De elektromagnetische interactie leidt tot de elektrische en magnetische fenomenen. Ze kan aantrekkend of afstotend zijn. Het foton is het elementaire deeltje dat geassocieerd wordt met de elektromagnetische interactie. Het heeft geen elektrische lading en geen massa, wat betekent dat deze interactie een oneindig bereik heeft.

Het neutrino, een elementair deeltje van het Standaardmodel, is gevoelig voor de zwakke wisselwerking en de gravitatiekracht. Neutrino’s hebben geen elektrische lading en een zeer kleine massa, waarvan alleen een bovengrens bekend is. Omdat ze alleen gevoelig zijn voor de zwakke wisselwerking, reageren neutrino’s zeer weinig met materie; zo weinig zelfs dat om 50% van een neutrinostroom te absorberen, men een loden muur van één lichtjaar dik nodig zou hebben.

Zij is de sterkste van alle interacties. Ze is verantwoordelijk voor de cohesie van alle deeltjes samengesteld uit quarks (Standaardmodel) en voor de adhesie tussen atoomkernen. Haar actie is beperkt tot 2,5× 10⁻¹⁵m.

Door de zwaartekracht zullen massieve lichamen elkaar aantrekken vanwege hun massa. Ze houdt ons op de aarde. Zwaartekracht is verantwoordelijk voor vele natuurlijke verschijnselen: o.a. getijden, de banen van planeten rond de zon en de bolvorm van de meeste hemellichamen.

Ze is dominant voor de grootschalige structuren van het heelal omdat ze altijd aantrekt en niet kan worden geneutraliseerd zoals elektromagnetische krachten. Het bereik ervan is onbeperkt.

De bedoeling van hetgeen volgt, is niet een theorie te geven waarmee men morgen kan gaan rekenen maar te tonen hoe in tegenstelling met de standpunten van het einde van de 19^de eeuw (de fysica is af) de moderne fysica nog levendig is.

In de jaren 1930–40 wordt duidelijk dat:

• De Schrödingervergelijking niet volstaat voor relativistische deeltjes.
• Creatie en annihilatie van deeltjes (zoals in β⁺ radioactief verval) niet goed past in een deeltjesbeschrijving.

Paul Dirac (1927 – 1930) introduceert het idee dat: “de fundamentele objecten geen deeltjes zijn, maar velden zijn”. Deeltjes zijn kwanta van die velden.

Zo ontstaat Quantum Field Theory: (QFT): een synthese van kwantumfysica + speciale relativiteit + veldtheorie.

Voorbeeld: het elektromagnetisch veld → fotonen zijn de kwanta van elektromagnetisch veld.

De eerste volledig uitgewerkte QFT is de Quantum Electrodynamics (QED) of de theorie van elektronen, positronen en fotonen.

Belangrijke figuren zijn Richard Feynman, Julian Schwinger, Sin-Itiro Tomonaga, Freeman Dyson.

Zij ontwikkelen:

• De Feynmandiagrammen.
• Renormalisatie: een methode om schijnbaar oneindige grootheden te temmen.

QED wordt de meest nauwkeurig geteste theorie ooit:

• De berekende waarde van het magnetisch moment van het elektron klopt tot 12 decimalen met de waarde uit het experiment.

Dit succes legitimeert QFT als het fundament van de moderne natuurkunde.

In de jaren 1960–70 worden ook aan de zwakke en sterke kernkrachten vorm gegeven in QFT:

• Electroweak(EW) theory (Sheldon Glashow, Steven Weinberg, Aldus Salam).
• Sterke wisselwerking → QCD.

Samen vormen zij het Standaardmodel:

Het probleem:

Protonen en neutronen bestaan uit quarks, maar quarks worden nooit vrij waargenomen en de sterke kracht wordt sterker naarmate quarks verder uit elkaar gaan.

De oplossing wordt gegeven door QCD (± 1973).

QCD beschrijft de sterke interactie als:

• Een ijk-theorie met symmetrie SU (3).
• Quarks dragen een ‘kleur’ (rood, groen, blauw).
• De kracht wordt overgebracht door gluonen.

Cruciale eigenschappen:

1. Confinement
   Quarks kunnen niet geïsoleerd worden; ze blijven opgesloten in hadronen.
2. Asymptotische vrijheid
   Bij zeer hoge energieën (korte afstanden) gedragen quarks zich bijna vrij.

De evolutie na 1930 markeert wel een diep conceptueel keerpunt.
Voor relativistische systemen en processen waarbij deeltjes kunnen ontstaan of verdwijnen, wordt kwantummechanica uitgebreid tot kwantumveldtheorieën. QED en QCD zijn voorbeelden van kwantumveldtheorieën met volgende veranderingen:

De structuur van de interacties staan hier centraal. De werkelijkheid wordt nu gezien als:

“een netwerk van kwantumvelden waarvan excitatiepatronen verschijnen als ‘deeltjes’ ”..

Quantum Field Theory (QFT) is meer dan ‘kwantummechanica met relativiteit’; zij herdefinieert wat materie en interactie eigenlijk zijn.

In QFT is niet het deeltje fundamenteel, maar het veld. Elk type deeltje correspondeert met een veld dat overal in de ruimte bestaat:

• elektronen → elektronenveld
• fotonen → elektromagnetisch veld
• quarks → quarkvelden
• gluonen → gluonvelden

Wat wij waarnemen als een ‘deeltje’ is een lokale excitatie (een trilling) van zo’n veld, net zoals een golf op zee geen zelfstandig object is, maar een verstoring van water.

