Prachtige proeven - Dirk van Delft

PROEF VAN YOUNG VOOR ELEKTRONEN IS HET MOOIST

Het tijdschrift Physics World zocht uit welk experiment bij fysici favoriet is. Winnaar is de dubbele spleet met elektronen: elegant, dwingend en educatief.

Tot de beroemdste experimenten in de geschiedenis van de natuurkunde behoort de proef van Young. In 1801 onderzocht de Britse fysicus en geneesheer Thomas Young met dit experiment de aard van het licht. Volgens Isaac Newton bestond licht uit een stroom deeltjes, terwijl Christiaan Huygens poneerde dat het om een golfverschijnsel ging. Wie van beide titanen had gelijk?

Young ging als volgt te werk. Eerst sneed hij in een verduisteringsgordijn een opening. Daarop plakte hij lichtdicht papier met een gaatje. De binnenvallende bundel zonlicht verbreedde hij door hem op een bolle spiegel te laten vallen. In die bundel hield hij in de lengterichting een stukje papier, zodat er twee bundels ontstonden. Het resultaat was verbluffend. Op het scherm was een patroon zichtbaar van afwisselend lichte en donkere banden. Alleen de golftheorie kon deze interferentie verklaren. Op plaatsen op het scherm waar een golfberg en een golfdal samenkwamen doofden beide lichtbundels elkaar uit, waar twee bergen of twee dalen arriveerden trad juist versterking van het licht op. Newton had dus ongelijk.

Maar Newtons prestige was te groot om de deeltjestheorie zo maar aan de kant te schuiven. Youngs interpretatie werd fel bestreden en het zou tot 1817 duren eer de Franse natuurkundige Augustin Fresnel met beslissende experimenten het golfkarakter van het licht aantoonde. Young had zich toen al gedesillusioneerd van de fysica afgekeerd en was in de antiekhandel gegaan. In de ontcijfering van de steen van Rosetta speelde hij een hoofdrol.

De proef van Young staat vijfde in de toptien van most beautiful experiments uit het septembernummer van het Britse maandblad Physics World. Robert Crease, een Amerikaanse filosoof en historicus, vroeg fysici om hun favoriete proeven aller tijden en kreeg honderden reacties. In de toptien staan de valproeven van Galilei, Newtons uiteenrafelen van wit licht in een kleurenspectrum via een prisma, het meten van de sterkte van de zwaartekracht via een torsiebalans door Cavendish, Rutherfords ontdekking van de atoomkern, Eratosthenes' meting van de omtrek van de aarde, de proef waarmee Millikan de elementaire lading ontdekte en de slinger van Foucault. Stuk voor stuk kleinschalige experimenten van individuele onderzoekers, onvergelijkbaar met de hedendaagse ontdekkingen van quarks en W-deeltjes door conglomeraten van honderden fysici in kolossale deeltjesversnellers die ogen als een fabriek.

Een elegant experiment, zo motiveren veel inzenders hun keuze, is eenvoudig van opzet en verrast doordat het op dramatische wijze een nieuw gezichtspunt opent. Wie de proef van Young ziet - tegenwoordig uitgevoerd door een laser op een dubbele spleet te richten - denkt nooit meer hetzelfde over licht. Fysici scheppen er behagen in ze te herhalen, natuurkundeleraren in het voortgezet onderwijs genieten keer op keer van hun schoonheid en hun didactische waarde en leerlingen staan perplex en vergeten ze nooit weer. Zeker, er bestaan ook elegante gedachtenexperimenten als reizen met bijna de lichtsnelheid en de kat van Schrödinger die tegelijk dood en levend is, maar er gaat niets boven de real thing.

Bovenaan de toptien van elegante experimenten prijkt een variant op de dubbele spleet van Young. In 1905 liet Albert Einstein zien dat het foto-elektrisch effect - licht is in staat elektronen uit een metaal te trekken - betekent dat licht zich in bepaalde omstandigheden toch als een stroom deeltjes (fotonen) voordoet. Golven én deeltjes: licht heeft een dualistisch karakter. Geldt dat ook voor deeltjes, vroeg prins Louis de Broglie zich af, hebben deeltjes ook een golfkarakter? Het antwoord is ja. Eén manier om dat aan te tonen is door in een proef van Young de lichtbundel te vervangen door een bundel elektronen.

Die proef is in 1961 uitgevoerd door Claus Jönsson in het Duitse Tübingen. Treurig genoeg is het experiment niet naar hem genoemd, de leerboeken spreken van de `proef van Young voor elektronen'. Hij publiceerde zijn resultaten in het Zeitschrift für Physik en gevoegd bij het feit dat de proef al lang en breed faam genoot als het ultieme gedachtenexperiment leidde dat ertoe dat Jönsson weinig aandacht kreeg. Zijn arbeid was meer van didactische waarde, de uitkomst stond al vast.

Wat niet wegneemt dat het om een absurd experiment gaat. In zijn Lectures on Physics heeft Richard Feynman dat fraai onder woorden gebracht. Feynman begon die beroemde colleges in 1961 (het boek verscheen twee jaar later) en had dus van Jönsson op de hoogte kunnen zijn. Niettemin introduceerde ook hij de proef als gedachtenexperiment. ``Onderzoeken we'', aldus Feynman, ``een verschijnsel dat onmogelijk, absoluut onmogelijk op klassieke wijze te verklaren valt, en dat het hart raakt van de quantumtheorie. Het bevat het enige mysterie. Laten we maar direct stellen dat het onverstandig is dit experiment te doen, en het is ook nog nooit gedaan.'' Feynman weet wat er uit zou moeten komen omdat er inmiddels vele experimenten gedaan zijn met een andere opzet maar met dezelfde uitkomst: interferentie van elektronen.

Wie quantumtheorie niet idioot vindt heeft er niets van begrepen, zei Niels Bohr. Richt een bundel elektronen op een dubbele spleet - in 1989 liet Akira Tonomura zien dat die elektronen een voor een mogen komen aanvliegen - en zoek met een detector uit op welke plekken achter die dubbele spleet de elektronen terecht komen. Het blijkt dat zich geleidelijk aan een interferentiepatroon opbouwt: op sommige plaatsen op het `scherm' arriveren wel elektronen, op andere niet. En dat terwijl er steeds maar één elektron tegelijk in het spel is. Door welke spleet gaat die eigenlijk? Links? Rechts? Beide tegelijk? En interfereert dat ene elektron met zichzelf? De proef van Young met elektronen laat simpel maar dwingend zien hoe de natuur spot met het gezonde verstand. Daarom is het de mooiste proef.


TOPTIEN NATUURKUNDE- PROEVEN 1. Dubbele spleet van Young met elektronen (1961) Toont golfkarakter van materiedeeltjes aan. 2. Valproeven Galilei (eind 16de eeuw) Kanonskogel valt even snel als musketkogel. 3. Proef van Millikan (1909) Bepaling van de eenheidslading met zwevende oliedruppeltjes. 4. Prismaproef Newton (ca. 1665) Toont aan dat wit licht is opgebouwd uit kleuren. 5. Proef van Young (1801) Toont golfkarakter licht aan. 6. Torsieslinger Cavendish (1798) Bepaalt de sterkte van de zwaartekracht. 7. Bepaling omtrek aarde door Eratosthenes (3de eeuw v.Chr.) Maakt gebruik van schaduwlengtes en driehoeksmeting. 8. Galilei's rollende kogels op helling (eind 16de eeuw) Studie eenparig versnelde beweging. 9. Atoommodel Rutherford (1911) Bepaalt via `bombardement' van alfadeeltjes dat een atoom een (zeer kleine) kern heeft. 10. De slinger van Foucault (1851) Toont aan dat de aarde draait.

Info:

Physics World. Maandblad van het Britse Institute of Physics. September 2002. Zie www.physicsweb.org

Foto-onderschrift:

Galilei maakte bij zijn valproeven gebruik van de toren van Pisa. FOTO AP