 |
 |
 |
De titel fan dizze post soe tinke kinne dat we problemen oplosse sille op it mêd fan kwantummeganika, lykas it berekkenjen fan de Bohr-straal fan it wetterstofatoom. Dat lit ik lykwols as opjefte oer oan de lêzer, en ik sil fuort de oplossing jaan, nammentlik a0 = 0,5292 Å. Dizze post sil fierder gjin formules befetsje, dat ûnthjit ik.
Hjir wol ik, as it mooglik is, yn relatyf ienfâldige wurden, de problemen binnen de kwantummeganika sels taljochtsje. Dat sil jo miskien fernuverje, want dizze teory is tige suksesfol en hat ús allegearre moderne technology opsmiten, lykas de servers dêr't myn blog op draait en it apparaat dêr't jo dizze post op lêze, dus hoe kin dy dan problematysk wêze? Dochs binne dizze diskusjes al begûn doe't de kwantummeganika noch yn 'e berneskuon stie, en wy binne der noch lang net út. Der is gjin reden ta ûngerêstens, want de teory sil net samar oan 'e kant skood wurde, en ek de syktocht nei in kwantumkompjûter sil net opjûn wurde, mar it formalisme hat wierskynlik noch net syn definitive foarm berikt.
In soad wittenskippers dy't ik ken, soene gjin momint stilstean by mooglike tekoartkommingen yn 'e logika derfan. Ik moedich studinten en professionals lykwols oan om de problemen yn de wittenskiplike teoryen dy't ús bybrocht wurde te bestudearjen, lykas ûnderwerpen op it mêd fan filosofy. Sa wurke ik as studint bygelyks oan in essay oer de hjirûnder beskreaun EPR-paradoks, doe't it ûnderwerp wer aktueel waard troch it doe resinte wurk fan Aspect oan it begjin fan de tachtiger jierren. Soksoarte stúdzjes jouwe in djipper ynsjoch yn in wittenskiplik formalisme en ûnoploste kwestjes yn dat ramt. Oanjaande wittenskippers stelle gongbere formalismen ta diskusje en bringe de wittenskip gâns foarút troch de spanningen dy’t hja werkenne op te lossen. Dat soe op in dei ek barre kinne. Planck stelde it quantisearjen fan enerzjy foar omdat de klassike teory de strieling fan in swart lichem net modelleare koe. Einstein betocht syn relativiteitsteory omdat it elektromagnetyske gedrach fan in bewegend lichem net fuortfloeit út in kombinaasje fan de wetten fan Maxwell en Newton. Wittenskip is, lykas in keunstwurk of in post yn in blog, nea ôf. Mar wat soe der dan mei de kwantummeganika oan de hân wêze?
Yn in eardere post ha ik útlein dat Planck yn 1900 it earste goede model foar swarte strieling ôflate. Dêrfoar moast er de radikale oanname dwaan dat útstriele enerzjy allinnich mar in diskreet faak fan in minuskule basisienheid wêze mocht. Planck krige foar dit wurk de Nobelpriis fan 1918. Einstein gie hjir noch in stap fierder troch oan te nimmen dat ljocht sels antisearre is yn de foarm fan fotoanen, wêrtroch't er yn 1905 it foto-elektrysk effekt ferklearje koe, in prestaasje dy't him yn 1921 de Nobelpriis opsmiet. Nota bene, Einstein ûntfong de Nobelpriis net foar de algemiene relativiteitsteory, sa't jo miskien ûnderstelle soene, omdat dy teory, dy't no algemien oannommen is, yndertiid noch as te kontroversjeel beskôge waard.
De basis enerzjy-ienheid yn it model fan Planck is tige lyts; dêrom liket enerzjy yn de klassike, makroskopyske wrâld foar alle praktyske doelen kontinu. Pas op molekulêre of lytsere skaal begjint de natuer him te hâlden op in wize dy't ôfwykt fan ús deistige ûnderfining. Yn 1913 stelde Bohr in model foar, dat ûnderwilens efterhelle is, foar in wetterstofatoom dêr't elektroanen yn sabeare banen yn foarkomme. It absorpsjespektrum fan wetterstofgas koe no út de earste prinsipes wei ferklearre wurde, en dat mei grutte krekter. As jo de kleuren yn sinneljocht analysearje, sille jo fernimme dat der in pear tige spesifike kleuren ûntbrekke, wat in fingerprint foarmet fan de gemyske gearstalling fan de sinne, dy't benammen út wetterstof bestiet. Wat de ûntlûkende dissipline op dat stuit ûntbruts, wie in konsistint, oerkoepeljend ramt. Dat kaam doe't De Broglie stelde dat net allinnich fotoanen, mar alle matriksmeganika golfeftige eigenskippen hawwe soe, wêrnei't Heisenberg de matriksmeganika ûntwikkele en Schrödinger de golfmeganika opstelde. Dit ramt is de kwantummeganika dy't wy gemisy hjoed-de-dei yn de kolleezjesealen leare.
