Quantummechanica is een ongrijpbaar onderwerp. Het gaat over deeltjes die golven lijken te zijn, of waarvan je niet tegelijkertijd kunt weten hoe hard ze gaan en waar ze zijn. Bovendien kunnen ze door een muur heen lopen zonder die te beschadigen. Dit zijn een paar slordige zinnen zoals je die wel eens tegenkomt over quantummechanica. Als je wat van het onderwerp weet, zul je deze vage beschrijvingen herkend hebben als de deeltjegolfdualiteit, de onbepaaldheidsrelatie en tunneling.
Om hier iets van te begrijpen is tijd nodig. In de les op school is de tijd beperkt, vaak ervaren we, docenten en leerlingen, die als te kort om het echt te doorzien. Nou geldt dat in principe voor veel onderwerpen uit de natuurkunde. Want wat is energie precies of spanning of zwaartekracht, om er maar een paar te noemen. Als je er goed over nadenkt zijn dat ook geen vanzelfsprekende begrippen. Toch is het eenvoudiger met deze begrippen om te gaan, er opgaven over te maken en er begripsvragen over te beantwoorden. We kennen ze uit het dagelijks leven en we zijn gewend erover na te denken. We hebben een intuïtief idee over wat ze betekenen.
Maar quantummechanica komt met een nieuwe manier van kijken naar de natuur, naar materie, deeltjes en krachten. Er hoort een heel nieuwe taal bij en er komen mysterieuze verschijnselen uit voort. Maar vaag en onduidelijk is het allerminst, dat wil zeggen als je de wiskunde gebruikt waarmee de quantummechanica beschreven wordt, die is heel nauwkeurig en precies. Die wiskunde geeft echter alleen de vergelijkingen en formules, als je wilt bevatten wat die betekenen, gebruiken we vaak beelden uit de wereld van alledag, die we kennen en begrijpen. Het vervelende is echter dat die beelden en de wiskunde niet een-op-een met elkaar verbonden zijn. Bovendien is de wiskunde te ingewikkeld om op school te behandelen. En dus moeten we het doen met onbeholpen en soms ook onhandige beelden en metaforen. Geen wonder dat de lessen quantummechnica regelmatig als vaag, onbegrijpelijk en zelfs overbodig (want veel te verwarrend) worden ervaren.
Waarom dan toch?
Toch zijn er goede redenen om met de beperkte middelen en tijd die docenten en leerlingen op school hebben, je toch te verdiepen in quantummechanica. Ik ga hieronder proberen die redenen duidelijk te maken.
Als eerste: in de moderne wereld kom je veel quantummechanica tegen. Computerchips bestaan dankzij quantummechanica, maar bijvoorbeeld ook supergeleidende magneten. Hierdoor hebben we internet, gps, besturing van auto’s, maar ook medische instrumenten als MRI. En vooral niet te vergeten sociale omgang en relaties worden diepgaand beïnvloed door de toepassingen van quantummechanica, zoals de sociale media op smartphones of door kunstmatige intelligentie. Het is goed te beseffen dat daarmee quantummechanica tot in de haarvaten van onze samenleving aanwezig is. Onze economie draait voor een groot deel op de resultaten van quantummechanisch onderzoek. Zonder dat zou de wereld er echt anders uitzien. Dat is op zich al een goede reden er wat van te willen begrijpen. Maar toegegeven, over al deze zaken kun je meningen vormen zonder de techniek ervan te begrijpen.
Ten tweede is het vanuit het vak natuurkunde bekeken onmogelijk het niet over quantummechanica te hebben. Veel modern onderzoek en vrijwel alle nieuwe ontwikkelingen zijn op het gebied van de quantummechnica of worden er op een of andere manier door beïnvloed. Het is geen los onderdeel van de natuurkunde, het is geen afgebakend veld zoals optica, nee het is dé overkoepelende manier om de natuur te begrijpen. Zouden we het niet behandelen dan gaat natuurkunde op school over de ‘oude’ theorieën, zoals we voor 1900 de wereld begrepen. Dat zie je bijvoorbeeld in het volgende filmpje.
