Bijna 100 jaar nadat de kwantummechanica werd geïntroduceerd, zijn wetenschappers het er nog steeds niet over eens wat het betekent
Door Tim Folger Apr 11, 2017
Bron: https://www.discovermagazine.com/the-sciences/why-quantum-mechanics-still-stumps-physicists
Hier is een gedachte-experiment: stel je voor dat astronomen niet echt geloofden dat de Aarde om de zon draait of dat onze wereld dagelijks om zijn as draait. Wat als ze het heliocentrische model van het zonnestelsel slechts zouden zien als een abstract wiskundig hulpmiddel om planeten en sterren met grote precisie te volgen, niet als een letterlijke beschrijving van hoe de dingen zijn? Wat als ze beweerden dat we niet echt kunnen weten of de zon om de Aarde draait of omgekeerd en bovendien dat dergelijke vragen niet eens de moeite waard waren om te stellen?
Het zou belachelijk zijn. Geen enkele respectabele wetenschapper zou ooit zulke opvattingen koesteren – behalve als het gaat om de krachtigste theorie in de geschiedenis van de natuurkunde: de kwantummechanica. Meer dan een eeuw na zijn geboorte blijft de kwantummechanica, de fysica van atomen, fotonen en andere deeltjes, even verbijsterend als altijd. Experimenten hebben herhaaldelijk de vreemde voorspellingen van de theorie bevestigd met fenomenale nauwkeurigheid – in sommige gevallen tot een dozijn of meer decimalen. Technologieën die ervan zijn afgeleid, drijven de wereldeconomie aan: de elektronica-industrie zoals we die kennen zou niet bestaan zonder de kwantummechanica. Het verklaart waarom de lucht blauw is en hoe sterren hun licht genereren. En toch, ondanks de onbetwiste dominantie en praktische betekenis van de theorie, zijn natuurkundigen het nog steeds niet eens over wat het betekent of wat het zegt over de aard van de werkelijkheid. Sommige natuurkundigen ontkennen dat de kwantummechanica elke vorm van objectieve realiteit beschrijft.
Minstens een dozijn interpretaties van de kwantummechanica strijden om de harten en geesten van natuurkundigen, elk met een radicaal andere kijk op de werkelijkheid. Adán Cabello, een natuurkundige aan de Universiteit van Sevilla in Spanje, vatte onlangs de verwarrende, onverenigbare reeks gezichtspunten samen als ‘een kaart van waanzin’.
Er is het Many Worlds-model, dat het bestaan van ontelbare parallelle werkelijkheden veronderstelt. Als dat een beetje extravagant lijkt, geef je misschien de voorkeur aan QBism (uitgesproken als “kubisme”), waar de kwantumwereld en de wetenschappers die het observeren onlosmakelijk met elkaar verbonden zijn in een onvoorspelbaar, interactief universum. Het centrale probleem is dat natuurkundigen niet weten wat de meest elementaire vergelijking (formule) van de kwantumtheorie – een wiskundige formulering die de golffunctie wordt genoemd – eigenlijk vertegenwoordigt. Beschrijft het een fundamenteel kenmerk van de fysieke wereld? Of is het juist een handige manier om experimentele resultaten te voorspellen?
“Er is geen standaardinterpretatie”, zegt Antony Valentini, een theoretisch natuurkundige aan de Clemson University. “Het is buitengewoon. Ik ken geen vergelijkbare episode in de geschiedenis van de wetenschap.”
Waar blijft dat gebrek aan consensus van natuurkundigen? Kwantummechanica is immers niet alleen een tak van de natuurkunde; het is moderne natuurkunde. “De meeste dingen die mensen op bijna elke verdieping van elke natuurkundeafdeling ter wereld doen, zijn op de een of andere manier kwantum”, zegt Matt Leifer, een natuurkundige aan de Chapman University in Californië.
Als natuurkundigen het niet eens kunnen worden over – of niet weten – waar hun heersende theorie over gaat, betekent dit dan dat ze een muur hebben geraakt in termen van het begrijpen van de wereld? Recente pogingen om sommige interpretaties uit te sluiten hebben ons niet dichter bij een antwoord gebracht. Als er één ding zeker is over de kwantumwereld, dan is het dat er nooit iets is vastgesteld.