De kern van het meetprobleem ligt in de vraag hoe en wanneer kwantumsystemen bij observatie overgaan van een superpositie van toestanden naar een definitief meetresultaat. Het meetprobleem daagt ons begrip van de rol van de waarnemer en de aard van metingen in de kwantumtheorie uit. Zoals we zagen was Erwin Schrödinger één van de wetenschappers, die met zijn beroemde kat er op wees.

Verschillende interpretaties van de kwantummechanica stellen verschillende oplossingen voor het meetprobleem voor, die elk unieke inzichten bieden in de onderliggende fysica.

De kwantumtheorie biedt een wiskundig kader voor het beschrijven van het gedrag van deeltjes en systemen op microscopisch niveau, maar laat veel conceptuele vragen onbeantwoord. Verschillende interpretaties van de kwantumtheorie stellen verschillende oplossingen voor op de onderliggende aard van de werkelijkheid en de betekenis van kwantumverschijnselen.
Hier volgen enkele van de meest prominente interpretaties.

De Kopenhagen-interpretatie, geformuleerd door Niels Bohr en Werner Heisenberg, benadrukt de rol van meting in de kwantummechanica. Volgens deze interpretatie bestaan kwantumsystemen in superposities van toestanden totdat ze worden gemeten, waarna de golffunctie instort tot een enkele definitieve uitkomst. De Kopenhagen-interpretatie benadrukt het belang van de waarnemer en de onbepaaldheid die inherent is aan kwantummetingen.

De interpretatie van vele werelden, voorgesteld door Hugh Everett III, suggereert dat elke kwantummeting resulteert in de vertakking van het universum in meerdere parallelle werelden, die elk overeenkomen met een andere mogelijke uitkomst.

In deze interpretatie stort de golffunctie nooit in en bestaan alle mogelijke meetresultaten naast elkaar in afzonderlijke takken van de werkelijkheid. De interpretatie van de vele werelden biedt een deterministische verklaring van kwantumverschijnselen, maar vereist het bestaan van een oneindig vertakkend multiversum.

De pilootgolftheorie theorie, ook bekend als de Broglie-Bohm theorie, introduceert verborgen variabelen die naast de golffunctie ook de banen van deeltjes bepalen.

Volgens deze interpretatie worden deeltjes geleid door een pilootgolf die deterministisch evolueert, terwijl de golffunctie statistische informatie geeft over de verdeling van deeltjesposities. De pilootgolftheorie biedt een deterministische beschrijving van kwantumverschijnselen zonder dat de golffunctie hoeft in te storten.

Objectieve instortingstheorieën stellen voor dat de golffunctie spontaan instort als gevolg van een intrinsiek fysisch proces. Deze theorieën, zoals het GRW-model (Ghirardi-Rimini-Weber) hebben tot doel het ontstaan van klassiek gedrag uit kwantumsystemen te verklaren en het meetprobleem aan te pakken door de ineenstorting van de golffunctie toe te schrijven aan objectieve fysische processen.

Quantum Bayesianisme, of QBisme, heeft een subjectieve kijk op de kwantummechanica en benadrukt de rol van de overtuigingen en kennis van waarnemers bij het interpreteren van kwantumverschijnselen. Volgens QBism vertegenwoordigen kwantumtoestanden de subjectieve waarschijnlijkheid van meetresultaten van de waarnemers. Kwantummetingen actualiseren de overtuigingen van de waarnemers in plaats van al bestaande eigenschappen van het systeem te onthullen.

Elke interpretatie heeft zijn voorstanders en critici. Lopend onderzoek heeft tot doel de implicaties van deze interpretaties voor ons begrip van de kwantumwereld te onderzoeken. Door de filosofische en conceptuele grondslagen van de kwantumtheorie te onderzoeken, hopen onderzoekers diepere inzichten te krijgen in de aard van de werkelijkheid en de fundamentele principes van het universum.

Verstrengeling komt voort uit het superpositieprincipe van de kwantummechanica, waardoor deeltjes in meerdere toestanden tegelijk kunnen bestaan. Wanneer twee of meer deeltjes verstrengeld raken, kan hun gecombineerde toestand niet onafhankelijk van de toestand van elk afzonderlijk deeltje worden beschreven. In plaats daarvan vertonen de verstrengelde deeltjes correlaties die sterker zijn dan die welke door de klassieke fysica worden toegestaan.

Metingen die op het ene verstrengelde deeltje worden uitgevoerd, hebben onmiddellijk invloed op de toestand van het andere, ongeacht de afstand tussen hen. Dit wordt non-lokaliteit genoemd. Deze non-lokaliteit daagt onze klassieke intuïties over de aard van de werkelijkheid uit en is bevestigd door talrijke experimentele tests van de stelling van Bell.

Bestuderen van kwantumverstrengeling in de natuur kan leiden tot nieuwe inzichten in fundamentele fysica en de ontwikkeling van geavanceerde technologieën.

Experimentele vooruitgang heeft de grenzen verlegd van ons vermogen om kwantumsystemen te manipuleren en te observeren, waardoor nieuwe wegen zijn geopend voor verkenning en ontdekking. Ondanks deze prestaties blijven er echter veel open vragen bestaan, die ons conceptuele kader uitdagen en inspireren tot voortgezet onderzoek.

Samenwerking tussen theoretici en experimentalisten, evenals dialoog tussen verschillende interpretaties van de kwantumtheorie, kan leiden tot diepere inzichten en een uitgebreider begrip van de kwantumwereld nieuwe grenzen in de wetenschap en daarbuiten ontsluiten.

In een artikel in Scientific American van augustus 2025 werd gepeild naar hoe natuurkundigen hier tegenover staan: