MeneerPoulus.nl :: Golfgedrag van materie 1

WebQuest QM interpretaties - deel 4 - Interpretaties van het dubbelspleetexperiment

Uit het filmpje, the Uncertainty Principle (webquest QM deel 3), blijkt dat Einstein en Bohr er beide een eigen interpretatie van de kwantummechanica op na hielden. Hun gedachtewisselingen zijn terug te brengen tot twee essentiële discussiepunten waarin beide heren verschilden. Het eerste discussiepunt was dat Einstein van mening was dat het deeltje er ook was zonder dat er een meting werd verricht. Bohr dacht je pas over een “deeltje” kan spreken op het moment dat deze gemeten werd. Het tweede discussiepunt was dat Einstein dacht dat de natuur een deterministisch karakter had. Dat zou je kunnen interpreteren als “gelijke oorzaken hebben noodzakelijkerwijs ook gelijke gevolgen”. Einstein zei dan ook in dit verband: “God dobbelt niet”. Bohr zag de kwantumwereld als een probabilistische wereld, waarin kansen beschrijven hoe de natuur werkt en er geen absoluut zekere uitkomsten zijn. Bohr antwoordde dan ook Einstein met de volgende quote; “Vertel God niet wat hij moet doen!”.

“God dobbelt niet.” - Albert Einstein

Lange tijd was het niet duidelijk wie er nou gelijk had Einstein of Bohr. Totdat een Ierse natuurkundige, John Bell, in 1964 een experiment voorstelde om de discussie te beslechten. In 1982 werd dit experiment uitgevoerd door Alain Aspect, een Franse natuurkundige. De experimentele resultaten van Alain Aspect hebben volgens de meeste natuurkundigen aangetoond dat de kwantumwereld een probabilistisch karakter heeft. Bohr bleek dus gelijk te hebben en Einstein niet. Als we vanuit deze probabilistische opvatting naar de kwantummechanica kijken kunnen we twee moderne interpretaties van de kwantummechanica onderscheiden. De eerste interpretatie noemen we de statistisch realistische interpretatie en de tweede interpretatie wordt de Kopenhaagse interpretatie genoemd. De twee interpretaties zijn op de volgende manier samen te vatten:

1. De statistisch realistische interpretatie: Elektronen (en fotonen) zijn ten alle tijde gelokaliseerde deeltjes. Het golfkarakter beschrijft alleen de waarschijnlijkheid om elektronen (of fotonen) op een bepaalde plek aan te treffen als een meting wordt verricht.

2. Kopenhaagse interpretatie: De kwantummechanica kan alleen de waarschijnlijkheid beschrijven om een bepaalde meting te verrichten. Een elektron (of foton) is geen golf of een deeltje. Echter je hebt beide begrippen nodig om het gedrag van elektronen (en fotonen) te begrijpen en te bespreken.

Sommige natuurkundigen hebben interpretaties bedacht waarmee je vast kan houden aan een deterministisch wereldbeeld, maar daarvoor moet je wel een aantal extreme gedachtestappen zetten. Een redelijk populaire deterministische interpretatie is de veel-werelden-interpretatie die Hugh Everett bedacht in 1957. De veel-werelden-interpretatie komt om het volgende neer:

3. Veel-werelden-interpretatie: Een elektron (of foton) komt aan bij een dubbele spleet. Een elektron gaat door één van beide spleten. Hierbij ontstaan twee parallelle werelden waarbij in de ene wereld het elektron door spleet A ging en in de andere wereld door spleet B. Het is niet mogelijk om vast te stellen dat beide werelden er zijn, want tussen beide werelden is geen communicatie of interactie mogelijk.

Een laatste “interpretatie” die sommige fysici voorstellen is om maar niet na te denken over de betekenis van kwantummechanische fenomenen. Zij beweren dat de verschillende interpretaties van kwantummechanica eigenlijk alleen maar voor verwarring zorgen, dat de filosofische implicaties van beide interpretaties nauwelijks te bevatten zijn en experimenteel toch niet te verifiëren. Deze fysici stellen de “shut up and calculate” interpretatie voor:

4. Shut up and calculate: Denk niet na over de interpretaties van de theorie of je meetresultaten maar richt je op de wiskundige formules van de kwantummechanica.

