Kwantumschuim aangetoond op een bureautafel?

Vergeet miljarden euro’s verslindende mega-detectoren als de zwaartekrachtsgolfdetector LIGO en reusachtige ondergrondse versnellers. Volgens Jacob Bekenstein, een van de grondleggers van de entropische benadering van zwarte gaten, kan een van de allergrootste vragen van de moderne natuurkunde, of ruimtetijd op zeer klein niveau uit kwantumschuim bestaat, worden beantwoord met een verbluffend eenvoudig experiment.

Grootschalige experimenten steeds meer de regel
Allemaal dromen we van de tijd, nog niet eens zo heel lang geleden, dat het mogelijk was wereldschokkende ontdekkingen te doen met alleen wat vrij eenvoudige laboratoriumapparatuur, fantasie en wetenschappelijke zorgvuldigheid. Experimenten als de Slinger van Foucault, de interferometer van Michelson en Morley (die de ethertheorie naar de prullenbak verwees) en het spletenexperiment van Young, herhaald met elektronen (waarmee bewezen is dat elektronen zowel een deeltjes- als een golfkarakter hebben), bewezen alle met vrij weinig middelen nieuwe, gedurfde hypotheses. Die tijd lijkt voorbij met de komst van monsterversnellers als het LHC en de enorme experimentele fusiereactor ITER, maar schijn bedriegt. Ook nu nog zijn er natuurkundigen die hun verbeelding durven te gebruiken en zelfs een zeer diepgravende onderzoeksvraag kunnen vertalen in een eenvoudig realiseerbaar experiment.

Is het heelal op zeer kleine schaal korrelig?
Waaronder Jacob Bekenstein. De onderzoeksvraag die voorligt is of het heelal waarin we leven op zeer kleine schaal nog steeds glad is, zoals in onze dagelijkse leefwereld, of korrelig wordt. Deze schaal is echt extreem klein: de Plancklengte, de lengte waaronder ruimtetijd volgens velen korrelig wordt, is 1.616199 × 10^-35 meter. Deze korreligheid heeft te maken met het onzekerheidsprincipe van Heisenberg. Dit stelt onder meer dat hoe kleiner de afstand, hoe onzekerder het is dat de massa van het vacuüm in dit gebiedje inderdaad nul is. 1.616199 × 10^-35 meter is erg klein, zelfs 10²⁰ maal kleiner dan de diameter van een proton. Bij deze schaal wordt de onzekerheid over de massa zo groot dat er zich zeer kortdurende zwarte gaten en wormtunnels vormen. Hierdoor is ruimtetijd niet meer vlak, maar krijgt de aard van een soort schuim: het kwantumschuim. In theorie, uiteraard. Fysici wanhopen of deze schaal ooit bereikt kan worden, zelfs in de verre toekomst.

Het plan van Bekenstein
Bekenstein wil een blok glas een Plancklengte laten bewegen door er een foton doorheen te laten bewegen. Licht (een foton is een elementair lichtdeeltje) heeft weliswaar geen massa, maar wel impuls. Om die impuls gaat het. Als het licht door het blok glas valt, draagt het impuls over aan het blok. Als het foton het blok glas verlaat, krijgt het die impuls weer terug, waardoor het blok weer tot stilstand komt. Het gevolg is dat het blok een elementaire, korte afstand beweegt. Bekenstein stelt dat als deze afstand kleiner is dan de Plancklengte, het blok niet kan bewegen en het foton er niet doorheen kan bewegen. Het experiment komt neer op het meten van het percentage fotonen dat door het blok kan bewegen. Is dit aantal kleiner dan de klassieke optica voorspelt, dan hebben we het kwantumschuim aangetoond. Sterker nog: natuurkundigen kunnen hierdoor nauwkeurig bepalen waar precies de Planck-grens ligt. De impuls per foton is namelijk nauwkeurig in te stellen door de golflengte van het foton anders te kiezen.

Eenvoudige labapparatuur voldoende
Er is maar één eis. Het blok glas moet, stelt Bekenstein in zijn artikel, tot onder de vier kelvin, minder dan vier graden boven het absolute nulpunt dus, worden afgekoeld om alle thermische trillingen (fononen) in het glas te voorkomen. Met vloeibaar helium is het vrij eenvoudig om deze temperatuur te bereiken, zelfs op een werktafel. Wel moet die werktafel dan op de maan of een andere omgeving met extreem diep vacuüm, zoals een vacuümkamer, staan.

Dit concept voor een experiment is revolutionair, maar mogelijk heeft Bekenstein een nu nog onbekende denkfout gemaakt. Collega’s zullen dus dit concept uitgebreid analyseren en zwakke punten op proberen te sporen. Blijkt het experiment foolproof en wordt het uitgevoerd, dan zullen de uitkomsten natuurkundig wereldnieuws zijn. Wordt het kwantumschuim inderdaad ontdekt, dan is dit een stevig duwtje in de rug voor theorieën die dit kwantumschuim veronderstellen, zoals loop quantum gravity en (mogelijk) de snaartheorie. Blijkt het kwantumschuim een mythe, dan is zwaartekracht iets heel anders dan de meeste natuurkundigen denken. Het is dan mogelijk dat zwaartekracht een entropisch fenomeen is (zoals Verlinde veronderstelt) of dat zwaartekracht het gevolg is van kwantumverstrengelingen. Kortom: ook dit zou de natuurkunde zoals we die kennen behoorlijk op zijn kop zetten en dit experiment in het hiervoor genoemde illustere rijtje van legendarische natuurkundeexperimenten plaatsen.

Bron
J. Bekenstein,  Is A Tabletop Search For Planck Scale Signals Feasible?, ArXiv (2012)