Onzekerheidsprincipe
Het onzekerheidsprincipe binnen en buiten de kwantummechanica
Vandaag was acteur Aron Wade te gast bij “De bende van Annemie”, een programma op Radio 1. De studiogast mag aan het einde een vraag stellen en dan bellen ze iemand op. Aron Wade is gefascineerd door wetenschap, van planeten tot de microkosmos. Deze “kennisjunky” wilde graag meer weten over het onzekerheidsprincipe van Heisenberg en de redactie belde mij met deze fijne vraag. Ik plaatste het fragment op YouTube, zodat je het hier kan herbeluisteren. (De hele uitzending is – vandaag althans – hier te herbeluisteren; het item begint om 1u43min.)
Note to self: minder vaak ‘eigenlijk’ zeggen bij interviews. ;-)
Dit leek me een goede gelegenheid om ook een blogstukje te schrijven over dit onderwerp. Hier gaan we.
Wat is het onzekerheidsprincipe van Heisenberg?
Het onzekerheidsprincipe van Heisenberg is een onderdeel van de kwantummechanica, dat is de fysica die we nodig hebben om de wereld op kleine schaal te beschrijven. Het onzekerheidsprincipe zegt dat in een kwantumtoestand sommige combinaties van eigenschappen niet tegelijk volledig bepaald kunnen zijn. Het is in 1927 gepubliceerd door Werner Heisenberg, één van de natuurkundigen die de kwantummechanica mee ontwikkeld hebben. Hij kreeg trouwens ook de Nobelprijs voor Natuurkunde voor zijn bijdragen in 1932.
Natuurkundigen spreken over de onzekerheidsrelaties, meervoud dus, omdat er verschillende koppels van grootheden zijn waarvoor er zo’n fundamentele limiet bestaat op hoe nauwkeurig beide tegelijk bepaald kunnen zijn. De bekendste is die voor positie en snelheid (eigenlijk impuls), maar er is bijvoorbeeld ook een onzekerheidsrelatie over energie en tijd.
Hoe kunnen we ons dit voorstellen?
Om dit goed te begrijpen hebben we gelukkig niet eens kwantummechanica nodig.
- Stel je een vijver voor en je neemt een stok, die je aan de kant in het water op en neer beweegt. Als je dat regelmatig doet, gaat het hele oppervlak golven, met toppen en dalen op regelmatige afstand. Je kan hier dan een golflengte aan toekennen. Dat is de afstand tussen twee toppen. Maar als je vraagt “waar is de golf precies?” dan stel je een rare vraag: een golf is per definitie uitgespreid. Het is niet op één zeer specifieke plaats.
- Omgekeerd kan je één harde slag in het water geven. Dan ontstaat er een soort golfpakket, met een duidelijk aanwijsbare positie. Maar nu wordt de vraag wat de golflengte is moeilijker te beantwoorden. Want een golfpakket kan je beschrijven als een som van heel veel golflengten.
Deze wisselwerking is óók een onzekerheidsrelatie – niet die van Heisenberg, maar eentje voor macroscopische golven. (Zie ook: onzekerheidsrelatie in de Fourier-analyse.)
Deze insteek wordt ook goed uitgelegd in onderstaand filmpje van “One Minute Physics” (1 minuut).
Wat heeft dat nu met de fysica van de microschaal te maken?
Om te beginnen kunnen we aan licht denken. Daar spreken we in het dagelijks leven soms al over als lichtgolven, dus het zal je niet verbazen dat ook in de kwantummechanica de onzekerheidsrelaties gelden voor licht. Net zoals voor die golven in het water.
Het onzekerheidsprincipe voor licht wordt geIllustreerd in onderstaand filmpje van “Veritasium” (4 minuten).
Maar er is meer. Ook deeltjes met een massa hebben golfeigenschappen. Dit werd voor het eerst gepostuleerd door Louis de Broglie en later experimenteel aangetoond. (Eerst voor elektronen, later voor atomen en tegenwoordig voor steeds grotere moleculen.) En het is hierop dat Werner Heisenberg zijn onzekerheidsrelaties baseerde.
