Wat is kwantummechanica

Kwantummechanica, of kwantumtheorie, is een theorie die de eigen makers niet volledig begrepen, maar die de enige is gebleken die het gedrag van materie in de microscopische wereld kan verklaren.

In het hart van de materie bevindt zich een immense wereld, bestaande uit miljarden en miljarden deeltjes, die aan onze zintuigen en onze intuïtie ontsnapt. Een wereld waarin de gebruikelijke natuurkundige wetten niet van toepassing zijn, maar de meer gecompliceerde en 'mysterieuze' van de kwantummechanica, een theorie die zo paradoxaal is dat ze de wetenschappers zelf die ze hebben uitgevonden verbaast. 'Niemand begrijpt het echt', zei Richard Feynman, een van de slimste natuurkundigen van zijn generatie in 1965.

Charmant. Toch werkt deze theorie, omdat ze de wereld van atomen en moleculen met een onberispelijke precisie beschrijft. En het heeft veel toepassingen, van lasers tot magnetische resonantiebeeldvorming. Het vermoeden bestaat inderdaad dat een aantal daarmee verband houdende verschijnselen, zoals het tunneleffect, fotosynthese en dus leven mogelijk maken.

Niet alleen dat, de kwantummechanica, vanwege zijn bijna "magische" eigenschappen, heeft filosofen en wetenschappers altijd gefascineerd. En vandaag betreedt het onze "dagelijkse" cultuur, ook inspirerende boeken, films en kunstwerken. Maar wat is deze theorie eigenlijk? En waarom is het zo belangrijk? Laten we gaan.

Wonderdeeltjes. Golven die zich gedragen als deeltjes, deeltjes die als spoken door barrières gaan of die op een "telepathische" manier met elkaar communiceren ... Dit is de vreemde wereld die wetenschappers tegenkwamen toen ze de kwantummechanica ontdekten.

Een van de belangrijkste kenmerken van deze theorie is kwantisering . Dat is het feit dat in de microscopische wereld fysieke hoeveelheden zoals energie niet "continu" kunnen worden uitgewisseld, zoals een stroom kraanwater die naar believen kan worden gedoseerd, maar via "pakketten" genaamd "hoeveel" ... Als water in glazen of flessen met een vooraf bepaald volume. Krachtens deze eigenschap bestaat licht uit bloedlichaampjes die "fotonen" worden genoemd; en zelfs atomen kunnen deze energie alleen in pakketten absorberen: een atoom kan bijvoorbeeld 1 of 2 of 3 of meer fotonen absorberen of uitzenden, maar geen 2,7 fotonen of een half foton.

Dit is wat er gebeurt in het foto-elektrische effect, waarbij een metaal dat door het juiste type licht wordt geraakt, elektriciteit produceert: dit fenomeen, ontdekt aan het einde van de 19e eeuw en uitgelegd in 1905 door Einstein, is de basis van de werking van moderne fotovoltaïsche panelen.

Golf of deeltje? De tweede "eigenaardigheid" van de kwantummechanica is het feit dat - net als Giano Bifronte - alle deeltjes een dubbel karakter hebben: «In sommige experimenten gedragen ze zich als bloedlichaampjes, in andere als golven», legt Giancarlo Ghirardi, emeritus hoogleraar natuurkunde aan de universiteit uit. van Triëst. «Een experiment dat de golfkarakteristiek van elektronen laat zien is dat van de dubbele spleet: een gevoelig scherm wordt voor een dubbele spleet geplaatst en men ziet dat de elektronen net als het licht indruk maken op de plaat en interferentieranden vormen (zie tekening hier) onder). Andere experimenten laten zien dat elektronen deeltjes zijn ".

Onvoorspelbaar. Klassieke fysica is "voorspelbaar": je kunt er nauwkeurig de baan van een projectiel of een planeet mee berekenen. In de kwantummechanica echter, hoe nauwkeuriger de positie van een deeltje bekend is, hoe onzekerder de snelheid ervan wordt (en omgekeerd).

