Kwantumfysica — de wereld op atomaire schaal
Kwantumfysica is de tak van de natuurkunde die het gedrag van materie en energie op atomaire en subatomaire schaal beschrijft. Op die schaal werken de klassieke wetten van Newton niet meer; in plaats daarvan geldt een wereld van kansrekening, golf-deeltje dualiteit en fundamentele onzekerheid.
De kwantumfysica ontstond rond 1900. Max Planck moest in 1900 aannemen dat energie alleen in pakketjes — kwanta — wordt uitgewisseld om de straling van een gloeiend voorwerp correct te beschrijven. Albert Einstein bouwde dit idee in 1905 uit met zijn verklaring van het foto-elektrisch effect: licht zelf bestaat uit deeltjes — fotonen.
In de jaren 1920 voltooiden Niels Bohr, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger, Paul Dirac en Max Born de kwantummechanica als wiskundige theorie. Heisenbergs onzekerheidsprincipe (1927) stelt dat positie en snelheid van een deeltje niet tegelijk willekeurig nauwkeurig gemeten kunnen worden. Schrödingers golffunctie beschrijft de kans waar een deeltje zich bevindt — niet zijn exacte locatie.
Sleutelconcepten
- Kwantisatie — energie komt in discrete pakketjes, niet als continu glijdende waarden.
- Golf-deeltje dualiteit — deeltjes zoals elektronen kunnen zich ook als golven gedragen, en omgekeerd.
- Onzekerheidsprincipe — sommige paren grootheden (positie/impuls, energie/tijd) kunnen niet tegelijk exact bekend zijn.
- Verstrengeling — twee deeltjes kunnen zo aan elkaar gekoppeld zijn dat een meting aan de ene de toestand van de andere ogenblikkelijk vastlegt — ook over grote afstand.
- Superpositie — een kwantumsysteem kan in meerdere toestanden tegelijk verkeren totdat het wordt gemeten.
Toepassingen
Kwantumfysica is geen abstracte theorie. Ze ligt aan de basis van halfgeleiders (en dus van alle elektronica), van lasers, leds, mri-scanners en zonnecellen. De ontwikkeling van kwantumcomputers — die superpositie en verstrengeling rechtstreeks gebruiken — is een actief onderzoeksgebied. De Nederlander Heike Kamerlingh Onnes ontdekte met supergeleiding in 1911 al een verschijnsel dat alleen kwantummechanisch te begrijpen is.
Gerelateerde begrippen
Belangrijke wetenschappers
Niemand 'begrijpt' kwantumfysica helemaal.
Richard Feynman zei het al: wie denkt dat hij kwantumfysica begrijpt, begrijpt hem niet. De wiskunde klopt tot tien decimalen nauwkeurig met experimenten, maar de interpretatie blijft een filosofisch vraagstuk. Voor scholieren is dat geen probleem — beheers eerst de regels, dan komt het inzicht.