Wat is de quantumtheorie?

Antwoord

Beste Evert,

Om op je vraag te antwoorden moeten we het eerst hebben over mechanica: de wetenschap van bewegingen, hoe ze ontstaan en hoe ze verlopen. Dit is een heel wijde wetenschap, want ze omvat zowel de bewegingen van galaxieën en sterren als die van vliegtuigen of van elektronen.

Mechanica werkt met "modellen": een model is een geheel van wetten en wiskundige methodes die toelaten beweging en evenwicht te beschrijven en te voorspellen, maar ook hoe we het verband moeten leggen tussen onze wiskundige formules en de grootheden die we meten (Ik geef zo dadelijk een voorbeeld).

Nu komt iets heel belangrijks, en ik citeer hier een tekst van een jonge onderzoeker, Bert Vercnocke, die het mooi verwoordde: "Wetenschap wordt georganiseerd op verschillende niveau's, die elk hun eigen schaal hebben en ze heeft modellen die de wereld beschrijven op een bepaalde schaal. De schaal waar we het meest mee te maken hebben, die ons het meest vertrouwd is, is die waar afstanden gemeten worden in meters of kilometers, tijden in seconden, uren, jaren, waar we te maken hebben met snelheden zoals die van de fietser of de auto. Een succesvol - en exact - model van die bewegingen wordt gegeven door de wetten van Newton en het verband dat ze aangeven tussen krachten en versnellingen."

In dit model stellen we dus dat voor een massa M de versnelling a en de kracht K eenvoudig met elkaar in verband staan door de formule K = Ma; hierbij legt de mechanica dan ook precies uit hoe we krachten kunnen meten (door het uitrekken van een veer of het bepalen van een gewicht), hoe we massa's kunnen vergelijken door hun gewicht te meten, hoe we versnellingen kunnen bepalen door opeenvolgende metingen van afstanden en tijden. Dit is dan het model van de zgn. klassieke mechanica. Ik citeer nu verder:

"Voor de heel grote afstanden (sterren, galaxieën) hebben we een ander uitstekend model: de relativiteitstheorie (Einstein). Voor de heel kleine afstanden (atomen,atoomkernen, elementaire deeltjes) hebben we een ander model: de quantumtheorie."

Quantumtheorie is dus het model dat we gebruiken voor de bewegingen op de schaal van atomen of kleiner. Die verschilt erg van de ons vertrouwde klassieke mechanica; zo stelt ze bv. dat het niet mogelijk is de plaats van een deeltje nauwkeurig te bepalen als men zijn snelheid nauwkeurig bepaald heeft.

Nu zal je misschien opperen: mijn fiets bestaat uit atomen, sterren bestaan uit atomen, waarom is dan niet alles te begrijpen men de quantumtheorie? Hier kan je twee dingen op antwoorden:

1. Veel eigenschappen van materie (zoals hardheid, dichtheid) zijn een gevolg van het feit dat er heel veel atomen samenwerken om die eigenschap voort te brengen doch de individuele eigenschappen van de atomen komen hier niet naar voor. Op dit niveau speelt bv. de onbepaaldheid tussen plaats en snelheid geen enkele waarneembare rol.
   
2. De wetenschap is niet af: ze kan bv. de bewegingen van galaxieën niet terugvoeren tot atomaire eigenschappen. Met name het verband tussen de relativiteitstheorie en de quantumtheorie is niet echt gekend. En dus denken nu enkele honderden mensen hard na over dit probleem en werken enkele duizenden aan de deeltjesversneller in CERN (Genève) om nieuwe eigenschappen van elementaire deeltjes te ontdekken in de hoop hierdoor nieuwe inzichten te bekomen.