Geboren als een mens - CN

We leven in een wereld van licht, waar fotonen overal zijn. Sinds de tijd van Newton heeft de aard van licht hevige discussies teweeggebracht in de wetenschappelijke gemeenschap. Destijds waren er twee tegengestelde opvattingen: één, zoals geopperd door Newton, dat licht een deeltje is, en de andere, zoals geopperd door Hooke, Huygens en anderen, dat licht een golf is. Door de dominante positie en het prestige van Newton in de natuurkunde, overtrof zijn deeltjestheorie van licht de golftheorie en werd deze honderd jaar lang de heersende wetenschappelijke opvatting.

Pas in 1801 keerde de Britse wetenschapper Thomas Young het tij met een experiment, waardoor de golftheorie van licht de deeltjestheorie verving als de mainstream. Dit experiment is een van de grootste experimenten in de geschiedenis van de menselijke natuurkunde en het 'dubbele-spleetexperiment' dat natuurkundigen het meest frustreert. Het experimentele proces en de resultaten waren zo bizar dat natuurkundigen begonnen te twijfelen aan de realiteit van de wereld. Dit experiment verklaarde ook stilletjes waarom de pioniers van de moderne natuurkunde zich in hun latere onderzoek tot filosofie, en zelfs theologie, wendden.

Het vroegste dubbele-spleetexperiment begon met het enkele-spleetdiffractie-experiment. Al in de 17e eeuw ontdekten wetenschappers het fenomeen van lichtdiffractie: wanneer licht zich verspreidt en obstakels tegenkomt met afmetingen die vergelijkbaar zijn met de golflengte van het licht (zoals de randen van ondoorzichtige objecten, kleine gaatjes, smalle spleten, enz.), volgt het niet langer een rechte lijn, maar buigt het om de randen van het obstakel heen (buigt naar achteren van het obstakel) en verspreidt het zich verder. Een representatief experiment is het "enkele-spleetdiffractie-experiment": wanneer licht door een verticale smalle spleet gaat, treedt diffractie op en wat op het scherm wordt gezien, is geen enkele verticale heldere streep, maar een horizontale heldere band (zie de bovenste afbeelding in figuur 3.2).

Bij het "dubbele-spleetexperiment" laat men een lichtbundel door twee dicht bij elkaar gelegen smalle spleten gaan, waarna het op een scherm achter de spleten wordt geprojecteerd. Uit de resultaten van het "enkele-spleetexperiment" zou men theoretisch verwachten dat, wanneer de heldere banden van de twee spleten op het scherm overlappen, een helderdere lichtband zou verschijnen. Echter, er gebeurde iets magisch: op het scherm verschenen afwisselende heldere en donkere strepen (figuur 3.2 onderaan).

Figuur 3.2: Enkele-spleetdiffractie-experiment en dubbele-spleetinterferentie-experiment

Dit is een heel bizar iets, want in de donkere strepen van deze patronen hoorde eigenlijk licht te zijn, maar toen het licht van de twee spleten over elkaar heen viel, was er op die plekken geen licht. Dit fenomeen leek onverklaarbaar met Newtons deeltjestheorie. Thomas Young liet zich inspireren door de interferentie van watergolven en stelde voor: licht is een golf, en de donkere strepen worden veroorzaakt door de onderlinge interferentie van lichtgolven.

De revolutie in de menselijke kennis van het universum wordt altijd voortgestuwd door een handvol genieën. Honderd jaar nadat het "dubbele-spleetexperiment" de golftheorie van licht had bewezen, veranderde een genie opnieuw de menselijke perceptie van licht en opende de deur naar de kwantummechanica. Deze genie was de grootste natuurkundige van de twintigste eeuw: Einstein.

In 1905 publiceerde Einstein, die net zijn doctoraat in de natuurkunde had behaald, een artikel getiteld "Over een heuristisch gezichtspunt betreffende de productie en transformatie van licht", waarin hij het foto-elektrisch effect verklaarde door licht te behandelen als energiekwanta, oftewel lichtkwanta.

In eenvoudige termen verwijst het foto-elektrisch effect ernaar dat wanneer een lichtstraal op een metalen oppervlak schijnt, dit ervoor zorgt dat elektronen worden uitgestoten. Dit fenomeen is zeer merkwaardig; normaal gesproken worden elektronen netjes gebonden door atomen op het metalen oppervlak, maar vreemd genoeg beginnen deze elektronen, zodra ze worden blootgesteld aan een bepaalde hoeveelheid licht, onrustig te worden en willen ze ontsnappen aan de bindingen van het atoom en overal naartoe vluchten. Omdat de hoofdrolspelers van dit fenomeen de "grote jongens" licht en elektronen zijn, wordt het het foto-elektrisch effect genoemd.

In de toenmalige opvatting was licht een golf, en de intensiteit van de golf stond gelijk aan energie. Logischerwijs, omdat elektronen door atomen aan hun baan zijn gebonden, zou een hogere lichtintensiteit, wat betekent meer en dichtere fotonen, het gemakkelijker moeten maken om elektronen los te slaan. De experimentele resultaten toonden echter aan dat de vraag of licht elektronen van hetzelfde metalen oppervlak kan losslaan, afhing van de frequentie van het licht (in rood, oranje, geel, groen, blauw, indigo, violet licht heeft rood licht de laagste frequentie en violet licht de hoogste) en niet van de intensiteit.

In een flits schoot Einstein te binnen: wat als licht niet continu verdeeld was, maar in afzonderlijke lichtkwanta kon worden opgedeeld? Dan was het probleem plotseling opgelost. Een hogere frequentie maakt het gemakkelijker voor een enkel lichtkwantum om elektronen los te slaan. Met andere woorden, als de energie van een enkel lichtkwantum groter is dan de bindingsenergie van het metaalatoom aan het elektron, kan het elektronen losmaken. Het verhogen van de lichtintensiteit komt alleen overeen met het verhogen van het aantal lichtkwanta, terwijl alleen de frequentie-gerelateerde energie kan bepalen of elektronen kunnen worden losgemaakt.

Dit onorthodoxe geniale idee van Einstein verschilde sterk van het klassieke natuurkundige systeem, waardoor de "deeltjestheorie van licht" nieuw leven werd ingeblazen. Maar de vraag rees: is licht nu een deeltje of een golf? Voor beide vormen is experimenteel bewijs, en beide lijken correct. De verwarring die zich voordeed, was: golf en deeltje zijn twee totaal verschillende eigenschappen. In welke situatie gedraagt licht zich als een golf? En in welke situatie gedraagt het zich als een deeltje?

Dit probleem werd pas meer dan 10 jaar later opgelost door de Franse wetenschapper Louis Victor de Broglie. In zijn doctoraatsproefschrift in de natuurkunde stelde hij de golf-deeltje dualiteit van kwanta voor, wat betekent dat alle deeltjes of kwanta niet alleen gedeeltelijk in termen van deeltjes kunnen worden beschreven, maar ook gedeeltelijk in termen van golven (Figuur 3.3).

    Figuur 3.3: Golf-deeltje dualiteit

Bedenk dat in de natuurkunde op de middelbare school de onderzoeksobjecten altijd duidelijk werden onderscheiden in 'pure' deeltjes en 'pure' golven. De eerste vormde wat we gewoonlijk 'materie' noemen, terwijl lichtgolven een typisch voorbeeld zijn van de laatste. Maar in de wereld van de kwantummechanica heeft de golf-deeltje dualiteit deze 'pure' deeltjes en 'pure' golven-dilemma opgelost. Het biedt een theoretisch kader waardoor elke materie soms de eigenschappen van een deeltje kan vertonen en soms de eigenschappen van een golf.

Wat nog revolutionairder is, is dat van alle bekende microdeeltjes, inclusief fotonen, kan worden waargenomen dat ze zowel deeltjeseigenschappen als golfeigenschappen vertonen. Welke eigenschappen worden waargenomen, hangt af van of we observeren of niet. Als we observeren, is het een deeltje; als we niet observeren, is het een golf. Dit is het "waarnemerseffect" (Figuur 3.4).

   Figuur 3.4: Waarnemerseffect

Wanneer wordt een lichtgolf dan een deeltje? Een feit dat ontelbare keren wetenschappelijk is bewezen, is: Licht verspreidt zich als een golf en is een deeltje wanneer het wordt waargenomen. Met andere woorden, observatie maakt van de golf een deeltje. Dit betekent dat het al dan niet observeren de toestand van het foton beïnvloedt: bij niet-observatie vertoont het foton een vage golfachtige toestand, terwijl bij observatie het foton een bepaalde deeltjesachtige toestand vertoont.

