De mechanismen van het quantum, fysica op het allerkleinste niveau.

Inhoudsopgave

Fotosynthese. Cyanobacteriën. Annalen de Physik. Foto-elektrisch effect. Zijn het nou golven of deeltjes? Superpositie. Golffunctie. Onzekerheidsprincipe. Schrödingervergelijking. Quantumtunneling. De Kopenhagen-interpretatie en de kat van Schrödinger. Verstrengeling. Spin. Quantumprocessen in biologische systemen. Vogels vossen en trekvogels oriënteren zich op aardmagnetische velden.

In plaats van quantummechanica hanteer ik zelf liever de term quantumfysica, omdat het de fysica is, dat het mechanisme verklaart hoe alles op de allerkleinste schaal werkt! Het is de beste beschrijving die we hebben van de aard van de deeltjes waaruit materie bestaat en de krachten waarmee ze interageren.

  • Kwantumfysica ligt er ten grondslag aan hoe atomen werken, en dus waarom chemie en biologie werken zoals zij werken.

Maar aangezien het quantum mechanisme in hoge mate een wiskundige benadering kent, kan ik dit niet wiskundig verdiepen, omdat ik er de opleiding niet voor heb. Ik ga deze microscopische wereld van atomen en elektronen benaderen vanuit mijn eigen wetenschappelijke interesse. De bronnen die ik hiervoor raadpleeg zijn voornamelijk de wetenschappelijke en educatieve website quantumuniverse.nl/dossier-quantumfysica. Quantummechanica is een onderliggende theorie, terwijl quantumfysica de toepassing in de natuurkunde is. Beide termen worden in de praktijk nogal eens door elkaar gebruikt, echter natuurwetenschappers hebben een sterke voorkeur voor de term quantummechanica…..okey ik ben geen natuurwetenschapper….
Quantummechanisme is nauwelijks goed uit te leggen zonder uitgebreide voorbeelden. Die voorbeelden worden gewoonlijk aan de natuurkunde ontleend, waardoor het verschil tussen quantummechanica en quantumfysica in de praktijk soms wat vervaagt.

De Amerikaanse natuurkundige Richard Feynman zei ooit: “Ik denk dat ik rustig kan zeggen dat niemand de quantummechanica écht begrijpt. Als je denkt dat je de quantummechanica begrijpt, dan heb je het niet begrepen.” Deze stelling daagt me uit! Want ook de natuur maakt gebruik van de gekke regels van de quantumfysica. Het allermooiste en ’t meest indrukwekkende voorbeeld van een quantum-fysisch proces is fotosynthese. Het zou op een ‘klassieke manier’ niet te verklaren zijn, hoe lichtenergie in bladgroenkorrels van planten wordt omgezet in bruikbare bouwstoffen. Wie het mechanisme van fotosynthese écht wil begrijpen, vindt antwoord in de quantumfysica!!

Fotosynthese

De reacties die gebeuren tijdens de fotosynthese zijn te onderscheiden in twee opvolgende fasen: -de-lichtreactie-en-de-donkerreactie. Tijdens de lichtreacties wordt lichtenergie omgezet in chemische energie in de vorm van de energiedragende stoffen ATP en NADPH. Hierbij komt zuurstof vrij als afvalproduct. Tijdens de donkerreacties worden deze stoffen gebruikt om van koolstofdioxide (CO2) de energierijke stof glucose te maken.

ATP (adenosinetrifosfaat) wordt in cellen gebruikt voor de opslag van energie. NADPH (Nicotinamide-adenine-dinucleotidefosfaat) is de belangrijkste reductor in cellen (waarbij elektronen afgestaan worden) en levert een bron van elektronen voor diverse andere reacties.

Hoe werkt fotosynthese? De fotosynthese in detail
Pi is een anorganisch fosfaat
Thylakoïde membraanorganisatie en samenstelling in cyanobacteriën en planten. Cyanobacteriële thylakoïde membranen bevinden zich direct in het cytosol, zijn in lagen gerangschikt, maken contact met het plasmamembraan en hebben aangehechte phycobilisomen (eiwitcomplexen). Thylakoïde membranen in landplanten bevinden zich in de chloroplast, zijn georganiseerd in grana-stapels die onderling verbonden zijn door stroma-blootgestelde lamellen en bevatten chlorofyl-eiwitcomplexen.

Cyanobacteriën

Deze afbeelding heeft een leeg alt-atribuut; de bestandsnaam is 6b45c080-8d00-41cb-8bc3-e0099f82563e_eenanabaenaketenentweeworonichinianaegelianakoloni_6cec12fa_490x3301.jpg
Cyanobacteriën zijn minuscule organismen. Ze zijn eencellig, kolonievormig of komen voor als meercellige filamenten.

Cyanobacteriën worden ook wel misleidend blauwalgen genoemd vanwege de blauw/groene pigmenten, maar ze hebben geen relatie met algen omdat dit eukaryote organismen zijn. Deze synthetiserende bacteriën kunnen zich alleen asexueel voortplanten door celdeling. Een ronde kolonie wordt gevormd door celdelingen in meerdere richtingen; een filament door celdeling in één bepaalde richting. De aldus gevormde keten van cellen wordt een trichoom genoemd. Een trichoom kan recht zijn, gedraaid of vertakt. Van filamenteuze vormen kunnen kleine fragmenten uitgroeien tot een nieuwe lange keten van cellen. De endosymbiosetheorie verklaart, dat cyanobacteriën zijn opgenomen in plantencellen en zijn ontwikkeld tot chloroplasten: bladgroenkorrels.

Waarom zijn cyanobacteriën belangrijk?
Cyanobacteriën zijn één van de oudste bekende organismen op Aarde en dateren van meer dan 2 miljard jaar geleden. Vóór deze bacteriën, toen de atmosfeer nog erg zuur was, bestonden er verschillende microben op onze planeet. Deze organismen bloeiden in afwezigheid van zuurstof. Ongeveer 2,4 miljard jaar geleden begon de aardatmosfeer te oxideren en in ruil daarvoor ontstond de 21% zuurstofatmosfeer die we momenteel kennen. Cyanobacteriën creëerden de atmosfeer die het leven ondersteunde en het leven zou anders niet hebben kunnen bestaan.

