Niets

NIETS
Hoe niets de wereld schokt

Samenvatting
Dit is een literatuuronderzoek naar de mogelijkheid van 'niets'. Ik behandel hetniets vanuit zowel een natuurkundig als een filosofisch oogpunt. In de natuurkunde hangt het niets vooral samen met een lege ruimte. Het niets wordt in de natuurkunde gedefinieerd als het vacuüm ondanks dat het vacuüm vol zit met energie en mogelijkheden. Dit is een conclusie die voortkomt uit de kwantummechanica, vandaar dat ik ook kort de opkomst van de kwantummechanica behandel.

In de filosofie wordt het niets beschreven als het niet-bestaan. Dit is een heel subjectief onderwerp. Hierdoor hangt de mogelijkheid van niets af van het standpunt waaruit je beschouwt. Toch maakt het niets een onderdeel uit van het dagelijkse leven. Men heeft namelijk niets nodig voor zijn perceptie van het bestaan.
 

Onderzoeksvraag
*Is het voorkomen van niets mogelijk?
•    Binnen de wetten van het observeerbare heelal
•    Buiten de fysische wetten om (Buiten ruimte en tijd?)
 

Context
De meeste natuurkundige en filosofische onderwerpen in dit profiel werkstuk zijn zwaar versimpeld met als doel dit werkstuk zo leesbaar mogelijk te houden.

Aangezien een deel van dit PWS filosofisch is, vind ik het persoonlijk belangrijk om aandacht te besteden aan de 'context' waarin dit PWS is geschreven. Vandaar een korte introductie over mijn standpunten en leefsituatie.

Ik ben geboren in 1994. Ik ben atheïstisch opgevoed en leef in een democratisch land. Ik ben zelf ook Atheïst. Mijn ouders hebben een gemiddeld inkomen waardoor ik in een respectievelijk groot huis woon. Mijn huidige opleiding is het Voortgezet Wetenschappelijk Onderwijs aan het Baken Park Lyceum.
 

Hypothese
Voordat al het bron onderzoek gedaan is, is het erg moeilijk om tot een goed onderbouwde hypothese te komen, aangezien ik maar een middelbare scholier ben en geen afgestudeerd natuurkundige of filosoof. Houdt u dit a.u.b. In gedachte bij het lezen van mijn hypothese.

Is het voorkomen van niets mogelijk?
•      Binnen de wetten van het observeerbare heelal?

'Niets' wordt binnen de natuurkunde beschreven volgens de wetten van de fysica, net als al het andere binnen het gedefinieerde heelal. Aangezien 'niets' een negatie is (het ontbreken van iets), is dit erg lastig om met wetten te beschrijven die gebaseerd zijn op positieve waarden. Het is wel mogelijk om te controleren of er op een bepaalde plek een meetbaar 'iets' aanwezig is (iets wordt binnen de Fysica veelal gedefinieerd als een energie). Daarom wordt 'niets' in de natuurkunde onderzocht door het onderzoek naar vacua. Als in dit PWS in het vervolg een natuurkundige benadering van niets wordt aangehaald, zal dit verwijzen naar (onderzoek naar) een vacuüm.

Het 'vacuüm' is hier gedefinieerd als een beperkte ruimte binnen ons heelal die we (m.b.v. gedachte-experimenten) zo leeg mogelijk proberen te maken.

We kunnen een vacuüm tegenwoordig natuurlijk leegma ken van 'grote materialen' zoals moleculen. Maar uit de recent ontwikkelde kwantum theorie blijkt er een nulpuntsenergie aanwezig te zijn in
elk vacuüm. Het verwijderen van deze energie kost e nergie. Dit veroorzaakt   dat er een grotere
energie achterblijft dan de nulpuntsenergie die we er in eerste instantie probeerde uit te halen.
Deze nulpuntsenergie wordt veroorzaakt door het onzekerheidsprincipe van
Heisenberg. Het Heisenberg principe is hier rechts weergegeven. Uit dit principe stelt dat de delta Energie keer de delta tijd altijd groter of gelijk is aan de constante van Planck gedeeld door 4π. Hieruit volgt dat hoe groter de zekerheid is waarmee de energiewaarde is bepaald hoe kleiner de zekerheid over de verstreken tijd wordt. Ik zal later in mijn PWS dieper hierop ingaan (ook wiskundig).

Ik denk mede door de onzekerheisrelatie van Heisenberg dat het fysisch gezien niet mogelijk is om niets waar te nemen. Pas als de tijd stil zou kunnen worden gezet zouden we er zeker van zijn dat er zich ergens niets bevindt (of bevond rekening houdend mat het feit dat het licht tijd nodig heeft om bij de waarnemer te komen). Niets is wél nodig voorons begrip en waarneming van de wereld.

•      Buiten de fysische wetten om (buiten heelal? Buiten tijd?)

Op filosofisch niveau hoeven wij ons natuurlijk niet aan bepaalde wetten te houden. Slechts de wet van tegenstrijdigheid beperkt ons. Het bestaan van 'Niets' is op deze manier volgens mij wel mogelijk.

De kwantummechanica stelt namelijk dat de relatie tussen energie en tijd de onmogelijkheid van Niets veroorzaakt. Maar stel dat we een punt nemen in de tijd? Dit zou betekenen dat ∆t=0. Hierdoor vervalt het principe. Maar het zou wel betekenen dat er op dat moment ofwel een oneindigheid aan energie kan ontstaan, ofwel dat er op dat moment helemaal geen energie meer kan zijn. Hieruit zou volgen dat energie onlosmakelijk verbonden is aan tijd, wat mij persoonlijk heel waarschijnlijk lijkt. In dit geval is het nuttig om te filosoferen over of tijd ooit is begonnen.

Ook dit lijkt waarschijnlijk als je 'Big Bang' theorie in beschouwing neemt. De uitdijing van het universum wijst er namelijk op dat het gehele universum ooit op elkaar gepakt zat als één punt met ongelooflijk grote massa en energie (die eventueel geleend is uit het vacuüm als je dit fenomeen zou willen verklaren met de kwantummechanica). Maar wat was  er voor dit punt? Veel wetenschappers zijn het daar over eens: Niets. Geen tijd geen energie, geen massa, gewoon een heleboel niets. Niets hangt dus samen met het niet-zijn, en kan alleen bestaan buiten het Zijn en buiten tijd. Ik denk persoonlijk dat dit het Niets niet onmogelijk maakt aangezien ik geloof dat wij ooit zijn ontstaan, wat inhoud dat het Zijn ooit niet was, en toen wel en misschien ooit wel weer ophoudt te bestaan. Wij kunnen dit alleen niet bevatten omdat onze ervaring niet buiten tijd kan treden.

Alhoewel ik wel denk dat dingen ons niet nodig hebben om te bestaan (ik geloof dat een appel nog steeds bestaat zonder dat hij ooit zal worden waargenomen of het label 'appel' op zich krijgt geplakt) vermoed ik dat Niets in de zin van niet-iets wel waarneming nodig heeft om te kunnen bestaan. Het is namelijk niet-iets en dat kan alleen als er 'niet-iets' wordt waargenomen. Maar als de waarneming uit dit beeld wordt weggenomen is het niet mogelijk om 'Niets' op deze manier te definiëren, er zou dan namelijk geen verschil meer kunnen worden gemaakt tussen wat wel en wat niet iets is. In het kort: als wij er niet zijn om iets te definiëren kan Niets ook niet zijn.
 

Werkplan
Methode
Om tot een redelijk antwoord op mijn onderzoeksvraag te komen ben ik van plan vooral heel veel bron-onderzoek te doen aangezien veel onderzoeken naar 'niets' kennis van hogere natuurkunde vereisen. Bovendien vereisen de meest simpele proefjes al een scala aan dure apparatuur.

Om toch inzicht te krijgen in het onderwerp zal ik naast het aanhalen van onderzoek van anderen ook zelf aan de slag gaan met de wiskundige en natuurkundige kant van het Niets. Ik zal de functies die ik in mijn bron onderzoek aanhaal proberen te verklaren om zo en helder en duidelijk beeld te scheppen van niets. Ook voor het filosofische gedeelte zal het grootste deel bestaan uit bronnenonderzoek en het proberen te begrijpen van de filosofieën van anderen. Ik zal ook zelf veel filosoferen en discussiëren met anderen over niets om tot een veel omvattende conclusie te komen. Tot slot ga ik een interview houden met een hoogleraar theoretische natuurkunde om de mening van een gediplomeerd

Benodigdheden
•    Lessen Kwantum mechanica
•    Erg veel bronnen.
•    Grafische rekenmachine
•    Piet Mulders

Wat is niets? Wat is iets?
Een korte introductie
De vraag: 'Waarom is er iets en niet niets, terwijl niets zoveel makkelijker is?' is al meerdere keren in de geschiedenis gesteld. En velen hebben hun hoofd hierover gebroken. Alleen is naar mijn mening 'Niets' helemaal niet makkelijker dan 'iets'.Aangezien niets namelijk een negatie van iets is. En negaties zijn naar mijn mening altijd gecompliceerder dan positieve waarden (-8 x -5 is moeilijker te vatten dan 8 x 5 terwijl ze toch beide +40 als antwoord geven).

Ik zal iets en niets vanuit twee uitgangspunten benaderen (natuurkundig en filosofisch), zoals ook in de rest van dit verslag is gedaan. Ik begin telkens met iets, waarna ik 'niets' definieer als het nietzijn van iets.

Natuurkundig uitgangspunt:
Ons universum bestaat uit deeltjes. Die deeltjes bestaan weer uit deeltjes, die weer bestaan uit deeltjes. Iets specifieker: wij mensen bestaan uit cellen, die cellen zijn opgebouwd uit moleculen die weer opgebouwd zijn uit atomen die bestaan uit protonen, neutronen en elektronen. Neutronen bestaan verder nog uit quarks Zo simpel als het nu in een paar zinnen beschreven staat is het natuurlijk niet. Een elektron is zo ongelooflijk klein dat we er niet eens licht op kunnen laten vallen zonder het te verstoren. Een elektron weegt bijvoorbeeld naar benadering 9,109534×10-31 kg dat is 1/2,63x1024 deel van een zandkorrel van 1 mm3.

Alles wat hieruit is opgebouwd wordt gedefinieerd als 'iets'. Bovendien heeft al het 'iets' een bepaalde energiewaarde. Daarom wordt in de Natuurkunde 'iets' meestal gedefinieerd als een bepaalde energie.

'Niets' houdt dus in dat we al het 'iets' zullen moeten elimineren. Met moderne technieken kunnen we al aardig mooie vacua maken. Dit zijn vacua waarbij alle 'grote' deeltjes (moleculen en atomen) uit een bepaalde ruimte verwijderd zijn. Ondanks dat we het vacuüm vrij leeg kunnen krijgen treden er complicaties op wanneer ook de laatste elektronen verwijderd moeten worden. Er wordt vaak (verkeerd) gedacht dat een vacuüm al leeg is wannee r alle moleculen er uit zijn verwijderd. Het lijkt leeg, maar stel dat de wand van het vacuüm van glas is en we er met een lamp op schijnen. Het licht zal onverstoord doorschijnen, wat inhoud dat er in het vacuüm fotonen aanwezig zijn en bovendien ook energie. Ik zal later verder ingaan op de werking van het vacuüm en de complicaties die optreden bij het leegmaken ervan.

Filosofisch uitgangspunt
'Iets' wordt in de filosofie redelijk vergelijkbaarbeschreven als 'iets' in de natuurkunde. In de filosofie wordt er alleen veel meer gekeken naar de vraag wat 'is'? Hoe zit het bestaan in elkaar? Wanneer ben je en wanneer niet? Vooralsnog is er geen eenduidig antwoord op deze vraag. En de antwoorden die wel bekend zijn, zijn nauw verbonden met religie. Meestal wordt zijn dan ook beantwoord met God, de almachtige en het oneindige. Alles wat was, is en zal zijn is in veel religies vastgesteld als een bestaande entiteit die onveranderlijk is en het zijn definieert.

Het niet-zijn is hierdoor ook een erg religieuze kwestie. Er bestaan veel verschillende meningen (religies) over wanneer iets is en wanneer niet (meer). Als we ervan uit gaan dat 'niets' kan worden bereikt kunnen we dit zowel binnen als buiten ons heelal beschouwen. Filosofen als Thomas Hobbes geloven niet in de leegte of in dit geval in 'niets'. Het heelal is, alomvattend. Zo is het altijd al geweest aangezien iets niet uit niets kan ontstaan.

Anderen zoals bijvoorbeeld Heidegger pleiten voor het bestaan van niets. We zouden 'niets' niet steeds moeten ontkennen en onze oneindigheid moeten accepteren in de zin dat het leven en het 'zijn' ooit ophouden. Het niet-zijn is in de filosofie dus de definitie van 'niets'. Aangezien het zijn zo veel verschillende beschrijvingen heeft is het noodzakelijk deze verschillende vormen van het 'zijn' aan verschillende vormen van het 'niet-zijn' te koppelen.
 

Natuurkundig uitgangspunt
*Is het voorkomen van niets mogelijk? Binnen de wetten van het observeerbare heelal
 
Het Getal 0
De geschiedenis van het getal nul
Het heeft erg lang geduurd voordat het getal 0 onze westerse beschaving heeft bereikt. Het heeft er überhaupt erg lang over gedaan voordat het geaccept eerd werd als getal.

Er is ook veel onzekerheid over waar en wanneer het getal 0 precies is ontstaan. Het is namelijk onafhankelijk van elkaar in 3 verschillende culturen in de wereld ontstaan. Het is moeilijk te achterhalen wie eerst was en wie beïnvloed was door eerdere culturen en wie niet, maar we weten zeker dat het getal 0 ooit gebruikt werd in de hieronder beschreven culturen:

Soemeriërs
De Soemeriërs vormden een volk van ongeveer 4000- t ot 2300 voor Christus. Zij waren een erg beschaafd en vooruitstrevend volk met hun eigen ontwikkelde getallenstelsel. In principe zou je een getallenstelsel kunnen ontwikkelen waarbij elk getal een afzonderlijk symbool krijgt toegewezen, maar dit systeem is erg onhandig aangezien het al moeilijk wordt om 25 verschillende tekens te onthouden, laat staan dat men probeert te tellen tot 300 of zelfs tot 1000! Het is daarom noodzakelijk (en gebruikelijk in alle bekende tel-systemen) dat er een herhaling wordt ingevoerd. Denk daarbij aan het Romeinse telsysteem waarbij I=1, V=5 en X=10, waardoor III=3, VI=6 en XV=15. Maar ook dit getallenstelsel heeft zijn nadelen bij grotere waarden, het getal 1815 wordt bijvoorbeeld MDCCCXV wat heel wat nadenken vereist en bovendien erg onhandig is om mee op te tellen op af te trekken, laat staan vermenigvuldigen. Probeer maar is MDCCCXV (1815) te vermenigvuldigen met MMMMCMLXXXV (4985) zonder gebruik te maken van de algoritmische getallen. De Soemeriërs waren daarom erg vooruitstr evend met hun getallenstelsel waarbij de basis het getal 60 is (net zoals wij het getal 10 gebruiken). Het is misschien moeilijk voor te stellen, maar het is net als hoe wij met uren rekenen: 1 uur is 60 minuten, dus 5,5 uur is 5 x 60 + 0,5 x 60 = 330 minuten. Het getal 485 is in ons hedendaagse getallenstelsel bijvoorbeeld gelijk aan 4 x 100 + 8 x 10 + 5 x 1. De Soemeriërs zouden 485 schrijven als 8 x 60 + 5 x 1 => 85. Het probleem is nu alleen dat bijvoorbeeld het getal 28 805 ook geschreven zou worden als 85, namelijk: 8 x 3600 + 5 x 1. Er was behoefte aan een symbool voor het ontbreken van 60-tallen. In feite is 28805 namelijk 8 x 3600 + 0 x 60 + 5 x 1=> 8 5. Zo ontstond nul, als lege plek tussen twee getallen. Om weer te geven dat er iets ontbrak. Maar omdat 805 en 8005 zo nog steeds met elkaar verward kunnen worden werd er uiteindelijk een symbool ontwikkeld voor het getal 0. Dit waren ondertussen niet meer de Soemeriërs. Hun opvolgers, de Babyloniërs introduce erden rond 500 voor Christus eindelijk een teken voor het getal 0 in het spijkerschrift. Hoewel dit waarschijnlijk invloed heeft gehad op de oude Griekse cultuur kwam er een einde aan de Mesopotamische cultuur toen Alexander de Grote rond het jaar 300 voor Christus Babylon veroverde.
 
Maya's
Van 2600 voor Christus tot ongeveer 900 na Christus heersten de Maya's in midden Amerika. Zij waren een ver ontwikkeld maar erg bijgelovig volk. Zij hadden net als de Soemeriërs een position eel getallen stelsel ontwikkeld waarin het getal 0 voorkwam, alleen was hun getallensysteem gebaseerd op 20-tallen.

Bovendien waren de Maya's gespecialiseerd in het ontwikkelen van kalenders. Zij hadden net als het huidige westen een cyclische kalender. Het probleem was alleen dat de cyclus op deze manier op een gegeven moment afliep, dat zou natuurlijk het einde van de wereld betekenen. Aangezien wetenschap en religie bij de Maya's éénne dezelfde waren namen ze dit erg letterlijk. Uit angst voor het einde van de wereld ontwikkelden ze daarom een tweede cyclus. Hierdoor liep er in ieder getallen stelsel van de Maya's geval nog een cyclus door terwijl de eerste afliep en opnieuw begon. Maar wat nou als beide cycli samen vielen? Een Cyclus van 5 jaar en een cyclus van 8 jaar vallen bijvoorbeeld al na 5 x 8 = 40 jaar samen! De oplossing van de Maya's; meer cycli, meer kalenders en in geval van nood natuurlijk ook meer menselijke offers aan de Goden. De naam van de God van het begin en het eind was nul. Geen wiskundige, maar een brenger van onheil geregeerd door de dood.

Ironisch genoeg is het einde van de Maya beschaving veroorzaakt door natuurrampen (erg lang aanhoudende droogtes), net zoals het einde van de wereld door hen werd voorspeldt. We zouden meer weten van het einde van de Maya cultuur als de Spanjaarden niet zoveel moeite hadden gestoken in het vernietigen van Mayaanse boeken en geschiedenis geschriften. De Spanjaarden waren namelijk zo geschrokken van de gruweldaden van de Azteken die zij tegenkwamen dat ze alles wat ook maar aan indianen verwant was vernietigden. Als de Spanjaarden iets rustiger hadden gereageerd zou de 0 waarschijnlijk een stuk eerder geïntroduceerd zijn in het Westen.

Indiërs
Ook in India raakte een symbool, dat 0 symboliseerde, in gebruik. Dit gebeurde ongeveer in de 5e eeuw na Christus. Dit getallenstelsel is de voorouder van ons huidige Westerse getallenstelsel en was dus net als nu gebaseerd op 10-tallen. Het is niet helemaal zeker hoe de nul in dit stelsel in gebruik is geraakt, het is alleen bekend dat het getallen stelsel door zowel stelsels uit China als uit Babylon is geïnspireerd. Bovendien is er in die tijd veel gefilosofeerd over 'niets' in India. Ze gebruikten verschillende woorden voor nul, zoals leegte(Shûnya) en hemel lucht(kha).

Er zijn verschillende verklaringen voor hoe het huidige lege rondje voor 0 in gebruik is geraakt. Dit zou namelijk afkomstig kunnen zijn van de Griekse rekentafel die bedekt was met zand. Er werd hierbij gebruik gemaakt van fiches, en wanneer er een fiche weg werd gehaald uit een rij van de tafel bleef er een rond gat over. Het zou kunnen dat de Indiërs dit hebben overgenomen, aangezien rekentafels bedekt met zand ook elders in de wereld in gebruik raakten, maar in de Indische filosofie had het lege rondje ook een erg mooie symbolische betekenis, het werd vaak beschreven als het Bindu punt: het onveranderlijke en oneindige punt van waaruit alles ontstaat. De filosofie van de Indiërs leert namelijk dat echte leegte niet bestaat, substantie kan alleen van vorm veranderen en niet verdwijnen.

Toen de Arabieren in de 7de eeuw rondtrokken door India namen ze het getal 0 mee naar huis en dus ook mee naar het toen door hen bezette Spanje. Ze noemden dit nieuwe getal 'sifre'; waar ons huidige 'cijfer' vandaan komt. Het voordeel dat ditnieuwe rekensysteem met zich meebracht is terug te zien in de wetenschappelijke sprong die de Arabieren in die tijd vooruit maakten. En alhoewel het een veel en veel handiger systeem is dan het Romeinse stelsel dat toen nog in gebruik was in het westen, duurde het nog zeker 700 jaar voordat de 0 eindelijk geaccepteerd werd! Dit kwam door de angst van de Christelijke kerk voor het getal 0. Met een getal als 1 konden ze nog leven, maar iets dat niets weergaf? De kerkelijke angst sloeg over in wetten tegen het gebruik van het algoritmische stelsel waarbij overtreding resulteerde in de doodstraf. Vele westerse wetenschappers erkenden de waarde van het nieuwe rekensysteem en probeerden dit tevergeefs onder het publiek te brengen, je zou kunnen zeggen dat zij letterlijk zijn gestorven voor niets!

Pas in de late middeleeuwen hield de kerk de strijd niet meer vol en werd het algoritmische systeem eindelijk echt geïntroduceerd. Al kunnen we de invloed van de kerk nog wel terugzien in spreekwoorden als: c'est nul, of wat is hij een grote nul!
 
De hedendaagse nul
Vandaag de dag is de nul een erg handig wiskundig gereedschap dat door velen wordt gebruikt zonder er verder veel over na te denken. De nul heeft een paar erg eigenaardige eigenschappen zoals dat iets (behalve 0) tot de macht 0 is 1. En dat je niet door 0 kan delen.
Verder geld dat:

optellen: x + 0 = x en 0 + x = x Aftrekken: x – 0 = x en 0 – x = -x
Vermenigvuldigen: x•0 = 0 en 0•x = 0

Door deze wiskundige axioma's veel toe te passen heeft de wiskunde vele grote doorbraken gemaakt.

De lege verzameling
De lege verzameling is een goed voorbeeld van hedendaags gebruik van nul in systemen waar je niet altijd aan denkt, maar die toch een erg belangrijke rol spelen in de hedendaagse technologieën. De lege verzameling wordt bijvoorbeeld gebruikt bij computers en andere apparatuur en is een erg belangrijke deelverzameling van elke denkbare verzameling. Het concept valt als volgt uit te leggen:

Stel dat je een lege doos hebt en wat fiches. Op al die fiches schrijf je willekeurige nummers. Stel je kiest 3,5,2,8,7,12 en 6. Als je vervolgens alle fiches in de doos gooit kun je ze met elkaar vermenigvuldigen, je krijgt dan: 120960. Het maakt niet uit hoe de fiches in de doos liggen, ze liggen er allemaal in en op welke volgorde je ze ook met elkaar vermenigvuldigt, het antwoord blijft hetzelfde.

Nu maken we het geheel iets ingewikkelder door een plankje in de doos te plaatsen die de doos in twee vakken verdeeld. Als we het gedachte-experiment nu herhalen en de fiches weer in de doos gooien heb je sommige links en sommige rechts. Maar als we het product (de uitkomst van de vermenigvuldiging van alle desbetreffende fiches) van de linkerkant met het product van de rechterkant met elkaar vermenigvuldigen, komt er weer gewoon 120960 uit. Dus stel bijvoorbeeld links liggen 12 en 6 (12 x 6 = 72) en rechts liggen 3,5,2,8 en 7 (3x5x2x8x7=1680), dan is links keer rechts: 72 x 1680 = 120960 (waar we mee begonnen). Deze regel geldt voor alle scenario's, behalve wanneer alle fiches aan één kant liggen. Dat betekent namelijk dat aan de andere kant 0 fiches liggen. En daaruit volgt 0 x 120960 = 0. Dit probleem is bekend als de lege verzameling. Je hebt twee verzamelingen waarvan er 1 leeg is. Hierdoor lijkt het concept niet meer te kloppen. Maar er is een oplossing: de lege kant niet meer zien als 0, maar als 1 lege verzameling. Hierdoor klopt ons originele concept weer en krijg je 1 x 120960 = 120960. Je maakt eigenlijk 1 uit 0, wat natuurlijk tegen alle wiskunde ingaat want 0 is niet 1. Maar toch is de lege verzameling nodig om onze wiskunde kloppend te maken. Net als de 0 zelf.

0 Is dus eigenlijk een naam voor niets. We hebben het nodig om complexe systemen te beschrijven. Want zodra je niet meer bezig bent met alleen maar natuurlijke getallen (1,2,3 etc.) is 0 essentieel voor een kloppend wiskundig systeem. Het geeft een mogelijkheid om een netto van niets weer te geven wanneer er bijvoorbeeld een negatieve en een positieve kracht zijn die elkaar opheffen. Dit blijkt ook heel belangrijk te zijn voor het vacuüm dat later in dit Profiel Werkstuk wordt besproken.
 

Hoe leeg is zwart?
Schaduwen
Heel vaak stellen mensen zich zwart voor wanneer ze proberen te denken aan niets. Niets, wordt meteen geassocieerd aan de afwezigheid van licht. Maar zwart is slechts de afwezigheid van licht dat in staat is om jouw ogen te bereiken. Zo zou het dus kunnen zijn dat iemand in de schaduw staat van een groter object. Doordat het licht geblokkeerd wordt door het grote object kan het de persoon niet bereiken en dus ook niet in jouw ogen terecht komen; je ziet zwart. Dit betekent niet dat deze persoon er plots niet meer is, net als dat wanneer je een compleet zwarte ruimte waarneemt, deze niet perse leeg hoeft te zijn. Toch zijn mensen wel getraind om dingen te kunnen herkennen door middel van de afwezigheid van licht: silhouetten. Kuikens van de meeste vogelsoorten hebben al het instinct om weg te duiken wanneer het silhouet van een roofvogel overvliegt terwijl de logica stelt dat de roofvogel door de kuikens niet gezien kan worden aangezien er geen licht via de roofvogel in de ogen van de kuikens terecht komt.

