Al in 1675 schetste Isaac Newton in een lezing voor de Royal Society over licht, kleur en breking dat licht als een stroom deeltjes is op te vatten. Drie jaar later schreef Christiaan Huygens een verhandeling waarin deze verschijnselen ook met pulsen en pulsfronten te beschrijven zijn; de zogeheten undulatietheorie. ‘Het licht verspreidt zich in cirkels en heeft daar tijd voor nodig’, publiceerde hij in zijn Traité de la lumière (1690). Deze theorie kon echter niet alles verklaren — rechtlijnige voortplanting, terugkaatsing, breking — en dus werd zij gauw vergeten, want wie durfde destijds tegen de grote Newton in te gaan?  

‘Wie durfde destijds tegen de grote Newton in te gaan?’ 

Vibrerende ether  

Aan dit Newtoniaans monopolie stelde de Britse arts Thomas Young meer dan een eeuw later een einde met zijn interferentiebeginsel, o.a. door het bekende experiment met de dubbele spleet (1807), waarbij hij later naast de longitudinale ook de transversale trillingen aannam (1817). De golftheorie herleefde, mede dankzij het Franse trio Etienne Malus, François Arago en vooral Augustin Fresnel. Maar wat vibreerde er precies? Antwoord: een gewichtloos, allesdoordringend fluïdum, de ‘ether’.  

En weer enkele decennia later bracht de kwantummechanica van Planck (1900) en Einstein (1905), die het begrip ether verwierp, de golftheorie opnieuw aan het wankelen en deed de hypothese van de golf-deeltjedualiteit van zowel straling als materie definitief zijn intrede (1924). In die tussentijd zaten de fysici niet stil. Ze ontwierpen allerlei atoommodellen in uiteenlopende vormen. Johann Balmer formuleerde in 1885 een empirische formule die de spectrale lijnen van waterstof vastlegde. De verklaring hiervoor vond Bohr door de elektronen van baan (= energieniveau) te laten verspringen, waarbij ze energie uitstralen of absorberen. Sinds het begin van de 19e eeuw werd gezocht naar de formule voor het hele energiespectrum van een energie uitstralend warm lichaam. Het was reeds bekend dat de golflengte van elektromagnetische straling afneemt bij stijgende temperatuur. Gustav Kirchhoff formuleerde in 1859 zijn stralingswet: de graad van uitstraling van energie door een warm lichaam is even groot als die van de absorptie ervan bij een gegeven golflengte.  

Zwarte doos  

Max Planck vond, in 1900, voor het hele spectrum een uiterst eenvoudige relatie tussen de energie en de golflengte: E = hv, waarbij h een basisconstante is, die later de Planck-constante is genoemd, en v is de beschouwde frequentie. Hij gebruikte hiervoor het concept van een hete ‘zwarte’ doos;  een perfect absorberend lichaam, dat tevens een volmaakte straler is. Het schaarse uittredende licht uit de doos blijkt een maximum energie te bezitten in de middelste frequenties, niet in de hoogste zoals de klassieke fysica voorspelt. Dit – en nog andere verschijnselen - kon Planck enkel verklaren door aan te nemen dat voorwerpen licht uitstralen in pakketjes en niet continu. Die pakketjes noemde hij (licht)kwanta. Enkele dagen na zijn ontdekking verklaarde hij aan zijn zoon: ‘Vandaag heb ik een ontdekking gedaan even belangrijk als die van Newton: dat de natuur fundamenteel discontinu is.’  

‘De Broglie zocht een synthese tussen de twee aspecten van licht’ 

In 1905 kwam Albert Einstein met een verklaring van het foto-elektrisch effect, ontdekt door Heinrich Hertz in 1887, waarbij elektronen uit een stof ontsnappen o.i.v. elektromagnetische straling, of anders gezegd, waarbij stralingsenergie, geabsorbeerd door een stof, wordt omgezet in kinetische energie van de uitgezonden elektronen. De klassieke natuurkunde voorspelt dan dat de snelheid van de vrijgestelde elektronen verhoogt als de intensiteit van de invallende straal toeneemt. Maar het experiment spreekt dit tegen: de maximumsnelheid van het elektron is constant en hangt wel af van de frequentie, maar niet van de intensiteit. Het aantal elektronen echter hangt wel af van de intensiteit. Het licht bestaat dus uit kwanta, of ‘fotonen’, zoals Gilbert Lewis ze noemt. De klassieke golftheorie kan dit niet verklaren en bijgevolg is de deeltjestheorie van Newton herboren! Maar de problemen rond interferentie en diffractie blijven bestaan, wat Sir William Bragg deed uitroepen: ’Op maandag, woensdag en vrijdag werken de fysici met de golftheorie; op dinsdag, donderdag en zaterdag volgen ze de deeltjestheorie!’  

In zijn doctoraatsthesis van 1924 zocht Louis de Broglie een synthese tussen de twee aspecten van licht, tussen de fysica van de materie en van de straling. Want is het niet mogelijk dat energie uitgewisseld wordt tussen materie en straling? Kunnen een deeltje en periodiciteit niet tegelijk optreden? Laten wij de (verbazend eenvoudige) formules even spreken: 

E = hv  (Planck) en E = mc² (Einstein) 

Hieruit volgt: mc = hv /  c                                                                                                       

met c = de snelheid van het foton.  

mc is het impulsmoment p van het foton, dus: 

p = hv / c                                                                                                          

Uit de golftheorie weten: lambda . v = c   of    v = c / lambda 

Wat resulteert in: p = h / lambda                                                  

Fundamentele onbestemdheid 

Erwin Schrödinger borduurde verder op de hypothese van De Broglie dat deeltjes zich als golven kunnen gedragen maar vond deze te simplistisch. Hij ontwikkelde in 1926 zijn golfvergelijking, de basis voor de golfmechanica, die een wiskundige beschrijving geeft van het elektron rond de atoomkern als staande golf op afgemeten energieniveaus. Een jaar eerder hadden Werner Heisenberg en Max Born een andere, meer omslachtige, wiskundige methode uitgedokterd: de matrixmechanica. Dit alles leidt tot de ontwikkeling van het onzekerheidsprincipe: het is onmogelijk tegelijk positie en impuls van een deeltje te bepalen, want de meting van de ene verstoort die van de andere. Het vervolggedrag is dus onzeker. In wiskundetaal: 

dp . dx > of = h / 4π     met d = onzekerheid, p = impuls, x = plaats.  

Maar wat meten we precies? Een waarschijnlijkheid, beweerde Born, dat een deeltje zich hier of daar bevindt. Zekerheid bestaat niet meer, in de plaats daarvan komen toeval en waarschijnlijkheden. De elektronenbanen zijn geen net afgebakende paadjes meer maar nevelslierten. Dit is de introductie van de fundamentele onbestemdheid in de fysica. Planck, Einstein, De Broglie  en Schrödinger konden zich echter niet verzoenen met dit loslaten van de causaliteit en het determinisme van de klassieke fysica. ‘God dobbelt niet’ filosofeerde Einstein. Maar ook de golfmechanica kan niet alle problemen oplossen en er wordt steeds verder gezocht naar antwoorden op vragen die het onderzoek naar het wezen van de materie opwerpt: golfbundels, kwantumveldtheorie, ijktheorie, kwantumelektrodynamica, enz. Stuk voor stuk vette kluiven voor de fans!