Kwantummechanica beschrijft een toestand als een waarschijnlijkheidsverdeling: het kent waarschijnlijkheden toe aan verschillende combinaties van positie en snelheid. Maar doordat we met golfachtige systemen werken, kunnen niet zowel positie als impulstegelijk 100% waarschijnlijkheid krijgen. Naarmate de waarschijnlijkheidsverdeling voor de positie meer gepiekt is, is die voor impuls meer uitgespreid en vice versa.
Hebben de onzekerheidsrelaties toepassingen?
In de eerste plaats zijn de onzekerheidsrelaties belangrijk in de kwantummechanica zelf. Ze helpen ons om de wereld beter te begrijpen.
De onzekerheidsrelaties hangen samen met ons begrip van het tunneleffect en dat is een effect dat wel gebruikt wordt in zeer veel toepassingen. Kwantumtunneling is het proces waarbij deeltjes, bijvoorbeeld elektronen, een barrière kunnen passeren waarvoor ze – als je het puur met klassieke fysica bekijkt – niet genoeg energie lijken te hebben.
Kwantumtunneling helpt om natuurlijke processen te begrijpen zoals radioactief verval, bijvoorbeeld alfa-verval waarbij een kern een twee protonen en twee neutronen uitstoot. Maar het wordt ook gebruikt in technologische toepassingen: bijvoorbeeld in transistoren, die in computers en andere elektronische toepassingen gebruikt worden.
Kwantumtunneling wordt ook gebruikt in een raster-tunnelmicroscoop. Dat is een toestel dat in labo’s wordt gebruikt om materialen op atomaire schaal te bestuderen. Indirect leidt dat ook weer tot nieuwe toepassingen, want het is in die labo’s dat nieuwe materialen worden ontwikkeld.
Heeft het onzekerheidsprincipe ook een impact buiten de fysica?
Het onzekerheidsprincipe is één van de bekendste aspecten van kwantummechanica en hangt ook samen met het wereldbeeld dat sindsdien veranderd is. Vóór de ontwikkeling van de kwantummechanica dachten veel mensen dat de wereld in principe perfect voorspelbaar is. Laplace schreef hier een gedachte-experiment over: de demon van Laplace. Een intelligentie die de huidige posities en snelheden van alle deeltjes in het heelal perfect zou kennen, zou met de wetten van Newton perfect de toekomst kunnen voorspellen en ook het verleden reconstrueren. In de praktijk is dit natuurlijk niet mogelijk, maar de onzekerheidsrelaties zeggen bovendien dat het zelfs in principe niet mogelijk is om tegelijk de positie en de snelheid van één enkel deeltje exact te kennen.
Zelf denk ik dat vooral het golfkarakter veel van deze aspecten duidelijker kan maken, omdat een golf iets is dat uitgespreid is. Ook in de latere ontwikkeling van kwantumveldentheorie werken natuurkundigen met uitgespreide velden als fundamentele beschrijving in plaats van gelokaliseerde deeltjes.
Betekent het onzekerheidsprincipe dat we niets zeker kunnen weten?
Nee. Eigenlijk zou onbepaaldheid een beter woord zijn dan onzekerheid. Het gaat niet slechts om wat we kunnen meten of zeker weten, maar om eigenschappen van de kwantumtoestand zelf. Als de positie van een kwantumsysteem zeer nauwkeurig bepaald is, dan leidt dit er automatisch toe dat de snelheid niet één bepaalde waarde heeft, maar verschillende mogelijke waarden elk met een zekere waarschijnlijkheid. En omgekeerd is een kwantumtoestand met een welbepaalde snelheid niet geconcentreerd op één punt in de ruimte, maar kent het aan allerlei verschillende mogelijke posities enige waarschijnlijkheid toe. De onzekerheidsrelatie zegt hoe die trade-off tussen de bepaaldheid van twee zulke eigenschappen precies werkt.
Tot slot nog deze animatie van TedED die het ook goed weergeeft (bijna 5 minuten).
Als er iemand nog goede manieren weet om de onzekerheidsprincipes uit te leggen: tips altijd welkom in de reacties.
Het is september en dat betekent congresmaand op planeet Academia: de onderzoekers zijn terug uit vakantie, maar de lessen zijn nog niet begonnen aan de universiteit. Een ideaal moment dus om een conferentie te organiseren op een exotisch eiland of in een historische hoofdstad. Zodoende ben ik nu in de Poolse hoofdstad Warschau beland.
