De kwantumfysica begon in 1900 toen de Duitse natuurkundige Max Planck de schaal van kwantum-verschijnselen bepaalde. In 1905 breidde Albert Einstein dit idee uit door te stellen dat licht zelf bestaat uit discrete energiepakketjes, oftewel ‘quanta‘.
Voortbouwend op deze ideeën speelde de Deense natuurkundige Niels Bohr in de eerste decennia van de twintigste eeuw een cruciale rol bij het leggen van de fundamenten van de kwantummechanica.
De ‘kwantumtheorie‘, een theorie vol paradoxen, stelt dat deeltjes zich gedragen als golven en dat objecten in meerdere toestanden tegelijk kunnen bestaan. Cruciaal, zoals Bohr betoogde, is dat de waarneming lijkt te veranderen wat er wordt waargenomen.
Deze vreemde realiteit, beter begrepen dankzij Bohr en zijn collega’s, heeft de kwantummechanica tot een van de meest revolutionaire, succesvolle en bruikbare kaders in de geschiedenis van de wetenschap gemaakt.
Welke rol speelde Niels Bohr in de kwantumrevolutie?
Niels Henrik David Bohr (1885-1962), geboren en opgeleid in Kopenhagen, Denemarken, begon zijn leven als natuurkundige met onderzoek naar de structuur van atomen. Hij promoveerde in 1911 aan de Universiteit van Kopenhagen en reisde kort daarna naar Engeland. Daar werkte hij samen met de natuurkundige J.J. Thomson (1856-1940), de ontdekker van het elektron en met Ernest Rutherford (1871-1937). Daar ontwikkelde hij zijn inmiddels beroemde Bohr-model van het atoom, dat stelde dat elektronen energieniveaus ‘op en neer‘ springen en specifieke afstanden tot een kern aanhouden. Het ‘Bohr-atoommodel‘ was revolutionair en leverde hem in 1922 de Nobelprijs op. Het werd een vroege hoeksteen van de kwantummechanica.
In 1921 keerde Bohr terug naar Denemarken en richtte in Kopenhagen het Instituut voor Theoretische Fysica op. Het instituut groeide uit tot een wereldwijd centrum voor baanbrekend onderzoek en trok de grootste wetenschappers van die tijd aan, zoals Max Born (1882-1970), Werner Heisenberg (1901-1976) en Paul Dirac (1902-1984).
Tot dan toe was Bohr vooral bekend om zijn atoommodel, maar zijn werk aan het Kopenhagen Instituut overtrof alle verwachtingen en leidde tot een theoretische erfenis – de ‘Kopenhagen-interpretatie’ van de kwantummechanica – die vervolgens een nieuwe, enigszins verontrustende kijk op de fysieke realiteit opriep.
Wat is de Kopenhagen-interpretatie?
De Kopenhagen-interpretatie van de kwantummechanica, gezamenlijk geformuleerd door Bohr en zijn collega’s in de jaren 1920, was de eerste coherente, algemene poging om de wereld van atomen zoals gerepresenteerd door de kwantummechanica te begrijpen. Het is tot op de dag van vandaag een van de meest geaccepteerde visies op de kwantumwereld. Voor Bohr is de natuur niet deterministisch: de kwantumwereld zit vol onzekerheid en paradoxen. Deeltjes zijn tegelijkertijd golven; ze kunnen in meerdere toestanden tegelijk bestaan, terwijl waarneming de werkelijkheid beïnvloedt.
Dat betekent dus dat kwantumsystemen geen definitieve eigenschappen bezitten totdat ze interactie hebben en worden waargenomen. Tot dat moment bevindt een deeltje zich in een ‘toestand‘ van kwantumsuperpositie – een wolk van alle mogelijke uitkomsten. Wanneer deze superpositie wordt waargenomen, ‘stort‘ deze in elkaar tot een enkelvoudige, definitieve uitkomst.
De Kopenhagen-interpretatie is belangrijk omdat het een conceptueel kader biedt voor het begrijpen van de onvoorspelbare en niet-deterministische aard van kwantumfenomenen. De gezamenlijke kracht van Bohrs atoommodel, Heisenbergs vergelijkingen en Diracs wiskunde opende de weg naar ons moderne begrip van waarom de theorie van de kwantummechanica resultaten oplevert die met zo’n verbluffende precisie overeenkomen met laboratoriumexperimenten.
Basisprincipes van de Kopenhagen-Interpretatie samengevat
1. Dualiteit van golven en deeltjes
Volgens de Kopenhagen-interpretatie kunnen kwantumobjecten, zoals licht en elektronen, zich zowel als golven als deeltjes gedragen. Deze dualiteit is centraal in de kwantummechanica en wordt prachtig geïllustreerd door het bekende dubbele-spleet-experiment. Afhankelijk van hoe je het experiment uitvoert, kan licht zich gedragen als een golf of als een stroom van deeltjes.
2. Superpositie van staten
Een ander intrigerend aspect is de superpositie van staten, waarbij een deeltje in meerdere toestanden tegelijk kan verkeren tot het moment van meting. Stel je voor dat een munt gelijktijdig op kop en munt staat, en pas de ene of andere kant opvalt wanneer je kijkt (zie ook Schrödingers kat)!
3. Het belang van de waarnemer
Een kernidee van de Kopenhagen-interpretatie is de rol van de waarnemer. De toestand van een kwantumdeeltje wordt pas ‘werkelijk’ wanneer het wordt waargenomen. Tot die tijd bestaan alle mogelijkheden tegelijkertijd. Dit klinkt misschien als sciencefiction, maar het is een fundamenteel onderdeel van hoe wetenschappers tegenwoordig denken over de kwantumwereld.
Wat is, in dit verband, de rol van Schrödingers kat?
De duidelijkste verklaring voor de Kopenhagen-interpretatie is het beroemde gedachte-experiment Schrödingers kat, dat in 1935 werd voorgesteld door de Oostenrijks-Ierse natuurkundige Erwin Schrödinger als kritiek op Bohrs ideeën.
Stel je voor dat je een kat in een verzegelde doos stopt. In de doos bevindt zich een apparaat met een kleine hoeveelheid radioactief materiaal, met een kans van 50% dat het binnen een uur vervalt. Als het materiaal vervalt, activeert een geigerteller een hamer die een flesje gif verbrijzelt, waardoor de kat sterft. Als het materiaal niet vervalt, blijft de kat in leven. Volgens de klassieke logica is de kat na een uur dood of levend – want de kans is 50/50.
Maar volgens de Kopenhagen-interpretatie is de kat, totdat de doos wordt geopend en de waarneming plaatsvindt, gelijktijdig levend en dood. Pas wanneer de doos wordt geopend, “verdwijnt” het lot van de kat in één definitieve uitkomst.
Schrödingers doel was om de absurditeit aan te tonen van het uitbreiden van de nieuwe kwantumregels naar alledaagse objecten. Toch is kwantumsuperpositie op subatomair niveau niet alleen theoretisch, maar ook reëel – een experimenteel waargenomen fenomeen. In dit opzicht suggereerde de Kopenhagen-interpretatie dat de kwantummechanica extreem contra-intuïtief was. Ze riep op tot een radicale heroverweging van ons begrip van de werkelijkheid.
Bohr vs. Einstein: het Grote Debat?
Toen de belofte en mogelijkheden van de kwantummechanica in de jaren 20 van de vorige eeuw aan populariteit wonnen, liepen Niels Bohr en zijn collega’s in Kopenhagen voorop. Niet iedereen, zelfs de pioniers, was echter enthousiast om de implicaties ervan te omarmen. Ondanks dat hij een van de grondleggers van de theorie was, verwierp Albert Einstein op beroemde wijze de onbepaaldheid die de kern van Bohrs interpretatie vormde. Vanuit de overtuiging dat een complete natuurtheorie deterministisch moet zijn en uitkomsten met zekerheid moet voorspellen, richtte hij zijn beroemde protest dat “God niet met het universum dobbelt” op Bohrs bewering dat de natuur in de kern probabilistisch is.
Bohr antwoordde dat Einstein “God niet moest vertellen wat hij moest doen“. De intellectuele botsing tussen de twee giganten van de natuurkunde duurde decennia voort, via openbare lezingen, academische papers en persoonlijke correspondentie. Einstein daagde Bohr herhaaldelijk uit met gedachte-experimenten die bedoeld waren om een tekortkoming in de Kopenhagen-interpretatie bloot te leggen. Bohr legde op zijn beurt de nieuwe ideeën geduldig aan Einstein uit en verdedigde hun consistentie en experimentele succes.
Hoewel Einstein de volledige implicaties van de kwantummechanica nooit volledig accepteerde – hij beweerde dat er iets anders “achter” moest zitten – werd hij uiteindelijk door Bohr gedwongen toe te geven dat het een opmerkelijk accurate theorie was. Bohr van zijn kant drong aan op de erkenning dat zijn ideeën niet zo eenvoudig waren als hij aanvankelijk dacht, en verbeterde en verfijnde ze door Einsteins voortdurende uitdaging.
Toen Einstein in 1955 overleed, bracht Bohr een ontroerend en oprecht eerbetoon aan zijn genie. Toen Bohr in 1962 overleed, stond er nog steeds een krijttekening van Einsteins gedachte-experiment met de ‘lichtdoos‘ – jaren eerder bedacht om Bohr uit te dagen – op zijn bord. De afbeelding getuigt van Bohrs genialiteit – zijn levenslange toewijding aan het streven naar een dieper begrip van de vreemde en vaak contra-intuïtieve realiteit van de natuur.