Eindopdracht

De vorige les hebben jullie naar twee filmpjes gekeken over het dubbelspleetexperiment, namelijk dr. QM en het filmpje van toutestquantique over wave-particle duality. Beide filmpjes zijn vanuit een andere interpretatie op de kwantummechanica gemaakt. Bekijk de twee fragmenten waarin het dubbelspleetexperiment wordt uitgelegd nog eens terug.

Bekijk het filmpje van dr. QM van 2:17 tot 4:52

Bekijk het filmpje over wave-particle duality

Verwerkingsvragen

Bekijk beide filmpjes opnieuw en probeer na te gaan vanuit welke kwantummechanische interpretatie de makers het filmpje hebben gemaakt.

In het filmpje van dr. Quantum zit nog een fragment (van 3:10 tot 3:24) dat fysisch incorrect is, ook binnen de interpretatie die de makers van dit filmpje volgen.

Kijk dit fragment terug en leg uit wat de fout is in de film.

Schets samen met je buurman of buurvrouw vier scènes uit een filmpje over het dubbelspleetexperiment vanuit de veel-werelden interpretatie. Benadruk welke scènes die er nu anders uit zouden zien.

Herhaal de vorige opdracht, maar doe het nu voor een filmpje vanuit de shut up and calculate interpretatie.

Plaats de vier interpretaties van de kwantummechanica in een grafiek waarbij de twee perspectieven op de wetenschap (realisme vs. instrumentalisme) op één as staan en probabilistische vs. deterministische op de andere as, zie de grafiek hieronder.

Aan de hand van de vier verschillende filmpjes over het dubbelspleetexperiment kan je misschien bedenken wat de voor- en nadelen zijn van de vier verschillende interpretaties van de kwantummechanica.

Leg uit welke interpretatie van de vier jij het liefst zou willen gebruiken om de resultaten van het dubbelspleetexperiment te interpreteren. Benoem bij je afweging een aantal voor- en nadelen die je hebt meegenomen van de vier verschillende posities bij je afweging.

Houd in je tafelgroepje (4 tot 6 personen) een korte poll; welke interpretatie van de kwantummechanica heeft de voorkeur. Laat een iedereen een korte toelichting geven op zijn of haar mening. Probeer elkaar nog niet te overtuigen van je gelijk, maar probeer vooral de kwaliteit van de argumenten te beoordelen.

Afsluiting

Natuurkundigen zijn het eens dat kwantummechanica een uitermate geschikte theorie is om de natuur op microscopische schaal te beschrijven. Ook over de resultaten van de vele experimenten is er op dit moment consensus onder natuurkundigen. De discussie gaat op dit moment over de interpretatie van deze resultaten en wat dat betekent voor het fundamentele karakter van licht en materie. Doordat natuurkundigen op verschillende manieren de resultaten interpreteren van deze experimenten gebruiken ze ook andere bewoordingen om over deze experimenten te praten.

Door deze problemen rondom de interpretatie van de kwantummechanica stond het onderwijs van kwantummechanica lange tijd in het teken van de “Shut up and Calculate” interpretatie. Op universiteiten was er dan ook weinig aandacht voor de verschillende interpretaties van de kwantummechanica. Deze aanpak had als nadeel dat veel studenten veel problemen hadden om de stof te begrijpen en zelf op zoek gingen naar manieren op de kwantummechanica te interpreteren.

In deze lessenserie over kwantummechanica hebben we gekozen om vanuit de Kopenhaagse interpretatie naar de kwantummechanica te kijken. De eerste reden voor deze keuze is dat de Kopenhaagse interpretatie op dit moment nog steeds de meest populaire interpretatie is onder natuurkundigen. De tweede reden is dat de Kopenhaagse interpretatie gebruik maakt van begrippen die voor leerlingen al bekend zijn (namelijk golf- en deeltje). We nemen daarom ook aan dat de natuur op fundamenteel niveau een probabilistisch karakter heeft. Dat betekent concreet voor jou dat je moet leren wanneer je golf- of deeltjesgedrag moet gebruiken als je kwantummechanische experimenten wilt beschrijven.

Ga voor jezelf na of je de verschillende lesdoelstellingen hebt bereikt:

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.