‘Als je over kwantummechanica kunt praten zonder dat het je duizelt, heb je er niets van begrepen.’
Dit citaat is van Niels Bohr, een van de grondleggers van de kwantummechanica. En de Deense natuurkundige had een punt, want kwantummechanica bezorgt wetenschappers nu, 100 jaar nadat de theorie het licht zag, nog steeds hoofdbrekens.
Kwantummechanica is de tak van de natuurkunde die zich bezighoudt met deeltjes die kleiner zijn dan atomen. Voor heel kleine deeltjes gelden andere natuurwetten. Daarom is er een speciale theorie nodig om te verklaren hoe alles met elkaar samenhangt.
Kwantummechanica en het standaardmodel
De kwantummechanica bestaat uit een aantal onderdelen, waarvan het ene makkelijker te begrijpen is dan het andere.
Het standaardmodel beschrijft waaruit atomen zijn opgebouwd en brengt zo de verschillende deeltjes in kaart waarmee de kwantummechanica zich bezighoudt.
Het grootste deel van het standaardmodel is inmiddels aangetoond, maar de onderzoekers zijn er nog niet helemaal. Het standaardmodel kan al de bekende materie in het universum verklaren, van verre sterrenstelsels tot de aminozuren in je lichaam. Het is echter nog niet gelukt om de zwaartekracht onder te brengen in het model.
Alle materie in het heelal bestaat uit twaalf elementaire deeltjes, vier kracht overbrengende deeltjes en het higgsdeeltje.
Quarks, muonen en higgsdeeltjes
Elementaire deeltjes zijn de fysieke bouwstenen waaruit alle atomen in het universum bestaan. Er zijn er twaalf, maar slechts vier ervan komen tegenwoordig nog in de natuur voor: elektronen, elektron-neutrino's, up-quarks en down-quarks. De andere bestonden alleen direct na de oerknal in hun oorspronkelijke vorm, maar zijn later gereproduceerd in een deeltjesversneller.
Elektron Heeft een negatieve elektrische lading. Het kan zich vrij in de ruimte bevinden of zijn gebonden aan een atoom.
Elektron-neutrino Heeft geen lading en slechts een zeer kleine massa. Komt vrij bij radioactiviteit.
Up-quark Gewone materie bestaat uit up- en down-quarks en elektronen. Een quark komt nooit individueel voor.
Down-quark Protonen bestaan uit één down-quark en twee up-quarks, en neutronen uit twee down-quarks en één up-quark.
Muon Lijkt op het elektron, maar is ongeveer 200 keer zo zwaar en daardoor instabiel.
Muon-neutrino Lijkt op het het elektron-neutrino, maar is iets zwaarder, hoewel nog steeds uiterst licht.
Charm-quark Heeft drie keer de massa van een proton en heeft een positieve elektrische lading.
Strange-quark Heeft een negatieve elektrische lading.
Tau Is circa 3500 keer zo zwaar als een elektron en heeft een zeer korte levensduur.
Tau-neutrino Een ongeladen deeltje. Het is zeer licht, hoewel het iets zwaarder is dan de andere neutrino's.
Bottom-quark Is vier keer zo zwaar als een proton. Het wordt onder andere gevormd door het verval van top-quarks.
Top-quark Dit is het zwaarste elementaire deeltje. Het weegt bijna evenveel als een goudatoom.
De kracht overbrengende deeltjes houden de bouwstenen bij elkaar. Ze brengen de vier fundamentele natuurkrachten over naar de atomen:
Foton Een massaloos lichtdeeltje dat de elektromagnetische kracht overbrengt.
Gluon Bindt quarks samen zodat ze hadronen vormen en brengt de sterke kernkracht over.
W- en Z-boson Brengen de zwakke kernkracht over en spelen een rol bij verschillende vormen van radioactiviteit.
Graviton Deeltje dat de zwaartekracht zou overbrengen. Het bestaan ervan is nog niet bevestigd, maar daar zijn onderzoekers van CERN in Zwitserland hard mee bezig.
Dan is er nog het higgsdeeltje. Dit is in 2012 met 99,99 procent zekerheid gevonden. Het deeltje geeft de bouwstenen van de atomen massa. Quarks binden zich sterker aan higgsdeeltjes, waardoor deze zwaarder zijn dan bijvoorbeeld elektronen.
Op zoek naar het zwaartekrachtdeeltje
Op gravitonen na zijn alle elementaire deeltjes door wetenschappers gereproduceerd met behulp van deeltjesversnellers. De zoektocht naar de mysterieuze deeltjes is weer op gang gekomen nadat de Large Hadron Collider van CERN is verbouwd.
De onderzoekers zijn er echter van overtuigd dat het niet mogelijk is om gravitonen te vinden. Daarom zoeken ze naar tweelingdeeltjes die het bestaan van gravitonen moet aantonen.
De beschrijving van de bouwstenen van het heelal is het begrijpelijke deel van de quantummechanica. De deeltjes meten en hun eigenschappen beschrijven, is een stuk moeilijker.
Wat is Schrödingers kat?
Sommige eigenschappen veranderen namelijk zodra je ze gaat meten. Volgens Niels Bohr kun je ze niet langer een positie of snelheid toebedelen, omdat die begrippen geen betekenis meer hebben.
Een voorbeeld hiervan is de paradox van Schrödingers kat.
Paradox van Schrödingers kat. Afbeelding: Shutterstock
In een stalen ruimte wordt een kat opgesloten met een instabiele atoomkern. Een geigerteller meet het verval van de atoomkern. Bij het eerste teken van verval wordt er gifgas in de ruimte losgelaten, waardoor de kat doodgaat.
Doordat de atoomkern aan het begin van het experiment instabiel is (in principe zowel vervallen als niet-vervallen), geldt diezelfde onzekerheid voor de kat. Hij bevindt zich in een situatie waarin hij zowel dood als levend is.
Wanneer de ruimte geopend wordt, blijkt of de kat dood is of leeft. De kat verliest dus een van zijn eigenschappen op het moment dat je de ruimte opent om erachter te komen hoe het met hem gaat.
Op grond van de natuurwetten die wij in ons dagelijks leven kennen, lijkt dit onzinnig. Voor ons begrip kan een kat niet tegelijkertijd dood én levend zijn – hij is een van beide.
Maar zo zit de kwantummechanica voor een groot deel wel in elkaar, dus het citaat van Niels Bohr is nog steeds van toepassing:
Ben je duizelig geworden van dit college?