De quantummechanica is een van de meest baanbrekende wetenschappelijke theorieën van de 20e eeuw en vormt de kern van ons begrip van subatomaire deeltjes. Hoewel de quantummechanica groot succes heeft opgeleverd in de natuurkunde, was een van de grootste wetenschappers, Albert Einstein, kritisch over bepaalde aspecten van deze theorie. Einstein’s visie op de relatie tussen quantummechanica en realiteit was complex en stond haaks op de interpretatie van veel van zijn tijdgenoten, zoals Niels Bohr. In dit artikel verkennen we Einstein’s standpunt over quantummechanica, waarom hij het ermee oneens was, en wat dit betekent voor ons begrip van de realiteit.
Inhoudsopgave
Wat is Quantummechanica?
De quantummechanica is de tak van de natuurkunde die zich bezighoudt met het gedrag van deeltjes op microscopisch niveau. In tegenstelling tot de klassieke natuurkunde, die objecten zoals auto’s en planeten beschrijft, richt quantummechanica zich op kleine deeltjes zoals elektronen, fotonen en atomen. Deze deeltjes gedragen zich niet volgens de wetten van de klassieke natuurkunde. In plaats daarvan vertonen ze een vreemde dualiteit van gedrag, waarbij ze zich soms gedragen als deeltjes en soms als golven. Dit wordt de golf-deeltje dualiteit genoemd.
Fundamentele Principes van de Quantummechanica
Er zijn enkele basisprincipes die quantummechanica onderscheiden van de klassieke natuurkunde:
- Superpositie: Een deeltje kan zich in meerdere toestanden tegelijk bevinden. Een bekend voorbeeld hiervan is het beroemde gedachte-experiment van Schrödinger’s kat, waarbij een kat zowel levend als dood kan zijn totdat er naar gekeken wordt.
- Onzekerheidsprincipe: Volgens de quantummechanica kunnen we niet tegelijkertijd de exacte positie en snelheid van een deeltje meten. Dit wordt het onzekerheidsprincipe van Heisenberg genoemd.
- Kans en waarschijnlijkheid: In de quantumwereld worden gebeurtenissen niet bepaald door vaste wetten, maar door waarschijnlijkheden. Dit betekent dat de uitkomst van een experiment nooit met zekerheid kan worden voorspeld, maar alleen met een bepaalde kans.
Albert Einstein’s Visie op Quantummechanica
Hoewel Einstein één van de oprichters was van de quantumtheorie, bleef hij kritisch tegenover de interpretatie ervan. Zijn belangrijkste bezwaar betrof het idee dat de quantummechanica geen volledige beschrijving gaf van de realiteit. Volgens Einstein zou een natuurkundige theorie niet alleen kansberekeningen moeten maken, maar een exacte beschrijving moeten geven van de fysieke werkelijkheid.
“God dobbelt niet”
Een van de beroemdste uitspraken van Einstein over quantummechanica was: “God dobbelt niet”. Hiermee bedoelde hij dat de natuur volgens hem niet toevallig is. Einstein vond het idee dat gebeurtenissen op subatomair niveau gebaseerd zouden zijn op kans en waarschijnlijkheid, zoals de quantummechanica beweert, onacceptabel. Hij geloofde dat er een onderliggende realiteit moest zijn die de schijnbare willekeurigheid van de quantumwereld kon verklaren.
EPR-paradox
Een van de manieren waarop Einstein zijn kritiek op quantummechanica onderbouwde, was met de EPR-paradox (vernoemd naar Einstein, Podolsky en Rosen). In dit gedachte-experiment stelde Einstein voor dat de quantummechanica geen volledige beschrijving van de werkelijkheid gaf, omdat ze toestond dat twee deeltjes die ver van elkaar verwijderd waren, nog steeds op een mysterieuze manier met elkaar verbonden bleven. Dit noemde hij “spookachtige werking op afstand”. Hij vond dit in strijd met zijn eigen relativiteitstheorie, die stelt dat niets sneller kan reizen dan het licht.
Quantummechanica en de Kopenhagen-interpretatie
Een van de grootste tegenstanders van Einstein’s visie op quantummechanica was Niels Bohr, een andere pionier van de quantumtheorie. Bohr en zijn collega’s ontwikkelden de Kopenhagen-interpretatie, die een heel andere kijk op de quantummechanica bood dan Einstein. Volgens deze interpretatie is het onjuist om te denken dat deeltjes, zoals elektronen of fotonen, altijd vaste eigenschappen hebben zoals positie of snelheid. In plaats daarvan zijn deze eigenschappen pas gedefinieerd wanneer we ze meten. Dit betekent dat de realiteit op een fundamenteel niveau wordt beïnvloed door de waarnemer.
Superpositie en de Rol van de Waarnemer
In de Kopenhagen-interpretatie speelt de waarnemer een cruciale rol in de werkelijkheid. Voor een meting kan een deeltje zich in meerdere toestanden tegelijk bevinden, een fenomeen dat superpositie wordt genoemd. Pas als er een meting wordt uitgevoerd, “beslist” de natuur in welke toestand het deeltje zich bevindt. Dit idee staat haaks op het klassieke beeld van de natuur, waarin objecten altijd een vaste positie en snelheid hebben, ongeacht of er iemand kijkt of niet.
