Aan het begin van de vorige eeuw werden we overwelmd door de innovaties die zich in de wetenschap, meerbepaald in het domein van de fysica, hadden voltrokken. Deze vernieuwing was afkomstig van de alom bekende Albert Einstein en wordt de relativiteitstheorie genoemd. De implicaties zijn verstrekkend en spreken tot de verbeelding van iedereen die zichzelf de moeite getroost om er kennis van te nemen. Met deze (algemene relativiteits)theorie stonden we aan de vooravond van de moderne kosmologie en geheel nieuwe opvattingen over gelijktijdigheid, ruimte en tijd in relatie tot materie. Vaak wordt iemand als Einstein vergeleken met personen als Newton en Copernicus omwille van de draagwijdte van hun werk en de daarmee gepaard gaande radicale herziening van concepties over de werkelijkheid.
De receptie van deze theorieën in de fysica hebben we te danken aan de elegante en consistente wijze waarop ze in mathematische formuleringen kunnen worden uitgedrukt. Met de interpretatie van zulke theorieën is het echter anders gesteld. Vaak gebeurde het dat ze niet onmiddellijk werden aanvaard. En dit ondanks de logische uitwerking en coherentie met empirische gegevens. Doorslaggevend is uiteraard het mathematische formalisme waarmee een theorie gepresenteerd wordt. De vraag die hier gesteld kan worden is of het intuïtieve gevoel dat we hebben als bepalende factor kan gelden in het proces van theorievorming. Bekend is dat bij de totstandkoming van de relativiteitstheorie Einstein zich voornamelijk op gedachte-experimenten baseerde. De resultaten waar hij uiteindelijk toe kwam dwongen hem het vertrouwde beeld van de wereld op te geven en plaats te maken voor een geheel nieuw universum; één waarvan de logica ons niet al te vertrouwd overkomt en zelfs tegen elk intuïtieve aanvoelen indruiste. Niettemin werd deze verandering relatief snel ontvangen in de fundamenten van de fysica en verkreeg zo al snel het statuut van grootste wetenschappelijke ontdekking sinds Newton’s wet van de gravitatie. Hoewel velen er de implicaties niet of nauwelijks van begrepen. In tegenstelling hiermee kende de kwantummechanica, een totaal andere theorie en onderwerp van deze thesis, een verschillend verloop.
Nog voor het ‘annus mirabilis’ (1905), het jaar waarin Einstein voor het eerst zijn bevindingen presenteerde, werd de grondslag gelegd voor deze andere theorie. In theoretisch opzicht deed de kwantumtheorie zeker niet onder voor de relativiteitstheorie, in die zin dat ze proefondervindelijk elke test in de laboratoria glansrijk heeft doorstaan. Met betrekking tot de interpretatie is het echter anders gesteld; vandaag de dag bestaat nog steeds grote onenigheid tussen de beoefenaars ervan. De bevindingen van deze laatst genoemden geven aanleiding tot een waaier van uiteenlopende benaderingen. Het vertrouwde beeld van onze werkelijkheid gelijkt niet in het minst op de wereld zoals deze vanuit de kwantumtheorie wordt voorgesteld, dit wil zeggen, wanneer men naar de structuur van de werkelijkheid gaat kijken op (sub)atomair niveau. De redenen waarom deze theorie er na 100 jaar nog steeds niet in geslaagd is éénduidigheid te verlenen en waarom er bijvoorbeeld geen ‘kwantumjaar’ gehouden werd, in tegenstelling tot de faam die Einsteins theorie in 2005 wel genoot, hebben dus allen betrekking op het interpretatieve aspect. Een