Uit de elementen CHONSP: koolstof (C), waterstof (H), zuurstof (O), stikstof (N), zwavel (S) en fosfor (P) halen cyanobacteriën de koolstof uit lucht en water in de vorm van CO2 en H2O. Hier maken ze organische stoffen van door fotosynthese, waarbij vervolgens stikstof (N) het meest nodig is voor het maken van eiwitten en fosfor (P), hun eigen DNA en voor de opslag van energie (ATP). Daarnaast zijn ook de metalen ijzer, koper en magnesium in zeer lage concentraties noodzakelijk voor hun groei.

Voor de vorming van één glucosemolecuul (C6H12O6) moet de Calvincyclus zesmaal worden doorlopen. Calvincyclus is de donkerreactie, gebruikt de energie om koolstofdioxide om te zetten in glucose.

Fotosynthese is voor ons mensen een extreem ingewikkeld quantummechanisch systeem, maar voor planten al vele miljoenen jaren en voor de eenvoudigste microben al 2,5 miljard jaar een vanzelfsprekend groei- en samenwerking-systeem in een indrukwekkend fenomeen, dus ontdek/microbiologie/endosymbiose/

Video: Quantum-theory-full-documentary-
Van de Amerikaanse natuurkundige Brian Greene, geeft een breed beeld van Quantummechanica.

Annalen der Physik

Een eerste aanzet tot de ontwikkeling van de theorie werd gegeven door Max Planck in het jaar 1900. Hij ontwikkelde en publiceerde zijn bevindingen in het toonaangevende natuurkundetijdschrift Annalen der Physik. Planck ontdekte dat de energie van elektromagnetische golven (waar bijvoorbeeld het zichtbare licht een vorm van is) niet continu is, maar discreet. Dit betekent dat die energie niet elke willekeurige waarde kan aannemen, zoals de uurwijzer op je horloge, maar dat ze zich stapsgewijs gedraagt, zoals de meeste secondewijzers: ze is altijd een veelvoud van een vaste hoeveelheid. Deze vaste hoeveelheid energie in pakketjes noemde Planck ‘quanta’ naar het Latijnse woord voor ‘hoeveel’. Planck gaf ook aan hoe groot die pakketjes precies waren: voor licht met een bepaalde golflengte λ, en een bijbehorende frequentie ν, was de hoeveelheid energie (E) in één pakketje gelijk aan E = h ν. In woorden: de energie van één pakketje kon eenvoudig berekend worden door de frequentie met een bepaald getal h te vermenigvuldigen. Die verhoudingsfactor, h, was een nieuwe, door Planck voorspelde natuurconstante (zie verderop).

Albert Einstein haakte hier op in en stelde dat je die quanta als deeltjes kunt beschouwen. Deze deeltjes noemde hij fotonen. Bijna twintig jaar later merkte Louis de Broglie op (spreek uit de Bruie), dat deeltjes soms golfeigenschappen hebben. Er zal nou eenmaal aanvulling en verbetering blijven op ons bekende macroniveau over de microstructuren op allerkleinste schaal: quantum-versus-klassiek.

Het volgende is terug te vinden in m’n vorige blog: Het denkende bewustzijn, dus ik citeer:In de laatste decennia van zijn leven behandelde Planck vooral filosofische vragen van zijn fysieke wereldbeeld. Hij bevestigde stevig het bestaan ​​van God en zag in de wetenschap een zoektocht naar zijn empirische kennis, maar zonder ooit in staat te zijn om dat doel op deze manier volledig te bereiken.

“Als een mens die zijn hele leven gewijd heeft aan de meest helderhoofdige wetenschap, aan de studie van de materie, kan ik u als een resultaat van mijn onderzoek over atomen zo veel zeggen: er bestaat geen materie op zichzelf. Alle materie ontstaat en bestaat alleen door een kracht die de atoomdeeltjes vibreert en ze samenhoudt. Maar omdat er geen intelligente kracht of eeuwige kracht in het hele universum bestaat, moeten we achter deze kracht een bewuste intelligente geest accepteren. Deze geest is de oorsprong van alle materie. Niet de zichtbare maar de onzichtbare ‘geestelijke’ materie is het echte, het ware, want materie bestaat helemaal niet zonder de geest. Het onzichtbare, onsterfelijke geestelijke is de waarheid! Maar aangezien geesten er niet van zichzelf kunnen zijn, maar gecreëerd moeten worden, ben ik niet bang om deze mysterieuze schepper een naam te geven, zoals alle volkeren op aarde die al duizenden jaren noemen: God!” 

Hiermee komt de natuurkundige, die z’n hele leven met de aard en het wezen van materie te maken had, van het rijk der materie naar het rijk van de geest…..en hiermee op het terrein van de filosofie?

Zwarte stralers

Max Planck begon aan de Universiteit van Berlijn en verrichtte onderzoek naar de wetten van de thermodynamica en de uitstraling van energie door zwarte lichamen (black body radiation). Hij zocht naar de oplossing voor het probleem waar de klassieke natuurkunde niet uit kwam: hoe luidt de formule die het continue energieverloop beschrijft van een energie-uitstralend lichaam. Een zwart lichaam, ook wel zwarte straler genoemd, is een voorwerp dat alle invallende elektromagnetische straling volledig in zich opneemt. Het is tevens een ideale straler. De straling die een zwart lichaam uitzendt is thermische straling.

H.Bruning › applets. Met deze applet kun je stralingskrommen van een zwarte straler bestuderen: grafieken met de intensiteit van de uitgestraalde thermische straling als functie van de golflengten.

Een zwart lichaam zendt dus, afhankelijk van zijn temperatuur, straling van verschillende golflengten uit. De verdeling van de intensiteit van die verschillende golflengten heeft een karakteristieke vorm en wordt ook wel een Planck-kromme genoemd.

planckkromme – Natuurkunde uitleg
De werking van een zwarte straler is te vergelijken met een heel klein gaatje in een dichte doos. Het licht wat hier in valt, weerkaatst een aantal keren tegen de wanden, maar het komt  de doos niet meer uit.
Alle straling die op dit voorwerp valt, wordt geabsorbeerd. Doordat het alle straling absorbeert, stijgt de temperatuur en gaat het zelf straling uitzenden. Een zwart gat is volgens de berekeningen van Hawking een perfecte zwarte straler.

