verafgelegen objecten op een manier die niet kan worden verklaard met signalen die met de lichtsnelheid bewegen. Dit staat echter niet toe dat informatie wordt verzonden met snelheden die de lichtsnelheid te boven gaan, hoewel er een aantal pogingen zijn geweest om een manier te vinden om kwantum niet-lokaliteit daarvoor te gebruiken. Het weerleggen van deze pogingen is een verrassend productieve onderneming gebleken – kijk maar eens naar David Kaiser’s How the Hippies Saved Physics voor meer details. Kwantum niet-lokaliteit staat ook centraal in het probleem van informatie in verdampende zwarte gaten, en de “firewall” controverse die de laatste tijd veel activiteit heeft gegenereerd. Er zijn zelfs enkele radicale ideeën over een wiskundig verband tussen de verstrengelde deeltjes die in het EPR-paper worden beschreven en wormgaten.

Quantumfysica is (meestal) erg klein

Kwantumfysica heeft de reputatie vreemd te zijn omdat haar voorspellingen dramatisch verschillen van onze alledaagse ervaring (althans, voor mensen – de opzet van mijn boek is dat het voor honden niet zo vreemd lijkt). Dit gebeurt omdat de betrokken effecten kleiner worden naarmate de objecten groter worden – als je ondubbelzinnig quantumgedrag wilt zien, wil je in principe deeltjes zien die zich als golven gedragen, en de golflengte neemt af naarmate het momentum toeneemt. De golflengte van een macroscopisch object als een hond die door de kamer loopt, is zo belachelijk klein dat als je alles zou uitbreiden zodat een enkel atoom in de kamer zo groot zou zijn als het hele zonnestelsel, de golflengte van de hond ongeveer zo groot zou zijn als een enkel atoom binnen dat zonnestelsel.

Dit betekent dat kwantumverschijnselen voor het grootste deel beperkt blijven tot de schaal van atomen en fundamentele deeltjes, waar de massa’s en snelheden klein genoeg zijn om de golflengten groot genoeg te maken om direct waar te nemen. Er wordt echter op een aantal gebieden actief getracht de omvang van systemen die kwantumeffecten vertonen op te voeren tot grotere afmetingen. Ik heb een heleboel geblogd over experimenten van de groep van Markus Arndt die golfachtig gedrag laten zien in steeds grotere moleculen, en er zijn een heleboel groepen in de “holte opto-mechanica” die proberen om licht te gebruiken om de beweging van stukken silicium te vertragen tot het punt waarop de discrete kwantum aard van de beweging duidelijk zou worden. Er zijn zelfs suggesties dat het mogelijk zou kunnen zijn om dit te doen met hangende spiegels met massa’s van enkele grammen, wat verbazingwekkend gaaf zou zijn.

Quantumfysica is geen magie

Het vorige punt leidt heel natuurlijk tot dit punt: hoe vreemd het ook mag lijken, kwantumfysica is zeer nadrukkelijk geen magie. De dingen die ze voorspelt zijn vreemd naar de maatstaven van de alledaagse natuurkunde, maar ze worden rigoureus ingeperkt door goed begrepen wiskundige regels en principes.

Dus, als iemand naar je toekomt met een “quantum” idee dat te mooi lijkt om waar te zijn – vrije energie, mystieke genezende krachten, onmogelijke ruimteaandrijvingen – dan is dat bijna zeker ook zo. Dat betekent niet dat we de kwantumfysica niet kunnen gebruiken om verbazingwekkende dingen te doen – je kunt hele gave fysica vinden in alledaagse technologie – maar die dingen blijven ruim binnen de grenzen van de wetten van de thermodynamica en gewoon gezond verstand.

Dus daar heb je het: de kernpunten van de kwantumfysica. Ik heb waarschijnlijk een paar dingen weggelaten, of uitspraken gedaan die niet nauwkeurig genoeg zijn om iedereen tevreden te stellen, maar dit zou in ieder geval een nuttig uitgangspunt voor verdere discussie moeten zijn.