simpel vergelijk van naambekendheid tussen Max Planck en Albert Einstein volstaat hier. Maar was ook Einsteins theorie niet contra-intuïtief en veranderde ook dit niet het wereldbeeld van de fysica? Ongetwijfeld. Maar het onderscheid situeert zich op het niveau van welk type wetenschap men hanteert. Sinds de komst van de kwantummechanica kan er nog onmogelijk sprake zijn van één bepaald type, zodanig dat men alle fysica van voor de kwantummechanica klassieke wetenschap noemt en haar afzet tegen deze nieuwkomer. Wanneer Einstein zijn intrede maakt in de fysica presenteert hij zijn bevindingen in het conceptuele schema van de vertrouwde klassieke wetenschap: omdat de relativiteitstheorie in essentie klassiek van oorsprong is en begrippen hanteert die afkomstig zijn van de klassieke wetenschap. Het andere type wetenschap draagt de naam kwantumfysica, verwijzend naar het (sub)atomaire niveau waarover zij handelt. De gangbare concepten binnen dit domein liggen ver verwijderd van ons dagdagelijkse aanvoelen, misschien wel zo ver dat we op een tweede generatie fysici hebben moeten wachten vooraleer het algemeen aanvaard werd dat we hier wel degelijk met wetenschap te doen hadden. Het is echter niet zo dat de grondleggers ervan de bevindingen niet begrepen maar ze waren niet in staat deze te plaatsen binnen het traditionele denkkader. Dit was omdat ze zo gewend waren aan het deterministische karakter van de klassieke wetenschap en deze nieuwe verschijnselen konden van hieruit niet verklaard worden.
Het boven aangehaalde onderscheid tussen klassieke- en kwantum wetenschap vormt de rode draad doorheen deze thesis. Dit wil echter niet zeggen dat ik op alle vlakken recht zal kunnen doen aan de distinctie tussen de beide: hoe ze in relatie tot elkaar staan, waar zich de breuklijn tussen deze beiden bevind en wat ze überhaupt te betekenen heeft is een doctoraatsthese op zich waard. De bedoeling is om een beschrijving te bieden van waaruit we duidelijk het onderscheid kunnen aangeven tussen de traditionele fysica en de nieuwe fysica. Deze beschrijving zal voornamelijk gericht zijn op die ontwikkelingen waarin zich deze breuk onmiddellijk toont. De hoofdgedachte achter deze benaderingswijze houdt verband met wat het betekent een kwantummechanische beschrijving te bieden voor atomaire processen. Dit zal voornamelijk besproken worden in relatie tot de Kopenhagen-interpretatie dat ik in het laatste deel zal bespreken; concreet betekent dit dat we ons zullen wijden aan een onderzoek van de manier waarop een voorstelling van de subatomaire werkelijkheid tot stand komt vanuit de nieuwe bevindingen. In welke zin verschilt deze van een klassieke beschrijving? Is dit verschil louter conceptueel of situeert het verschil zich op een fundamenteel niveau? Wanneer dit laatste het geval is, moet men zich het volgende afvragen: is een klassieke benadering van atomaire processen wel adequaat, waaronder ik bedoel of een dergelijke beschrijving wel mogelijk is?
Omwille van praktische en theoretische beperkingen zal ik me dienen te beperken tot bepaalde aspecten in de theorie die van belang zijn voor de these. Het formalisme en de theoretische uiteenzetting zullen beperkt worden tot de meest fundamentele basisvergelijkingen. Deze doen hier enkel dienst als steun bij de conceptuele verheldering van het probleem.
