Een diepgaande blik op Max Plancks Quantumtheorie

Aan de basis van de moderne natuurkunde staat iets dat quantumtheorie heet. Deze theorie verklaart het gedrag van energie en materie op verschillende atomaire niveaus – atomair en subatomair. De kwantumtheorie omvat de werking van de gebieden van de natuurkunde die gewoonlijk kwantumfysica en kwantummechanica worden genoemd, en biedt een vrij interessante kijk op de fundamenten van de moderne natuurkunde.

Het begin van de kwantumtheorie

De kwantumtheorie werd voor het eerst aan het grote publiek gepresenteerd in het jaar 1900, door een natuurkundige met de naam Max Planck. Hij presenteerde de theorie aan de Duitse Natuurkundige Vereniging, met name door de resultaten te presenteren van een experiment dat hij had gedaan naar de kleur van straling van gloeiende lichamen (geen menselijke lichamen, fysieke lichamen).

In het experiment ontdekte hij dat als hij aannam dat energie bestond in afzonderlijke eenheden, vergelijkbaar met materie, dat hij dan het antwoord zou vinden op de oorspronkelijke vraag die hij in zijn experiment had gesteld. Het was nieuw om op deze manier over energie na te denken, waardoor de energie gemakkelijk kon worden gekwantificeerd. Deze eenheden van energie die hij kon kwantificeren werden door Planck in zijn geschriften over het experiment en de daaropvolgende wiskundige vergelijkingen quanta genoemd.

GERELATEERD: DARK MATTER AND ENERGY ARE REAL REVEALS FINAL DATA OF PLANCK MISSION

De vergelijking die het begin van de kwantumtheorie vormde, toonde aan dat bij bepaalde temperatuurniveaus de energie die vrijkwam van een gloeiend lichaam zou bestaan in verschillende gebieden van het spectrum van kleur, of golflengte. Planck stelde zich aanvankelijk voor dat zijn ontdekking van de quanta de schepping van een nieuwe theorie in gang zou zetten, maar wat er uiteindelijk gebeurde, was dat hij het begrip van de mensheid van de wetten van de natuur volledig herschreef.

Golffuncties van het elektron in een waterstofatoom op verschillende energieniveaus. De kwantummechanica kan de exacte plaats van een deeltje in de ruimte niet voorspellen, alleen de waarschijnlijkheid dat het op verschillende plaatsen wordt aangetroffen. Bron: PoorLeno/Wikimedia

In 1918 won Planck de Nobelprijs voor zijn ontdekking van en onderzoek naar quanta. Het is echter belangrijk op te merken dat Planck met zijn onderzoek de basis legde voor de moderne kwantumtheorie, maar dat tientallen tot honderden andere wetenschappers in de jaren daarvoor eraan hebben gewerkt om Planck zover te krijgen dat hij zijn ontdekking op het juiste moment kon doen. Als we de tijdlijn nader bekijken, kunnen we zien hoe de theorie zich na de ontdekking ontwikkelde.

De tijdlijn van de ontwikkeling van de kwantumtheorie

1900: Planck doet de eerste ontdekking, of liever aanname, dat energie bestond uit eenheden die quanta worden genoemd.

1905: Albert Einstein theoretiseert dat energie en straling op dezelfde manier kunnen worden gekwantificeerd als Planck over quanta had getheoretiseerd.

1924: Louis de Broglie stelde voor het eerst voor dat er geen verschil was tussen energie en deeltjes in zijn theorie van golf-deeltje dualiteit, ook aangetoond in het beroemde dubbel-spleet experiment.

1927: Een wetenschapper met de naam Werner Heisenberg theoretiseerde dat de meting van twee complementaire waarden op hetzelfde moment, zoals de positie en het momentum van een bepaald subatomair deeltje, onmogelijk zou zijn. Dit staat in schril contrast met de traditionele natuurkunde en werd bekend als het onzekerheidsprincipe.

Nu we de tijdlijn van de ontwikkeling van de kwantumtheorie nader hebben bekeken, gaan we eens nader kijken wie Max Planck precies was.

Wie was Max Planck?

Geboren in april 1858, Max Karl Ernst Ludwig Planck (wat een naam) was een theoretisch natuurkundige die aan de wieg stond van de kwantumtheorie, die hem, zoals we hebben besproken, in 1918 de Nobelprijs voor de Natuurkunde opleverde. Tijdens zijn leven heeft hij belangrijke bijdragen geleverd aan de theoretische natuurkunde, maar de kwantumtheorie blijft zijn grootste verwezenlijking.

GERELATEERD: PLANCK’S CONSTANT IN TV SHOW STRANGER THINGS

De kwantumtheorie door toedoen van Planck heeft ons begrip en conceptualisering van kwantumdeeltjes en -processen volledig radicaal veranderd. Het kan in de zwaartekracht worden vergeleken met de relativiteitstheorie van Alber Einstein, die ons begrip van ruimte en tijd veranderde.

Dr. Planck aan zijn bureau. Bron: George Grantham Bain/Public Domain

Zowel de kwantumtheorie als de relativiteitstheorie zijn exemplarisch voor de fundamenten van de gehele natuurkunde van 1900, en dwongen onderzoekers ertoe opnieuw na te denken over hoe zij de wereld om hen heen benaderden.

Planck overleed in 1947 in Duitsland op 89-jarige leeftijd.

Interpretatie van de kwantumtheorie

De belangrijkste methoden om de kwantumtheorie te interpreteren staan bekend als de Kopenhagen-interpretatie en de veel-werelden-theorie. De theorie van Kopenhagen stelt voor dat een deeltje is wat het gemeten is. Met andere woorden, als je een deeltje als een golf meet, is het een golf. De theorie stelt echter ook dat je niet mag aannemen dat het specifieke eigenschappen heeft of dat het bestaat, totdat je het gemeten hebt. Het is een onconventionele manier om aan te dringen op het feit dat de fysieke werkelijkheid pas bestaat als je haar waarneemt. Dit leidt tot het idee van superpositie, wat betekent dat een gegeven deeltje of voorwerp op een willekeurig aantal mogelijke plaatsen tegelijk kan zijn gedurende de periode dat we de positie ervan niet kennen, of het niet waarnemen.

Het beroemde gedachte-experiment van de kat van Schrodinger is de perfecte illustratie van deze interpretatie van de kwantumtheorie.

De vele-werelden theorie of multiversum theorie. Deze stelt dat zodra de mogelijkheid bestaat dat een voorwerp bestaat, het universum zich splitst in een reeks parallelle universa waarin beide toestanden van dat voorwerp bestaan. Deze theorie vormt de basis van tv-shows als Rick and Morty of andere populaire sciencefictionverhalen, maar uiteindelijk is het een zeer reële interpretatie van de kwantumtheorie.

Zowel Stephen Hawking als Richard Feynman gaven te kennen dat zij de voorkeur gaven aan de interpretatie van de multiversum-theorie.

Als puntje bij paaltje komt, hebben de kwantumtheorie en het onderzoek van Planck het werk van natuurkundigen en onderzoekers in de afgelopen 100 jaar ingrijpend beïnvloed. De implicaties van de kwantumtheorie kunnen echter een beetje verbijsterend zijn, waardoor Planck er in zijn tijd zelfs tegenop zag. De grondbeginselen van de theorie worden echter nog steeds herhaald en bewezen door latere experimenten. De natuurkunde zal in de komende eeuw op vele manieren nog verder worden ontwikkeld, maar het door Max Planck gelegde fundament van de kwantumtheorie zal waarschijnlijk blijven bestaan.

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *