Vragen bij On the notions of Causality and Complementarity Niels

Vragen bij
On the notions of Causality and Complementarity
Niels Bohr
Joost van Bruggen
[email protected]
Vraag 1
Samenvatting artikel
Bohr begint zijn betoog met het aanhalen van de klassieke natuurkunde, de natuurkunde van
Newton en Maxwell, die empirisch van oorsprong is. Hij schrijft over het voor de klassieke
natuurkunde zo belangrijke begrip causaliteit en de causale manier van beschrijven; de klassieke
natuurkunde (denk daarbij vooral aan de mechanica) gebruikt deze manier van beschrijven
waarbij men er vanuit gaat dat het kennen van de toestand van een systeem, door het specificeren
van bepaalde attributen die aan het systeem toegeschreven kunnen worden, op een bepaald
tijdstip de hele verdere evolutie van het systeem vastlegt.
Hier komt meteen een ander aspect naar voren dat volgens Bohr erg belangrijk is binnen
de wetenschappelijke beschrijving van de wereld: het gebruik van taal om gevonden resultaten
en bedachte theorieën aan andere wetenschappers duidelijk te maken. Wat is bijvoorbeeld de
toestand van het systeem op een bepaald tijdstip? Wat zijn precies attributen die deze toestand
beschrijven?
Volgens Bohr is met het ontstaan van de kwantummechanica een radicale verandering in de
manier van wetenschap bedrijven nodig om adequaat op de nieuwe situatie te reageren. Hij
spreekt over de individualiteit van atomaire processen en geeft aan dat dit gedrag geheel buiten
de klassieke natuurkunde valt en zelfs niet te verenigen is met het causaliteitsbegrip.
Het vastleggen van de toestand van een fysisch systeem is niet langer voldoende om de
tijdsontwikkeling van dat systeem te beschrijven. Er blijken meerdere mogelijkheden te bestaan waartussen het systeem als het ware kan kiezen. Een belangrijk voorbeeld hiervan is de
golfdeeltjes-dualiteit van fotonen.
Dan komt Bohr weer terug op de noodzakelijkheid van de taal als presentatie middel van
experimentele uitkomsten, die nog altijd erg belangrijk zijn voor het staan of vallen van een
theorie. Hij zegt dat experimenten in het kwantummechanische domein, hoewel de fysica daar
duidelijk anders is dan de klassieke natuurkunde, slechts beschreven en uitgelegd kunnen worden met gebruikmaking van common language en begrippen uit de klassieke natuurkunde. Dit
leidt tot de conclusie dat bij de beschrijving van kwantummechanische processen niet alleen het
onderzochte systeem een rol speelt, maar ook het onderzoekende. Bohr spreekt in deze context
over complementariteit en beweert dat het kwantummechanische formalisme, waarin onzekerheidsrelaties en verwachtingswaarden een belangrijke rol spelen, de wereld in overeenstemming
met de complementariteit beschrijft.
Bohr spreekt over dubbelzinnigheid bij het toekennen van attributen aan fysische objecten
binnen de kwantummechanische beschrijving, vanwege het niet kunnen loskoppelen van onderzocht object en de omstandigheden van onderzoeken. Hij ziet complementariteit als logische
opvolger van het causaliteitsbegrip.
Als laatste presenteert Bohr het idee dat complementariteit in alle wetenschappen heel natuurlijk verweven is. Sterker nog: ons hele bestaan is doorspekt met het begrip van complementariteit. We zijn immers tegelijkertijd ‘toeschouwers’ en ‘spelers’ op het wereldlijke toneel.
1
2
Kern van het betoog
Zoals de titel al aangeeft, zijn de belangrijkste begrippen in het betoog causaliteit en complementariteit. In de klassieke natuurkunde speelt de causale beschrijving een belangrijke rol, terwijl
in de nieuwe natuurkunde, die door de ontdekking van onder andere spectraallijnen tot stand
kwam en beschreven wordt door de kwantummechanica, complementariteit een belangrijke rol
speelt.
In de kwantummechanica is de invloed van meetapparatuur van wezenlijk belang door het
niet oneindig klein zijn van de interactie-effecten tussen het gemetene en de meetapparatuur,
wat het rechtstreekse gevolg is van de eindige grootte van kwanta. Hierdoor kunnen aan fysische objecten geen absolute kenmerken worden toegekend; het gedrag van een fysisch object is
afhankelijk van de experimentele situatie waarin het zich bevindt. Dit laatste duidt Bohr aan
met complementariteit. Verschillende voorkomens van een fysisch object, die gecombineerd het
gehele fysische object in klassieke zin beschrijven, komen tot uiting onder verschillende experimentele omstandigheden. Elk van die voorkomens wordt door Bohr overigens een fenomeen
genoemd.
Verder speelt volgens Bohr de gewone spreektaal een zeer belangrijke rol binnen de wetenschappelijke beschrijving van de wereld; zelfs nu deze beschrijving zulke drastische veranderingen
heeft ondergaan met de komst van de kwantummechanica. Hij zegt namelijk dat uitkomsten van
experimenten altijd gegeven worden in termen van binnen de klassieke natuurkunde gebruikte
begrippen.
Vraag 2
Bohr ziet de kwantummechanica als een mathematisch formalisme dat de mogelijkheid biedt
bepaalde geobserveerde verschijnselen te beschrijven. De kwantummechanica is volgens Bohr
niet gerelateerd aan de fysische werkelijkheid, die experimenteel waarneembaar is. Ze biedt
slechts een mogelijkheid tot beschrijven van die fysische werkelijkheid en heeft op zich geen
fysische betekenis.
Vraag 3
Het door Bohr gebruikte begrip individuality of atomic processes geeft de aan fysische fenomenen
inherente afhankelijkheid van de experimentele arena waarbinnen het fenomeen wordt waargenomen, weer. De experimentele omstandigheden bepalen het waargenomen gedrag - het optredende
proces - van het fysische object. Elke andere omstandigheid, of beter, elke individuele meting
leidt (mogelijk) tot een andere uitkomst.
Vraag 4
De concepten die gebruikt worden binnen de nieuwe natuurkunde om waargenomen verschijnselen te beschrijven, kunnen erg ingewikkeld zijn. Uiteindelijk is het altijd de uitkomst van een
experiment, die beschreven wordt. Hierbij wordt altijd weer gebruik gemaakt van gewone taal
en klassiek bekende begrippen.
Vraag 5
De causale beschrijving is de naam die Bohr geeft aan een klassieke beschrijving van fysische verschijnselen. Hierbij verwaarloost men de invloed van meetapparatuur op waargenomen fysische
verschijnselen.
Bij macroscopische verschijnselen is de invloed van meetapparatuur ook vaak te verwaarlozen,
vanwege de relatief minieme grootte van de interactie kwanten. Maar bij atomaire verschijnselen
is de grootte van deze kwanten niet te verwaarlozen.
3
Vraag 6
De complementaire manier van beschrijven is die manier van beschrijven waarbij fysische verschijnselen verschillende voorkomens hebben, die tot uiting komen onder verschillende experimentele omstandigheden. De hele verzameling van voorkomens is nodig om het gehele fysische
object te beschrijven.
Vraag 7
(?)