§4: Golfgedrag van materie 1

WebQuest QM interpretaties - deel 1 - Inleiding

De opdracht (deel 1)

Lesdoelstellingen:

Na deze les begrijp je dat;

• er al een eeuwen durende discussie is over de vragen wat is licht/ wat is materie en dat deze vragen nog steeds niet zijn beantwoord.
• er overeenstemming is onder natuurkundigen over de wiskundige beschrijving van licht en materie op basis van de kwantummechanica.
• er verschillende interpretaties zijn van de kwantummechanische beschrijving van licht en materie en dat deze interpretaties (voorlopig) allemaal geldig zijn.
• de verschillende interpretaties terug te voeren zijn naar de discussie wat het doel is van de natuurkunde (realisme vs. instrumentalisme) en of de natuur nou fundamenteel deterministisch of probabilistisch is.

Inleiding

Kwantummechanica is op dit moment de meest betrouwbare theorie om het gedrag van de natuur op microscopische schaal te beschrijven. In tegenstelling tot de Newtoniaanse mechanica, Maxwells wetten voor elektromagnetisme of Einsteins relativiteitstheorie, is de kwantummechanica niet ontwikkeld door een bepaald individu. Verschillende natuurkundigen hebben ongeveer een eeuw geleden gezamenlijk een van de meest succesvolle theorieën in de natuurkunde geformuleerd. Op dit moment zijn al haar voorspellingen bevestigd en is er nog geen experimenteel bewijs gevonden dat de kwantummechanische beschrijving van de natuur weerlegt. Echter er is nog geen overeenstemming over wat nou precies de fundamentele principes zijn van de kwantummechanica, hoe dit onderwerp het beste onderwezen kan worden of wat de wiskundige formules nou precies betekenen. Ook trachten natuurkundigen nog steeds om de Einsteins relativiteitstheorie te verenigen met de kwantummechanica.

Ondanks het feit dat de meeste natuurkundigen de kwantummechanische formules en principes prima kunnen toepassen, in bijvoorbeeld experimenten of simulaties, interpreteren de natuurkundigen de kwantummechanica op verschillende manieren. Natuurkundigen interpreteren de kwantummechanica op verschillende manieren omdat de theorie en de experimentele resultaten niet eenduidig zijn en er elke interpretatie uiteindelijk tot vreemde consequenties leidt. Een van de grondleggers van de kwantummechanica, Niels Bohr, zei eens: “Wie de kwantummechanica niet vreemd vindt, heeft er niets van begrepen.” Hiermee doelde hij hoogstwaarschijnlijk op het feit dat de natuur op microscopische schaal zich op manieren gedraagt die we op macroscopische schaal niet kunnen voorstellen.

“Wie de kwantummechanica niet vreemd vindt, heeft er niets van begrepen.” - Niels Bohr (Atomic Physics and the Description of Nature, 1934)

Vandaag gaan we opnieuw naar het dubbelspleetexperiment kijken en nadenken over de meest fundamentele vragen die er op dit moment spelen, vragen zoals wat is nou licht of materie? Natuurkundigen hebben nog geen eenduidig antwoord op deze vraag. Op basis van de meest recente theorieën en experimenten zijn er nog verschillende interpretaties mogelijk. In deze les worden vier populaire interpretaties van de kwantummechanica belicht. We nemen, net als echte wetenschappers, een uitstapje naar de filosofie om de vier interpretaties te beoordelen op hun voor- en nadelen. Jij wordt gevraagd om na te gaan welke interpretatie het beste aansluit bij de manier waarop jij over de wetenschap en de natuurkunde denkt. Het is dus niet de bedoeling dat je na deze les antwoorden kan geven op de meest fundamentele vragen uit de natuurkunde. Je leert echter wel een aantal populaire kwantummechanische interpretaties kennen en een aantal manieren waarop je de waarde van deze interpretaties kan bepalen.

Verwerkingsvragen