Licht als golven
Volgens alle fysica boeken is licht een elektromagnetische golf die beschreven wordt door de vier Maxwell vergelijkingen. Die Maxwell vergelijkingen werden in 1865 geformuleerd door James Clerk Maxwell. De oplossingen daarvan beschrijven elektromagnetische (EM) golven – oscillerende elektrische en magnetische velden – die zich, zonder dat ze een medium nodig hebben, voortspoeden met 300.000 km/sec, de snelheid van het licht. De bevestiging van licht als golfverschijnsel was al geleverd door Thomas Young. De wetten van Maxwell zijn een produkt van de klassieke fysica en worden beschouwd als fundamenteel. EM-golven zullen zich – indien ongehinderd – bolvormig uitbreiden in drie dimensies waarbij de energie ontvangen op een oppervlak van een vaste grootte afneemt met het kwadraat van de afstand tot de bron.
Maxwell baseerde zijn vergelijkingen op de resultaten van het onderzoek aan elektrische en magnetische verschijnselen door o.a. Michael Faraday. Men veronderstelde het bestaan van elektrische en magnetische velden, toestanden van de lege ruimte ten gevolge van daarin aanwezige elektrische of magnetische ladingen. Hoe die toestand van de ruimte ontstond was en bleef onbekend.
Licht als fotonen
In 1900 echter vond Max Planck dat de door zogenaamde zwarte stralers uitgezonden EM-straling gekwantiseerd moest zijn, dat wil zeggen EM-straling werd uitgezonden en geabsorbeerd in pakketjes met een energie die recht evenredig was met de frequentie. Daarmee legde Planck de grondslag voor de kwantumfysica en tegelijk een bom onder de stoel van Maxwell. De hypothese van Planck is in de loop van de daaropvolgende eeuw talloze malen bevestigd. EM-energie wordt uitgezonden en geabsorbeerd in de vorm van kwanta, later fotonen genoemd. Dit was wel direct in tegenspraak met het golfbeeld van Maxwell. De energie van een foton neemt namelijk niet af met de afstand tot de bron. Een lichtbron van 1 Watt die al die energie als licht uitstraalt van 500 THz (oranje-geel) zendt 3 x 1021 (3 met 21 nullen) fotonen per seconde uit. Door die enorme aantallen zal het gedrag van licht op onze waarnemingsschaal die bolvormige uitbreiding van energie zodanig dicht benaderen dat die niet meer te onderscheiden is van een Maxwell EM-golf. Maar op atomair niveau vertoont licht dus een totaal ander beeld, energiepakketjes, fotonen.
Deeltje-golf paradox?
Volgens de ene opvatting is licht dus een golf, iets dat al bevestigd leek door de dubbelspleet proef van Young. Volgens de andere opvatting bestaat licht uit deeltjes, kwanta of fotonen. Dat zijn twee beelden die niet te verenigen zijn. De energie van een foton is alleen afhankelijk van zijn frequentie en neemt dus niet af met de afstand tot zijn bron. We ervaren daarmee een paradox. Nu is een paradox het gevolg van een verborgen foute vooronderstelling, tenzij we aannemen dat de natuur fundamenteel paradoxaal is. Maar we geven het niet zo makkelijk op. Kunnen we die verborgen foute vooronderstelling nu vinden?
Een metafysische toestandsgolf
In de Kopenhaagse interpretatie van Bohr en Heisenberg is de kwantumtoestandsgolf, die volgt uit de Schrödingervergelijking, een waarschijnlijkheidsgolf die niet fysisch is. Pas bij meting manifesteert zich het kwantumobject fysiek. De kwantumtoestandsgolf is dus metafysisch, iets dat niet fysiek is maar wel het fysieke beïnvloedt. Die interpretatie is bevestigd door alle Bell Tests en diverse uitgestelde keus experimenten. Wat een meting nu precies is, is uitermate belangrijk maar niettemin slecht gedefinieerd en omstreden. Maar daar gaat het hier nu even niet over.
Bosonen en velden
Het foton wordt tegenwoordig gezien als een elementair deeltje, een van de bosonen, een element van het Standaard Model. Bosonen zijn deeltjes die de veldkrachten vertegenwoordigen. De afstoting van twee elektronen wordt in een Feinman diagram afgebeeld als de uitwisseling van een foton. In de afbeelding is de plaats horizontaal van rechts naar links en de tijd van beneden naar boven.
Elektron 1 komt van links en elektron 2 komt van rechts. Als ze elkaar tot op een zekere afstand genaderd zijn wisselen ze een foton uit waardoor ze omkeren van richting. Hiermee is eigenlijk het veld vervangen door onderlinge wisselwerkingen tussen deeltjes, hier tussen twee elektronen en een foton. Op die manier kunnen we dat onbegrepen en ongemakkelijke elektromagnetische veld als toestand van de ruimte weer afschaffen en is alles weer verklaarbaar geworden als deeltjes die tegen elkaar botsen, iets dat we goed kunnen begrijpen. Het biljartbal model is weer terug in de fysica.