Het onzekerheidsprincipe dat in 1927 door de Duitse natuurkundige Werner Heisenberg is geformuleerd, zegt het. Dus als we het gedrag van een elektron in een atoom willen beschrijven, kunnen we alleen maar zeggen dat het zich in een wolk rond de kern bevindt, en de kwantummechanica geeft de waarschijnlijkheid aan dat het elektron door een meting te doen op een bepaald punt is . Vóór de meting wordt de elektronentoestand beschreven door de verzameling van alle mogelijke resultaten: we spreken dan ook van superpositie van kwantumtoestanden. Op het moment van de meting "klapt" het elektron in tot een enkele toestand. Dit principe heeft een belangrijk conceptueel aspect: in zekere zin grijpen wetenschappers met hun meetinstrumenten in bij het creëren van de werkelijkheid die ze bestuderen.

Als spoken. Een ander bizar kwantumfenomeen is het tunneleffect , dat wil zeggen het feit dat deeltjes een barrière kunnen overwinnen zoals een geest door een muur gaat. 'Zo wordt het verval van radioactieve stoffen verklaard', zegt Ghirardi. "De straling van deze materialen bestaat in feite uit deeltjes die een energiebarrière in de kernen overwinnen".

Heldere weefsels. Dit is allemaal al vreemd genoeg. Maar het meest merkwaardige fenomeen is verstrengeling ("verstrengeling"). Stel je voor dat je twee fotonen neemt in een "superpositie van toestanden" - we kunnen ze zien als munten die eindeloos roteren, waarbij beide gezichten (hoofd of kruis) worden getoond - en ze aan verstrengeling onderwerpen, en ze vervolgens naar tegenovergestelde zijden van het universum brengen.

Volgens de kwantummechanica, als we een meting doen op een van de twee, en bijvoorbeeld een hoofd krijgen, houdt de andere munt ook onmiddellijk op met een onbepaalde staat: als we het meten (na een seconde of na een eeuw) zijn we zeker dat het resultaat hoofd zal zijn. De twee deeltjes zijn als in ... telepathisch contact. Absurd? Nee, verstrikking!

Zoals Star Trek. Deze verrassende functie kan worden gebruikt om kwantumteleportatie uit te voeren (zie onderstaande galerij). 'Stel dat we een foton dat is geïdentificeerd door zijn polarisatietoestand van punt A naar punt B willen overbrengen', zegt Ghirardi. "Om dit te doen, heb je, naast het foton dat moet worden geteleporteerd, twee verstrengelde fotonen nodig, één in A en de andere in B. Vervolgens laat je het te teleporteren foton interageren met het eerste verstrengelde foton (het ene in A) en communiceren met de waarnemer in B het resultaat van de operatie waarnemen en hem daarbij wordt getoond hoe hij met het tweede verstrengelde foton moet omgaan om een ​​identieke kopie van het startfoton te verkrijgen ".

In de praktijk wordt de informatie van het startfoton overgebracht naar B dankzij de intermediaire fotonen: in werkelijkheid is het een overdracht van informatie, eerder dan een overdracht van materie zoals die van Star Trek.

Daarom is teleportatie van bijzonder belang voor wetenschappers die de kwantumcomputers van de toekomst bestuderen. Computer, dat wil zeggen, waarin qubits worden verwerkt in plaats van de "bits" (reeksen "0" en "1") van traditioneel computergebruik: het voordeel is dat u met de qubits in korte tijd "parallel" bewerkingen kunt uitvoeren die traditionele computers zouden jaren duren. Dus met een aantal "n" qubits is het aantal rekenpaden dat tegelijkertijd kan worden uitgevoerd gelijk aan 2N, dat wil zeggen 2x2x2 ... x2, n keer: met minder dan 300 qubits zou het aantal deeltjes van het hele universum worden overschreden . Maar tot nu toe zijn er maar een paar qubits te manipuleren, en met grote moeite: de "magische" wereld van kwantumcomputers moet worden verkend.

Meer recentelijk hebben 2 natuurkundigen van de Universiteit van Queensland (Australië) zelfs "temporele" teleportatie ontworpen, waarbij ze de verstrikking in de tijd in plaats van in de ruimte toepassen, altijd met het doel complexe berekeningen mogelijk te maken. Maar als het zou werken, zou het het eerste echte voorbeeld zijn van een tijdmachine, hoewel het een beetje anders is dan hoe science fiction het zich altijd heeft voorgesteld.

De kwanta in filosofie en cultuur. De kwantummechanica is echter niet alleen vreemd en ingewikkeld. Het dwingt ons ook om de mentale patronen die we gewend zijn te herzien, onze overtuigingen te testen en nieuwe antwoorden te bieden op de vragen die filosofen al millennia lang stellen. Hier zijn enkele voorbeelden.

IS HET BESTEMMING TE VOORZIEN?

Hoe kunnen we bijvoorbeeld de straffen van Maradona vergeten? De trajecten die indruk maakten op de bal waren een bewonderenswaardige ontmoeting tussen sport en natuurkunde. Als er echter een hypothetisch kwantum "Pibe de oro" wordt gevonden tussen een elektron, zou het er niet met dezelfde precisie tegen kunnen schoppen. Die 'bal' zou in feite niet de deterministische schotdoellogica volgen.

Dankzij het principe van de superpositie van staten zou het in feite overal in het veld kunnen zijn en zich als een mist op verschillende plaatsen tegelijkertijd verspreiden. En pas nadat het is waargenomen, zou het uiteindelijk "instorten" op een precies punt, misschien wel direct op het net ... kortom, het lot is niet te voorzien.

Het tegendeel van wat ze in de vijfde eeuw beweerden. naar. C. de Grieken Leucippus en Democritus, volgens wie de wereld was samengesteld uit atomen die op voorspelbare wijze in een vacuüm bewegen. Maar toen, een eeuw later, veronderstelde een andere Griek, Epicurus, dat er onder de atomen willekeurige hobbels waren met onvoorspelbare gevolgen. Klassieke fysica, in de jaren 1800, leek de eerste twee te bewijzen. Kwantummechanica daarentegen, zij het op geheel verschillende bases, staat dichter bij de gedachte van Epicurus.

BESTAAT HET UNIVERSUM ONAFHANKELIJK VAN ONS?

Esse est percipi: om te kunnen bestaan, moeten dingen worden waargenomen. De Britse filosoof George Berkeley ondersteunde het in de 18e eeuw, volgens welke een bal of een boom op zichzelf niet bestaat, onafhankelijk van ons: wat we waarnemen zijn de zintuiglijke prikkels die rechtstreeks van God komen. En de Duitse filosoof Immanuel Kant, altijd in de '700, herhaalde hij dat men de wereld niet kan kennen' zoals die op zichzelf is '(door hem gedefinieerd als een noumenon), maar alleen' wat verschijnt '. Iets vergelijkbaars, twee eeuwen later, zegt de kwantummechanica: om bijvoorbeeld de positie van een deeltje te bepalen, moet je het belichten ... en dan spat het door licht getroffen deeltje weg. We weten waar het is, maar niet waar het na een tijdje zal zijn.

Om de werkelijkheid te observeren, moet men deze kortom 'verstoren': 'Volgens de interpretatie van Kopenhagen', legt Giulio Giorello, hoogleraar wetenschapsfilosofie aan de Rijksuniversiteit van Milaan uit. 'Quantumgebeurtenissen zijn afhankelijk van de aanwezigheid van het observatieapparaat dat moet meten".

Einstein kon dit aspect van de theorie niet verwerken: hij was er in feite van overtuigd dat de werkelijkheid goed bepaald en onafhankelijk was van de waarnemer. Maar vandaag zijn experts voorstander van de interpretatie van Kopenhagen.

Wat als het effect aan de oorzaak voorafging?

Een van de pijlers van de klassieke wetenschap is de regel dat in de wereld waarin we leven, elke oorzaak noodzakelijkerwijs een gevolg heeft: als ik een steen naar een raam gooi, breek ik die, als ik het vuur aanraak, verbrand ik mezelf. In de achttiende eeuw zette de Schotse filosoof David Hume vraagtekens bij dit principe: ook al volgen dagelijks twee gebeurtenissen elkaar op, we moeten dit verband niet als een logisch gevolg beschouwen, omdat het een gebruikelijke associatie van onze ideeën zou kunnen zijn.

De traditionele wetenschap heeft het principe van oorzaak en gevolg nooit in twijfel getrokken. Kwantummechanica lijkt het te schenden, maar dat is niet zo: de theorie maakt het mogelijk om met zekerheid bepaalde aspecten van de evolutie van deeltjes te berekenen, maar niet alles (anders moet je tevreden zijn met het berekenen van de kans dat een bepaald fenomeen zich voordoet). Maar in geen enkel geval laat de theorie situaties toe waarin bijvoorbeeld het effect aan de oorzaak voorafgaat of er los van staat.

HEEFT ONZE ESSENTIE UITGEBREID NAAR HET HEEL UNIVERSUM?

