“De kwantumwereld, een wereld die niemand begrijpt” – Richard Feynman
Wetenschappers ontdekken nieuwe werelden zonder daarvoor verre reizen te moeten maken. Met de kwantumwereld werd ook een nieuwe wereld onthuld die iedereen, zelfs de ontdekkers, versteld deed staan door zijn heel onverwachte en vaak nauwelijks te geloven eigenschappen.
Kwantumkatten die zowel levend als dood zijn, een kwantumskiër die tegelijk twee verschillende wegen kan afleggen, Bob en Alice die op onbeperkte grote afstand onmiddellijk, sneller dan het licht, met elkaar in contact staan. Dat behoort allemaal tot de kwantumwereld. Het lijkt sciencefiction, maar het is echt waar.
Niels Bohr (1885 – 1962), Nobelprijswinnaar natuurkunde 1922, zei het zo:
“Degenen die niet geschokt zijn wanneer ze voor het eerst in aanraking komen met de kwantumtheorie, kunnen die onmogelijk begrepen hebben.”
Hoe baanden wetenschappers zich met vallen en opstaan een weg door deze kwantumwereld? Wat maakt die wereld zo bijzonder? Waar is hij in onze dagelijkse ‘gewone’ wereld overal aanwezig? Wie zijn de ontdekkingsreizigers zelf? Hoe zag de samenleving van hun tijd eruit?
In Kwantumhuis vind je een antwoord op deze vragen.
Kwantumhuis zoals het hier virtueel wordt voorgesteld is de toegang tot de kwantumwereld. Een fascinerende wereld die overal in ons dagelijks leven aanwezig is en die onze opvattingen over de werking van de natuur revolutionair heeft veranderd. Spijtig genoeg kunnen maar weinigen er iets zinnigs over vertellen.
Daar wil Kwantumhuis iets aan doen. Het staat open voor leerkrachten, als inspiratiebron voor boeiende lessen, voor hun nieuwsgierige leerlingen en voor iedereen die op een aanvaardbaar niveau iets wil te weten komen over de kwantumwereld.
Kwantumhuis neemt je mee op een ontdekkingstocht doorheen een huis met vele zalen en kamers, waar we de oorspronkelijke ontdekkers volgen terwijl ze met vallen en opstaan een heel nieuwe wereld ontdekken.
Kwantumhuis volgt zo veel mogelijk de historische lijn die tussen 1900 en 1930 tot het ontsluiten van de kwantumwereld geleid heeft. Het voegt uitlopers naar vandaag toe zoals toepassingen, de ontwikkelingen na 1930 en de interpretatieproblemen die er na 100 jaar nog altijd zijn.
Kwantumhuis is als een virtueel huis met een inkomhal en uit acht zalen, genoemd naar een wetenschapper die een belangrijke rol gespeeld heeft. De eerste zeven vertellen in chronologische volgorde elk een episode uit de ontdekkingsgeschiedenis van de kwantumwereld. Precies zoals de wetenschappers dat toen beleefden. De informatie wordt in elke zaal gespreid over een aantal korte taferelen.
De uitgebreide achtste zaal geeft een overzicht van hedendaagse toepassingen van de kwantumfysica waaronder MRI, lasers, LEDs en kwantumcomputers.
Je staat nu in de virtuele inkomhal. Hier start je bezoek.
Om een goed overzicht te hebben bezoek je de zalen best in chronologische volgorde. Maar je kan ook die zalen eruit kiezen die een episode beschrijven die je bijzonder interesseert. En in elke zaal kan je kiezen voor één of meerdere taferelen. Je bezoek wordt afgesloten met een epiloog waarin je een kort overzicht vindt van de ontwikkelingen in de kwantumfysica na 1935.
Meer informatie of duiding over een wetenschappelijk aspect wordt aangeduid met een kladboek-icoontje, meer contextualisatie in historische of maatschappelijke zin wordt een excursie genoemd, aangeduid met een opengeklapte encyclopedie
Overzicht verschillende zalen
Hendrik Lorentz
1900 – 1914 : Fysica en samenleving
Hoe was de fysica eraan toe vóór de kwantumrevolutie? En de samenleving? Wat veranderde er dan in de wetenschap en in de samenleving? In beide gebeurden historische veranderingen. Zo opvallend dat het wel lijkt alsof er tussen beide een wisselwerking is.
België speelde een belangrijke rol in de kwantumrevolutie. En wat was deze rol van België dan? Lees het antwoord in deze zaal.
