Wat bedoel je daar eigenlijk mee? Deze vraag stelde Niels Bohr steeds aan zijn slimme en nieuwsgierige 23-jarige leerling. Honderd jaar geleden wandelden de Deense fysicus Niels Bohr en zijn Duitse leerling, de fysicus Werner Heisenberg, urenlang door het bos van Dyrehaven en langs de Øresund, terwijl ze probeerden de vreemde gedragingen van atomen uit te leggen.
In die tijd dachten fysici dat het atoom leek op een klein zonnestelsel – met een compacte kern in het midden en elektronen die eromheen cirkelen. Aan het begin van de 20e eeuw had Max Planck voorgesteld dat energie in kleine pakketjes komt. Dit was een wiskundige idee dat hij had ontwikkeld om zijn experimentresultaten te verklaren. Albert Einstein breidde deze gedachte uit door te betogen dat licht zelf komt in pakketten of “quanta”.
Met deze nieuwe invalshoek gebruikte Niels Bohr zijn intuïtie om het ware functioneren van atomen te ontdekken. Hij was het niet eens met de opvatting dat elektronen zich als planeten rond de zon bewegen – deze bewegen zich niet in regelmatige cirkels. In plaats daarvan verdwijnen ze van het ene niveau en verschijnen ze plotseling op een ander niveau, waarbij ze licht uitzenden of absorberen. Dit idee leek destijds absurd voor fysici, en er was geen theorie die dit gedrag kon verklaren.
Daarom bleven Bohr en Heisenberg discussiëren over hoe ze een nieuwe theorie konden ontwikkelen die de vreemde gedragingen van atomen kon verklaren. Hun lange wandelingen en intense discussies markeerden het begin van wat we nu kwantummechanica noemen – een theorie die dit jaar haar 100-jarig bestaan viert.
De vroege jaren van kwantummechanica
Naast de strijd om de mysterieuze gedragingen van de natuur uit te leggen, had Heisenberg ook te maken met een ernstige pollenallergie. Daarom vertrok hij naar het afgelegen eiland Helgoland in de Noordzee, waar hij rust en focus vond. Daar zou Heisenberg eindelijk de bouwstenen leggen voor een wiskundige theorie die de wetten van de microscopische wereld zou uitleggen: een kwantumtheorie.
Volgens Heisenbergs oorspronkelijke idee kan je de natuur enkel beschrijven met hetgeen dat zichtbaar is. In plaats van te volgen waar een deeltje “echt” is, werk je direct met wat je kunt meten in het laboratorium: de energie van het deeltje, de lichtfrequenties die het uitzendt of hoe het andere deeltjes beïnvloedt.
Twee kanten van dezelfde munt
Rond dezelfde tijd ontwikkelde de Oostenrijkse fysicus Erwin Schrödinger een andere, maar soortgelijke benadering. Deze was gebaseerd op het feit dat licht zich gedraagt als een golf, wat een intuïtiever beeld van atomaire gedragingen biedt. In plaats van enkel te focussen op meetbare grootheden, beschouwde hij deeltjes als gladde golven die zich door de ruimte verspreiden. Golven die we nooit direct zien, maar waarvan de vorm ons vertelt hoe waarschijnlijk het is om het deeltje op verschillende plaatsen te vinden als we het meten.
Maar dit leidde tot een vraag: als een deeltje zich als een golf verspreidt, waarom bevindt het zich dan altijd op een specifieke plaats wanneer we het meten? Deze controverse maakt duidelijk dat de twee benaderingen hand in hand gaan: ze beschrijven dezelfde werkelijkheid vanuit verschillende hoeken.
De opkomst van moderne technologieën
Hoewel kwantumfysica aanvankelijk niet intuïtief was en soms controversieel voor wetenschappers in het begin van de 20e eeuw, bood het hen de mogelijkheid om materialen en processen te beheersen die ze daarvoor niet konden begrijpen. Dit leidde tot tal van nieuwe technologieën. Binnen 25 jaar na Heisenbergs ontdekking werd de basis gelegd voor veel moderne technologieën.
In de jaren ’30 en ’40 hielp kwantummechanica wetenschappers om halfgeleiders te begrijpen – materialen die kunnen worden ingesteld om elektriciteit te isoleren of te geleiden. Dit komt voort uit elektronen die zich als golven in een kristal gedragen, waardoor sommige energien gemakkelijk kunnen doorstromen terwijl anderen worden geblokkeerd.
Rond dezelfde tijd leerden wetenschappers hoe ze een bundel van kleine deeltjes op een materiaal konden laten schijnen en daarmee de eigenschappen ervan konden ontdekken. Dit leidde tot de ontwikkeling van de eerste sensor die gebruikmaakte van kwantummechanica.
De recente innovaties
Sinds de jaren ’90 hebben wetenschappers – mede dankzij enkele van de bovenstaande ontdekkingen – steeds meer controle bereikt over individuele atomen, elektronen en fotonen. Tijdens deze “tweede kwantumrevolutie” ontstonden onder andere veilige communicatiekanalen die bestand zijn tegen ongeautoriseerde afluistering. Dit is waardevol voor overheidsinstellingen, banken en de gezondheidszorg, die met gevoelige gegevens werken.
Deze ontwikkelingen hebben geleid tot de creatie van kwantumcomputers, die gebruik maken van atomen als rekeneenheden. Hoewel ze al bestaan, zal het nog vele jaren duren voordat er een echt bruikbare kwantumcomputer is gebouwd.
De toekomst van kwantummechanica
Er zijn goede redenen om de innovatieve kracht te vieren die onderzoekers en ingenieurs in het afgelopen eeuw hebben getoond. Veel van wat zij hebben ontwikkeld met behulp van kwantummechanica heeft ons leven drastisch veranderd. Toch is het belangrijk om te onthouden dat er ook periodes zijn geweest waarin gevaarlijke doelen technologische vooruitgang hebben gedreven.
Dit jaar vieren we het 100-jarig bestaan van de ontdekking van kwantummechanica. Vele vragen die Heisenberg, Einstein, Bohr en hun tijdgenoten destijds stelden, blijven echter onbeantwoord. Wat betekent het om iets te meten? Is er een onderliggende en krachtigere theorie om te ontdekken? De zoektocht naar antwoorden op deze fundamentele vragen zal ongetwijfeld doorgaan.