In 1927 stelde Werner Heisenberg, gebaseerd op de golf-deeltje dualiteit van licht, het "onzekerheidsprincipe" of "onbepaaldheidsprincipe" voor. Dit principe stelt dat de ogenschijnlijk tegenstrijdige golfeigenschap en deeltjeseigenschap complementair zijn; beide bestaan tegelijkertijd en vullen elkaar aan. We kunnen niet een eigenschap verifiëren zonder dat de andere eigenschap wordt beïnvloed of verstoord. Volgens dit principe is een quantum van nature noch een deeltje noch een golf; een experiment of meting die gericht is op het benadrukken van de ene eigenschap, moet de andere opofferen. Zo kunnen we bijvoorbeeld niet tegelijkertijd de positie en snelheid van microdeeltjes meten: hoe zekerder de positie, hoe onzekerder de snelheid. En omgekeerd: hoe zekerder de snelheid, hoe onzekerder de positie...

Later onderschreven wetenschappers zoals Niels Bohr deze conclusie en legden uit: fotonen, elektronen en andere microdeeltjes zijn eigenlijk golven die overal aanwezig zijn en zelfs willekeurig in elke hoek van het universum kunnen verschijnen; wanneer mensen observeren, verschijnen fotonen en elektronen en andere microdeeltjes toevallig op de plaats van onze observatie, waardoor we het gevoel krijgen dat microdeeltjes daar zijn, en waardoor mensen direct met het blote oog de deeltjeseigenschappen van microdeeltjes zien in plaats van de golfeigenschappen. Dit is de "golffunctie-instorting" (Figuur 3.5). Omdat deze verklaring het resultaat is van de samenwerking tussen Niels Bohr en Werner Heisenberg in Kopenhagen, wordt het de "Kopenhaagse interpretatie" genoemd. Algemeen wordt aangenomen in de natuurkundige gemeenschap dat de Kopenhaagse interpretatie een belangrijke rol heeft gespeeld in de ontwikkeling van de kwantummechanica. Het heeft niet alleen een redelijke verklaring gegeven voor de probabilistische aard van de kwantumtheorie, maar heeft ook een zeer belangrijke rol gespeeld in de ontwikkeling en het onderzoek van de gehele natuurwetenschappen en filosofie. Verder stelde Bohr ook de "Kopenhaagse geest" voor, die "een deugd is van volkomen vrije oordeelsvorming en discussie, die een rijke academische sfeer van gelijkheid, vrije discussie en nauwe samenwerking bevorderde."

Figuur 3.5: "Golffunctie-instorting" na "meting"

Welke vorm de wereld aanneemt, hangt af van of we observeren, en is het onmeetbaar? Dit druist in tegen het menselijk ingeboren begrip: de wereld is objectief (onafhankelijk van subjectieve wil). Einstein kon dit duidelijk niet accepteren: "Is de maan er niet als we er niet naar kijken?" Hij beschouwde deze verklaring van "golffunctie-instorting" als een "kloek na het ei", net als de "golf-deeltje dualiteit" en het "onzekerheidsprincipe". Eigenlijk wisten natuurkundigen niet waarom de "golffunctie-instorting" plaatsvond, maar leidden ze dit concept af uit de observatieresultaten om het bizarre gedrag van microdeeltjes te verklaren.

Nog frustrerender voor Einstein was dat, volgens zijn speciale relativiteitstheorie, de snelste snelheid in het universum de lichtsnelheid is, en dat elk object met massa de lichtsnelheid niet kan bereiken, laat staan overtreffen. Maar in de wereld van de kwantummechanica stortte het monument van de relativiteitstheorie ineen, en waren verschijnselen sneller dan het licht overal te zien (zie "kwantumverstrengeling"). Deze genie wijdde bijna al zijn energie in de tweede helft van zijn leven aan het zoeken naar een "allesomvattende theorie" en geloofde dat er nog onontdekte verborgen variabelen moesten zijn, waardoor de kwantummechanica zo bizar leek.

Onze kennis van het hele universum is zeer beperkt. Onze tijdschaal voor de waarneming van de macroscopische wereld is onvoldoende; gebeurtenissen honderd lichtjaren verderop hebben weinig met ons te maken, en dingen die gebeurden toen je geboren werd, zijn er nog steeds niet wanneer je sterft. Onze tijdresolutie voor de microwereld is onvoldoende; we zien elektronenwolken en "onmeetbaarheid". Nu, de verklaring van "golf-deeltje dualiteit" was destijds meer een uiting van de hulpeloosheid van natuurkundigen, of een middenweg, om het lelijk te zeggen: "de mensheid is zeer onwetend". Honderd jaar later blijven wetenschappers talloze "verbeterde" "dubbele-spleetexperimenten" herhalen, waardoor dit grote experiment een van de meest "legendarische" klassieke experimenten in de natuurkunde van de afgelopen tweehonderd jaar is geworden. De consistentie van de experimentele resultaten is bizar, en we zullen er hier niet verder op ingaan.