De onzekerheidsrelatie in de kwantumfysica

Kwantumfysica is een van de meest fascinerende takken van de natuurkunde. Het is niet alleen een van de jongste, maar ook een van de meest baanbrekende. Sinds de eerste ontdekkingen in het begin van de 20e eeuw, heeft de kwantumfysica ons begrip van het heelal getransformeerd en heeft het de weg geopend naar nieuwe technologieën. Een van de meest cruciale ontdekkingen in de kwantumfysica is de onzekerheidsrelatie, die stelt dat het onmogelijk is om bepaalde fysische eigenschappen van een deeltje tegelijkertijd met absolute nauwkeurigheid te meten.

De onzekerheidsrelatie werd voor het eerst geformuleerd door Werner Heisenberg in 1927. Het stelt dat de nauwkeurigheid waarmee we de positie van een deeltje kunnen meten, wordt gecompenseerd door de onzekerheid in de meting van de beweging ervan, en vice versa. Dit betekent dat als we bijvoorbeeld de positie van een elektron in een atoom met grote nauwkeurigheid willen meten, we niet weten wat de snelheid ervan is. Dit heeft belangrijke gevolgen voor ons begrip van de kwantumfysica en de manier waarop we experimenten uitvoeren.

Om de onzekerheidsrelatie beter te begrijpen, moeten we kijken naar het meest bekende experiment in de kwantumfysica: het dubbelgaatjesexperiment. In dit experiment wordt een stroom van deeltjes (zoals elektronen) door een plaat met twee gaatjes gestuurd. Aan de achterkant van de plaat wordt een scherm geplaatst om de deeltjes op te vangen. Op dit scherm zien we een interferentiepatroon, dat ontstaat door de interactie van de deeltjes met zichzelf en met de omgeving.

Het interessante aan dit experiment is dat de positie van een deeltje niet kan worden gemeten terwijl het door het gaatje gaat. Hierdoor komt de vraag naar voren of we kunnen weten welk pad het deeltje heeft gevolgd. Het antwoord is nee. Door de onzekerheidsrelatie weten we dat als we de positie van het deeltje met grote nauwkeurigheid willen meten, we zijn beweging niet kunnen meten. Als gevolg hiervan registreert het scherm achter de plaat het interferentiepatroon en niet de posities van de individuele deeltjes.

De onzekerheidsrelatie heeft niet alleen belangrijke gevolgen voor onze kennis van de kwantumfysica, maar heeft ook praktische toepassingen. Bijvoorbeeld in de geneeskunde, waar de onzekerheidsrelatie wordt gebruikt om de positie van tumoren in het lichaam te bepalen. Dit wordt gedaan met behulp van bestralingstherapie, waarbij de positie van de tumor wordt bepaald door de interactie van röntgenstralen met het weefsel van het lichaam. Door de onzekerheidsrelatie weten we dat het onmogelijk is om zowel de positie van het deeltje als zijn snelheid exact te meten. Dit betekent dat we bij bestralingstherapie niet weten welke deeltjes precies door de tumor gaan, maar we weten wel dat de dosis straling in het algemeen hoog genoeg is om kanker te bestrijden.

Een andere toepassing van de onzekerheidsrelatie vindt plaats in de informatica, waar hij wordt gebruikt om cryptografische sleutels te genereren die niet kunnen worden gekraakt. Dit komt doordat de onzekerheid in metingen van deeltjes de basis vormt voor het creëren van willekeurige getallen, die op hun beurt worden gebruikt voor de sleutel.

In conclusie is de onzekerheidsrelatie een fundamentele ontdekking in de kwantumfysica, die ons begrip van de natuur in belangrijke mate heeft veranderd. De relatie stelt dat als we de positie van een deeltje met grote nauwkeurigheid willen meten, we de snelheid ervan niet kunnen weten. Dit heeft belangrijke gevolgen voor de manier waarop we experimenten uitvoeren en heeft ook praktische toepassingen gevonden in bijvoorbeeld de geneeskunde en de informatica.