De kwantummeganika hat wichtige filosofyske ymplikaasjes. De Newtoniaanske meganika en de algemiene relativiteitsteory binne objektyf en deterministysk, wat betsjut dat ferskynsels har foar elkenien op deselde wize manifestearje, en dat jo, sadree't jo alle begjinbetingsten kenne, alles witte oer de fierdere ûntwikkeling fan it systeem. De kwantummechanika dêrfoaroer is objektyf, mar net-deterministysk. Yn de tweintiger jierren ûntstie de opfetting dat jo neat definyfs oer in kwantumsysteem witte kinne oant jo in, ynherint ûnkearbere, mjitting útfiere. Dy opfetting is, sa't jo jo foarstelle kinne, yn twivel lutsen - de term mjitting is bygelyks net goed definiearre, en hoe soe in systeem kinne "witte" oft it ûndersocht wurdt? Yn de rin fan de desennia waarden oare ynterpretaasjes formulearre, lykas de ynterpretaasje fan de wrâld, dêr't letter yn dizze post noch op weromkommen wurde sil. Dochs binne farianten fan de hjirboppe beskreaun Kopenhaagse interpretatie nog steeds de heersende opvatting onder wetenschappers. Fanwegen de ferskillende ynterpretaasjes kinne oare kwestjes, dy't yn de folgjende alinea's beskreaun wurde, noch net definityf ôfsletten wurde.
De dieltje-golfdualiteit hat op kwantumnivo in bysûnder fysysk gefolch, dat yn 1927 troch Heisenberg formulearre waard as it ûnsekerheidsprinsipe . Neffens de kwantummeganika kinne bepaalde pearen fan fysyske eigenskippen, lykas de posysje en de ympuls fan in minuskuul dieltsje, net tagelyk mei wissichheid bepaald wurde. Al dizze revolúsjonêre ideeën ûntstiene yn in tiid doe't foaroansteande tinkers lykas Einstein folhâlden dat it universum rasjoneel is, en dat werklikheid wis is yn romte en tiid. Mei it each op it kwantumindeterminisme kenne wy allegearre Einsteins opmerking dat God net dobbelet. Hy soe ek frege hawwe oft de Moanne bestiet as gjinien dernei sjocht, ferwizend nei de ûnwissens dy't de kwantumteory mei him meibringt. Einstein fersmiet de kwantummeganika net – hy wie, sa't jo it yn it sin bringe sille, ien fan 'e grûnlizzers derfan – mar hy beskôge it net as in definitive teory. Dat bringt ús by in lestige fraach dy't er mei twa ko-auteurs oan 'e oarder stelde.
Dit bekende debat, dat al yn de ynlieding neamd waard, is de Einstein-Podolsky-Rosen-paradox, of EPR-paradox, út 1935. Dy foarme in serieuze útdaging foar de kwantummeganika dy't de krantekoppen helle, en wittenskippers ha desennialang wurke om dêr in oplossing foar te finen. In nuver gefolch fan de kwantummeganika is dat wannear't twa neie, mei-inoar ynteragearjende kwantumdieltsjes fier útinoar pleatst wurde, it iene dieltsje noch altyd fuortendaliks reagearret op wat der mei it oare bart. Dat wurdt ferfrisseling neamd. Neffens EPR soe de kwantummeganika ûnfolslein wêze fanwege dizze ymplisearre ynteraksje dy't flugger is as it ljocht. As jo natuerkundigen sizze hearre dat de kwantummeganika in net-lokale teory is, dan hawwe se it oer dizze "wurking op ôfstân". Einstein et alii geloofden in lokaliteit, wat betsjut dat objekten allinne in wikselwurking oangean kinne mei wat him yn harren neiens befynt, en betochten de EPR-paradox om harren stânpunt te ûnderbouwen dat de kwantummeganika korrekt, mar ûnfolslein wie.
