Kwantummechanica: een inleiding

Je hebt waarschijnlijk gehoord dat kwantumfysica vreemd en raar is en niet gehoorzaamt aan de wetten van de natuurkunde die je gewend bent. Dit is zeker voor een groot deel waar. Er is een reden waarom natuurkundigen een nieuwe theorie moesten ontwikkelen en niet op de oude moesten vertrouwen om uit te leggen wat er gebeurt in de wereld van de extreem kleine.

In deze inleiding tot kwantummechanica leer je hoe wetenschappers kwantumgedrag en kwantumverschijnselen benaderen en waar deze ideeën vandaan komen.

Er is inderdaad veel gekheid in de kwantumwereld. Kwantummechanica is de tak van de natuurkunde die probeert die gekheid te verklaren en een raamwerk te bieden dat voorspellingen en verklaringen van waargenomen verschijnselen mogelijk maakt.

Fundamentele aspecten van de kwantummechanica omvatten het begrip kwantisatie. Dat wil zeggen, er bestaat een kleinste eenheid van iets dat niet verder kan worden afgebroken. Energie wordt gekwantiseerd, wat betekent dat het in discrete eenheden wordt geleverd.

De grootte van gekwantiseerde eenheden wordt meestal geschreven in termen van constante van Planck, ​h​ = 6.62607004 × 10^-34 m²kg/s.

Een ander aspect van de kwantummechanica is het idee dat alle deeltjes eigenlijk een deeltjesgolf-dualiteit hebben, wat betekent dat ze soms als deeltjes werken en soms als golven. In feite worden ze beschreven door een zogenaamde golffunctie.

Quantum weirdness omvat het idee dat of een deeltje zich als een golf gedraagt ​​of niet, op de een of andere manier afhangt van de manier waarop je besluit ernaar te kijken. Ook lijken bepaalde eigenschappen van een deeltje – zoals de oriëntatie van zijn spin – geen goed gedefinieerde waarde te hebben totdat je ze meet.

Dat klopt, het is niet alleen dat je het niet weet tot de meting, maar de werkelijke onderscheidende waarde bestaat niet tot de meting.

Kwantummechanica kan het best worden begrepen door het te vergelijken met de klassieke fysica, de fysica van alledaagse objecten waarmee u waarschijnlijk meer vertrouwd bent.

Het eerste grote verschil is op welke rijken elke tak van toepassing is. Klassieke natuurkunde is heel goed van toepassing op voorwerpen van alledaagse afmetingen, zoals een opgeworpen bal. Kwantummechanica is van toepassing op objecten die erg klein zijn, zoals protonen, elektronen enzovoort.

In de klassieke natuurkunde hebben deeltjes en objecten op elk willekeurig moment een duidelijke positie en momentum, en beide kunnen altijd precies worden gekend. In de kwantummechanica geldt dat hoe nauwkeuriger je de positie van een object kent, hoe minder nauwkeurig je het momentum kent. Deeltjes hebben niet altijd een goed gedefinieerde positie en momentum. Dit wordt het onzekerheidsprincipe van Heisenberg genoemd.

De klassieke natuurkunde gaat ervan uit dat de energiewaarden die iets kan hebben continu zijn. In de kwantummechanica bestaat energie echter in discrete brokken. Subatomaire deeltjes zoals elektronen in atomen kunnen bijvoorbeeld alleen verschillende energieniveaus innemen en geen waarden daartussenin.

Hoe causaliteit werkt, is ook anders. Klassieke natuurkunde is volledig causaal, wat betekent dat kennis van begintoestanden je in staat stelt precies te voorspellen wat er zal gebeuren.

Kwantummechanica heeft een andere versie van causaliteit. Deeltjes worden beschreven door een kwantummechanische Golf functie, die relatieve waarschijnlijkheden geeft van wat het zou kunnen doen wanneer het wordt gemeten. Die golffunctie volgt bepaalde natuurkundige wetten in hoe het "evolueert" in de tijd en laat je met voorspelbare "waarschijnlijkheidswolken" achter van wat meting zou kunnen opleveren.