Max Planck
Hoe licht voor duisternis zorgde
Rond 1900 werden er enkele verschijnselen ontdekt die niet konden worden verklaard met wat men toen wist over licht. In het foto-elektrisch effect gedroeg licht zich net tegenovergesteld dan wat men verwachtte als het een golf zou zijn. Net zoals het licht dat door een zwarte straler wordt uitgezonden helemaal anders was dan wat de golftheorie voorspelde.
De eerste wet van de kwantumwereld werd gevonden door Max Planck. Albert Einstein (1879 – 1955) vindt een oplossing voor het probleem van het foto-elektrische effect die haast niemand gelooft. Hij stelt dat licht uit deeltjes bestaat. Dat kan toch niet! Het zal tot begin jaren 1920 duren vooraleer het deeltjesaspect van licht algemeen wordt erkend.
Niels Bohr
Het elektron. Een rebels deeltje (1911 – 1921)
De ontdekking van het elektron door J. J. Thomson (1856 – 1940) interesseren wetenschappers zich voor het gedrag van elektronen in atomen en krijgen we atoom-modellen. Het eerste model kwam van J. J. Thomson zelf (1902). Op basis van experimenten lanceerde E. Rutherford (1911) het planetenmodel dat evenwel niet stabiel kon zijn. En dan, als een duivel uit de doos, verschijnt in 1913 het totaal onverwachte en choquerend atoommodel van de Deen Niels Bohr. Voor hem bewegen de elektronen nog op banen rond de kern maar zijn de kinetische energie en het impulsmoment van het elektron gekwantiseerd. Merkwaardig is dat N. Bohr een numerieke verklaring kan geven aan het lijnspectrum van waterstof (H). Dit model wordt verder uitgewerkt in het Bohr-Sommerfeld-model.
Wetenschappers zoals Milikan en Stern & Gerlach voeren interessante experimenten uit om de eigenschappen van dit elektron beter te leren kennen.
De tijden zijn echter zeer onrustwekkend o.a. door de opkomst van het Nazisme. Duitsers worden niet toegelaten op de Solvayraden van 1921 en 1924.
Erwin Schrödinger
Een prinselijke doorbraak en de mysterieuze psi
n 1900 verschijnen de eerste tekenen van de kwantumwereld. In 1920 zijn we ondertussen twintig jaar verder. Hoe ver staan we dan? Hebben we al een betrouwbare kaart van deze wereld? Hebben we al een overkoepelende theorie die de kwantumwereld met de dagelijkse wereld verzoent?
Een wegwijzer voor deze nieuwe wereld die, zoals elke goede kaart, toelaat een betrouwbaar parcours doorheen de kwantumwereld af te leggen? Een theorie die nieuwe dingen voorspelt? Nee dat hebben we nog lang niet.
De jaren 1920 gaan daar grote veranderingen in brengen! Erwin Schrödinger zal daar een belangrijke rol in spelen. De fameuze psi (Ψ) verschijnt op het toneel.
Werner Heisenberg
De ontdekking van onzekerheid en het schisma in de fysica
Ongeveer tegelijkertijd met Erwin Schrödinger (1887 – 1967) vindt de dan 23-jarige Duitser Werner Heisenberg een heel andere weg om tot hetzelfde resultaat te komen. Zijn benadering leidt tot de fameuze onzekerheidsrelaties van Heisenberg.
In 1926 komt Max Born, waarbij W. Heisenberg assistent is, met een heel nieuw idee: Ψ (psi) leert ons wat de kans of waarschijnlijkheid is om een elektron bij een meting op een bepaalde plaats in een atoom aan te treffen.
Maar fysica is toch geen kansspel! Dat is volgens sommigen het einde van de fysica als wetenschap. “God dobbelt niet”, zegt Albert Einstein (1879 – 1955) kwaad. Er ontstaat een schisma binnen de fysica: een onoverbrugbaar meningsverschil tussen de ‘oude garde’ onder leiding van A. Einstein en de nieuwe lichting onder leiding van Niels Bohr (1885 – 1962). Onder leiding van N. Bohr wordt de Kopenhagen-interpretatie van de kwantummechanica uitgewerkt en haast als een dogma door W. Heisenberg verdedigd op de Solvayraad van 1927.
Linus Pauling
Elektronen veroveren de scheikunde
Chemie en fysica hebben een belangrijk onderzoeksthema gemeen. Dat is het onderzoek naar de structuur van atomen. Scheikundigen hebben immers atomen nodig om er moleculen van te maken. En fysici zijn geïnteresseerd in de meest elementaire bouwstenen van de materie.