De hoeveelheid licht die je ogen bereikt is dus voor de meeste organismen een belangrijk gegeven dat gebruikt wordt bij het overleven. Denk maar aan de bomen die hun bladeren afgooien wanneer de dagen korter worden. En mensen die elk jaar in de winter depressief raken wegens een gebrek aan licht. Licht is een bron van energie en bovendien een bron van leven. Het donker is dus ook wel een gebrek aan kennis van je omgeving. Niet weten wat er komt is een grote angst is van veel mensen, vandaar dat we bang zijn in het donker.

Black Body's
Buiten schaduwen, kan het object van waarneming zelf ook zwart zijn. En dan bedoel ik niet het grijzige zwart van een jas die er zwart uitziet, maar echt puur zwart. Perfect zwarte objecten worden ook wel 'black body’s' genoemd. Dit zwart is absoluut niet niets. Deze 'black body’s' nemen namelijk 100% van het licht op dat er op valt. In andere woorden: het is een object dat alle elektromagnetische straling (van alle verschillende golflengtes) opneemt. Nou kan deze energie natuurlijk niet verdwijnen volgens de wet van behoud van energie en zendt het 'black body' deze energie ook weer uit in elektromagnetische golven. Als deze golflengtes niet binnen het spectrum van voor ons zichtbare kleuren vallen, zien wij het object als 'zwart'. De intensiteit en de golflengt van de golven die een black body uitzendt hangen uitsluitend af van zijn temperatuur. Alle objecten stralen elektromagnetische straling uit wanneer ze een temperatuur boven de 0 graden Kelvin hebben (dus eigenlijk altijd). Het verschil met Black Body's is dat zij ideale stralers zijn en de maximaal mogelijke hoeveelheid energie per oppervlakte uitzenden op elke golflengte.

Onderzoek naar Black Body's werd veel gedaan aan het einde van de 19e en het begin van de 20e eeuw. Men ging toen uit van de klassieke mechanica die licht als een golfverschijnsel beschouwt. Met dit in het achterhoofd zou je denken dat de uitgestraalde energie gelijkmatig verdeeld zou worden over alle golflengtes. Dit betekent dat het niet uit zou uitmaken welke temperatuur het body heeft, elke mogelijke frequentie zou even vaak voorkomen. Als waarneming zou dit betekenen dat ook bij lage temperaturen een 'semi'black body al wit zou zijn. Nou weet elke middeleeuwse smid dat dit niet waar is. Als je bijvoorbeeld een zwarte ijzeren staaf neemt en deze langzaam verhit gaat hij eerst een heel spectrum van kleuren af voordat hij witheet wordt. Beginnend met een beetje oranje, vervolgens roodgloeiend en daarna pas bij hele hoge temperaturen enigszins wit.

De natuurkundigen uit die tijd wisten niet wat ze ermee aan moesten. Er werd breed onderzoek gedaan naar wat in hemelsnaam de oorzaak van dit verschijnsel zou kunnen zijn.

Max Planck (1858-1947) was de eerste die een volledige formule opstelde die perfect aansloot bij de resultaten die gevonden werden tijdens het onderzoek naar Black Body's.
 
http://nl.wikipedia.org/wiki/Zwarte_straler
Hij was hiertoe in staat doordat hij ervan uitging dat licht in pakketjes werd uitgestraald (quanta). Waarbij de frequentie van het pakketje overeenkwam met de golflengte. Dus een hoge frequentie is een kleine golflengte. Hiermee beschreef hij het verband tussen de energie (E in joule) en de frequentie van de kwanta (v):

'h' is de constante die hij vond om het verband tussen deze twee te beschrijven. 'h' staat nu bekend als 'de constante van Planck'. Later bleek dat diteen fundamentele constante is die veel in de natuur voorkomt.

Nu kon hij verder gaan en het verband beschrijven tussen de hoeveelheid energie die een black body uitstraalt en de temperatuur van de black body.

De formule die hij hiervoor opstelde staat nu bekend als de wet van Planck:

“met:    Afbeelding 2 De wet van Planck    
        
•    I(ν)δν de hoeveelheid energie die per oppervlakte-eenheid per tijdseenheid per steradiaal    

(hoekmaat) uitgezonden wordt tussen frequenties ν en ν + δν,

•      ν de frequentie
•      h de constante van Planck
•      c de lichtsnelheid
•      k de constante van Boltzmann en
•      T de temperatuur in Kelvin.”

Omdat deze formule zo perfect klopt werd men gedwongen te accepteren dat licht misschien inderdaad wel in pakketjes voorkomt. Aangezien dit strijdig lijkt te zijn met de eerder getrokken conclusie dat licht een golfverschijnsel is werd deze nieuwe theorie niet bepaald met open armen ontvangen. Zelfs Planck zelf beschouwde zijn formule als slechts een wiskundig trucje om de resultaten te kunnen beschrijven. Hij had geen idee dat dit de geboorte was van de kwantummechanica.
 
Afbeelding 3 Interferentie patroon

Hoe werkt kwantummechanica? (Dualiteitsprincipe golf of deeltje?)
De kwantummechanica was geboren. De hele theorie is gebaseerd op het feit dat licht zowel een golf als een deeltjesverschijnsel is. Zoals eerder verteld werd dit feit maar heel erg moeilijk geaccepteerd. Dat licht een golfverschijnsel is was namelijk al lang geleden 'bewezen' door Grimaldi in 1801. Het debat over of licht een deeltje of een golf was, was daarvoor al veel langer aan de gang. Christiaan Huygens beweerde namelijk al in de 17e eeuw dat licht een golfverschijnsel is, terwijl Newton in diezelfde tijd beweerde dat licht een deeltjes verschijnsel is. Er werden vele theorieën ontwikkeld om de deeltjes of golf theorie te ondersteunen, jammer genoeg had men toen nog niet de meetinstrumenten om deze theorieën te t esten. Vandaar dat het interferentie onderzoek dat Grimaldi deed zo doorslaggevend was. Licht vertoont namelijk interferentie patronen, net als bijvoorbeeld water. Interferentie patronen zijn het kenmerk van een golfverschijnsel. Interferentie is wanneer 2 golven elkaar ontmoeten en met elkaar interfereren. Dit kan worden onderzocht door bijvoorbeeld water door spleetjes te laten gaan. Zodra water tegen een plaat aankomt met 2 spleten er in, gedraagt het water zich als een punt-bron vanuit de spleten, net als wanneer er 1 druppel op een stil wateroppervlak valt. Als de golven botsen ontstaat een patroon van versterkte (twee toppen op elkaar, licht) en verzwakte (twee dalen op elkaar, donker) golven zoals hiernaast weergegeven. In 1801 had men de apparatuur om licht op een nauwkeurige manier door twee spleten te laten vallen en vervolgens op een achterliggende plaat te meten waar het licht was gevallen. Toen Grimaldi dit deed ontstond er een strepen patroon. Je kan je voorstellen dat wanneer je een streep zou trekken door afbeelding 2, er lichte en donkere vlekken op de streep zullen staan, dit hetzelfde strepen patroon is. Hiermee leek de discussie voorbij te zijn, er werd niet meer getwijfeld aan het feit dat licht een golfverschijnsel is. Bovendien werd er ook een manier bedacht om de lichtsnelheid te meten in verschillende media. Hieruit bleek dat licht langzamer gaat in water dan in lucht. Ook dit feit pleit voor de golftheorie omdat de breking van licht bij een overgang van lucht naar water gepaard gaat met een kortere golflengte die er even lang over doet als de langere golflengte in lucht om 1 golf te maken => een lagere snelheid van licht in water.

Zo ongeveer 100 jaar was er rust. Tot er in het begin van de 20e eeuw een nieuwe stroom van ontwikkelingen plaatsvond door grote geleerden, waaronder Einstein, Planck en Schrödinger. Zoals beschreven onder het kopje 'Black Body', was Planckeen van de eersten die er weer vanuit ging dat licht een deeltjes verschijnsel is. Hij deed dit puur om kloppende resultaten te krijgen bij het black body experiment, maar het was doorslaggevend genoeg om grote scheuren aan te brengen in de fundamenten van de klassieke mechanica.

Einstein las over de wet van Planck en bedacht een experiment om echt te testen of licht in pakketjes voorkomt. Als men met een lamp op een stuk metaal schijnt dat is aangesloten aan een gebroken stroomkring zoals hieronder weergeven, zal er een deel van de elektronen van het metaal in aangeslagen toestand komen. Wanneer de elektronen weer terug vallen komt er iets vrij waardoor de stroomkring gesloten raakt en de stroommeter een stroom zal waarnemen.

Afbeelding 4, Het foto-elektrisch effect.

ZIE BIJLAGE VOOR HET PROFIELWERKSTUK