Veel beroemde wetenschappers hebben in de loop der jaren bijgedragen aan de kwantumtheorie en velen wonnen Nobelprijzen voor hun bijdragen. De ontdekking en ontwikkeling van de kwantummechanica was inderdaad revolutionair. Het begin van de kwantumtheorie gaat terug tot de jaren 1800.

• Natuurkundige Max Planck was in staat om het fenomeen van black body-straling te verklaren door de kwantisering van energie.
• Later ontwikkelde Albert Einstein een verklaring van de fotoëlektrisch effect door licht te behandelen als een deeltje in plaats van als een golf en het gekwantiseerde energiewaarden te geven.
• Neils Bohr is beroemd om zijn werk aan het waterstofatoom, waar hij spectraallijnen kon verklaren in termen van kwantummechanische principes.
• Louis de Broglie presenteerde het idee dat deeltjes die klein genoeg zijn – zoals elektronen – ook deeltjes-golf dualiteit vertonen.
• Erwin Schrödinger ontwikkelde zijn beroemde Schrödingervergelijking, die beschrijft hoe golffuncties in de tijd evolueren.
• Werner Heisenberg ontwikkelde de onzekerheidsprincipe, wat bewees dat noch de positie noch het momentum van een kwantumdeeltje met zekerheid kan worden gekend.
• Paul Dirac voorspelde het bestaan ​​van antimaterie en zette stappen om de algemene relativiteitstheorie te verzoenen met de kwantumtheorie.
• John Bell staat bekend om de stelling van Bell, die aantoonde dat er geen verborgen variabelen waren. (Met andere woorden, het is niet alleen dat je de kwantumdeeltjes niet kent particle draaien of andere eigenschap voorafgaand aan de meting, maar het heeft eigenlijk geen goed gedefinieerde waarde voorafgaand aan de meting.)
• Richard Feynman ontwikkelde de theorie van de kwantumelektrodynamica.

Omdat kwantummechanica zo vreemd en zo contra-intuïtief is, hebben verschillende wetenschappers er verschillende interpretaties van ontwikkeld. De vergelijkingen die voorspellen wat er gebeurt, zijn één ding: we weten dat ze werken omdat ze consistent zijn met observaties – maar het begrijpen van wat ze werkelijk betekenen is een meer filosofische kwestie en is onderhevig geweest aan veel debat.

Einstein karakteriseerde de verschillende interpretaties op basis van vier eigenschappen:

• Realisme, dat betrekking heeft op de vraag of eigenschappen echt bestaan ​​voorafgaand aan de meting.
• Volledigheid, die aangeeft of de huidige kwantumtheorie al dan niet compleet is.
• Lokaal realisme, een subcategorie van realisme die betrekking heeft op de vraag of realisme bestaat op een lokaal, onmiddellijk niveau.
• Determinisme, dat betrekking heeft op hoe goed de kwantummechanica als deterministisch wordt beschouwd.

De standaardinterpretatie van de kwantummechanica wordt de Kopenhagen-interpretatie genoemd. Het werd geformuleerd door Bohr en Heisenberg terwijl ze in 1927 in Kopenhagen waren. In wezen stelt deze interpretatie dat alles wat een kwantumdeeltje is en alles wat erover bekend kan worden, wordt beschreven door de golffunctie. Met andere woorden, alle gekheid van de kwantummechanica is echt zo raar en zo zijn de dingen eigenlijk.

Een alternatief gezichtspunt is de Many Worlds Interpretation, die de probabilistische uitkomsten van kwantum opheft observaties door te stellen dat alle mogelijke uitkomsten daadwerkelijk plaatsvinden, maar in verschillende werelden die takken zijn van onze huidige realiteit.

Verborgen variabele theorieën stellen dat er meer is in de kwantumwereld waardoor we voorspellingen kunnen doen die: zijn niet gebaseerd op waarschijnlijkheden, maar we moeten bepaalde verborgen variabelen ontdekken die ons deze voorspellingen zouden geven. Met andere woorden, de kwantummechanica is niet compleet. De stelling van Bell bewees echter dat verborgen variabelen op lokaal niveau niet bestaan.

De Broglie-Bohm-theorie, ook bekend als pilootgolftheorie, behandelt het begrip verborgen variabelen met een globale benadering die niet wordt tegengesproken door de stelling van Bell.

