Quantumfluctuaties? Ik verkeer in enige onzekerheid over de precieze betekenis van het woord omdat ik het persoonlijk alleen maar tegen ben gekomen in de quantumoptica (zie onderaan). Kan het zijn dat je bedoelt: de onzekerheid die het gevolg is van de onmogelijkheid om tegelijkertijd zowel de positie als de snelheid van een atomair deeltje te bepalen? Volgens de bewegingswetten van Newton is het theoretisch mogelijk om, als je van ieder deeltje de beginpositie en beginsnelheid kent, met willekeurige precisie uit te rekenen wat deze waarden een tijd later zullen zijn. In de quantummechanica is zulks in principe niet mogelijk. Dat betekent niet dat er geen voorpellingen kunnen worden gedaan over de toekomst. In de praktijk hebben we namelijk te maken met hele grote aantallen deeltjes waardoor onzekerheden uitmiddelen. Hoewel ik van een gas in een cylinder de positie en snelheid van alle deeltjes nooit tegelijkertijd oneindig nauwkeurig kan bepalen, kan ik toch voorspellen hoe het gas zich gaat gedragen door te werken met grootheden als druk, volume en temperatuur.
Er is altijd onzekerheid in de bepaling van snelheid en positie van een deeltje. Ik kan me voorstellen dat fluctuaties in de positie van watermoleculen de trigger kunnen zijn in het plotseling bevriezen ( = faseovergang waarbij de moleculen een nieuwe positie kiezen zodat de totale energie lager is) van een druppeltje water, hoewel ik vermoed dat grote, externe invloeden (botsingen met andere druppels, wind etc.) daarin een veel grotere rol spelen. Als we puur voor de lol en voor de discussie, aannemen dat die externe invloeden verwaarloosbaar zijn, zou ik, hoewel ik van een enkel miniscuul druppeltje niet zou kunnen voorspellen wanneer het bevriest, misschien wel in theorie uitspraken kunnen doen over hoe lang het zal duren voordat gemiddeld de helft van het aantal druppels is bevroren. Ik begeef me bij dit laatste voorbeeld trouwens wel op glad ijs, want van thermodynamica, weer en scheikunde heb ik niet veel verstand.
Quantumruis in de optica
Bij fotonen is de grondtoestand van het stralingsveld er een waarin de verwachtingswaarde van het aantal fotonen nul is. De verwachtingswaarde van de spreiding daarin is daarentegen ongelijk aan nul en dat noemen we de quantumfluctuaties van het vacuumveld, ook wel quantumruis genoemd. Dat is meer dan alleen maar een leuke oefening in quantumoptica want quantumruis is nodig om een aantal optische processen te kunnen verklaren. Zo is er de zgn. optische parametrische versterker, een apparaat dat fotonen opsplitst in twee nieuwe fotonen met een lagere energie. Om dit proces goed op gang te kunnen brengen heb je al een foton van lagere energie nodig om het proces te "seeden", als je me dit Anglicisme wilt vergeven. Dit foton kan worden geleverd door de quantumfluctuaties van het stralingsveld, die leiden tot het spontaan, kortdurend en willekeurig verschijnen van fotonen.
Bij een laserbundel is er ook sprake van fluctuaties in het aantal fotonen, veroorzaakt door het feit dat licht gezien kan worden als een stroom discrete fotonen. Dit is niet heel veel anders dan de fluctuaties in het aantal electronen in een electrisch circuit. Die fluctuaties staan bekend onder de naam "hagelruis" (naar het geluid dat hagel, (de "deeltjes") veroorzaakt op een metalen dak). Hagelruis is het gevolg van het deeltjeskarakter van elektronen of licht en wordt in het geval van licht ook wel optische hagelruis genoemd. Het wordt in het geval van licht, omdat dat sexier klinkt, ook wel quantumruis genoemd omdat het veroorzaakt wordt door het dicrete-, deeltjes-karakter (quantum) van licht.
Paul
Quote selectie