Kwantumtheorie

Kwantumtheorie is de theoretische basis van de moderne natuurkunde die de aard en het gedrag van materie en energie op atomair en subatomair niveau verklaart. De aard en het gedrag van materie en energie op dat niveau wordt ook wel kwantumfysica en kwantummechanica genoemd. Organisaties in verschillende landen hebben aanzienlijke middelen besteed aan de ontwikkeling van quantumcomputing, waarbij gebruik wordt gemaakt van de quantumtheorie om de computercapaciteit drastisch te verbeteren ten opzichte van wat mogelijk is met de huidige klassieke computers.

In 1900 presenteerde de natuurkundige Max Planck zijn quantumtheorie aan de Duitse Natuurkundige Vereniging. Planck had geprobeerd de reden te achterhalen waarom de straling van een gloeiend lichaam van kleur verandert van rood naar oranje en uiteindelijk naar blauw als de temperatuur stijgt. Hij ontdekte dat hij het antwoord op zijn vraag kon vinden door aan te nemen dat energie in afzonderlijke eenheden bestond, net zoals materie dat doet, en niet alleen als een constante elektromagnetische golf - zoals eerder was aangenomen - en daarom kwantificeerbaar was. Het bestaan van deze eenheden werd de eerste veronderstelling van de kwantumtheorie.

Planck schreef een wiskundige vergelijking met een getal om deze afzonderlijke eenheden van energie, die hij quanta noemde, voor te stellen. De vergelijking verklaarde het verschijnsel zeer goed; Planck ontdekte dat bij bepaalde discrete temperatuurniveaus (exacte veelvouden van een minimum basiswaarde), energie van een gloeiend lichaam verschillende gebieden van het kleurenspectrum zal innemen. Planck ging ervan uit dat de ontdekking van de quanta nog tot een theorie zou leiden, maar in feite impliceerde hun bestaan een volledig nieuw en fundamenteel begrip van de wetten van de natuur. Planck won de Nobelprijs voor natuurkunde voor zijn theorie in 1918, maar de ontwikkelingen die verschillende wetenschappers in een periode van dertig jaar doormaakten, hebben allemaal bijgedragen aan het moderne begrip van de kwantumtheorie.

De ontwikkeling van de kwantumtheorie

  • In 1900 deed Planck de aanname dat energie bestond uit afzonderlijke eenheden, oftewel kwanta.
  • In 1905 stelde Albert Einstein een theorie op dat niet alleen de energie, maar ook de straling zelf op dezelfde wijze kwantized was.
  • In 1924 stelde Louis de Broglie voor dat er geen fundamenteel verschil is in de samenstelling en het gedrag van energie en materie; op atomair en subatomair niveau kunnen beide zich gedragen alsof ze uit deeltjes of golven bestaan. Deze theorie werd bekend als het principe van golf-deeltje dualiteit: elementaire deeltjes van zowel energie als materie gedragen zich, afhankelijk van de omstandigheden, als ofwel deeltjes ofwel golven.
  • In 1927 stelde Werner Heisenberg voor dat nauwkeurige, gelijktijdige meting van twee complementaire waarden - zoals de positie en het momentum van een subatomair deeltje - onmogelijk is. In strijd met de beginselen van de klassieke natuurkunde is hun gelijktijdige meting onontkoombaar gebrekkig; hoe nauwkeuriger de ene waarde wordt gemeten, des te gebrekkiger zal de meting van de andere waarde zijn. Deze theorie werd bekend als het onzekerheidsprincipe, dat aanleiding gaf tot de beroemde uitspraak van Albert Einstein: "God dobbelt niet."

De interpretatie van Kopenhagen en de veel-werelden-theorie

De twee belangrijkste interpretaties van de implicaties van de kwantumtheorie voor de aard van de werkelijkheid zijn de interpretatie van Kopenhagen en de veel-werelden-theorie. Niels Bohr stelde de Kopenhagen interpretatie van de kwantum theorie voor, die stelt dat een deeltje is wat het gemeten is (bijvoorbeeld een golf of een deeltje), maar dat niet kan worden aangenomen dat het specifieke eigenschappen heeft, of zelfs dat het bestaat, totdat het gemeten is. Kortom, Bohr zei dat de objectieve werkelijkheid niet bestaat. Dit vertaalt zich in een principe dat superpositie wordt genoemd en dat stelt dat we weliswaar niet weten wat de toestand van een object is, maar dat het zich eigenlijk in alle mogelijke toestanden tegelijk bevindt, zolang we maar niet kijken om dat te controleren.

Om deze theorie te illustreren, kunnen we de beroemde en enigszins wrede analogie van de kat van Schrodinger gebruiken. Eerst hebben we een levende kat en plaatsen hem in een dikke loden doos. In dit stadium is er geen twijfel dat de kat leeft. Dan gooien we er een flesje cyanide in en verzegelen de doos. Wij weten niet of de kat nog leeft of dat de cyanidecapsule is gebroken en de kat is gestorven. Omdat we dat niet weten, is de kat zowel dood als levend, volgens de kwantumwet - in een superpositie van toestanden. Pas als we de doos openbreken en zien in welke toestand de kat zich bevindt, is de superpositie verloren, en moet de kat ofwel levend ofwel dood zijn.

De tweede interpretatie van de kwantumtheorie is de veel-werelden (of multiversum theorie. Deze theorie stelt dat zodra een object een bepaalde toestand kan aannemen, het universum van dat object overgaat in een reeks parallelle universa die gelijk zijn aan het aantal mogelijke toestanden waarin dat object kan bestaan, waarbij elk universum een unieke mogelijke toestand van dat object bevat. Bovendien bestaat er een mechanisme voor interactie tussen deze universa dat het op de een of andere manier mogelijk maakt dat alle toestanden op de een of andere manier toegankelijk zijn en dat alle mogelijke toestanden op de een of andere manier kunnen worden beïnvloed. Stephen Hawking en Richard Feynman behoren tot de wetenschappers die hun voorkeur hebben uitgesproken voor de veel-werelden-theorie.

Invloed van de kwantumtheorie

Hoewel wetenschappers in de afgelopen eeuw hebben getwijfeld aan de implicaties van de kwantumtheorie - waaronder Planck en Einstein - zijn de principes van de theorie herhaaldelijk door experimenten ondersteund, zelfs toen de wetenschappers probeerden ze te weerleggen. De kwantumtheorie en Einsteins relativiteitstheorie vormen de basis voor de moderne natuurkunde. De principes van de kwantumfysica worden op steeds meer gebieden toegepast, waaronder kwantumoptica, kwantumchemie, kwantumcomputing en kwantumcryptografie.