(Dit artikel is eerder verschenen in de NVOX quantum special, april 2025)
In schoolboeken worden wetenschappelijke onderwerpen vaak vereenvoudigd. Heel nuttig voor de begrijpelijkheid, maar het kan leiden tot misvattingen over de aard van wetenschap (de ‘Nature of Science’). Belangrijke nuances en de complexiteit van wetenschappelijke methoden worden weggelaten, waardoor leerlingen modellen als realiteit kunnen zien, wetenschap als absoluut en onveranderlijk beschouwen, of denken dat wetenschap alleen voor genieën is weggelegd.
De kunst als docent is om niet alleen de examenstof te behandelen, maar om leerlingen ook mee te nemen in het proces van wetenschap: een menselijk en dynamisch proces, waaraan veel mensen bijdragen en dat voortdurend wordt herzien. Een goed begrip van de Nature of Science is minstens zo belangrijk als het kunnen hanteren van formules of het onthouden van feiten (Stadermann & Dekkers, 2024). In een wereld vol informatie en misinformatie is het cruciaal dat jonge mensen leren hoe wetenschappelijke verklaringen tot stand komen. Dit is niet alleen belangrijk voor een diversere instroom in natuurwetenschappelijke studies, maar ook voor de samenleving als geheel: burgerschap! Wie een goed begrip heeft van de Nature of Science, kan beter onderscheid maken tussen onderbouwde bevindingen en onbewezen beweringen.
Quantumfysica als kans
Quantumfysica als kans In mijn eigen onderzoek ontdekte ik dat juist de quantumfysica vol zit met mogelijkheden om Nature of Science te bespreken. Je kunt bijvoorbeeld niet om het nut en de grenzen van modellen heen als je de golf-deeltje-dualiteit aan leerlingen wilt uitleggen. Docenten waarderen bovendien de boeiende verhalen over twijfelende en discussiërende wetenschappers in de beginjaren van de quantumfysica. Deze verhalen maken de wetenschap ‘warmer’ en toegankelijker dan wanneer je leerlingen alleen een formule voorschotelt.
Helaas bevatten veel lesmethodes historisch en wetenschappelijk onjuiste verhalen. Soms zijn deze door wetenschappers zelf in omloop gebracht en vaak nemen auteurs zulke onjuistheden van elkaar over omdat het een plausibele verhaallijn oplevert. Ik wil hier enkele voorbeelden bespreken om te laten zien dat de meer complexe wetenschaps- verhalen leerlingen juist enthousiast kunnen maken voor natuurkunde en hen een realistischer beeld van wetenschap geven.
Foto-elektrisch effect
In veel leerboeken (en zelfs de examensyllabus van 2024) wordt het foto-elektrisch effect gepresenteerd als het bewijs dat licht uit fotonen bestaat. Dit is echter een voorbeeld van wat quasi-historie wordt genoemd: een mix van ware en onware onderdelen om een ogenschijnlijk logisch verhaal te vertellen (Passon, 2022).
Einstein stelde in 1905 dat het foto-elektrisch effect verklaard kan worden door aan te nemen dat licht uit energiequanta bestaat. Maar hij noemde dit expliciet een heuristisch perspectief, zie figuur 1 (Einstein, 1905). Zijn hypothese was wel revolutionair, maar vanuit historisch perspectief was het vooral een interessante, maar achterhaalde tussenstap in de ontwikkeling van de quantumfysica. Al in 1926 en 1927 toonden de natuurkundigen Wentzel en Beck aan dat het foto-elektrisch effect ook beschreven kan worden door klassieke elektromagnetische golven. In deze beschrijving neemt de vaste stof discrete energieporties uit een continu veld op (een semi-klassieke benadering).
Uiteraard, Einsteins formule Ekin = h * f - Euittree beschrijft het fenomeen elegant als we het bestaan van lichtquanta aannemen, maar dit is geen dwingende eis. Voor de duidelijkheid hier nog een keer de redenatiefout:
Einstein zei: “ALS er energiequanta van licht zijn, DAN verklaart dat het foto-elektrisch effect”. De redenering wordt vaak onterecht omgedraaid: “Het effect bestaat, DUS moeten er fotonen bestaan”.
Met deze analoge redenering kun je de redenatiefout voor leerlingen nog duidelijker maken:
- ALS er eenhoorns zijn, DAN kan dat verklaren waarom ik soms hoefafdrukken in het bos vind.
- Ik heb hoefafdrukken gevonden in het bos, DUS eenhoorns bestaan.
Het bewijs dat velen overtuigde van het bestaan van fotonen kwam niet van Einsteins verklaring van het foto-elektrisch effect maar van de experimenten van Arthur Compton over de verstrooiing van γ-straling, waarvoor hij in 1927 de Nobelprijs ontving. Ironisch genoeg werd in dat jaar ook het Compton-effect semi-klassiek verklaard door Schrödinger. Verhalen van grote wetenschappers, die ook fouten maken, vinden leerlingen niet alleen leuk, maar zorgen ook voor een realistischere kijk op wetenschap. Je kunt nog verder gaan: Laat leerlingen uitzoeken uit welk experiment we echt onbetwistbare de conclusies kunnen trekken dat fotonen bestaan.
DUS eenhoorns bestaan!
De Heisenberg-microscoop
Een ander veelvoorkomend misverstand is de verklaring van de onbepaaldheidsrelatie van Heisenberg met behulp van de zogenaamde Heisenberg-microscoop. In dit gedachte-experiment wordt een foton gebruikt om de positie van een elektron te meten. Het foton weerkaatst van het elektron en veranderd daarbij de impuls (snelheid en richting) van het elektron. Hoe korter de golflengte, hoe beter je de positie kunt ‘zien’ (volgens de wetten van optica). Maar licht met een korte golflengte heeft een hoge energie en verandert de impuls van het elektron des te meer. Deze uitleg suggereert dat de onbepaaldheid alleen het gevolg is van de verstoring door het meetproces. In werkelijkheid is de onbepaaldheidsrelatie een fundamentele eigenschap van quantumsystemen, die ook geldt zonder dat wij een meting uitvoeren.
Meerdere interpretaties
Quantummechanica in leerboeken wordt vaak gepresenteerd alsof de Kopenhaagse interpretatie de enige juiste is. Andere consistente interpretaties, zoals de veel-we- reldeninterpretatie van Everett en de De Broglie-Bohmtheorie (ook wel pilotgolf-theorie genoemd), blijven daarbij vaak onbesproken. Erger nog, en veelvoorkomend, is dat leerboeken helemaal niet vermelden welke interpretatie ze hanteren. Dit is niet alleen onvolledig, maar ook een gemiste kans om leerlingen de diversiteit en dynamiek van wetenschap te laten zien. Verschillende interpretaties illustreren juist dat wetenschap een proces is en dat er ruimte is voor discussie en verschillende perspectieven.
Het Veritasium filmpje ‘Is This What Quantum Mechanics Looks Like?’ is een uitstekend startpunt om in de klas te laten zien dat wetenschappers het niet altijd met elkaar eens zijn en dat concurrerende theorieën vaak hun eigen sterke en zwakke punten hebben. Voor veel leerlingen is dit een eyeopener, omdat het laat zien dat het in de wetenschap niet altijd om goed of fout gaat. Uit een kleinschalige steekproef onder twintig leerlingen in mijn onderzoek kwam naar voren dat veel van hen juist de Broglie-Bohm-interpretatie aantrekkelijker vonden dan de meer bekende Kopenhaagse interpretatie.
Conclusie
Dit waren maar een paar van de veelvoorkomende fouten die je beter kunt vermijden. Want, als wij de complexiteit van wetenschap niet uit de weg gaan, kunnen we leerlingen een realistischer en inspirerender beeld van natuurkunde geven. Denk ook niet dat jij alles hoeft te weten. Een 6 vwo klas waardeert het juist vaak als ze zien dat hun docent ook nog nieuwsgierig is en wil leren. Laat onze lessen wat wetenschappelijker worden: vol twijfel, discussie en menselijke creativiteit. Want juist daarin schuilt de ware schoonheid van wetenschap.
Bronnen:
- Einstein, A. (1905). Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt. Annalen der Physik, 17, 132-148.
- Passon, O. (2022). The Quasi-History of Early Quantum Theory. Physics, 4(3), 880-891.
- Stadermann, H. K. E., & Dekkers, P. (2024). Meer dan feiten - Hoe Nature of Science de les verrijkt. NVOX-2024-8, oktober, 16-17.
- Stadermann, H. K. E., & Goedhart, M. J. (2021). Why and how teachers use nature of science in teaching quantum physics. Physical Review Physics Education Research, 17(2), 020132.
- Het Veritasium filmpje ‘Is This What Quantum Mechanics Looks Like? ’https://www.youtube.com/watch?v=WIyTZDHuarQ&ab_channel=Veritasium
