Bron van quantumkansen

Bron van quantumkansen

Delen:

Honderd zomers geleden deden kansen hun intrede in de quantummechanica. Dit gebeurde zonder veel fanfare: in een kort artikel van de theoretische fysicus Max Born uit Göttingen. In Zürich had Erwin Schrödinger net de vergelijking opgesteld die nog steeds zijn naam draagt. Deze beschrijft de golffunctie van een deeltje. Schrödinger paste zijn vergelijking toe op het elektron in een waterstofatoom en kon hiermee de spectraallijnen van het waterstofatoom berekenen, waar eerder ook Niels Bohr een model voor had gemaakt.

Maar wat is een golffunctie eigenlijk? Deze functie kent aan elk punt in de ruimte een complex getal toe, met een waarde die kan veranderen in de tijd. Wat dat getal voorstelt was minder duidelijk. Schrödinger speculeerde dat het kwadraat van de amplitude van de golffunctie de ladingsdichtheid zou kunnen zijn, maar dat bleek niet te kloppen.

In Göttingen ging ook Max Born aan de slag met de schrödingervergelijking. Hij paste deze toe op een verstrooiingsprobleem: hoe buigen bijvoorbeeld elektronen af aan een atoom? Op 25 juni 1926, slechts vier dagen nadat Schrödinger zijn vergelijking had ingestuurd, was Born klaar met zijn oplossing.

Het is in dit artikel van slechts drie pagina’s dat Born voor het eerst een statistisch element toevoegde aan de quantummechanica. En dat ging niet van de eerste keer goed! In de hoofdtekst schreef Born namelijk dat de amplitude van de golffunctie de waarschijnlijkheid bepaalt. Pas in de drukproef voegde hij een voetnoot toe waarin staat dat de waarschijnlijkheid recht evenredig is met het kwadraat van die amplitude. En zo zeggen we het honderd jaar later nog steeds.

John von Neumann publiceerde in 1932 een boek waarin hij de postulaten van de quantumtheorie voorstelde. In het laatste hoofdstuk behandelde Von Neumann metingen aan een quantumsysteem. Hierbij maakte hij een onderscheid tussen twee soorten processen. Als het systeem niet wordt gemeten, evolueert de toestand volgens een causaal en reversibel proces dat beschreven wordt door de golfvergelijking van Schrödinger.

Zou de regel ook zonder Born ingevoerd zijn? Waarschijnlijk wel

Tijdens een meting van een systeem treedt er echter een onomkeerbaar proces op, waarbij de gewone causaliteit doorbroken wordt. Hierbij evolueert de quantumtoestand naar een eigen­toestand van de gemeten observabele. Dit wordt collapse of instorting van de golffunctie genoemd. Welke eigentoestand dit precies zal zijn, is niet exact te voorspellen, maar de waarschijnlijkheid waarmee dit gebeurt kan berekend worden, precies zoals het in die voetnoot van Born uit 1926 stond. Hiermee werd de regel van Born verankerd in het formalisme dat nog in elk inleidend vak over quantummechanica centraal staat.

Oudere theorieën uit de fysica maakten geen onderscheid tussen de evolutie van een systeem als er wel of geen meting gebeurt. Newtons algemene zwaartekrachtswet bijvoorbeeld geldt ongeacht of je op een weegschaal gaat staan. In die zin is het collapse-postulaat in de quantumtheorie dus een raar beestje. Er zijn alternatieve theorieën van de quantumfysica waarbij deze instorting niet optreedt, zoals de veelwereldentheorie, of waarbij de instorting een spontaan proces is dat voortdurend optreedt en niet alleen tijdens een meting. Al deze theorieën moeten echter op een of andere manier verklaren waarom de statistische verdeling van meetresultaten de Born-regel volgt.

Samen met experimenteel fysicus Walther Bothe kreeg Max Born in 1954 de Nobelprijs Natuurkunde voor zijn bijdragen aan de fundamenten van de quantumfysica, met name zijn statistische interpretatie van de golffunctie. Naar aanleiding hiervan blikte Born in 1955 in Science terug op zijn ontdekking. Hij beweerde dat hij geïnspireerd was door het werk van Albert Einstein, die eerder al een probabilistische regel had voorgesteld voor het foto-elektrische effect. Einstein had namelijk het kwadraat van de amplitude van een optische golf geïnterpreteerd als de kansdichtheid voor de aanwezigheid van een foton. De overgang van een optische golf naar een golffunctie lijkt zo een kleine stap.

Heeft Born in 1926 echt via deze analogie geredeneerd? Dat lijkt onwaarschijnlijk. Zoals ook wetenschapshistoricus Abraham Pais heeft opgemerkt, zou het dan toch vreemd zijn dat Born in eerste instantie het kwadraat vergat te vermelden.

Zou de regel ook zonder Born ingevoerd zijn? Waarschijnlijk wel. De statistische interpretatie paste zo goed in de kraam van Bohr en zijn collega’s in Kopenhagen dat het leek of ze hem zelf hadden bedacht. Werner Heisenberg bijvoorbeeld gebruikte het idee eind 1926 zonder naar Born te verwijzen. Uit interviews met natuurkundigen die in die tijd studeerden blijkt dat ze niet wisten dat de regel van Born kwam. Gelukkig vermeldde Von Neumann hem wel als bron.

Delen:

Francis Halzen ontvangt de Nobelprijs voor Fysica 2026 voor zijn voortrekkersrol in het onderzoek naar hoog-energetische neutrino's met ijs. De fysicus werkt aan de University of Wisconsin, maar groeide op in België. Hij is de tweede Belg die de Nobelprijs voor Natuurkunde wint, na François Englert in 2013.

BlogNatuurwetenschappen

Er lag een krokodil in de kast

125 jaar geleden kocht de KU Leuven een collectie fossielen die ze nooit meer heeft bekeken. Voor het eerst is een groep studenten op zoek gegaan naar krokodilachtige botten. Zij vonden aanwijzingen voor Diplocynodon, de oudste alligatorachtige.

In de klas kun je het misschien verbieden. Toch blijkt het in de praktijk nog knap lastig om delen door nul altijd te vermijden.

Vorige week liet OpenAI weten dat zijn model een van de moeilijkste wiskundige problemen, het Navier-Stokesprobleem over vloeistofbewegingen, had opgelost. De claim moet nog bevestigd worden, maar welke doorbraak is de volgende? En wat betekent dat voor andere mysteries uit de wetenschap?

ColumnNatuurwetenschappen

De kracht van kruisbestuiving

Soms heeft een schilder een wiskundige nodig en soms heeft een wiskundige, zoals ik, een kunstenaar nodig om te zien hoe wonderlijk wiskunde voor niet-wiskundigen werkelijk is.

In China is barnsteen gevonden van maar liefst 385 miljoen jaar oud. Het stamt uit een tijd waarin insecten nog niet de grootste vijanden van planten waren.

Toen de Chicxulub-asteroïde 66 miljoen jaar geleden insloeg, was dat misschien nog maar het begin van de ramp. Nieuw onderzoek suggereert dat een wereldwijde stofdeken de hitte van de inslag vasthield en terugkaatste naar de aarde. Het gevolg? Wereldwijde natuurbranden die het einde van de dinosauriërs mogelijk al binnen enkele uren bezegelden.

De ruimterots die 66 miljoen jaar geleden de dinosauriërs van de aardbodem veegde, blijkt veel zeldzamer te zijn dan gedacht. Onderzoekers identificeren haar als een uitzonderlijke meteorietsoort die nauwelijks op aarde gevonden wordt. Dat zet de deur open naar een nieuwe verklaring voor de massa-extinctie.

De kernbomtest met Trinity in 1945 leidde kortstondig tot extreme omstandigheden, wat op zijn beurt leidde tot de vorming van een nieuwe vaste stof.

En blijf op de hoogte van de laatste inzichten in wetenschap en technologie.

Nieuwsbrieven