Van Quantum tot Quark : inleiding tot de quantummechanica : golven en deeltjes

Diederik Aerts

Paul J. J. Tol

Wanneer een gas bijna tot het absolute nulpunt (-273,15 graden Celsius, 0 K) gekoeld wordt en voldoende dichtheid heeft, treedt soms Bose-Einsteincondensatie (BEC) op. Dit effect is een gevolg van het quantumgedrag van verzamelingen identieke deeltjes: de quantummechanische golven die de atomen beschrijven, spreiden zich uit en overlappen elkaar, wat de atomen in dezelfde toestand met de laagste energie dwingt. Paul Tol beschrijft in zijn proefschrift experimenten die zullen leiden naar BEC in metastabiel helium, helium dat met een ontlading in een langlevende aangeslagen toestand gebracht is. Daarbij neemt verdampingskoeling een belangrijke plaats in: de atomen met de meeste energie verlaten de val en door elastische botsingen wordt de energie van de overgebleven atomen herverdeeld. De gemiddelde energie van de resterende atomen wordt kleiner, uitmondend in een koudere en dichtere wolk. Laserlicht wordt gebruikt voor de koeling in het begin en voor de bepaling van het aantal atomen in een gaswolk. Om dit laatste nauwkeurig te kunnen doen, wordt het theoretische verband tussen de relatieve absorptie van het licht en het aantal atomen opnieuw afgeleid, zonder de gebruikelijke simplificaties. Het theoretische model dat de koeling tot het absolute nulpunt beschrijft, wordt ook aangepast om het te kunnen toepassen bij hogere starttemperaturen, zodat het koeltraject geoptimaliseerd kan worden. Deze modellen zijn zo opgesteld dat ze ook gebruikt kunnen worden voor andere gassen.

Jeroen C. J. Koelemeij

Rosella Hermens

Het gebruik van kansrekening is wijdverspreid in ons dagelijks leven (kansspelen, beleggingen en dergelijke) alsook in wetenschappelijke theorieën (genetica, statistische thermodynamica). In vrijwel alle gevallen kunnen relevante berekeningen voltrokken worden binnen het raamwerk van de klassieke kanstheorie gebaseerd op de axioma’s van Kolmogorov. Een bijzondere uitzondering wordt gegeven door de quantummechanica: de natuurkundige theorie die materie op atomaire schaal beschrijft. Zij geeft aanleiding tot een nieuwe kanstheorie: de quantumkanstheorie. Dit proefschrift behandelt de vraag hoe dit formalisme begrepen kan worden vanuit een filosofisch en fysisch perspectief. Het proefschrift is opgedeeld in drie delen. In het eerste deel worden het formalisme van de quantumkanstheorie en haar relatie tot de quantummechanica uiteengezet. In het tweede deel wordt gekeken naar de mogelijkheid om quantumkanstheorie te herformuleren zodat het past binnen het raamwerk van de axioma’s van Kolmogorov. Wiskundig valt deze mogelijkheid grotendeels samen met de mogelijkheid van het bestaan van verborgen variabelen theorieën voor de quantummechanica: theorieën die pogen fundamentele problemen in de quantummechanica op te lossen door additionele fysische eigenschappen aan systemen toe te kennen. De conclusie van deze onderzoeking is dat, hoewel klassieke herformuleringen van de quantumkanstheorie formeel mogelijk zijn, zij weinig inzicht bieden in het formalisme van de quantumkanstheorie zelf. In het derde deel wordt een directere onderzoeking van de quantumkanstheorie ondernomen. Een herformulering van de quantumkanstheorie wordt verkregen door een quantumlogica van proposities over metingen en meetuitkomsten te construeren op basis van empirische niet-probabilistische voorspellingen van de quantummechanica. In de herformulering zijn quantumkansfuncties conditionele kansfuncties op deze quantumlogica.

Erik Dietrich, Pascal Sleutel

Onbepaaldheid is conceptueel een van de lastigste onderdelen van de quantummechanica. Om dit voor middelbare scholieren te visualiseren wordt een stuiterend druppel analogie gebruikt. Dit systeem laat zich met de vloeistoffysische variant van de De Broglie-Bohm theorie beschrijven. Een groep van 12 scholieren heeft een enkele spleet diffractie experiment uitgevoerd met de stuiterende druppel. Uit de pre- en posttests en de afgenomen interviews blijkt dat het experiment geschikt is om het golfdeeltjes gedrag te visualiseren maar dat leerlingen niet alle fenomenen uit het experiment herkennen en in quantummechanische context interpreteren.

Georg Wolschin