In ons dagelijks leven begrijpen we intuïtief hoe de wereld werkt. Laat een glas vallen en het valt op de grond. Duw een wagen en hij rolt verder. Loop naar een muur en je kunt er niet doorheen lopen. Overal om ons heen gelden natuurkundige basiswetten die we instinctief begrijpen: zwaartekracht doet dingen op de grond vallen, iets duwen doet het bewegen, twee dingen kunnen niet tegelijk op dezelfde plaats staan.

Aan het begin van de eeuw dachten wetenschappers dat al deze basisregels op alles in de natuur van toepassing moesten zijn — maar toen begonnen zij de wereld van het ultrakleine te bestuderen. Atomen, elektronen, lichtgolven, geen van deze dingen volgde de normale regels. Toen natuurkundigen als Niels Bohr en Albert Einstein deeltjes begonnen te bestuderen, ontdekten zij nieuwe natuurkundige wetten die ronduit eigenaardig waren. Dit waren de wetten van de kwantummechanica, en ze ontleenden hun naam aan het werk van Max Planck.

“Een daad van wanhoop”

In 1900 was Max Planck een natuurkundige in Berlijn die iets bestudeerde dat de “ultraviolette catastrofe” werd genoemd. Het probleem was dat de wetten van de natuurkunde voorspelden dat als je een doos zo verhit dat er geen licht uit kan (bekend als een “zwarte doos”), deze een oneindige hoeveelheid ultraviolette straling zou moeten produceren. In werkelijkheid gebeurde dat niet: de doos straalde verschillende kleuren uit, rood, blauw, wit, net als verhit metaal doet, maar er was geen oneindige hoeveelheid van wat dan ook. Het was niet logisch. Dit waren natuurkundige wetten die perfect beschreven hoe licht zich buiten de doos gedroeg — waarom beschreven zij dit black box scenario niet accuraat?

Planck probeerde een wiskundige truc. Hij veronderstelde dat het licht niet echt een continue golf was, zoals iedereen aannam, maar misschien alleen kon bestaan met specifieke hoeveelheden, of “quanta,” energie. Planck geloofde niet echt dat dit waar was voor licht, in feite noemde hij dit wiskundige foefje later “een wanhoopsdaad”. Maar met deze aanpassing werkten de vergelijkingen en werd de straling van de doos nauwkeurig beschreven.

Het duurde even voordat iedereen het eens was over wat dit betekende, maar uiteindelijk interpreteerde Albert Einstein de vergelijkingen van Planck zo dat licht kan worden beschouwd als discrete deeltjes, net als elektronen of protonen. In 1926 gaf de Berkeley natuurkundige Gilbert Lewis ze de naam fotonen.

Quanta, quanta everywhere

Dit idee dat deeltjes alleen brokken energie van bepaalde afmetingen konden bevatten, drong ook door tot andere gebieden van de natuurkunde. In het volgende decennium voegde Niels Bohr het toe aan zijn beschrijving van de werking van een atoom. Hij zei dat elektronen die rond een kern reizen geen willekeurig kleine of grote hoeveelheden energie kunnen hebben, maar alleen veelvouden van een standaard “quantum” van energie.

Eindelijk realiseerden wetenschappers zich dat dit verklaarde waarom sommige materialen elektriciteit geleiden en andere niet — omdat atomen met elektronenbanen van verschillende energie elektriciteit verschillend geleiden. Dit inzicht was van cruciaal belang voor de bouw van een transistor, aangezien het kristal in de kern wordt gemaakt door materialen met verschillende geleidingscoëfficiënten te mengen.

Maar het zijn ook golven

Hier is een van de eigenaardigheden van de kwantummechanica: dat een elektron of een foton als een deeltje kan worden beschouwd, wil nog niet zeggen dat ze niet ook als een golf kunnen worden beschouwd. Sterker nog, in veel experimenten gedraagt licht zich veel meer als een golf dan als een deeltje.

Dit golfkarakter veroorzaakt een aantal interessante effecten. Bijvoorbeeld, als een elektron dat rond een kern reist zich als een golf gedraagt, dan wordt zijn positie op een bepaald moment vaag. In plaats van zich in een concreet punt te bevinden, wordt het elektron uitgesmeerd in de ruimte. Dit uitsmeren betekent dat elektronen zich niet altijd verplaatsen zoals men zou verwachten. In tegenstelling tot water dat in één richting door een slang stroomt, kunnen elektronen die zich als elektrische stroom voortbewegen soms vreemde paden volgen, vooral als zij zich dichtbij het oppervlak van een materiaal bewegen. Bovendien kunnen elektronen die zich als een golf gedragen zich soms dwars door een barrière heen graven. Inzicht in dit vreemde gedrag van elektronen was noodzakelijk toen wetenschappers probeerden te controleren hoe de stroom door de eerste transistors vloeide.

Dus wat is het – een deeltje of een golf?

Wetenschappers interpreteren de kwantummechanica zo dat een piepklein stukje materiaal als een foton of een elektron zowel een deeltje als een golf is. Het kan beide zijn, afhankelijk van hoe je het bekijkt of wat voor experiment je doet. In feite is het misschien nauwkeuriger om te zeggen dat fotonen en elektronen noch een deeltje noch een golf zijn – zij zijn ongedefinieerd tot op het moment dat iemand ernaar kijkt of een experiment uitvoert, waardoor zij gedwongen worden om ofwel een deeltje ofwel een golf te zijn.

Dit heeft nog andere neveneffecten: namelijk dat een aantal eigenschappen voor deeltjes niet goed gedefinieerd zijn. Zo is er een theorie van Werner Heisenberg die het Onzekerheidsprincipe wordt genoemd. Het stelt dat als een onderzoeker de snelheid en positie van een deeltje wil meten, hij beide niet erg nauwkeurig kan doen. Als hij de snelheid nauwkeurig meet, dan kan hij de positie lang niet zo goed meten. Dit betekent niet alleen dat hij niet over goede meetinstrumenten beschikt — het is fundamenteler dan dat. Als de snelheid goed is vastgesteld, dan bestaat er eenvoudig geen goed vastgestelde positie (het elektron is als een golf uitgesmeerd) en omgekeerd.

Albert Einstein had een hekel aan dit idee. Toen hij geconfronteerd werd met het idee dat de wetten van de fysica ruimte lieten voor een dergelijke vaagheid kondigde hij aan: “God dobbelt niet met het universum.” Niettemin accepteren de meeste natuurkundigen tegenwoordig de wetten van de kwantummechanica als een nauwkeurige beschrijving van de subatomaire wereld. En het was zeker een grondig begrip van deze nieuwe wetten die Bardeen, Brattain en Shockley hielpen de transistor uit te vinden.

Resources:
— Where Does the Weirdness Go? Why Quantum Mechanics is Strange, But Not as Strange as You Think, David Lindley
— Wat is kwantummechanica? A Physics Adventure, Transnational College of LEX
— The Handy Physics Answer Book, P. Erik Gundersen
— Albert Einstein exhibit at the American Institute of Physics
— Heisenberg exhibit at the American Institute of Physics