De beroemdste illustratie van dit principe is Schrödinger’s kat, een gedachte-experiment waarbij een kat in een afgesloten doos tegelijkertijd zowel levend als dood is, totdat iemand de doos opent en een meting doet.
Einstein’s Kritiek op de Kopenhagen-interpretatie
Einstein had grote moeite met de Kopenhagen-interpretatie. Voor hem was het idee dat de realiteit afhankelijk zou zijn van de waarnemer absurd. Hij geloofde dat de objectieve realiteit onafhankelijk moest zijn van de waarneming ervan. Einstein stelde dat de Kopenhagen-interpretatie niet voldeed aan de criteria van wat hij zag als een “volledige” theorie. Voor Einstein moest een natuurkundige theorie niet alleen beschrijven hoe we dingen waarnemen, maar ook hoe de wereld op zichzelf werkt, onafhankelijk van menselijke waarneming.
Een beroemd debat tussen Einstein en Bohr, dat op vele wetenschappelijke conferenties plaatsvond, ging over deze fundamentele kwestie: Bestaat er een objectieve realiteit los van onze waarnemingen? Bohr verdedigde het standpunt dat de natuur zelf onzeker is tot we een meting doen, terwijl Einstein bleef volhouden dat er een dieperliggende realiteit moest zijn, die volledig losstaat van de invloed van de waarnemer.
Einstein’s Zoeken naar een Completere Theorie
Einstein was niet tevreden met de probabilistische aard van de quantummechanica. Hij geloofde dat de theorie onvolledig was en dat er een betere, meer fundamentele theorie moest bestaan die de willekeurigheid van de quantumwereld kon verklaren. Deze zoektocht bracht hem ertoe te werken aan wat bekend werd als de Unified Field Theory, een theorie die de quantummechanica zou moeten verenigen met de relativiteitstheorie.
Verborgen Variabelen
Een van de mogelijke oplossingen waar Einstein aan dacht, was het idee van verborgen variabelen. Dit betekent dat de schijnbare willekeur van quantumgebeurtenissen eigenlijk het gevolg zou zijn van onbekende, onzichtbare factoren (variabelen) die we nog niet kunnen meten of begrijpen. Volgens dit idee zou quantummechanica slechts een statistische benadering zijn van een diepere realiteit, die wel degelijk vastligt, maar simpelweg nog niet volledig in kaart is gebracht.
Hoewel dit idee van verborgen variabelen veelvuldig is onderzocht door natuurkundigen, is het nooit op overtuigende wijze bewezen. Integendeel, experimenten zoals die van John Bell in de jaren 1960 hebben aangetoond dat het idee van verborgen variabelen mogelijk niet voldoende is om de quantummechanica te verklaren.
Quantumverstrengeling en Einstein’s “Spookachtige Werking op Afstand”
Een van de grootste punten van discussie tussen Einstein en de aanhangers van de quantummechanica was het fenomeen quantumverstrengeling. Dit houdt in dat twee deeltjes, die op grote afstand van elkaar kunnen zijn, nog steeds op een mysterieuze manier met elkaar verbonden blijven. Wanneer de toestand van één deeltje verandert, gebeurt hetzelfde onmiddellijk met het andere deeltje, ongeacht hoe ver ze van elkaar verwijderd zijn. Dit lijkt in strijd te zijn met Einstein’s relativiteitstheorie, die stelt dat niets sneller kan reizen dan het licht.
De EPR-paradox
Einstein presenteerde dit probleem samen met zijn collega’s Boris Podolsky en Nathan Rosen in 1935 in het beroemde gedachte-experiment dat bekendstaat als de EPR-paradox. Volgens Einstein zou de quantummechanica niet de volledige werkelijkheid beschrijven, omdat het toestond dat twee verstrengelde deeltjes onmiddellijk met elkaar zouden communiceren, zonder rekening te houden met de afstand tussen hen. Dit noemde Einstein spottend “spookachtige werking op afstand”.
Hij gebruikte de EPR-paradox om aan te tonen dat er iets ontbrak in de quantumtheorie. Voor Einstein moest er een verborgen mechanisme zijn, een die niet zichtbaar was in de quantumtheorie, maar dat de schijnbare willekeur en de verstrengeling tussen de deeltjes kon verklaren.
Bell’s Ongelijkheid en de Moderne Testen van Verstrengeling
Hoewel Einstein’s bezwaren serieus werden genomen, bleek uit experimenten van onder andere John Bell in de jaren 1960 dat quantumverstrengeling een reëel fenomeen is. Bell’s ongelijkheid toonde aan dat als de quantummechanica correct is, er geen verborgen variabelen kunnen zijn die de verstrengeling tussen deeltjes op klassieke wijze verklaren.