De kwestje fan de non-lokaliteit bleau spyljen oant Bell yn 1964 in teorema formulearre dêr't it fraachstik eksperiminteel mei besljochte wurde koe. Laboratoariumûndersyk troch Clauser yn 1970 en letter troch Aspect yn 1982 makke in fierdere falidearring fan ferfrisseling mooglik. De oant no ta sammele eksperimintele gegevens wize der oertsjûgjend op dat ien of mear fan de oannames yn it teorema fan Bell ûnwier binne, wêrtroch't ferfrisseling in reëel ferskynsel yn de kwantumwrâld liket te wêzen. Hokker oannamen yn it teorema dat wêze soene, ferskilt lykwols foar elke ynterpretaasje fan de kwantummechanika. In soad wittenskippers beskôgje EPR no as wjerlein en de kwantummeganika as in net-lokale teory, wylst oaren har ûnthâlde fan in konklúzje oant der fêststeld is hokker ynterpretaasje fan de teory de goede is. Merk lykwols op dat ferfrisseljen in eigenaardichheid fan de kwantummechanika is sûnder praktyske tapassing, om't der gjin manier is om ferfrissele dieltsjes nei jo hân te setten. Dat bringt ús by de yninoarstoarting fan de golffunksje, in oar problematysk konsept.
Betink dat jo neffens de Kopenhaagse ynterpretaasje pas by in mjitting definitive ynformaasje krije oer in kwantumsysteem. Jo hawwe fêst wolris heard fan Schrödingers kat dy't opsletten sit yn in doaze mei in opstelling dy't him by tafal deadzje kinne soe. Yn de kwantummeganika is it earme bist, salang't de doaze ticht bliuwt, sawol libben as net libben, oant jo de doaze iepenje en ûntdekke dat it wol libjend of net mear ûnder ús is. In net waarnommen systeem wurdt oannommen om yn in superposysje fan alle mooglike tastannen te befinen. By mjitting stoart dizze superposysje yn ta ien inkelde tastân. Dit is wêr't de mikroskopyske kwantumwrâld bot ferskilt fan de makroskopyske wrâld. In foarbyld dat in gemikus as ik goed begripe kin, is in net-ûndersocht wetterstofelektron dat tagelyk yn alle orbitalen en spins bestiet. As jo dat elektron ûndersykje, iepenbieret it him bygelyks yn de 2pz orbitaal mei spin omheech.
Foaroansteande tinkers lykas Penrose stelle dat de golfmeganika fan Schrödinger en it konsept fan de yninoarstoarting fûneminteel ûnferienichber binne. Merk op dat dizze ûnferienichberheid ôfhinget fan de oanname dat in fariant fan de Kopenhaagse ynterpretaasje krekt is. In pear jier lyn skreau ik in post dêr't ik de multifersum-hypoteze yn neamde. Everett stelde in soartgelyk konsept foar de kwantummechanica foar, dat no de folle-wrâlden-ynterpretaasje neamd wurdt, wêryn't mooglike kwantumtastannen inoar net oerlaapje, mar elk yn in eigen universum bestiet dat gjin ynteraksje hat mei oare universa. Hoewol't dit it mjitprobleem en paradoksen lykas EPR oplost, is dit in net-toetsber idee, krekt as de multyfersum-hypoteze. Moatte wy in ynterpretaasje akseptearje dy't yn wêzen ûnwittenskiplik is?
Yn de ynlieding haw ik al oanjûn dat der gjin reden ta ûngerêstens is. De kwantummechanika hat ús begryp fan de mikroskopyske wrâld op syn kop set, en wy binne noch hieltyd dwaande om de gefolgen dêrfan te trochgrûnjen. Dat sil úteinlik liede ta in ferbettere, sels noch suksesfollere teory. Ien fan de diken is bygelyks de De Broglie-Bohm-teory, in deterministyske mar net-lokale fariant fan de kwantummeganika. As alternatyf stelde Penrose foar dat de yninoarstoarting fan de golffunksje mooglik feroarsake wurdt troch swiertekrêft, en net troch waarnimming. Technysk besjoen betsjut dat dat as de ferskillen yn romtetiidkromming tusken tastannen in drompel te bûten gean, de superposysje destabilisearret. Dit idee kombinearret op elegante wize Einsteins relativiteitsteory en de kwantummeganika. Wolle jo dochs in weardige kwantummeganyske opjefte, bêste lêzer, feriening as it ramtwurk derfan mei de algemiene relativiteitsteory. As jo dêryn slagje mochten, dan wachtsje jo neat minder as de Nobelpriis.