Licht en schaduw
De verwarring dateert uit de begindagen van de kwantummechanica, in de jaren twintig, toen Niels Bohr in botsing kwam met Albert Einstein. Bohr, een bijna orakelfiguur in de 20e-eeuwse natuurkunde, betoogde dat natuurkundigen bij het bestuderen van de atomaire wereld het idee van een realiteit die onafhankelijk van hun eigen metingen bestaat, moeten opgeven. De boodschap van de kwantummechanica is onontkoombaar, zei hij, en buitengewoon vreemd: atomen en alle andere deeltjes hebben geen definitieve posities, energieën of eigenschappen totdat ze in een experiment worden gemeten. Voor alle duidelijkheid: het is niet alleen dat natuurkundigen niet weten wat de eigenschappen zijn; de eigenschappen komen letterlijk pas tot stand op het moment van de meting.
Einstein verwierp de opvatting van Bohr categorisch. Terwijl hij op een maanverlichte nacht over het terrein van het Institute for Advanced Study aan de Princeton University slenterde, vroeg Einstein op beroemde wijze aan een collega: “Geloof je echt dat de maan er niet is als je er niet naar kijkt?” Einstein bleef tot zijn dood ervan overtuigd dat de kwantummechanica slechts een opstap was naar een diepere, meer omvattende theorie die de griezelige verschijnselen van de kwantumwereld zou begrijpen.
Wat maakt kwantummechanica zo verwarrend?
Herinner je het volgende iconische, vaak herhaalde experiment: Een lichtstraal schijnt door twee parallelle spleten die in een barrière zijn gesneden en valt op een strook fotografische film achter de barrière. Aangezien licht zelf bestaat uit een stroom deeltjes – fotonen – lijkt het redelijk om aan te nemen dat de fotonen op weg naar de film door de ene of de andere spleet gaan. En als natuurkundigen het experiment opzetten met een fotondetector bij elke spleet, dan is dat inderdaad wat ze zien: fotonen razen willekeurig door de eerste spleet of de tweede, wat resulteert in twee afzonderlijke klompjes stippen op de film.
Double-slit x-ray simulation monochromatic blue-white
Een kleine aanpassing verandert de resultaten echter ingrijpend. Als natuurkundigen de fotondetectoren verwijderen, verandert het patroon dat op de film is gemaakt volledig. In plaats van twee clusters van stippen verschijnen afwisselend lichte en donkere banden over de film, wat natuurkundigen een interferentiepatroon noemen. Dat patroon zou zich alleen kunnen vormen als elk afzonderlijk foton zich op de een of andere manier als een golf zou verspreiden en tegelijkertijd door beide spleten zou gaan. Op de film ontstaan heldere banden waar twee golftoppen samenvallen; overlappende toppen en dalen creëren de donkere banden. Met andere woorden, fotonen gedragen zich als deeltjes met detectoren en als golven zonder detectoren.
Voor Bohr toonde dit aan dat de objecten die we als deeltjes beschouwen, geen definitief bestaan hebben totdat ze worden waargenomen. Op de allerkleinste schaal is de werkelijkheid wazig, niet scherp gedefinieerd – tenminste als niemand kijkt.
Aangezien alles uiteindelijk uit die wazige “deeltjesgolven” bestaat, waarom zien we dan geen kwantumeffecten in ons dagelijks leven? Waarom zijn mensen, bomen en al het andere niet zo golvend en onduidelijk als de atomen waaruit ze zijn gemaakt? Het korte antwoord is dat niemand het echt weet, vandaar de gekke overvloed aan kwantuminterpretaties. Op de een of andere manier proberen de vele versies allemaal een enkele vraag te beantwoorden: zijn deze ‘kwantumgolven’ zo echt als de grond onder je voeten, of zijn het puur wiskundige constructies zonder enig fysiek bestaan?
(wordt vervolgt. Als je toch de hele artikel wil lezen, staat het als een document hier)
============================= =========================================
In English
Why Quantum Mechanics Still Stumps Physicists (part 1)
Nearly 100 years after quantum mechanics was introduced, scientists still don’t agree on what it means
By Tim Folger Apr 11, 2017
Source: https://www.discovermagazine.com/the-sciences/why-quantum-mechanics-still-stumps-physicists
Here’s a thought experiment: Imagine astronomers didn’t really believe that Earth orbits the sun or that our world turns daily on its axis. What if they viewed the heliocentric model of the solar system merely as an abstract mathematical tool to track planets and stars with great precision, not as a literal description of the way things are? What if they claimed we can’t truly know whether the sun orbits Earth or vice versa and, moreover, that such questions were not even worth asking?