Foto-elektrisch effect

Albert Einstein werkte dit idee verder uit, en stelde dat je die quanta als deeltjes kunt beschouwen en noemde deze deeltjes fotonen. Wanneer fotonen met hogere energie op een metalen plaat vallen, kunnen vanaf het metaal elektronen vrijgemaakt worden. Dit wordt het foto-elektrisch-effect genoemd.

Bijna twintig jaar later merkte Louis de Broglie op, dat deeltjes soms ook golfeigenschappen hebben. Dit verschijnsel, dat deeltjes en golven soms erg veel van elkaar weg hebben, wordt de golf-deeltje-dualiteit genoemd en kan gezien worden als één van de peilers van de quantumfysica.

Zijn het nou golven of deeltjes?

Om de golf-deeltje-dualiteit aan te tonen: het tweespletenexperiment
wave-particle-duality.

Bron van het nu volgende: Quantum Universe. Niet alleen blijken “klassieke golven” (zoals licht) óók deeltjeseigenschappen te hebben, maar “klassieke deeltjes” (zoals elektronen) blijken óók golfeigenschappen te hebben. Daarmee stonden natuurkundigen voor een raadsel. Is licht nu een golf of een deeltje? Zijn elektronen deeltjes of golven?

Het antwoord kwam in 1924 van de Duitse natuurkundige Max Born: licht en elektronen zijn geen golven of deeltjes: licht en elektronen zijn ’t allebei.

Superpositie

Maar……quantummechanica gaat over kansen. Een quantummechanisch systeem hoeft niet in één specifieke toestand te zijn: het kan in zekere zin in verschillende toestanden tegelijk zijn. Zo kan een deeltje bijvoorbeeld voor 50% op positie A zijn, en voor 50% op positie B. Een dergelijke toestand noemen we een superpositie. Pas wanneer we de positie van het deeltje meten, verandert deze situatie en “stort de golffunctie in” tot een positiebepaling die ofwel aan positie A 100% kans toekent, ofwel aan positie B. Met andere woorden: door het doen van de meting “dwingen we het deeltje te kiezen”, en pas op dát moment is het deeltje niet meer in een superpositie, maar ofwel op plaats A, ofwel op plaats B.

Eén enkele elektron kan zich op twee plekken tegelijkertijd bevinden. Onderin botst het deeltje met zichzelf en zorgt voor interferentie.
Interferentie

Een enkele elektron kan op één en hetzelfde moment jouw kamer binnenkomen, én in de kamer naast je. Dit klinkt raar, maar het is een eigenschap die alle golven met elkaar gemeen hebben. Als je hard op tafel slaat gebeurt precies hetzelfde: je hoort het geluid in de kamer waar je bent, en tegelijkertijd in de kamer naast je. De helft van de geluidsgolf die je gemaakt hebt bevindt zich dan in de ene kamer, en de helft in de andere. Als we zeggen dat een elektron zich in een superpositie bevindt, bedoelen we daarmee precies hetzelfde. De helft van de elektron-golf bevindt zich dan op één plek, en de helft op een andere.

Golffunctie.

De golffunctie van een deeltje is gerelateerd aan de waarschijnlijkheid voor het vinden van een deeltje. De golf heeft als het ware de functie van het onvindbaar zijn van een deeltje. Waar de golf het grootst is, is de kans om een deeltje aan te treffen het grootst.

Het gedeelte over het ‘kwadraat van de golflengte en complexe getallen’ is vrij ingewikkeld en zou te ver voeren. Het is belangrijk dat we beseffen dat het kansbegrip, dat in de quantummechanica een rol speelt, een fundamenteel kansbegrip is. Het is een totaal ander kansbegrip dan bij het gooien van de alledaagse dobbelsteen. Bij quantumkansen ligt dat heel anders. Om dat te begrijpen is het raadzaam het tweespletenexperiment ui te leggen.

Om het interferentiepatroon op het scherm te kunnen verklaren, moeten we aannemen dat de lichtgolf door allebei de spleten gaat. In zekere zin gaat de golf/het lichtdeeltje dus door allebei de spleten: het is op een gegeven moment voor bijvoorbeeld 50% in de ene spleet, en voor 50% in de andere, zoals ze zijn in superpositie. Als we bij de spleten een meting zouden doen, zouden we het deeltje in één van de spleten aantreffen, maar als we die meting niet doen, is het deeltje echt “op beide plaatsen tegelijk”. Quantumgrootheden worden om die reden ook wel ‘vaag’ genoemd: die grootheden hebben niet één specifieke waarde, maar allerlei verschillende waardes tegelijk met allerlei verschillende kansen.

In het dagelijks leven ervaren we de wereld namelijk niet als ‘vaag‘. We zien voorwerpen op duidelijk bepaalde plaatsen, zien ze bewegen met duidelijk bepaalde snelheden, enzovoort. Hoe kan het dat we de quantumonzekerheden in ons dagelijks leven helemaal niet zien? Dit blijkt een erg diepgaande vraag te zijn, en natuurkundigen zijn het nog altijd niet allemaal eens over het exacte antwoord. De reden is, dat deze vraag deels tot het domein van de filosofie hoort, en niet tot dat van de natuurkunde.

Onzekerheidsprincipe van snelheid / positie en van positie / impuls

Deze theorie stelt dat men óf de snelheid óf de positie van een subatomair deeltje op een bepaald moment kan kennen (meten) maar niet allebei tegelijkertijd. De reden hiervoor is dat door de manier van snelheid meten de positiemeting van het deeltje onzeker wordt. Andersom geldt dat het meten van de positie van het deeltje, de snelheid van het deeltje beïnvloedt en de snelheidsmeting onnauwkeurig maakt.