In deze zaal zetten we eerst een stap terug in de tijd, toen Dmitri Mendeleev zijn periodiek systeem van elementen ontwierp. We gaan zien hoe chemici een antwoord zochten op de vraag waarom eigenschappen van elementen met een zekere regelmaat terugkeren in het periodiek systeem. En welke rol de vier kwantumgetallen van de fysici hierbij speelden. Eén van die kwantumgetallen heeft betrekking op een deeltjeseigenschap, die enkel in de kwantumwereld voorkomt. We zullen ook laten zien hoe de waarschijnlijkheidsinterpretatie van de golffunctie, die in de Werner Heisenbergzaal aan bod kwam, een heel nieuw licht laat schijnen op de chemische binding en op de structuur van moleculen.
Albert Einstein
De kwantumwereld ontraadselen
Albert Einstein is één van de grootste wetenschappelijke genieën aller tijden. Iedereen kent hem van de speciale en de algemene relativiteitstheorie. De voorspellingen van deze theorieën zijn nog altijd de bron voor nieuw onderzoek. Maar minder bekend is dat hij één van de belangrijkste grondleggers van de kwantumfysica geweest is. Hij was de eerste die de fysische realiteit van het kwantum herkende en een kwantumverklaring vond voor het foto-elektrisch effect en voor de warmtecapaciteit van vaste stoffen. Eminente collega’s, alhoewel zij ouder waren dan hij, consulteerden A. Einstein en stelden zijn mening op prijs. Hij was iemand met een intuïtief gevoel voor de wijze waarop de natuur in elkaar zit.
Vanaf het einde van de jaren 1920 werd hij echter ook een van haar voornaamste critici. Hij verzette zich in het bijzonder tegen de onvoorspelbaarheid en onzekerheid van de nieuwe kwantummechanica. “God dobbelt niet” is misschienwel zijn meest bekende uitspraak.
Vanaf het eind van 1920’s tot zijn dood in 1955 verzint hij tal van briljante gedachtenexperimenten die zouden aantonen dat deze onvoorspelbaarheden kunnen weggewerkt worden door een meer omvattende theorie. Dit blijkt tot hiertoe niet het geval.
Maar zij leidden ook tot nieuwe ontdekkingen zoals kwantumcomputers. De raadsels van de kwantumwereld blijven echter bestaan en geven regelmatig aanleiding tot nieuwe interpretaties.
Paul Lauterbur
Leven in een kwantumwereld
De kwantummechanica is een moeilijk onderwerp dat erg abstract, wiskundig en theoretisch is. Over wat ze precies betekent in de superkleine wereld is er tussen wetenschappers en filosofen al meer dan honderd jaar gedebatteerd.
Niemand schijnt die wereld echt goed te doorgronden. Maar in het dagelijks leven komen we effecten van de gebeurtenissen in die wereld voortdurend tegen. In het domein van energie bijvoorbeeld de zonnecel, in de beeldvorming binnen de geneeskunde bijvoorbeeld de PET, in ICT de harde schijf, in fysicaonderzoek de LHC-deeltjes versneller (bv. in de CERN), in de informatica en de communicatie de smartphone, de computer, de tablet …. en in nog zoveel meer.
Elke kwantumtoepassing is eigenlijk een brug tussen een totaal vreemde wereld en de wereld van elke dag. Een mooi voorbeeld hiervan is de MRI-scanner die je bij ons in vele ziekenhuizen zal vinden. Hij steunt op onder andere twee kwantumeigenschappen van de kwantummaterie, nl. de spin van een atoomkern en de supergeleiding bij lage temperatuur. In ‘gewone’ taal zijn die niet uit te leggen. Maar iedereen kent wel de MRI. Toegepaste wetenschappen verbinden twee werelden met elkaar. Een heel belangrijk en typisch voorbeeld hiervan is Paul Lauterbur die voor het eerst het idee kreeg om kernspinresonantie in de medische beeldvorming geneeskunde toe te passen. Hij kreeg er de Nobelprijs voor geneeskunde voor samen met Peter Mansfeld. Paul Lauterbur staat eigenlijk als symbool voor de vele andere ‘bruggenbouwers’.
Tot welke verbazende uitvindingen toepassingen van principes van de kwantummechanica geleid hebben bespreken we in de elf taferelen van deze zaal. Van transistor tot kwantumcryptografie. Bijna altijd kunnen we een beroep op de wetenschap uit de andere zalen. De enkele keren dat dit niet zo is, wordt in het betreffende tafereel zelf uitgelegd.