De these zal bestaan uit drie delen: respectievelijk historisch-descriptief, inhoudelijk en epistemologisch-filosofisch. In het eerste historisch-descriptieve deel zal er voornamelijk worden ingegaan op de ontwikkelingen die hebben geleid tot het ontstaan van de kwantumtheorie. Hierbij zal ik voornamelijk de nadruk leggen op de bevindingen waarin de breuk met het klassieke wereldbeeld aan bod komt: de betekenis van het stralingsconcept en de wijze waarop discontinuïteit binnen Planck’s fysische beschrijving van straling dringt, het dualistische principe van het lichtconcept doorheen de geschiedenis van de fysica vanaf Newton, de idee van atomisme en de hiermee gepaard gaande beschrijving van een atoommodel zijn de voornaamste thema’s binnen deze historische uiteenzetting. Dit deel zal louter beschrijvend zijn en doet dienst als basis voor het verdere verloop van het verhaal, waarin de notie ‘beschrijving’ centraal staat. Naast het vermelden ervan zal er niet lang worden stilgestaan bij de paradoxale structuur van waaruit de kwantummechanica geboren wordt. Tenminste niet in dit eerste deel. In het tweede deel echter voer ik de lezer binnen in de wereld van de (sub)atomaire deeltjes en laat ik hem kennis maken met deze paradoxale structuren. Op enkele van de basisexperimenten en grondgedachten die de vinger leggen op de kern van een kwantummechanische beschrijving, zoals de onbepaaldheidrelatie en de kritiek van Einstein daarop, zal wat dieper worden ingegaan. Bij Einstein vinden we duidelijk de vraag terug die verband houdt met de controverse tussen de twee typen van beschrijvingen. Hier staat voornamelijk de bezorgdheid rond de objectiviteit van een beschrijving centraal. De onbepaaldheidrelatie stelt een gelijktijdige meting van positie en momentum van een deeltje, in dit geval een elektron, ter discussie. Hierdoor wordt duidelijk hoe een beschrijving van atomaire processen verschilt van een klassieke beschrijving. Hierin kan Heisenberg’s houding ten aanzien van de interpretatie van informatie en theorievorming echter niet genegeerd worden. Want voor niet iedereen hebben de consequenties die eruit worden getrokken dezelfde geldigheid. Hiervoor zal ik kort verwijzen naar de filosofische uitgangspunten van waaruit deze (interpretatie van de) relatie is ontstaan. De genoemde relatie was afkomstig van Werner Heisenberg, de Duitse wis- en natuurkundige van wie de samenwerking met Bohr had geleid tot de bewuste Kopenhagen-interpretatie, de meest vooraanstaande interpretatie uit die tijd. Dit brengt ons bij het derde en laatste deel waarin ik me laat leiden door een boek van Heisenberg dat een beeld schetst van deze revolutionaire ideeën. In dit hoofdstuk zal de discrepantie tussen de twee typen van wetenschap(pelijke beschrijving) in verband worden gebracht met de notie ‘complementariteit’; een sleutelbegrip uit de Kopenhaagse interpretatie dat een indirect gevolg was van een interpretatie van de onbepaaldheidrelatie. Hierbij wordt aan de hand van enkele basisconcepten verduidelijkt waarop een beschrijving van kwantumprocessen gebaseerd is en welke eigenaardige rol epistemologie (taal, conceptie, interactie, ...) binnen de theorie speelt. Er zal worden stilgestaan bij wat we in het verloop van deze thesis zullen ontmoeten als drie noodzakelijke elementen van deze theorie: discontinuïteit, probabiliteit en golf-deel dualisme. Dit laatste staat in rechtstreeks verband met de complementariteitsthese van Bohr; maar eveneens de twee voorgaande aspecten vinden er hun plaats. Zo monden we in dit derde deel uit in een typisch kwantummechanische beschrijving door aan te geven op welke wijze deze drie elementen samen een coherent beeld schetsten van deze nieuwe ontwikkeling. De correctie in conceptuele fundamenten waarop de onbepaaldheidrelatie steunt en in het algemeen de interpretatie van de kwantumverschijnselen worden door Bohr op voortreffelijke wijze geïntegreerd in het geheel. In deze versie wordt meer recht gedaan aan de fundamentele factoren van een dergelijke beschrijving dan bij Heisenberg: omdat bij deze laatste louter de limitering in klassieke noties (ter verklaring van atomaire processen) ter discussie gesteld wordt daar waar Bohr de gehele klassieke conceptie verwerpt en bovendien weet te vervangen door een adequatere vorm van beschrijven. Eén die men wezenlijk kwantummechanisch van oorsprong kan noemen.
Geen opmerkingen:
Een reactie posten