Deze afbeelding heeft een leeg alt-atribuut; de bestandsnaam is 141007-quantumfysica-40-6381.jpg
Wanneer Heisenberg tegelijkertijd de positie en de snelheid (impuls) van een deeltje wilde berekenen was de uitkomst onzeker of onnauwkeurig. Hij meende dat deze onzekerheid niet het gevolg was van een tekortkoming in de vergelijkingen, maar van de aard van de subatomaire wereld.
Δx = onzekerheid plaats
Δp = onzekerheid impuls (snelheid)

Als je van een Quantumdeeltje weet hoe snel het beweegt, kun je onmogelijk weten waar het is.  Sterker nog: een Quantumdeeltje waarvan je de snelheid of preciezer gezegd: de impuls kent, heeft geen exact te bepalen positie, en bevindt zich in een superpositie van alle mogelijke locaties. Het tegenovergestelde is trouwens ook waar. Als je weet waar een Quantumdeeltje is, is zijn impuls volkomen onbepaald. Dit klinkt allemaal weer erg mysterieus, maar het is wederom een algemene eigenschap van alle golven.

  • Impuls is een van de meest centrale natuurkundige grootheden. Het is zelfs een fundamenteler begrip dan het alledaagse begrip snelheid.

Impuls en snelheid hebben veel met elkaar te maken. Als we van een voorwerp de massa en de snelheid weten, dan is de impuls gemakkelijk te berekenen.

  •  impuls (p) is massa maal snelheid: p = m.v

Als ik tegen een voetbal aan schop, zal die bal met een veel grotere snelheid wegvliegen dan de snelheid waarmee mijn been bewoog. Als een meteoriet met 10 km/s op het aardoppervlak neerstort, betekent dat (gelukkig!) niet dat de hele Aarde daardoor met 10 km/s gaat bewegen. In beide gevallen komt dat door het grote massaverschil: de massa van mijn been is groter dan die van de voetbal / de massa van de Aarde is veel groter dan die van de meteoriet. Wat behouden is, is de impuls: massa maal snelheid. Wat behouden is, is de impuls: massa maal snelheid. Als mijn been tien keer zo zwaar zou zijn als de bal, zal de bal tien keer de snelheid van mijn been krijgen. Doordat de Aarde een gigantisch aantal malen zwaarder is dan de meteoriet, zal de Aarde een even gigantisch kleine fractie van de snelheid van de meteoriet overnemen.

Voor planeten, biljartballen en puntdeeltjes is de impuls gelijk aan de massa maal de snelheid. Als je van een bal met een bepaalde massa de snelheid kent, weet je dus ook zijn impuls: p = m.v

Voor watergolven in een meer of geluidsgolven in de kamer om je heen, is het niet zozeer de snelheid als wel de golflengte die bepaalt wat de impuls van de golf is. De snelheid van het geluid ligt immers vast, en is voor alle geluidsgolven hetzelfde. De golflengte hangt echter ook af van de frequentie, en is voor iedere golf anders. De relatie tussen golflengte, snelheid en frequentie wordt gegeven door de formule:  

λ= v/f

λ de golflengte, v de snelheid, en f de frequentie.

Voor Quantumdeeltjes is het de golflengte die de impuls bepaalt, volgens de formule:    

 p= h/λ
Hier is p de impuls, en de letter h is de constante van Planck = h ≈ 6,62606957 10-34 J/Hz.

De constante van Planck is zoals we zien enorm klein: in niet-wetenschappelijke notatie zouden we schrijven: 0,000000000000000000000000000000000662606957 Watt. Deze constante is een getal dat je kunt meten, en dat nooit verandert (net zoals de lichtsnelheid nooit verandert).

Voor golven is de onzekerheidsrelatie tussen positie en impuls, een verband tussen positie en golflengte.

Onzekerheidsrelatie voor gewone watergolven. Je bent pas zeker over een golflengte als de golf zich onafgebroken herhaalt. Is dit niet het geval, dan kun je nooit zeker zijn over wat de golflengte precies is, maar word je wel steeds zekerder van de positie van de golf.

De golflengte is de afstand waarover de vorm van een golf iedere keer exact herhaald wordt. Van de golf aan de linkerkant in afbeelding kunnen we dus niet goed zeggen wat de golflengte is. Er is wel een patroon dat een beetje herhaalt wordt, maar na twee golfjes houdt het op. Om een echt goed gedefinieerde golflengte te hebben moeten we een golf beschouwen zoals in het midden van de afbeelding. Deze golf herhaalt dezelfde vorm van het begin van het water tot het eind, en we kunnen dus duidelijk zeggen wat de lengte van het zich herhalend patroon is. Van deze golf kunnen we echter onmogelijk zeggen waar hij zich bevindt. De golf strekt zich uit over de gehele wateroppervlakte, en de positie is dus volkomen onbepaald. Om de positie goed te kunnen bepalen, hebben we een golf nodig die lijkt op degene aan de rechterkant in het onderstaande afbeelding. Van deze golf kunnen we duidelijk zeggen waar hij is.

In de quantummechanica ziet de analogie met de watergolven er als volgt uit: Als ik de kansverdeling (en dus ook de golffuncties) van de plaats en snelheid van een systeem op een bepaald moment ken, hoe veranderen de bijbehorende kansen (en dus de golffuncties) dan in de loop van de tijd? Het zal duidelijk zijn dat er, om deze vraag te kunnen beantwoorden, geheel nieuwe natuurwetten nodig zijn. Het vinden van de natuurwetten waaraan de golffuncties uit de quantummechanica voldoen, was een belangrijke zoektocht aan het begin van de 20e eeuw.

Schrödingervergelijking

De meest beroemde formulering is afkomstig van de Oostenrijkse natuurkundige Erwin Schrödinger, die het antwoord in 1925 weergaf in zijn befaamde Schrödingervergelijking:

Schrödingervergelijking
Hiervoor is een volledig eerstejaars universiteitscollege quantummechanica nodig. Voor een niet-wiskundige uitleg: Quantumfysica (5): De Schrödingervergelijking
We zien dat de vergelijking iets zegt over golffuncties: zowel links als rechts staat de golffunctie Ψ. Hoe deze golffunctie in de toekomst gaat veranderen, hangt af van wat die golffunctie op dit moment is.
De golf heeft als het ware de functie van het onvindbaar zijn van een deeltje.
Zie afbeelding hieronder.
Deze afbeelding heeft een leeg alt-atribuut; de bestandsnaam is golffunctie1.png

Quantum tunneling

Een ander indrukwekkend fenomeen is Quantum Tunneling, net als Superpositie, besproken door Leo Kouwenhoven in de video: de-wondere-wereld-van-kwantummechanica-leo-kouwenhoven-nwo-spinoza-te-paard
Wat is het quantum-tunnel-effect? Een deeltje, dat te weinig energie heeft om over de berg heen te komen, gaat dan door een tunnel naar de andere zijde.
Een deeltje, dat te weinig energie heeft probeert aanvankelijk over de muur te komen.
Gaat dat niet, dan er maar dwars doorheen.
tunnel-effect
Een ander voorbeeld van tunneling is radioactief verval: als we lang genoeg wachten zullen bepaalde atomen door exact dit proces een aantal van hun kerndeeltjes verliezen, ondanks dat dat proces klassiek gezien onmogelijk is. Als de energiebarrière die overwonnen moet worden groot is, kan dit nog steeds heel lang duren.

Ik vond overigens nóg een tunneling van deeltjes: scanning-tunneling-microscope……alsof je gedachten op papier zet.

De Kopenhagen-interpretatie

Slechts 25 jaar nadat Planck het eerste gezicht van een nieuwe fysica liet zien, waren er niet één, maar twee concurrerende versies van de quantummechanica: die van Heisenberg en de golftheorie van Schrödinger. De twee versies schenen volkomen verschillend: dit is een pure wetenschappelijke kwestie: wie had er gelijk??? Erwin Schrödinger had bewezen dat de twee theorieën, hoewel ze zeer verschillend leken, altijd dezelfde uitkomst opleverden.

Kopenhagen-interpretatie was vastgesteld in 1927 (te Kopenhagen) door Niels Bohr en Werner Heisenberg. Volgens deze interpretatie beschrijft de quantummechanica alleen kansen en waarschijnlijkheden. Sterker nog, de wereld zou écht zo in elkaar zitten. Deeltjes hebben geen bepaalde plaats of impuls. In deze interpretatie speelt de waarnemer (iemand of iets die de metingen uitvoert) een cruciale rol – de meting verstoort het systeem en dwingt het om één van de mogelijke toestanden aan te nemen. Bijvoorbeeld bij de interferentie van elektronen in het tweespletenexperiment: Het elektron komt op álle mogelijke plaatsen van het scherm aan – maar kan op alleen maar één plaats gedetecteerd worden. Het scherm dwingt het elektron om één de van de mogelijke plaatsen te kiezen. Deze interpretatie is het meest gangbare, die door de meeste natuurkundigen gevolgd wordt.

Stel je meet de positie van een deeltje, en het bevindt zich op punt A. Waar was het deeltje net (ultra kort) vóór dat de meting gedaan werd? Hierop zijn verschillende antwoorden: Een realist zegt: Het deeltje moet al op C geweest zijn. Dit klinkt logisch, een deeltje zou toch nooit zomaar op een plek kunnen verschijnen? Dit houdt in dat de quantummechanica dan een onvolledige theorie zou zijn. Die streng de regels van het quantummechanisme navolgt zou zeggen: Het deeltje was helemaal nérgens. Pas toen het gemeten werd, nam het deeltje een bepaalde plaats in. De meting observeert niet de huidige toestand, maar veroorzaakt deze. Dit is de zogenaamde Kopenhagen interpretatie. Het ingewikkelde van Quantummechanica zit hem in het feit dat de Kopenhagen interpretatie bewezen is. Dus: is de maan er wel, ook als niemand kijkt?

Bohr’s Kopenhagen-interpretatie van quantummechanica werd theoretisch bewezen door wat een beroemd gedachte-experiment is geworden met een kat en een doos. Het wordt de kat van Schrödinger genoemd en werd voor het eerst geïntroduceerd door de Weense natuurkundige Erwin Schrödinger in 1935.

De Kopenhagen-interpretatie stelt dus in wezen dat een object in een fysiek systeem tegelijkertijd in alle mogelijke toestanden kan bestaan, maar het observeren van het systeem dwingt het systeem in te storten en dwingt het object in slechts één van die mogelijke toestanden. Schrödinger was het niet eens met deze interpretatie.

Schrödinger wilde dat mensen zich konden voorstellen dat een kat, een flesje gif, een geigerteller, radioactief materiaal en een hamer zich in een verzegelde container bevonden. De hoeveelheid radioactiviteit was echter zó klein dat het slechts een opname van 50% tegen 50% in de loop van een uur zou hebben. Als de geigerteller straling waarnam, zou de hamer de het flesje gif breken en de kat doden. Tot het moment dat iemand de container zou openen en het systeem zou observeren, was het onmogelijk om te voorspellen over de toestand van de kat. Dus totdat het systeem ineen zou storten, zou de kat in een superpositie-zombie-toestand verkeren, zowel levend als dood.

“Natuurlijk”, beweerde Schrödinger, “dat was belachelijk, quantumsuperpositie zou niet kunnen werken met grote objecten zoals katten, omdat het onmogelijk is voor een organisme om tegelijkertijd levend en dood te zijn”. Daarom beredeneerde hij dat de interpretatie van Kopenhagen niet klopte. Hoewel veel mensen ten onrechte aannemen dat Schrödinger het uitgangspunt achter het gedachte-experiment ondersteunde, deed hij dat echt niet! Zijn standpunt was juist dat het onmogelijk was. Hoewel het waar is dat moderne experimenten hebben aangetoond dat quantumsuperpositie werkt voor quantumdeeltjes zoals elektronen, dat het voor grotere objecten anders moeten worden beschouwd.

Delftse-wetenschappers-kijken-stiekem-naar-schrödingers-katten en zien verstrengeling.

Verstrengeling van deeltjes.

Deeltjes hebben voor 50% kans om op positie A zijn, en voor 50% kans op positie B: een superpositie. Pas wanneer we de positie van het deeltje meten, verandert deze situatie en “stort de golffunctie ineen” tot een functie die ofwel aan positie A voor 100% kans toekent, ofwel aan positie B.

Met andere woorden: door het doen van de meting “dwingen we het deeltje te kiezen”, en pas op dat moment is het deeltje niet meer in een superpositie, maar ofwel op plaats A, ofwel op plaats B.

Maar zodra we het hebben over paren van deeltjes wordt het nog veel interessanter. Om dit te begrijpen is het goed het elektron nader te bekijken, dat maar in een klein aantal toestanden kan zijn. Een elektron blijkt namelijk niet alleen eigenschappen zoals een plaats en een snelheid te hebben, maar ook een eigenschap die we spin noemen.

Voor ik verder ga eerst iets over een quantummechanisch principe ‘Spin’.

Spin

Een elektron kan op maar twee manieren “rondtollen”. Spin ½ is a ‘double-rotation’. Spin is een magnetische richting van een elementair deeltje.

undefined ‘Spin’ betekent eigenlijk rotatie, maar heeft in deze betekenis niets te maken met een daadwerkelijke draaiing van een deeltje om zijn as. Een enkel punt in de ruimte kan continu draaien zonder verstrikt te raken. Merk op dat na een rotatie van 360 ° de spiraal tussen de wijzers van de klok mee en tegen de klok in draait. Het keert terug naar zijn oorspronkelijke configuratie na het draaien van een volledige 720 °

In de kwantummechanica is spin een intrinsieke eigenschap van alle elementaire deeltjes. Alle bekende fermionen, de deeltjes die gewone materie vormen: protonen, neutronen, elektronen, neutrino’s en quarks hebben een spin van ½

Spin is een magnetische richting van een elementair deeltje. Het is een kwantummechanische eigenschap, die op geen enkele wijze met de klassieke mechanica is te beschrijven. Voor deeltjes is de richting van de spin een belangrijke beschrijving van het impulsmoment.

Impulsmoment (draai-impuls) is de “hoeveelheid draaiing” van een voorwerp. Impuls is de “hoeveelheid beweging”, gerelateerd aan de snelheid en de massa (in het Engels momentum).

Behoud van impulsmoment bij kunstschaatsers: Als een kunstschaatser een pirouette maakt, zie je vaak dat de draaiing wordt ingezet met wijd uitgestrekte armen. Als de schaatser de armen intrekt wordt de draaiing enorm versneld. Dat is een direct gevolg van het behoud van impulsmoment: de afstand van de armen tot het midden wordt steeds kleiner, dus de snelheid wordt groter.

Vervolg verstrengeling

Uitleg Bell-test in New Scientist Dutch article: Hanson en collega’s deden dat door te bewijzen dat twee deeltjes die 1,3 kilometer uit elkaar zaten, elkaars eigenschappen deelden. Nature News doet hier verslag van.

De onderzoekers begonnen met twee niet-verstrengelde elektronen die in diamantkristallen zaten in verschillende laboratoria op de campus van Delft, 1,3 kilometer uit elkaar. De basis van het Delftse experiment bestaat uit een paar van verstrengelde elektronen, opgesloten in de twee diamanten, die zich op een ruime kilometer afstand van elkaar bevinden. Aan het begin van het experiment zijn beide elektronen, die zich al op de ver verwijderde locaties bevinden, elk afzonderlijk in een superpositie van ‘rechtsom draaien’ en ‘linksom draaien’. De elektronen weten echter nog niets van elkaar, dus elke combinatie van spins is mogelijk. Beide elektronen zenden echter licht uit – in de vorm van lichtdeeltjes: fotonen – en dit licht bevat informatie over de draairichting van het elektron. Het zijn vervolgens de fotonen die, via ondergrondse glasvezelkabels, bij elkaar worden gebracht in het Delftse experiment.

Diamantkristallen hebben niet altijd een perfect kristalrooster van koolstofatomen….

Dit was bekent bij de onderzoekers!
V = ‘defect’ in rooster

Soms bevat dit rooster ‘ergens ineens’ een stikstofatoom, met vlak ernaast een ontbrekend koolstofstoom. Een ‘nitrogen vacancy’….een defect in een kristalrooster. Wat een val blijkt te zijn voor elektronen! Dit was dus de truc en daarom werden diamanten gebruikt! Delftse groep meet magneetvelden met diamant

Elk elektron werd individueel bestraald door een laser waardoor als reactie een foton uitgestraald werd. Beide fotonen reisden vervolgens naar een derde locatie met ’n spiegeltje. Daar werden de twee fotonen met elkaar verstrengeld – en dit zorgde ervoor dat beide partnerelektronen ook verstrengeld raakten.

Dit werkte niet elke keer. In totaal wist het team in negen dagen 245 verstrengelde elektronenparen te genereren. De metingen van het team overschreden de grens van Bell en ondersteunden opnieuw de standaard kwantumweergave. Het experiment rekende met beide mazen tegelijkertijd af: omdat de elektronen gemakkelijk te volgen waren, was de detectielus geen probleem en werden ze ver genoeg van elkaar gescheiden om ook de communicatie-mazen te sluiten. Licht doet er net geen 4,3 µs (4,3 microseconden = 4,3 miljoenste seconde) over om die afstand af te leggen. Dat is meer dan de tijd die de Delftse onderzoekers nodig hadden om de staat van de deeltjes op beide plekken te meten….licht kan niet sneller dan de lichtsnelheid…….

We hebben geen andere keus, dan gewoon te accepteren dat de kwantumfysica de materiële wereld verklaart in termen die we onmogelijk kunnen combineren met onze ervaring in de grotere, ‘klassieke’ wereld. Maar misschien is er een nóg betere, meer intuïtieve theorie in aantocht, die we nog moeten ontdekken.

Ik zou richting “Quantumfysica van het bewustzijn” kunnen opgaan: Bewustzijn uit een buisje: microtubili. Maar ik ben het eens met wat er in het artikel staat: quantumfysica speelt zich af op het allerkleinste niveau, terwijl onze hersencellen zich op een ander niveau bevinden: factor véél groter, warmer en natter…..De video van Stuart Hameroff is terug te vinden in mijn andere blog Het denkende bewustzijn.

Quantumprocessen in biologische systemen

In 1925 beschreef Schrödinger vergelijkingen, om de bewegingen van atomen, fotonen en elektronen te kunnen berekenen. In de afgelopen jaren is gebleken dat het mogelijk is van toepassing op grotere systemen en biologische processen die afhankelijk zijn van quantum effecten, zoals bij fotosynthese of bij oriëntatie en navigatie bij trekvogels.

Afbeelding toont het mechanisme van fotosynthese
Video How-quantum-biology-might-explain-lifes-biggest-questions.

Quantumbiologische aspecten in de plantenwereld

Fotosynthese
The Magical Leaf

Elke seconde straalt de zon duizenden biljoenen lichtdeeltjes uit. Zonlicht landt op het blad in quantumpakketjes: fotonen. Deze lichtdeeltjes zijn elektromagnetische golfjes met een welbepaalde energie. Allereerst komt deze energie aan bij een zogeheten ‘antenne’, ’n verzameling van honderdduizenden chloroplasten (bladgroenkorrels)

Planten hebben een plantaardige celcyclus. In plantencellen bevinden zich bladgroenkorrels of chloroplasten. Bladgroenkorrels kennen ook een membraan, de thylakoid, die is opgebouwd uit eiwitten en vetten. Hierin liggen verzamelingen van enkele honderden chlorofyl-moleculen ingebed, de zogenaamde fotosystemen, dit zijn eiwitten en moleculen die samen de energietoelevering verzorgen voor de fotosynthese. Ze functioneren als ‘antennes’, die lichtdeeltjes van de zon opvangen. Fotosystemen absorberen vooral blauw en rood licht; groen licht wordt juist verstrooid. Daarom zijn planten groen.

Als het fotosysteem een lichtdeeltje (foton) opvangt, wordt de lichtenergie overgenomen door een electron, dat daardoor in een hogere baan komt. Dit verschijnsel heet excitatie. Het electron, in deze toestand wordt daarom ook exciton genoemd. Het exciton kan door trillingen van molecuul naar molecuul springen en zo door het fotosysteem bewegen.

Thylakoïden liggen in chloroplasten als stapels munten op elkaar

De membranen van thylakoïden bevatten moleculaire complexen die gebruikt worden bij de lichtreacties van de fotosynthese. Het vangen van de lichtenergie leidt in de thylakoïden tot een aantal complexe reactieketens waaruit het organisme zelf voedingsstoffen kan vormen. Aan één zijde van de thylakoïde-membraan bevindt zich een gespecialiseerd molecuul, dat het reactiecentrum wordt genoemd. Het reactiecentrum kan het exciton binden en daardoor ontstaat een elektrische spanning over de membraan. Het fotosysteem functioneert dus als een foto-elektrische cel, die met behulp van licht een elektronenstroom genereert.

De verzameling chlorofylmoleculen die het antennecomplex vormen en het reactiecentrum.

De elektronen worden toegeleverd aan de fotosynthese reactie. Een elektron binnen deze bladgroenkorrels worden door het zonlichtdeeltje aangeslagen en in een hoger baan gezet…..

Zonlicht (UV) botst op electron, zo ontstaat licht

…..en krijgt daardoor meer energie die wordt gebruikt om door het fotosysteem heen te ‘springen’ opzoek naar een overbrugging. Dit is voor te stellen als een “doolhof van touwbruggen” die, als de exciton de weg weten te vinden, leiden tot het zogeheten ‘reactiecentrum’. In dit reactiecentrum vindt uiteindelijk een reactie plaats waardoor de energie van het foton wordt omgezet in chemische energie. Het reactiecentrum is te vergelijken met een batterij dat wordt opgeladen. De reacties zijn besproken aan het begin van dit blog (overigens is deze hele beschrijving ook terug te vinden in mijn blog over de Celcyclus).

Het overbruggingsgebied is een ware nachtmerrie, want “je moet zo snel mogelijk door het doolhof heen zien te springen”.  De sprongen nemen alle energie op uit de lichtfotonen van de zon. De antennecomplexen vangen energie van de zon op en geven deze door aan het reactiecentrum. Zo’n energiepakketje dat wordt doorgegeven wordt een exciton genoemd. Het fotoactieve molecuul dat hierbij betrokken is, is het chlorofyl = bladgroen. Het exciton combineert met en wordt aangetrokken door een elektronengat om het op te vullen. QUANTUMEFFICIËNTIE: Zoals aangeslagen atomen na korte tijd weer terugvallen naar de grondtoestand, zo doen ook chlorofylmoleculen dat. Daarbij zenden ze een foton uit met een golflengte tussen de 670 en 720 nm. Dit wordt fluorescentie genoemd. Als dit gebeurt, kan de plant deze energie dus niet gebruiken voor een fotosynthese-reactie, en dus ook niet voor andere levensprocessen. Hoe meer fluorescentie je ziet, hoe inefficiënter de energieoverdracht dus is.

Het overbruggingsgebied is een ware nachtmerrie, want het exciton (het energiepakketje) moet zo snel mogelijk door het doolhof heen zien te springen om in het reactiecentrum te komen. ik voor animatie.
Puzzel die de mobiliteit van gaten in een atoomrooster illustreert. De tegels zijn analoog aan elektronen, terwijl de ontbrekende tegel (rechter benedenhoek) analoog is aan een elektronengat.
Wanneer een elektron een heliumatoom verlaat, laat het een elektronengat achter. Hierdoor wordt het heliumatoom positief geladen. Er zal dus extreem snel een elektron ingevangen moeten worden om het atoom weer neutraal te maken.

Als het namelijk te lang duurt om het reactiecentrum te bereiken heeft het exciton te weinig tijd om op tijd te komen en is al de energie reeds opgenomen. Slechts 1 nanoseconde heeft het aangeslagen electron hier de tijd voor, dit is ’n miljardste seconde. Fotosynthese is een uiterst nauwkeurig, bijna uitgekiend biologisch quantumproces op ultra kleine schaal in ’n extreem kort tijdbestek.

Vogels oriënteren zich op aardmagnetische velden met behulp van quantumcoherentie d.w.z. dat alle deeltjes in dit systeem op één of andere manier met elkaar zijn verstrengeld.

Birds-can-navigate-earths-magnetic-field.

Het mysterie achter de manier waarop vogels navigeren, kan eindelijk worden opgelost: het is niet het ijzer in hun snavel dat een magnetisch kompas levert, maar een eiwit in hun ogen waarmee vogels de magnetische velden van de aarde kunnen ‘zien’. Het oogeiwit wordt Cry4 genoemd en het maakt deel uit van een klasse eiwitten: cryptochromen – fotoreceptoren die gevoelig zijn voor blauw licht, die zowel in planten als dieren voorkomen. Deze eiwitten spelen een rol bij het ritme van de schommeling in de biochemische, fysiologische en gedragsfuncties om zich te oriënteren door magnetische velden te detecteren, een gevoel dat magnetoreceptie wordt genoemd.

We weten dat vogels alleen magnetische velden kunnen detecteren als bepaalde golflengten van licht beschikbaar zijn – specifiek hebben onderzoeken aangetoond dat magnetische magnetoreceptie van vogels afhankelijk is van blauw licht. Dit lijkt te bevestigen dat het mechanisme visueel is, gebaseerd op de cryptochromen, die de velden mogelijk kunnen detecteren vanwege de quantumsamenhang. Bron Science Alert

Maar misschien is het meest goed bestudeerde voorbeeld van magnetoreceptie het geval van trekvogels zoals Europese roodborstjes (Erithacus rubecula), die het magnetische veld van de aarde gebruiken om hun weg te vinden tijdens migratie.

Cryptochrome and Magnetic Sensing Zéér indrukwekkend!
Bron: Home van deze Biophysics Group.
De quantum mechanische fysica van magnetische detectie is vergelijkbaar met de fysica van fotosynthese. Voor ons moeilijk te begrijpen terwijl vogels en planten dit proces al 400 miljoen jaar toepassen!

Schematische weergave van een vogel-oog afbeelding hierboven.

a. Het netvlies zet beelden van het optische systeem van het oog om in elektrische signalen die worden verzonden langs de lichtgevoelige ganglioncellen die de optische zenuw naar de hersenen vormen.

b. en c. retina-segment (netvlies-segment) en uitvergroting Retinal Layers. Het netvlies bestaat uit verschillende cellagen. De primaire signalen die ontstaan ​​in de buitenste segmenten van de staafjes en de kegeltjes worden doorgegeven aan de horizontale, de bipolaire, de amacrine en de ganglioncellen.  

d. e. f. Het primaire signaal wordt gegenereerd in het receptor-eiwit rhodopsine, schematisch weergegeven. De rhodopsine bevattende membranen vormen schijven (discs) met een dikte van ± 20 nm, die ± 20 nm ook weer van elkaar verwijderd zijn.

Het vermeende magnetisch-veld-gevoelige eiwit cryptochroom kan op een specifiek georiënteerde wijze tussen de schijven van het buitenste segment van de fotoreceptorcel worden gelokaliseerd, zoals schematisch weergegeven in paneel d. De cryptochromen (f) zouden ook op een specifiek georiënteerde wijze bevestigd kunnen zijn aan het membraan van het binnenste segment van de fotoreceptorcel (f).

Wanneer de vogel zijn kop beweegt, verandert de hoek tussen zijn kop en het magnetische veld van de aarde, het patroon van donkere vlekken zou over zijn gezichtsveld bewegen en het zou dat patroon kunnen gebruiken om zich ten opzichte van het magnetische veld te oriënteren. Bron: Cryptochrome and Magnetic Sensing

De proteïne cryptochroom (Cry) bevindt zich ook in het netvlies van de vos. Die eerst op z’n gehoor afgaat en daarna ook met de bewegingen van z’n kop het aardmagnetisch veld voelt. Op die manier ‘ziet’ de vos een prooi de magnetische veldlijnen passeren.

Trekvogels en quantummechanica | The Quantum Universe
Hierin wordt de werking van het radicaalpaarmechanisme uitgelegd dat gebaseerd is op de spins van elektronen en protonen.

Men weet nu dat het vogelkompas kan worden samengesteld tijdens een chemische reactie in het oog van de vogel, waarbij het radicaalpaarmechanisme in werking treedt, dat is gebaseerd op de spins van elektronen. Een radicaal, ook wel vrije radicaal genoemd, is een atoom dat één ongepaard elektron heeft. Een ongepaard elektron behoort niet tot een elektronenpaar en gaat daardoor gemakkelijk een binding aan. Een elektronenpaar is een paar van twee elektronen in de buitenste schil van een atoom die geen binding aangaan.

Maar het is nog niet helemáál zeker dat het radicaalpaarmechanisme in het Cryptochrome-molecule ook daadwerkelijk aan de basis ligt van hun kompas. Er zijn inmiddels wel uitgebreide computermodellen gemaakt van het gedrag van cryptochroom, en op natuurkundig niveau lijkt alles goed te werken. Gebeurt wat de computermodellen ons vertellen ook écht in het oog van vogels? Daarnaar wordt op dit moment nog uitgebreid onderzoek gedaan.

Deze onzekerheid voldoet dus trefzeker aan de strenge regels van de quantummechanica en de quantumfysica op het allerkleinste niveau van atomaire en subatomaire deeltjes. Diezelfde regels en wetten bepalen ook, dat het quantummechanisme alleen kan plaatsvinden bij de allerlaagste temperatuur van 0° Kelvin, dit is – 273,15°C. Bij die extreem lage temperatuur staan de atomen namelijk zo goed als stil, en zou je in principe precies kunnen weten waar de subatomaire deeltjes zijn, hoe “snel” ze bewegen en waar ze naartoe gaan.

Deze wonderlijke quantumwereld maakt het ook mogelijk een sprong vooruit te maken: Waar houdt de quantumwereld op en begint de wereld die wij kunnen zien, horen en voelen.

De-wondere-wereld-van-kwantummechanica-leo-kouwenhoven-spinoza-te-paard.

TU Delft: Quantumfysica op macroscopische schaal
Megamolecuul-van-2-000-atomen-is-op-twee-plekken-tegelijkertijd
Deze quantummechanische eigenschap is nog nooit eerder bij zulke grote objecten waargenomen.

Geef een reactie

Vul je gegevens in of klik op een icoon om in te loggen.

WordPress.com logo

Je reageert onder je WordPress.com account. Log uit /  Bijwerken )

Google photo

Je reageert onder je Google account. Log uit /  Bijwerken )

Twitter-afbeelding

Je reageert onder je Twitter account. Log uit /  Bijwerken )

Facebook foto

Je reageert onder je Facebook account. Log uit /  Bijwerken )

Verbinden met %s

Deze site gebruikt Akismet om spam te bestrijden. Ontdek hoe de data van je reactie verwerkt wordt.