In de jaren daarna werden meerdere experimenten uitgevoerd om Bell’s ongelijkheid te testen, en de resultaten bevestigden steeds de geldigheid van de quantummechanica en quantumverstrengeling. Dit betekende dat, hoe vreemd het ook lijkt, deeltjes echt verstrengeld kunnen blijven over grote afstanden, zonder dat er een klassieke verklaring voor bestaat.
Het Quantum Realisme van Einstein
Ondanks de experimentele bevestiging van quantumverstrengeling, bleef Einstein overtuigd van zijn idee van een objectieve realiteit. Voor hem moest er een realistisch wereldbeeld bestaan waarin gebeurtenissen een duidelijke oorzaak hadden, zonder dat kans en waarschijnlijkheid daarbij een fundamentele rol spelen. Zijn zoektocht naar een “realistisch” alternatief voor de quantummechanica heeft echter nooit geleid tot een sluitende theorie. Toch inspireerde Einstein met zijn vragen en bezwaren talloze wetenschappers om verder te onderzoeken naar de fundamenten van de natuurkunde.
De Erfenis van Einstein’s Kritiek op Quantummechanica
Hoewel veel van Einstein’s kritiek op de quantummechanica nooit bewezen werd, heeft zijn werk een blijvende invloed gehad op hoe we over de fundamenten van de natuurkunde denken. Zijn bezwaren tegen de probabilistische aard van de quantummechanica hebben geleid tot belangrijke experimenten en discussies die onze kennis van quantumverstrengeling en de aard van de realiteit hebben verrijkt.
Een Onvoltooide Missie
Einstein’s zoektocht naar een “volledige” theorie, die de willekeur en onzekerheid van de quantummechanica zou kunnen vervangen door een deterministisch model, werd nooit voltooid. Zijn ideeën over verborgen variabelen en een objectieve realiteit blijven een interessant discussiepunt in de filosofie van de natuurkunde, maar ze hebben geen wijdverbreide aanvaarding gevonden binnen de wetenschappelijke gemeenschap. Toch blijft de vraag die Einstein stelde – of de natuur op fundamenteel niveau werkelijk toevallig is – een vraag die de natuurkundigen van vandaag nog steeds bezighoudt.
Conclusie: Albert Einstein’s Zoektocht naar Realiteit in Quantummechanica
Albert Einstein speelde een cruciale rol in de vroege ontwikkeling van de quantummechanica, maar hij bleef tot het einde van zijn leven sceptisch over sommige van de fundamentele interpretaties van de theorie. Zijn bezwaren, zoals het idee dat de quantummechanica geen volledige beschrijving van de realiteit gaf, zijn nog steeds van invloed op moderne wetenschappelijke discussies.
Einstein’s beroemdste kritiek, waaronder de EPR-paradox en zijn afwijzing van het probabilistische karakter van quantummechanica, heeft geleid tot nieuwe experimenten en doorbraken, zoals de ontdekking van quantumverstrengeling. Deze experimenten hebben bewezen dat deeltjes op mysterieuze wijze op afstand met elkaar verbonden kunnen blijven, iets wat Einstein spottend omschreef als “spookachtige werking op afstand”.
Hoewel experimenten zoals die van John Bell aantoonden dat Einstein’s voorstel voor verborgen variabelen niet voldoende was om de quantumwereld te verklaren, blijft zijn zoektocht naar een deterministische verklaring inspirerend. Einstein’s werk herinnert ons eraan dat de natuurkunde niet alleen gaat over het voorspellen van uitkomsten, maar ook over het begrijpen van de diepere structuur van de realiteit.
De Betekenis voor Moderne Natuurkunde
Einstein’s kritiek heeft de moderne natuurkunde gedwongen om fundamentele vragen te blijven stellen over de aard van de werkelijkheid. Zijn overtuiging dat er een objectieve, deterministische realiteit bestaat, blijft voor veel wetenschappers en filosofen een aantrekkelijk idee, ondanks dat de quantummechanica sterke experimentele ondersteuning geniet.
Toch heeft de quantummechanica, zelfs zonder Einstein’s goedkeuring, de basis gelegd voor veel van de moderne technologieën waar we tegenwoordig op vertrouwen, zoals lasers, transistors en quantumcomputers. De dualiteit tussen Einstein’s visie op de werkelijkheid en de succesverhalen van de quantummechanica toont aan hoe complex en intrigerend de natuurkunde is.
Bronnen
- Einstein, A., Podolsky, B., & Rosen, N. (1935). “Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete?” Physical Review, 47(10), 777-780.
- Bohr, N. (1935). “Quantum Mechanics and Physical Reality”. Nature, 136, 65-71.
- Bell, J. S. (1964). “On the Einstein-Podolsky-Rosen Paradox”. Physics Physique Физика, 1(3), 195–200.
- Aspect, A. (1982). “Experimental Tests of Bell’s Inequalities Using Time-Varying Analyzers”. Physical Review Letters, 49(25), 1804-1807.
- Whitaker, A. (1996). “Einstein, Bohr and the Quantum Dilemma”. Cambridge University Press, 45-56.