Het wordt dan wel een vraag hoe die elektronen erachter komen dat ze een foton uit moeten uitwisselen. Ze zouden elkaars nabijheid dus moeten detecteren. Daarvoor hebben de kwantumfysici virtuele fotonen bedacht die voortdurend door bewegende electronen uitgezonden zouden worden. Als ze elkaar dan dicht genoeg genaderd zijn dan wordt een van die virtuele fotonen een echte. Als u dat in de oren klinkt als een nogal creatieve kunstgreep dan begrijp ik dat helemaal.
Het foton is niet fysiek, nooit
Zoals gesteld in de Kopenhaagse interpretatie van de kwantumfysica en later bevestigd door experimenten is een kwantumobject, ook een foton dus, niet fysiek totdat het in het meetinstrument is gedetecteerd. Er is alleen maar een niet-fysieke, dus metafysieke, kwantumtoestandsgolf die zich volgens de gangbare interpretaties uitstrekt van de bron tot aan het meetinstrument. Bij detectie van het foton is zijn energie echter onmiddellijk omgezet in een geëxciteerd elektron en is het foton verdwenen. Bij de bron gebeurde juist het omgekeerde, een geëxciteerd elektron dat zijn energie afstond in de vorm van een foton dat dan niet fysiek bestaat maar metafysiek in de vorm van een toestandsgolf. Dan rijst de vraag: op welk moment bestaat het foton eigenlijk dan wel fysiek?
De snelheid van het licht
Het moet duidelijk zijn geworden dat de Maxwell Vergelijkingen beschrijvingen zijn van gedrag op grote schaal van miljarden maal miljarden fotonen maar dat ze ophouden geldig te zijn op atomair niveau. Net zoals dat vloeistof-mechanica, al is die nog zo geldig op macro-niveau, ophoudt geldig te zijn op het niveau van de watermoleculen. En net zoals de gaswetten, die het gevolg zijn van enorme aantallen gasmoleculen, op het niveau van de gasmoleculen hun zin en geldigheid verliezen. Op die manier bezien is de paradox van lichtgolf en foton bezien geen echte paradox meer. Op het niveau van de fotonen zijn Maxwells wetten niet meer geldig. Maar dan moet wel het golfgedrag van individuele fotonen anders geïnterpreteerd worden, namelijk als het gedrag van een metafysische kwantumgolf. En dan wordt het ook belangrijk om te beseffen dat het feit dat de lichtsnelheid altijd en overal hetzelfde is niet een gevolg is van elektrische en magnetische velden en hun eigenschappen maar dat ze een gevolg moet zijn van het metafysische kwantumgolfgedrag. Daarmee verliest de lichtsnelheid de fysische grondslag die het had in de uitkomsten van de Maxwell vergelijkingen die op hun beurt Einstein weer een grondslag verschaften in het opzetten van zijn speciale relativiteitstheorie.
Het metafysische licht
Daarmee is de ervaring van licht dus niets anders dan de ervaring van een energieoverdracht van het ene elektron naar het andere. Ongeacht hun afstand. Zoals Planck al stelde. Zoals Bohr ook al had ingezien met zijn atoommodel waarbij hij stelde dat de sprong van het elektron van de ene naar de andere baan instantaan moest zijn. Maar die energie, het zogenaamde foton, is zelf niet fysiek onderweg. Er is alleen maar een metafysische kwantumtoestandsgolf die het best geïnterpreteerd kan worden als een kansverdeling in tijd en ruimte. En wat zijn kansen? Kansen zijn opvattingen, gedachten over de fysieke wereld. Metafysica. Meer niet. Maar ook niet minder. Maxwells wetten zijn dus op deze manier beschouwd niet meer fundamenteel maar louter een model dat pas redelijk correcte voorspellingen doet op een schaal die vele orden van grootte hoger is dan het atomaire domein. Met dat inzicht is de deeltje-golf paradox van licht in elk geval verdwenen.
Hoe zit dat dan met interferentie van fotonen?
Nu vraag je wellicht hoe het kan wanneer licht uit deeltjes bestaat, fotonen dus, en de EM-golf op atomair niveau geen goed beeld meer is van het gedrag van licht, hoe het dan toch kan dat er interferentie optreedt bij fotonen die stuk voor stuk door een dubbele spleet worden gezonden. Het antwoord is eigenlijk betrekkelijk eenvoudig. De interferentie is niet een effect van een fysieke EM-golf maar van een metafysische toestandsgolf. Als er metafysische golven kunnen bestaan dan kunnen die ook interferentie vertonen aangezien dat inherent is aan golfgedrag. De uitdaging zit hem in het accepteren van het idee dat werkelijkheid zich niet beperkt tot het strikt materieel fysische. Lees eventueel ook: “Detectie door een ‘spook’foton“
Het volgende onderwerp in de begeleide rondleiding is: Relativiteit en kwantumfysica – Kwantumzwaartekracht en Zwarte Gaten.