Het begon allemaal met een kat. Een kat opgesloten in een doos, levend en dood tegelijk, tenminste totdat iemand besloot te kijken. Een absurd, bijna ironisch beeld, gecreëerd om uit te leggen hoe ver de kwantumfysica afstond van de dagelijkse ervaring. Honderd jaar later heeft die theoretische eigenaardigheid echter de laboratoria verlaten en stilletjes onze huizen, ziekenhuizen, smartphones en zelfs supermarkten binnengedrongen.
Een eeuw geleden verraste de kwantummechanica precies de wetenschappers die het hadden gebouwd. Tegenwoordig is het de onzichtbare basis van technologieën die we als vanzelfsprekend beschouwen, zoals lasers, microchips, beveiligde communicatie en de meest geavanceerde computersystemen. Het is een revolutie die geen lawaai maakt, maar die de wereld veel meer heeft veranderd dan we denken.
Toen de kwantumfysica werd geboren als een onbegrijpelijke theorie
Een nieuwe analyse gepubliceerd op reconstrueert deze lange reis Wetenschap door Marlan Scully, professor aan de Texas A&M University en tevens verbonden aan Princeton University. In zijn verhaal is de kwantumfysica niet langer een abstracte discipline, maar wordt het een verhaal vol briljante intuïties, fouten, ideeën die als gek worden beschouwd en concrete toepassingen die onze technologische samenleving vandaag de dag draaiende houden.
Aan het begin van de twintigste eeuw werd de kwantumfysica geboren om een ogenschijnlijk eenvoudige vraag te beantwoorden: hoe gedragen de kleinste materiedeeltjes zich? De antwoorden vernietigden elke zekerheid. Energie stroomde niet continu, deeltjes volgden geen voorspelbare trajecten, de werkelijkheid leek pas vorm te krijgen als iemand het observeerde. Het is geen toeval dat zelfs de grondleggers van het systeem moeite hadden om de gevolgen ervan te aanvaarden.
Toen Erwin Schrödinger in 1935 de beroemde kattenparadox voorstelde, wilde hij laten zien hoe verontrustend de kwantumtheorie zou worden als deze op de echte wereld zou worden toegepast. Een gedachtenexperiment, meer niet. Toch vormen juist deze zeer contra-intuïtieve mechanismen vandaag de dag de basis van kwantumcomputers en kwantumcryptografie, die communicatie belooft die onmogelijk te onderscheppen is.
Schrödingers werk sloot zich aan bij dat van andere pioniers als Werner Heisenberg en Niels Bohr, die vanuit verschillende perspectieven orde probeerden te scheppen in een wereld die elke klassieke logica leek te verwerpen. Uit deze vaak verhitte confrontatie is een nieuwe visie op de natuur ontstaan, die in de loop van de tijd steeds steviger en bruikbaarder zal worden.
Onzichtbare verschijnselen die ons dagelijks leven vandaag de dag beheersen
Een van de belangrijkste concepten die deze eeuw naar voren is gekomen is kwantumcoherentie, of het vermogen van deeltjes zoals atomen en fotonen om zich zelfs op afstand als één systeem te gedragen. Het is dankzij deze eigenschap dat lasers bestaan, een technologie die aanvankelijk als nutteloos werd beschouwd en die we tegenwoordig overal tegenkomen, van medicijnen tot grootschalige detailhandel.
Dezelfde samenhang maakt verstrengeling mogelijk, die diepe band tussen deeltjes die Albert Einstein met argwaan bekeek en het definieerde als ‘spookachtige actie op afstand’. Tegenwoordig weten we dat we zonder dit fenomeen geen zwaartekrachtgolven zouden kunnen detecteren of instrumenten zouden kunnen bouwen die het universum met ongekende precisie kunnen meten.
De kwantumfysica beperkt zich niet langer tot theoretische onderzoekslaboratoria. Het komt terecht in de biologie, waar het ons in staat stelt virussen en moleculen op nanometrische schaal waar te nemen, en in de studie van complexe systemen zoals het klimaat. Door materialen te analyseren die zich kwantummatig gedragen, zoals superfluïde helium, vinden onderzoekers nieuwe patronen voor het begrijpen van turbulentie, die mogelijk van invloed kunnen zijn op weersvoorspellingen en transportveiligheid.
Dan zijn er nog radicalere toepassingen, zoals kwantummotoren, die fysieke grenzen ter discussie stellen die als onoverkomelijk worden beschouwd. We hebben niet te maken met kant-en-klare oplossingen voor alledaags gebruik, maar met duidelijke tekenen van een discipline die de grenzen blijft verleggen van wat mogelijk is.
Een eeuw later blijft de kwantumfysica ons vragen stellen
Volgens Scully is de ware paradox van de kwantumfysica dat hoe beter ze werkt, hoe meer nieuwe vragen open blijven. Kan de zwaartekracht worden beschreven met dezelfde regels als andere fundamentele krachten? Zullen kwantumcomputers de geneeskunde en het materiaalonderzoek echt veranderen? Wat zullen de komende kwantumtechnologieën onthullen over het universum?
Aan het begin van de twintigste eeuw dacht men dat de natuurkunde het eindpunt had bereikt. Vandaag weten we dat dit nog maar het begin was. En misschien is dit juist wel de meest fascinerende kant ervan: een theorie die geboren is om het onzichtbare te verklaren blijft ons verrassen, terwijl ze ons heden op een discrete, diepgaande en vaak onmerkbare manier vormgeeft.
Mogelijk bent u ook geïnteresseerd in:
