Moderne natuurkunde

Klassieke natuurkunde kon het spectrum van zwarte stralers niet volledig uitleggen. Een correcte en consistente beschrijving kan daarentegen wel gegeven worden met behulp van de kwantummechanica, en behoort ontegensprekelijk tot de moderne fysica.

De moderne fysica ontstond door het zoeken naar een verklaring voor een aantal fenomenen die niet met behulp van de klassieke fysica kon gegeven worden. Deze problemen stonden haaks op het enorme succes van de theorieën van o.a. Newton en Maxwell, die een volledige kijk leken te geven op bijna alle (toen bekende) fenomenen. Hoewel men oorspronkelijk niet zo zwaar tilde aan deze -vaak technische- problemen, bleek het onmogelijk een antwoord te geven met behulp van kleine afwijkingen van waarnemingen ten opzichte van voorspellingen die voortvloeiden uit de bestaande theorieën van zwaartekracht en elektromagnetisme. Tegen het begin van de twintigste eeuw werd de lijst van problemen zo groot, dat het duidelijk was dat er fundamenteel nieuwe theorieën moesten komen. Enkele van deze afwijkingen waren:

• Het foto-elektrisch effect. Men had experimenteel vastgesteld dat bepaalde metalen een stroom geleiden indien deze belicht worden. Klassiek is het niet makkelijk om te begrijpen waarom dit effect optreedt. Het werd nog veel moeilijker toen bleek dat dit effect alleen optreedt bij voldoende grote frequenties, ongeacht de intensiteit van het licht.
• De lichtsnelheid. Het Michelson-Morley-experiment had aangetoond dat de lichtsnelheid in vacuüm niet verandert indien de waarnemer beweegt ten opzichte de lichtbron. Dat is erg moeilijk om te begrijpen vanuit een klassiek standpunt. Bijvoorbeeld: als een auto 30 km/u rijdt en een fietser die met (10 km/u) rijdt, inhaalt, lijkt deze voor de fietser slechts met 20 km/u te bewegen. Hoe kan dan de lichtsnelheid niet afhangen van de waarnemer?
• Het spectrum van een zwarte straler. Alle voorwerpen met een zekere temperatuur zenden thermische straling uit. Men had ontdekt dat dit spectrum alleen maar afhangt van de temperatuur van het voorwerp. (Gegeven dat het voorwerp geen extra licht of straling vanuit de omgeving weerkaatst.) Dit spectrum kon bovendien goed beschreven worden met wet van Rayleigh-Jeans. Hoewel deze wet experimenteel goed leek te kloppen voor de golflengtes waarbij men toen metingen kon doen, was er een wiskundig probleem. Indien de wet zou gelden voor alle golflengtes, zou een straler een oneindig vermogen moeten hebben, dus oneindig veel energie uitzenden per tijdseenheid. Dat kan duidelijk niet.
• De brownse beweging. Men had vastgesteld dat kleine stofdeeltjes, indien deze in een vloeistof gelegd worden, een zigzaggende beweging uitvoeren. Deze beweging leek niet te verminderen met de tijd, en leek ook zeer willekeurig te verlopen. Uiteraard was er geen klassieke verklaring voor dit fenomeen
• De precessie van het perihelium van Mercurius. Hoewel de zwaartekrachttheorie van Newton bijzonder succesvol was voor het berekenen van getijden, komeet- en planeetbanen, waren er kleine afwijkingen die men niet kon uitleggen. In het bijzonder is de precessie (opschuiving) van het perihelium (dichtstbijzijnde punt van de ellipsbaan om de zon) van Mercurius niet te rijmen met de voorspelling door de Newtoniaanse theorie.

Voor al deze problemen bleek een écht antwoord alleen maar mogelijk indien men radicaal van standpunt veranderde. Tot op vandaag worden veel stukken van de moderne fysica pas op universitair niveau gegeven, omdat de onderwerpen hierin, om goed te kunnen begrijpen, typisch een zekere stevige wiskundige achtergrond vereisen die meestal niet op middelbare scholen (vwo- en havo-niveau) aan bod komen in het regulaire wiskunde programma, maar ook omdat sommige concepten niet zo evident zijn, en afwijken van het gevoel dat men voor natuurkunde kan hebben op basis van de alledaagse waarneming. Toch is geen van de onderstaande theorieën onmogelijk om te begrijpen, en blijkt een gevoel voor elke natuurkundige theorie mogelijk - zij het dat dit niet voor elke theorie even snel komt. De belangrijkste pijlers van de moderne fysica, die de bovenstaande vragen konden beantwoorden, zijn:

• De kwantummechanica. Op de kleinste schaal zijn deeltjes geen punt-objecten, maar uitgesmeerde golfpakketjes (kwanta). Deze pakketjes hebben wel een fundamenteel karakter: ze blijven heel en zijn niet gemakkelijk te vernietigen. Bovendien zijn ze erg klein. Daarom lijken ze in veel experimenten puntdeeltjes te zijn. Dit inzicht was cruciaal voor het verklaren van het foto-elektrisch effect en het spectrum van de zwarte straler.
• De relativiteitstheorie. Deze theorie slaagde er als eerste in om op een consistente manier ruimte en tijd te beschrijven als één geheel, de ruimtetijd. Hiermee werd het mogelijk de uitkomst van het Michelson-Morley-experiment te verklaren. De oorspronkelijke versie van de theorie (de speciale relativiteitstheorie) groeide later nog uit tot een meer algemene versie (de algemene relativiteitstheorie). Deze laatste omvatte meteen een nieuwe, meer precieze omschrijving van de zwaartekracht. In tegenstelling tot de theorie van Newton was de algemene relativiteitstheorie van Einstein in staat om de precessie van het perihelium van Mercurius nauwkeurig te voorspellen. Vele andere experimentele bevestigingen maakten van deze theorie snel een algemeen aanvaard onderdeel van de moderne natuurkunde.
• De atoomtheorie. Voor de komst van de moderne fysica, bestond de atoomtheorie reeds als een denkkader, wat sommige feiten op een elegante manier kon verklaren. Het was echter géén algemeen gedachtegoed om atomen ook te zien als écht. De kwantitatieve en kwalitatieve verklaring van de Brownse beweging, die Einstein gaf met behulp van de atoomtheorie, was echter een overtuigend bewijs dat atomen wel degelijk bestaan.

Hoewel sommige takken van de moderne fysica dus relatief ontoegankelijk zijn voor een niet-wiskundig publiek (dat is trouwens ook het geval met veel klassieke fysica), en ook conceptueel een uitdaging kunnen vormen, zijn ze een standaard onderdeel van veel hedendaags natuurkundig onderzoek. Het veel voorkomende idee dat theorieën zoals kwantummechanica en relativiteitstheorie exotische theorieën zijn met een zeker sciencefiction-gehalte, is dus niet geheel waar. Beide theorieën (en alle takken in de natuurkunde die eruit voortvloeiden) zijn grondig getoetst met talloze experimenten, en geven, vaak met een verbazingwekkende precisie, de juiste voorspellingen voor experimenten. Bovendien zijn er steeds meer technische toepassingen en uitvindingen die gebruik maken van kwantum mechanische effecten die we in het dagelijkse leven gebruiken. Voorbeelden zijn transistors in elektronica zoals computers en smartphones, lasers in dvd-spelers, routeplanners die rekening moeten houden met relativistische effecten in gps-satellieten. Deze apparaten zouden niet werken als de moderne natuurkunde niet reëel was. Dat wil echter niet zeggen dat de natuurkunde compleet is. Er zijn veel waarnemingen uit de kosmologie die nog niet verklaard kunnen worden, zoals donkere materie en donkere energie. Daarnaast zijn er theoretische problemen indien men de (algemeen aanvaarde) wetten van kwantummechanica toepast op de algemene relativiteitstheorie. Dit probleem wordt soms aangeduid als de zoektocht naar een kwantumgravitatie-theorie, of ook wel de zoektocht naar de theorie van alles. Deze thema's stuwen het huidige theoretische onderzoek in de natuurkunde, en de ontdekkingen die vandaag de dag gedaan worden zijn dus eigenlijk nog steeds uitbreidingen van de moderne natuurkunde zoals aan het begin van de twintigste eeuw ontstond.

Men krijgt mogelijk het idee dat de klassieke natuurkunde volledig fout is. Dit is niet waar. Voor de domeinen waarop de klassieke natuurkunde toegepast wordt, is deze vaak zeer correct. Bij extreme omstandigheden (experimenten op zeer kleine schaal, bij hoge snelheden, of in de buurt van een zeer zwaar voorwerp) geeft de klassieke natuurkunde geen goede voorspellingen; de moderne natuurkunde heeft een ruimer geldigheidsgebied, maar is ook nog niet volledig, of zelfs maar consistent. Een natuurkundige theorie wordt als waardevol beschouwd als deze een welbepaald geldigheidsdomein heeft, waarbinnen de theorie juiste voorspellingen doet. Het streven naar een alles omvattende theorie is echter allerminst opgegeven.

• Geschiedenis van de natuurkunde
• Einsteins wonderjaar

• Inleiding tot de moderne natuurkunde.