Hoofdstuk 3 De geheimen van kwantum I. Kwantum "leegte"
Bepaalt het bewustzijn het gedrag van microdeeltjes,
of zelfs de objectieve realiteit van de fysieke wereld?
Zoals eerder vermeld, is al het bestaande een verzameling elementaire deeltjes. Elementaire deeltjes vormen de basis van alles (inclusief de mensheid). Om de wereld die we met het blote oog zien te bestuderen, moeten we de elementaire deeltjes bestuderen die onzichtbaar zijn voor het blote oog. Alleen door de bewegingseigenschappen van elementaire deeltjes te begrijpen, kunnen we de geheimen van de mensheid begrijpen.
De geboorte van de kwantummechanica is de studie van elementaire deeltjes, gebruikt om deze kleine wereld te analyseren die onzichtbaar is voor ons blote oog.
Neem het lichaam als voorbeeld: het menselijk lichaam is een verzameling van verschillende soorten cellen, mogelijk wel 37 biljoen. Deze cellen kunnen verder worden onderverdeeld in kleinere moleculen, en moleculen bevatten nog kleinere atomen, zoals koolstof, waterstof, zuurstof, stikstof, fosfor, calcium en kalium. Een watermolecuul – H2O – is bijvoorbeeld een combinatie van twee waterstofatomen en één zuurstofatoom.
Het is logisch dat mensen 'concrete' wezens zijn die tastbaar zijn, en in het verleden dachten wetenschappers lange tijd dat atomen massief waren. Pas begin 19e eeuw ontdekte de Britse natuurkundige Rutherford door zijn 'alfa-deeltjesverstrooiingsexperiment' dat atomen eigenlijk hol zijn. Later ontdekten wetenschappers dat het binnenste van een atoom (zie figuur 3.1) ongelooflijk leeg is; meer dan 99,9999% is leeg.
Figuur 3.1: Atoomkern en elektron
Neem bijvoorbeeld het eenvoudigste en meest voorkomende waterstofatoom in het universum.
De straal van een waterstofatoom is ongeveer 0,037 nanometer (3,7 x 10-9 centimeter), en de atoomkern heeft slechts één proton, met een straal van ongeveer 0,00000084 nanometer (8,4 x 10-14 centimeter). Dit betekent dat de straal van een waterstofatoom ongeveer 44.000 keer groter is dan de straal van zijn atoomkern. Wat betekent dit precies? Om een vergelijking te maken: als het waterstofatoom zo groot zou zijn als het Vogelneststadion, dan zou de atoomkern de grootte hebben van een klein miertje op het veld.
Naast de atoomkern heeft een waterstofatoom één elektron. Vanwege de beperkingen in observatiemogelijkheden vinden wetenschappers het nog steeds moeilijk om de exacte grootte van een elektron te bepalen. Ze stellen alleen dat de straal van een elektron niet groter is dan 10-16 centimeter, en dat het een 'puntdeeltje' is zonder vrijwel enig volume. Het volume van een elektron is veel kleiner dan dat van een atoomkern. Als de atoomkern vergelijkbaar is met een mier op een voetbalveld, dan is een elektron als een stofje dat vaag over het veld zweeft. Stel je eens voor: een ruimte zo groot als het Vogelneststadion, met daarin alleen een mier en een stofje. De leegte van een atoom is dan wel voor te stellen.
Interessant is dat onze aarde, waar we op leven, is opgebouwd uit talloze atomen. Aangezien de binnenkant van een atoom leeg is, zijn alle dingen dan ook leeg? Wij als mensen zijn ook opgebouwd uit talloze atomen, zijn mensen dan ook 'leeg'?
Het boeddhisme spreekt vaak over 'leegte' (sunyata), maar deze 'leegte' is geen fysiek vacuüm, geen afwezigheid, niets, maar de inherente leegte van de aard van alle dingen. Het is de staat van 'niets' waar Lao Zi in de Tao Te Ching over spreekt, voorafgaand aan de oorsprong van de dingen. Juist vanwege deze 'leegte' kan de wereld van 'alles' worden gecreëerd; daarom wordt het in de boeddhistische context 'subtiele manifestatie uit de ware leegte' genoemd. Vervolgens heeft de geest van nature de functie van 'leegte', is van nature 'leeg', en kan daarom met deze functie 'alles' creëren; alle dingen zijn 'door de geest gecreëerd, door het bewustzijn gemanifesteerd'.
De wetenschap heeft bewezen dat deze schijnbaar lege kwantumwereld een wereld is die haaks staat op het gezond verstand, waar de gebruikelijke natuurkundige wetten totaal niet van toepassing zijn. Om het simpel te houden, zullen we de ontwikkeling van de kwantumtheorie gebruiken om de meest fundamentele eigenschappen van kwanta te introduceren: superpositie, interferentie en verstrengeling. Om het gemakkelijker te maken, beginnen we met enkele klassieke experimenten.