It would be preposterous. No respectable scientist would ever entertain such notions — except when it comes to the most powerful theory in the history of physics: quantum mechanics. More than a century after its birth, quantum mechanics, the physics of atoms, photons and other particles, remains as baffling as ever. Experiments have repeatedly confirmed the theory’s weird predictions with phenomenal accuracy — to a dozen or more decimal places in some cases. Technologies derived from it drive the world’s economy: The electronics industry as we know it wouldn’t exist without quantum mechanics. It explains why the sky is blue and how stars generate their light. And yet, despite the theory’s unquestioned dominance and practical significance, physicists still don’t agree on what it means or what it says about the nature of reality. Some physicists deny that quantum mechanics describes any sort of objective reality.
At least a dozen interpretations of quantum mechanics vie for physicists’ hearts and minds, each with a radically different take on reality. Adán Cabello, a physicist at the University of Seville in Spain, recently summed up the confusing, incompatible gaggle of viewpoints as “a map of madness.”
There’s the Many Worlds model, which posits the existence of innumerable parallel realities. If that seems a tad extravagant, you might prefer QBism (pronounced “cubism”), where the quantum world and the scientists who observe it are inextricably bound together in an unpredictable, interactive universe. The central issue is that physicists don’t know what the most basic equation of quantum theory — a mathematical formulation called the wave function — actually represents. Does it describe a fundamental feature of the physical world? Or is it instead just a handy way to predict experimental results?
“There is no standard interpretation,” says Antony Valentini, a theoretical physicist at Clemson University. “It’s extraordinary. I don’t know of any comparable episode in the history of science.”
Where does that lack of consensus leave physicists? After all, quantum mechanics isn’t just a branch of physics; it is modern physics. “Most of the things that people are doing on almost every floor of every physics department in the world are quantum in one way or another,” says Matt Leifer, a physicist at Chapman University in California.
If physicists can’t agree on — or don’t know — what their reigning theory is all about, does it mean they’ve hit a wall in terms of understanding the world? Recent efforts to rule out some interpretations haven’t brought us any closer to an answer. If there’s one thing certain about the quantum world, it’s that nothing’s ever settled.
Light and Shadow
about:blank about:blank The confusion dates to the early days of quantum mechanics, in the 1920s, when Niels Bohr clashed with Albert Einstein. Bohr, an almost oracular figure in 20th-century physics, argued that when studying the atomic world, physicists must give up the notion of a reality that exists independently of their own measurements. The message of quantum mechanics is inescapable, he said, and exceedingly strange: Atoms and all other particles do not possess definite positions, energies or any properties until they are measured in an experiment. To be clear, it’s not just that physicists don’t know what the properties are; the properties literally only come into being at the time of the measurement.
Einstein categorically rejected Bohr’s view. While strolling the grounds of the Institute for Advanced Study in Princeton University one moonlit night, Einstein famously asked a colleague, “Do you really believe the moon is not there when you are not looking at it?” Einstein remained convinced until his death that quantum mechanics was only a steppingstone toward a deeper, more comprehensive theory that would make sense of the uncanny phenomena of the quantum world.
What makes quantum mechanics so confounding? Consider the following iconic, oft-repeated experiment: A beam of light shines through two parallel slits cut into a barrier and falls on a strip of photographic film beyond the barrier. Since light itself consists of a stream of particles — photons — it seems reasonable to assume that the photons pass through one slit or the other en route to the film. And if physicists set up the experiment with a photon detector at each slit, that is indeed what they see: Photons hurtle randomly through either the first slit or the second, which results in two separate clumps of dots forming on the film.
A slight adjustment, however, profoundly alters the results. If physicists remove the photon detectors, the pattern created on the film changes completely. Instead of two clusters of dots, alternating light and dark bands appear across the film, what physicists call an interference pattern. That pattern could form only if each individual photon somehow spread out like a wave and went through both slits simultaneously. Bright bands develop on the film where two wave crests coincide; overlapping crests and troughs create the dark bands. In other words, photons behave like particles with detectors present and like waves without detectors.
For Bohr, this showed that the objects we consider particles don’t have a definite existence until they are observed. On the very smallest scales, reality is blurry, not sharply defined — at least when no one is looking.
Since everything ultimately consists of those blurry particle-waves, why don’t we see quantum effects in our everyday lives? Why aren’t people, trees and everything else as wavy and indistinct as the atoms they’re made of? The short answer is no one really knows, hence the crazy cornucopia of quantum interpretations. In one way or another, the manifold versions all seek to answer a single question: Are these “quantum waves” as real as the ground beneath your feet, or are they purely mathematical constructs without any physical existence?
( to be continued. If you want to read the whole article, the document is HERE)
Je moet ingelogd zijn om een reactie te plaatsen.