Het is niet verwonderlijk dat er vele, vele andere interpretaties bestaan, omdat wetenschappers meer dan een eeuw hebben gehad om te proberen de werkelijk bizarre aard van de kwantumwereld te begrijpen.

Er zijn onderweg veel beroemde experimenten uitgevoerd die zowel hebben geleid tot verschillende aspecten van de kwantumtheorie als deze hebben bewezen.

Een heel beroemd experiment is het EPR-experiment, genoemd naar de wetenschappers Einstein, Podolsky en Rosen. Dit experiment ging over het idee van verstrengeling in een kwantumsysteem. Beschouw twee elektronen, die beide een eigenschap hebben die spin wordt genoemd. Hun spin, gemeten, is ofwel in de opwaartse positie of in de neerwaartse positie.

Bij het meten van de spin van een enkel elektron, heeft het een kans van 50 procent om omhoog te zijn en een kans van 50 procent om omlaag te zijn. De resultaten kunnen per kwantummechanica niet vooraf worden voorspeld. In dit experiment zijn twee elektronen echter zodanig verstrengeld dat hun gecombineerde spin 0 is. Volgens de kwantummechanica kunnen we echter nog steeds niet weten welke spin-up is en welke spin-down, en inderdaad, geen van beide bevindt zich in een van beide posities en in plaats daarvan wordt gezegd dat het zich in een "superpositie" van beide bevindt staten.

Deze twee verstrengelde elektronen worden in tegengestelde richtingen naar verschillende apparaten gestuurd die hun spins tegelijkertijd zullen meten. Ze zijn ver genoeg uit elkaar tijdens de meting dat er geen tijd is voor een van de elektronen om een ​​onzichtbaar "signaal" naar de andere te sturen om het te laten weten hoe zijn spin wordt gemeten. En toch, wanneer meting plaatsvindt, wordt gemeten dat beide tegengestelde spin hebben.

De kat van Schrödinger is een beroemd gedachte-experiment bedoeld om zowel de vreemdheid van kwantumgedrag te illustreren als de de vraag wat er werkelijk wordt bedoeld met meten en of grote objecten – zoals een kat – kwantum kunnen weergeven gedrag.

In dit experiment wordt gezegd dat een kat in een doos zit, zodat de waarnemer hem niet kan zien. Het leven van de kat wordt afhankelijk gemaakt van een kwantumgebeurtenis, bijvoorbeeld de oriëntatie van de spin van een elektron. Als het spin-up is, sterft de kat. Als het spin-down is, leeft de kat.

Maar de toestand van het elektron is voor de waarnemer verborgen, net als de kat in de doos. Dus de vraag wordt, totdat je de doos opent, is de kat levend, dood of ook in een vreemde superpositie van toestanden zoals het elektron is tot de meting?

Maar wees gerust, niemand heeft zo'n experiment uitgevoerd en er zijn geen katten geschaad bij het nastreven van kwantumkennis!

De jaren 1900 was een tijd waarin de natuurkunde echt van de grond kwam. De klassieke mechanica kon niet langer de wereld van de zeer kleine, de wereld van de zeer grote of de wereld van de zeer snelle verklaren. Veel nieuwe takken van de natuurkunde werden geboren. Onder deze zijn:

• ​Kwantumveldentheorie:Een theorie die het idee van velden combineert met kwantummechanica en speciale relativiteit.
• ​Deeltjesfysica:Een gebied van de natuurkunde dat alle fundamentele deeltjes beschrijft en de manieren waarop ze met elkaar kunnen interageren.
• ​Kwantumcomputing:Een veld dat probeert kwantumcomputers te maken die een snellere en betere verwerking mogelijk maken encryptie omdat de werking van zo'n computer gebaseerd zou zijn op kwantummechanica principes.
• ​Speciale relativiteit:De theorie die het gedrag beschrijft van objecten die met de snelheid van het licht bewegen en is gebaseerd op het idee dat niets sneller kan reizen dan de snelheid van het licht.
• ​Algemene relativiteitstheorie:De theorie die zwaartekracht beschrijft als ruimte-tijdkromming.