Wanneer we op internet surfen, lijkt de ruimte met een muisklik opgezogen te worden, binnen hypertextlinks tussen systemen die duizenden kilometers van elkaar verwijderd zijn. In de subatomaire wereld kan onder bepaalde omstandigheden hetzelfde gebeuren: er zijn "tweeling" -deeltjes die met elkaar zijn verbonden door de verstrengelingseigenschap, die ondanks dat ze zich in tegenovergestelde punten van het universum bevinden, onmiddellijk met elkaar kunnen communiceren en als een geheel optreden 'een.

Dit inmiddels bewezen fenomeen vernietigt een van de pijlers van de traditionele fysica: het plaatsprincipe. Zo erg zelfs dat er twijfel rijst: leven we in een ondeelbaar, dynamisch geheel, waarvan de delen met elkaar verbonden zijn, zoals de Nederlandse filosoof Baruch Spinoza in de 17e eeuw beweerde?

Volgens zijn 'pantheïstische' visie is er een unieke en oneindige substantie, een geometrische volgorde waarin God en de natuur samenvallen (Deus sive natura, 'God of de natuur') als interne oorzaak voor het geheel.

WEIGERT DE NATUUR VACUÜM?

Natura verafschuwt een vacuüm ('de natuur verwerpt de leegte'): de uitdrukking dateert uit de middeleeuwen, maar het concept is oud: al in de vierde eeuw. naar. C. De Griekse Aristoteles en zijn discipelen ontkenden het bestaan ​​van "een plaats waar niets is", waar "zelfs geen enkel object kan bewegen".

Het taboe in het Westen is millennia lang gebleven, zelfs geassimileerd door de kerk, die het bestaan ​​van een plaats zonder God niet tolereerde. Toen had de klassieke natuurkunde aangetoond dat leegte kon worden gecreëerd, bijvoorbeeld door de lucht uit een container te verwijderen . Het leek ook mogelijk om de 'perfecte leegte' te creëren, dat wil zeggen een gebied in de ruimte dat volledig verstoken is van atomen en licht.

Maar de kwantummechanica heeft vastgesteld dat dit niet mogelijk is: zelfs het 'perfecte vacuüm' zou oneindige energieschommelingen bevatten die in staat zijn om virtuele deeltjes te genereren die uit het niets ontstaan ​​en in korte tijd continu verdwijnen. Kortom, Aristoteles had in zekere zin gelijk.

IS REALITY MATTER OF INFORMATIE?

Vandaag zijn we getuige van de triomf van de informatica: teksten, afbeeldingen, geluiden en films reizen op internet van het ene deel van de wereld naar het andere in de vorm van reeksen van 0 en 1: de bits. Deze digitale stenen, een essentieel onderdeel van ons leven, leiden ons tot een reflectie: bestaat de werkelijkheid uit materie of stukjes? Misschien leven we, zoals de sciencefictionfilm Matrix ons vertelt, in een groot elektronisch brein dat de wereld simuleert. Met het verschil dat de bits van de kwantummechanica verschillen van de "klassieke": ze worden qubits genoemd en maken combinaties (en logische bewerkingen) van een ongeëvenaarde complexiteit in de wereld van traditioneel computergebruik mogelijk

IS ER EEN THEORIE DIE ALLES KAN VERKLAREN?

Natuurkundigen zoeken naar een theorie van alles, die alles kan verenigen: mens en sterren, klein en groot ... zullen ze het halen? Er wordt niet gezegd, maar ambitie is oud. Op zijn eigen manier had hij het al in de 6e eeuw geprobeerd. naar. C. de Griekse filosoof Pythagoras, die de getallen, de uiteindelijke bestanddelen van de natuur, de taak toevertrouwt om het universum verenigd te houden.

Tegenwoordig ligt de belangrijkste focus echter op een evolutie van de snaartheorie genaamd "Theory M". Meer dan een enkele theorie, het is momenteel een systeem van 5 verschillende theorieën die in verschillende contexten van toepassing zijn.

We zouden het kunnen vergelijken met een grote wereldkaart: om het hele aardoppervlak getrouw weer te geven, zijn veel kleine geografische kaarten nodig die, gedeeltelijk overlappend, verschillende aspecten van hetzelfde landschap laten zien.

Opnieuw aangepast uit een artikel van Roberto Rizzo en Carolina Borella

Verwante Artikelen