Wie op zoek gaat naar voorbeelden van quantumfysica hoeft niet altijd ver te zoeken. Het is voldoende om stil te staan bij dingen die je eigenlijk voor lief neemt. In dit artikel bekijken we de interactie tussen licht en glas wat beter. We hebben daarbij een activiteit ontwikkeld voor leerlingen om kennis te maken met het quantumgedrag van licht.
Wie kijkt naar figuur 1a kan denken dat in de kamer achter de deur twee kopieerapparaten staan. Maar doe je de deur open (figuur 1b), dan blijkt dat de kopieerapparaten daar helemaal niet zijn. Ze stonden niet voor, maar achter de fotograaf! In de glazen ruit was slechts het spiegelbeeld te zien. In de kamer staan wel een kast, tafel en stoelen. Die zijn, als je goed kijkt, ook al te zien in figuur 1a. De glazen ruit werkt dus als een spiegel maar kan ook licht doorlaten. Een stukje glas dat we speciaal hiervoor ontwerpen noem je een straalsplitser of ‘beam splitter’.
Peppers Spook
Dat doorzichtige materialen licht deels doorlaten en deels reflecteren vormt de basis voor een optische illusie die bekend staat als ‘Pepper’s Ghost’, vaak gebruikt in films, het theater en pretparken. Wie de attractie ‘Phantom Manor’ in Disneyland Parijs heeft bezocht, of de film ‘Home Alone’ kent, heeft- Pepper’s Ghost in actie gezien. Een felle lamp beschijnt een voorwerp of persoon buiten beeld. Het licht valt daarna op een halfdoor latende spiegel en wordt gereflecteerd naar de toeschouwer. Die ziet een spookachtige verschijning opdoemen in de scene. Zeker als de randen van het glas niet te zien zijn is de illusie heel overtuigend. Deze illusie werd in een eerdere NVOX al eens beschreven door Roger Rikken (Rikken, 2022).
Superpositie
De halfdoorlatende spiegel werkt dus als een beam splitter, maar we zien alleen het licht dat gereflecteerd wordt. Er gaat dus ook nog licht rechtdoor dat we niet waarnemen (want het komt niet in ons oog). Maar als licht bestaat uit individuele fotonen, hoe kiezen die dan of ze recht doorgaan of reflecteren? Het antwoord is: niet! Een foton dat de beam splitter raakt, komt in een nieuwe toestand terecht die we superpositie noemen: rechtdoor en reflecteren tegelijk, met een bepaalde kans om later het een of het ander waar te nemen. Maar tot die waarneming, of meting, plaatsvindt is er een fundamentele onzekerheid. Als een foton ondeelbaar is, zullen we bovendien nooit voor één foton allebei de mogelijkheden tegelijkertijd kunnen waarnemen, iets dat bekend staat als het ‘Hanburry Brown & Twiss-experiment’. Het kunnen maken en beïnvloeden van superposities is een vereiste voor een quantumcomputer en voor quantumcryptografie.
Echt quantum(?)
Maar is zo’n simpel stukje glas nu een voorbeeld van quantumtechnologie? Reflectie en transmissie van licht zijn ook prima te beschrijven met een klassieke theorie. Dan is het toch niet echt quantum? Wij hebben twee duidelijke redenen om Pepper’s Ghost en beam splitters (ook) in een quantumcontext te plaatsen. Allereerst: wie met optica werkt in een quantumlab, komt onherroepelijk de beam splitter tegen. Dat een beam splitter gebruikt wordt in een quantumlab is net zo vanzelfsprekend als dat er aardappels nodig zijn voor het maken van patat. Ten tweede: quantumfysica is een verbeterde beschrijving van de werkelijkheid die de klassieke natuurkunde in zich draagt en daarnaast ook nieuwe verschijnselen verklaart en voorspelt. Het experiment zelf verandert niet, wel ons begrip ervan. Om een begin te maken met het begrijpen van licht als quantumverschijnsel ligt er een bruggetje klaar. In de klassieke natuurkunde beschrijven de formules van Maxwell de intensiteit van een lichtgolf. In de quantumwereld verandert de betekenis van die formule in de kans om één lichtdeeltje (foton) op een bepaalde plek te vinden. De formule blijft hetzelfde, maar de betekenis wordt duidelijk anders: wat eerst de totale lichtgolf beschreef, wordt nu een beschrijving van een enkel foton.
Voor alle leeftijden
In 2024 hebben we een activiteit rond Pepper’s Ghost ontworpen voor een ‘art & science’ project met studenten van de Thomas More pabo. Zij hebben de illusie-techniek van het theater in het klein nage- bouwd. Geïnspireerd daardoor hebben we vervolgens een bouwplaat ontworpen die met een lasersnijder uit karton kan worden vervaardigd. Daarmee vouw je gemakkelijk een doos die bestaat uit twee armen. In de ene arm staat (bijvoorbeeld) een spookje dat schuin van boven wordt beschenen met een zaklamp. In de andere arm zie je het spookje verschijnen in een scene die je zelf kunt ontwerpen. In een uitsparing tussen de twee armen is het deksel van een CD-hoesje geklemd als beam splitter. Door leerlingen (en docenten!) zelf een kijkdoos te laten maken komt het onderwerp nog meer tot leven.
We hebben de kijkdoos de afgelopen maanden met verschillende groepen getest en verbeterd, onder andere met leerlingen van een basisschool tijdens het ‘Weekend van de Wetenschap’. Die hebben razendsnel door hoe de illusie werkt! Ook in de onderbouw van de middelbare school lijkt de activiteit aan te slaan als samenwerking tussen de kunstsectie en de NaSk-docenten. Dus met recht een activiteit waar alle leeftijden mee aan de slag kunnen!
Vervolg
Omdat de activiteit op allerlei niveaus goed wordt ontvangen, hebben we besloten een stansmes te maken voor de kijkdoos. Daarmee kan een grote oplage van 10.000 kijkdozen gemaakt worden die we beschikbaar stellen voor Wetenschap & Techniek-onderwijs op de basisschool. Voor docenten die zelf alvast een doos willen lasersnijden is de bouwplaat online op te vragen bij de auteurs. We hebben ook een Wikiwijs-pagina geschreven op het niveau van de basisschool waar docenten mee aan de slag kunnen. Deze kun je vinden via deze link
Dankwoord
We bedanken PABO Thomas More, de Makerspace van de faculteit TNW (TU Delft), de Maakotheek en Kringloop Delft.
Bronnen
- Rikken, R. (2022). Pepper’s Ghost als context bij vlakke spiegels. NVOX 2022, nummer 2, blz 6-7. https://newsroom.nvon.nl/files/default/6-7_NVOX22_TDS_NR-2.pdf
