De natuurkunde bestaat al meer dan een eeuw naast een breuk waar we nog steeds last van hebben. Aan de ene kant is er de algemene relativiteitstheorie, die de beweging van sterren, planeten en sterrenstelsels met spectaculaire precisie beschrijft. Aan de andere kant is er de kwantummechanica, die de kleine wereld van deeltjes bestuurt en zich beweegt volgens regels die, als je goed kijkt, geschreven lijken te zijn door iemand met een sterke smaak voor paradox. Ze tot overeenstemming krijgen blijft een van de moeilijkste problemen in de hedendaagse natuurkunde.
Nu heeft een groep onderzoekers van de Australian National University een belangrijk stuk toegevoegd: ze hebben verstrengeling waargenomen in de beweging van ultrakoude heliumatomen, dat wil zeggen in objecten die massa hebben en daarom ook worden beïnvloed door de zwaartekracht. En dit is precies het punt dat het experiment interessant maakt: het brengt een van de vreemdste effecten van de kwantumfysica naar een veld dat ook nauw verbonden is met de relativiteitstheorie.
Jarenlang is verstrengeling vooral in licht waargenomen, maar deze keer verschijnt echte materie, gemaakt van atomen die vallen en de zwaartekracht voelen.
Verstrengeling is een van de meest verrassende verschijnselen in de moderne natuurkunde. Wanneer twee deeltjes verstrengeld zijn, blijft hun toestand verbonden, zelfs als ze uit elkaar bewegen. Het meten van een van de twee betekent dat je direct invloed hebt op de beschrijving van de ander. Deze binding is vele malen waargenomen, vooral bij fotonen, dat wil zeggen lichtdeeltjes. Fotonen hebben echter geen rustmassa. Ze werken prima om kwantumvreemdheid aan te tonen, maar ze helpen minder als we proberen te begrijpen wat er gebeurt op het punt waar de kwantumfysica de zwaartekracht ontmoet.
De heliumatomen die in dit onderzoek worden gebruikt, veranderen het beeld. Ze hebben massa, dus ze vallen, bewegen en volgen materiële paden. De onderzoekers koelden ze af tot temperaturen die heel dicht bij het absolute nulpunt lagen, een extreem niveau waarop materie in een bepaalde toestand terechtkomt die een Bose-Einstein-condensaat wordt genoemd. Onder dergelijke omstandigheden wordt kwantumgedrag op een meer controleerbare schaal waarneembaar, bijna alsof de vreemdheid die gewoonlijk verborgen blijft beter zichtbaar wordt.
Toen botste het team op deze wolken van ultrakoude atomen. Uit de botsing kwamen paren atomen voort die met elkaar verbonden waren. Het verrassende deel komt daarna: in de taal van de kwantummechanica kunnen atomen zich in een superpositie van paden bevinden, dat wil zeggen dat ze zich gedragen alsof ze meerdere trajecten tegelijkertijd volgen. Daarom praten we op twee plaatsen tegelijk over atomen. Het is een journalistieke vereenvoudiging, maar het geeft een idee van het fenomeen: vóór de meting beschrijft de natuurkunde het deeltje als verdeeld over verschillende mogelijkheden.
De wetenschappers observeerden de atomen terwijl ze naar de detector vielen
Om te verifiëren dat dit geen wiskundige illusie was, lieten de onderzoekers de atomen naar een detector vallen. Tijdens de reis overlapten de verschillende padmogelijkheden elkaar en veroorzaakten een effect dat typisch is voor de kwantumfysica: interferentie. Het is hetzelfde principe dat laat zien hoe een deeltje zich ook als een golf kan gedragen. Wanneer deze mogelijkheden elkaar kruisen, laten ze een leesbare handtekening achter in de gegevens.
Het door het team gekozen helium heeft ook een belangrijk technisch voordeel. De atomen die in het experiment worden gebruikt, bevinden zich in een aangeslagen toestand waardoor de onderzoekers ze met grote precisie kunnen registreren wanneer ze bij de detector aankomen. In de praktijk weten ze heel goed te reconstrueren waar ze eindigen en met welk momentum. Deze stap is doorslaggevend, omdat het experiment juist bedoeld is om aan te tonen dat de beweging van de twee atomen kwantumgekoppeld blijft.
De resultaten gaven een krachtig signaal. De metingen toonden een schending aan van de ongelijkheid van Bell, een wiskundig hulpmiddel dat beroemd is omdat het dient om de kwantumfysica te onderscheiden van klassieke verklaringen op basis van eigenschappen die al vooraf zijn vastgesteld. Simpel gezegd: de gegevens die het team verzamelde geven aan dat de atomen niet alleen een vooraf geschreven verborgen script volgden. Hun band was reëel en kwantum.
Daarom wordt het onderzoek als een belangrijke stap gezien. De kwantumfysica heeft zich al vele malen van haar vreemdste kant laten zien. Deze keer komt die kant echter naar voren in een systeem gemaakt van atomen met massa, dus in een context die zich veel beter leent voor toekomstige tests op de zwaartekracht. Het is een niveauverandering. Vreemdheid is niet langer beperkt tot licht of de interne eigenschappen van deeltjes, maar wordt zichtbaar in hun beweging in de ruimte.
Het basisidee is eenvoudig te zeggen en zeer moeilijk te bestuderen. Als een atoom meerdere kwantumpaden kan volgen, en elk pad de zwaartekracht iets anders kan voelen, dan wordt het logisch om je af te vragen hoe je dit allemaal binnen de algemene relativiteitstheorie kunt beschrijven. Het volledige antwoord ontbreekt nog. Dit is precies waarom dit soort experimenten ertoe doen: ze bouwen de brug stukje bij beetje, zonder wonderen te beloven en zonder stappen over te slaan.
Het pad blijft lang. De onderzoekers leggen zelf uit dat om een van de belangrijkste experimentele zwakke punten, de zogenaamde ‘locity maas in de wet’, te dichten, grotere afstanden tussen atomen en grotere instrumenten nodig zullen zijn. Tegenwoordig heeft de detector beperkte afmetingen. Het op grotere schaal brengen van dit plan zal jaren van werk en grote financiering vergen. De richting is echter duidelijk.
Er is ook een toekomstige passage die natuurkundigen enorm intrigeert. Het team hoopt verschillende isotopen met elkaar te verstrengelen, zoals helium-3 en helium-4, die verschillende massa’s hebben. Een dergelijke test zou kunnen helpen het gelijkwaardigheidsprincipe, een van de centrale ideeën van de algemene relativiteitstheorie, op een kwantummanier te verifiëren. Op dat moment zou de afstand tussen de wereld van Einstein en de kwantumwereld nog iets kleiner worden. Voorlopig blijven er bevroren atomen over die vallen, opgesplitst in meerdere mogelijkheden en de natuurkunde met zijn oude scheur achterlaten.
Mogelijk bent u ook geïnteresseerd in:
