Quantummechanica is echt overal
De regels van de quantummechanica lijken volstrekt idioot. Zo zijn deeltjes op twee plekken tegelijk en kunnen ze dwars door muren reizen. Martijn van Calmthout stelt in zijn boek Echt quantum dat de quantummechanica helemaal niet zo’n ver-van-ons-bed-show is. Hij laat op begrijpelijke wijze zien op welke manieren we gebruik (gaan) maken van de quantumwetten. Maar eerlijk is eerlijk, quantummechanica blijft wel een beetje vreemd.
[Recensie] “Als je denkt dat je de quantummechanica begrijpt, dan heb je het niet begrepen.” Dat stelde de beroemde natuurkundige Richard Feynman. Tegen deze stelling komt Volkskrantredacteur Martijn van Calmthout in het geweer in Echt Quantum, Hoe de deeltjeswereld steeds alledaagser wordt.
Volgens hem hebben veel natuurkundigen de theorie sinds haar ontstaan begin vorige eeuw bijna systematisch als ‘mysterieus’ en ‘spookachtig’ bestempeld. Door dit stigma denken mensen dat de quantummechanica een ver-van-hun-bed-show is. Van Calmthout wil met zijn boek juist laten zien dat het omgekeerde waar is: quantum is doodgewoon en vormt de basis voor moderne elektronica tot zelfs essentiële processen in de natuur.
Hij begint bij het begin: de geboorte van de quantummechanica zo’n honderd jaar geleden. En daarvoor reist Van Calmthout af naar Brussel, de plek waar regelmatig bijeenkomsten werden gehouden voor de grondleggers van de theorie (zie de foto hieronder). Hij zetelt in de lobby van Hotel Métropole voor een fictief interview met twee van de hoofdrolspelers: Albert Einstein en Niels Bohr.
Grondleggers quantummechanica
De drie heren gaan terug in de tijd, naar het begin van de twintigste eeuw toen voorzichtig duidelijk werd dat de natuur op extreem kleine schaal andere wetten volgt dan de wereld die we gewend zijn. Dat begint met de Duitse natuurkundige Max Planck die in 1901 een theorie opstelt die het spectrum van zogenoemde zwarte stralers verklaart. Hij maakt gebruik van de aanname dat energie van deeltjes slechts bepaalde waarden kan hebben: zogenoemde ‘quanta’, de naamgevers van de quantumtheorie.
Ook proeven met het foto-elektrisch effect zijn uitsluitend te verklaren met quantummechanica. Hiervoor ontvangt Einstein in 1922 een Nobelprijs. Bohr bedenkt een werkend model van de opbouw van een atoom op basis van de quantummechanica. Werner Heisenberg stelt dat je nooit exact de plek en snelheid van een deeltje kunt weten en Louis de Broglie komt met het inzicht dat deeltjes óók als golven gezien kunnen worden.
De ontwikkeling van de quantummechanica wordt ingegeven en bevestigd door experimenten, maar het is toch vooral een enorm theoretisch en wiskundig bouwwerk. Dat ligt aan de basis van de talloze discussies die de tafelgenoten van Van Calmthout in het verleden hebben gehad.
Het steekt Einstein bijvoorbeeld dat de quantummechnanica voorspelt dat toevalligheden een grote rol spelen in het gedrag van deeltjes. Einstein wil dolgraag weten waaróm dat zo is, maar daar heeft de theorie geen antwoord op. Bohr heeft daar minder moeite mee. Het is gewoon zo, volgens hem. En zolang de theorie goede voorspellingen doet is er weinig aan de hand. Ook in Echt Quantum laait deze discussie een aantal maal op.
Van quantumtheorie naar toepassing
Het boek beweegt gaandeweg naar de toepassingen van quantummechanica, en dat zullen er veel meer zijn dan menig lezer vermoedt. Hier raakt Echt Quantum de kernboodschap. Van Calmthout wil laten zien dat quantummechanica niet slechts een theorie is die wordt gebruikt door de knapste koppen in de wereld, maar een die al breed wordt toegepast door zowel de mens als de natuur.
Wat dacht je van halfgeleiders, die de basis vormen voor de schakelingen in processors van computers, smartphones en andere apparaten? Het is de quantummechanica die de basis legt voor de theorie van de silicium-transistor die in 1947 werd uitgevonden.
Maar ook de natuur maakt gebruik van de gekke regels van de quantummechanica. Zo zou op een ‘klassieke manier’ niet te verklaren zijn hoe lichtenergie in de bladgroenkorrels van planten wordt omgezet in bruikbare bouwstoffen. Fotosynthese bestaat bij de gratie van quantummechanica.
Natuurlijk komt ook de quantumcomputer aan bod, die gestaag vorm krijgt in de labs over de wereld. Het apparaat zou zeer specifieke berekeningen veel sneller uitvoeren dan huidige (super)computers. Wederom krijgt het boek een Nederlands tintje als het voor de quantumcomputer mogelijk belangrijke Marjorana-deeltje voorbij komt. Ook wordt er hard gewerkt aan versleuteling van berichten op basis van quantumprincipes. Sterker nog, banken maken er al gebruik van.
Quantummechanica blijft vaag
Echt Quantum leest vlot en Van Calmthout houdt de lezer continu bij de les in doorgaans begrijpelijke woorden. Maar het niveau en de snelheid van het boek liggen hoog. Zo wordt de quantumcomputer even aangestipt in een alinea (later volgt wel een uitgebreide uitleg), en concepten als matrixrekenen, niet-commutatieve wiskunde en binaire getallen vliegen voorbij. Dat is soms misschien slikken als je er nog nooit van gehoord hebt.
Daar staat tegenover dat het boek meestal grondig is. Van Calmthout gaat met zijn uitleg vaak nét iets verder dan anderen. Zo legt hij bij het begrip quantumcryptografie ook meteen het protocol uit dat deze vorm van beveiliging echt honderd procent veilig maakt.
Slaagt het boek erin quantum dichter bij de ‘gewone mens’ te brengen? Ja en nee. Onmiskenbaar als je alle toepassingen in ogenschouw neemt die Van Calmthout in zijn boek laat passeren, van smartphone, tot laser, tot fotosynthese in planten. Niet als je het gedrag van quantumdeeltjes probeert te begrijpen. Dan blijft de theorie gewoon heel erg vreemd. Eigenlijk precies zoals Feynman ooit zei.
—
Eerder verschenen op Kennislink
