Hoofdstuk 8: De kwantummechanica vandaag
De experimenten en ideeën uit het begin van vorige eeuw hebben niet alleen de fysica grondig door elkaar geschud, maar ook de wereld rondom ons veranderd. Veel instrumenten en technieken die we dagelijks gebruiken, steunen op de kwantumwereld. Neem nu een digitale camera, zoals we die tegenwoordig in elke smartphone vinden. Hierin zit een lichtgevoelige chip, een Charge Coupled Device of CCD, die licht omzet in een elektrisch signaal. Dit is een rechtstreekse toepassing van het foto-elektrisch effect. De invallende fotonen maken elektronen los, geven aanleiding tot een elektrische stroom en tot potentiaalverschillen, die we kunnen meten en vervolgens in beelden omzetten. Zonnepanelen werken volgens hetzelfde principe waarbij licht wordt omgevormd in elektrische stroom.
Lasers maken gebruik van de kwantisering van de energie van elektronen rond een atoomkern. Eerst worden elektronen door een excitatiemechanisme naar een hoger energieniveau getild. Ze stapelen zich op in dat hoger niveau. Bij het collectief terugvallen naar een lager energieniveau worden fotonen collectief uitgezonden, wat we dan als licht van een bepaalde kleur waarnemen.
De led- (Light Emitting Diode) lampjes zijn niet meer weg te denken uit ons dagelijks leven. Ze geven veel meer licht en verbruiken veel minder energie dan gloeilampen. Ze kennen vandaag heel wat toepassingen. Een led is een lektronische halfgeleidercomponent, een diode, die licht van een bepaalde kleur uitzendt als er een elektrische stroom in de doorlaatrichting loopt.
Ook in de geneeskunde zijn er vele toepassingen, zoals PET (Positron electron tomography) en MRI (Magnetic Resonance imaging) scanners. Zij maken gebruik van de kwantumeffecten van bepaalde atoomkernen.
Meer weten?
Kwantummechanica beschrijft de wereld op atoomschaal. Aangezien we tegenwoordig alles steeds kleiner en kleiner willen maken, worden de kwantumeffecten steeds belangrijker. In geïntegreerde schakelingen, of chips, laten de kwantumeffecten zich meer en meer voelen naarmate ze verkleinen.
De kleinste functionerende transistor bestaat slechts uit enkele tientallen atomen. Op deze schaal gedragen de elektronen zich als golven, en kunnen elektrische ladingen één per één uitgewisseld worden, waarbij hun transport afhankelijk van hun spin gemaakt kan worden en kunnen ook fotonen één per één uitgezonden worden. De nano-elektronica is zeer verschillend van de micro-elektronica! Ze wordt geregeerd door kwantumwetten.
Een apparaat waar we tegenwoordig veel gebruik van maken, de GPS, steunt op de relativiteitstheorie maar maakt ook gebruik van de kwantumeigenschappen van ‘koude’ atomen om tijd en plaats nog preciezer te meten. Dit gebeurt omdat in die koude atomen de frequentie van een overgang tussen twee energieniveaus nog preciezer bepaald is. Hierdoor wordt ook een veel preciezere tijdmeting mogelijk.
De magneetzweeftrein is een trein die 10 tot 20 millimeter boven een baan zweeft door een magneetveld. Deze techniek wordt magnetic levitation (kortweg maglev) genoemd. Er werden sinds de jaren zestig en zeventig veel experimenten uitgevoerd door Duitsland en Japan. Momenteel zijn twee commerciële lijnen in gebruik. In 2004 opende de Shanghai Transrapid, een magneetzweeftrein naar een Siemens-concept, en in februari 2016 ging de Incheon Airport Maglev in dienst in Zuid-Korea. Bij grote elektromagneten is de spoel vaak van supergeleidend materiaal gemaakt.
Men zou het lijstje kunnen uitbreiden met o.a. de harde schijf, de kerncentrale, de plasma TV, de nanotechnologie met zijn nano-machines, en nog vele andere technologieën. In de nanotechnologie is een interessant onderzoeksthema direct gelinkt aan het onzekerheidsbeginsel en virtuele deeltjes.
De Japanse L0 Maglev trein reed 603 km/h tijdens een test in 2015.
Druk laat moleculaire tandwielen draaien.
Ada Lovelace, 1840
Kwantumfysica heeft ook voor de toekomst nog veel te bieden. Eén van de grote doorbraken waar naar uit wordt gekeken is die van de kwantumcomputers. Door het ambivalente kwantumkarakter van een elektron zou een kwantumcomputer verschillende berekeningen tegelijk kunnen uitvoeren. Dit staat momenteel in zijn kinderschoenen, maar kan het begin zijn van een nieuwe generatie supersnelle computers. Ada Lovelace, computerprogrammeur avant la lettre, voorspelde al in de 19de eeuw dat supercomputers en de toekomst een belangrijke rol zouden spelen.
Kwantumeffecten hebben ook een rol gespeeld in het ontstaan van melkwegstelsels, sterren en dus ook het leven hier op aarde. Op veel plaatsen is er een zeer bedrijvig onderzoek in de kosmologie.
De evolutie van energie en materie van de Big Bang tot vandaag.
Meer weten?
Ook in de kwantumchemie wordt heel wat onderzoek verricht. Het is een deelgebied van de theoretische scheikunde, dat tracht chemische verschijnselen zoals chemische binding en katalyse te beschrijven met behulp van de kwantummechanica. De Schrödingervergelijking van een elektronensysteem met meerdere schakels kan echter slechts bij benadering worden opgelost. De meeste moderne berekeningsmethoden gebruiken hiervoor moleculaire orbitalen. Dit zijn een soort vereenvoudigde golffuncties voor moleculen. Daarbij past men vaak de ‘Hartree-Fock-methode’ toe, die al in de jaren dertig werd ontwikkeld, maar pas daadwerkelijk werd toegepast met het verschijnen van digitale computers vanaf 1950 .
Los van de vorige methoden, is er de zo geheten dichtheidsfunctietheorie. Hier vervangt men een golffunctie (die van de ruimtecoördinaten van alle elektronen afhangt) door een elektronendichtheid (die slechts van drie ruimte oördinaten afhangt), maar vaak wordt deze wel in termen van orbitalen (vereenvoudigde golffuncties ) benaderd.
In hoofdstukken 7 en 9 wordt stilgestaan bij de ‘big science research’ waarin kwantummechanica wordt toegepast, zoals het onderzoek met de Large Hadron Collider. Er zijn nog duizenden voorbeelden. Als laatste een zeer praktisch voorbeeld: het gebruik van spectroscopie bij het selecteren van fruit of groenten.