Tot vrij diep in de 20e eeuw werd quantummechanica gezien als een uitzondering. Alleen als je atomen en subatomaire deeltjes bestudeerde had je het nodig. Het was de natuurkunde van de zeer kleine afmetingen, waarbij het ging over moeilijk te verwoorden verschijnselen, zoals superpositie, verstrengeling en onbepaaldheid. Onze dagelijkse wereld van de menselijke maat daarentegen, dat was de normale wereld, daar konden we in gewone taal over spreken. Sommigen noemen die visie quantum 1.0. Tegenwoordig weten we beter. Dat noemen we dan quantum 2.0. Quantummechanica is niet de uitzondering maar het is dé standaardmanier waarmee we de totaliteit van de wereld, van subatomaire verschijnselen tot aan zwarte gaten, kunnen begrijpen. Maar ook de chemie en biologie, zie het filmpje hieronder. Onze dagelijkse, gewone wereld is de uitzondering, met relatief rustige en niet zo heftige processen.
Nog een reden om quantummechnica te bestuderen is dat sommige mensen wel van raadsels en uitdagingen houden. Ja, golffuncties en tunneling zijn vreemde en lastige begrippen. Gelukkig zijn er ook leerlingen die daar hun tanden in willen zetten.
Verwarring niet voorkomen
Bij de behandeling van quantummechanica op school is het helemaal niet nodig om verwarring te voorkomen. Richard Feynman, een groot natuurkundige en docent uit de vorige eeuw, stond bekend om zijn geslepen en prikkelende uitspraken. Een mooie uitspraak (geparafraseerd) van hem is: “Ik breng studenten graag in verwarring, want dat is het begin van leren”. Want vanuit de verwarring ga je je afvragen: waarom snap ik het niet, hoe zit het nou precies, hoe kan ik het wel begrijpen? Dat helpt je vooruit.
Niet mysterieus
Het is wel een goed idee om quantummechanica van een mysterieuze gloed te ontdoen. Vooral gevoed vanuit de wereld van de new age, wordt een onjuist beeld opgeroepen van mystiek en tovenarij. Dat is onterecht. Het fundament van quantummechanica bestaat uit solide en heerlijke wiskunde. Heel scherp gedefinieerd en precies te berekenen. Maar omdat die wiskunde over het algemeen dus te ingewikkeld is voor de lessen op school beschrijven we het (soms wat onbeholpen) in eenvoudiger woorden, die we zo helder mogelijk moeten houden.
Tegelijkertijd laat het zien dat onze oude manier van over de natuur denken ook maar een benadering was, die als je er met de nieuwe kennis over nadenkt ook vaag en vreemd is. Weten we wel waarom massa’s elkaar aantrekken? Wat is lading eigenlijk? Om dat te begrijpen hebben we een wiskundig raamwerk opgetuigd dat (vrijwel) perfect metingen kan beschrijven. Dat doet quantummechanica ook en is in die zin helemaal geen nieuwe manier van kijken.
Dat wil niet zeggen dat alle vragen en raadsels van de quantummechanica zijn opgelost. De precieze betekenis van de golffunctie blijft onderwerp van discussie zoals ook blijkt in het volgende filmpje met de bekende natuurkundige Roger Penrose.
Ik vermoed dat er geen natuurkundige is die niet van quantummechanica houdt, die niet vindt dat het een goed idee is het op school te behandelen. Het is wetenschappelijk en maatschappelijk onontkoombaar en ook daarom hoort het op school thuis.
In dit artikel heb ik geen uitleg gegeven over quantummechanica. Ik hoop dat het je helpt te begrijpen waarom we het bestuderen. Begrip van de materie ontstaat door er samen (leerling en docent) in te duiken, ermee te rekenen, erover te piekeren en te peinzen. En dan opent zich een prachtige wereld van nieuwe en onverwachte inzichten en verschijnselen.
Wil je reageren op dit artikel dan kan op info@natuurkunde.nl
