‘Extreem sterk magnetisch veld verandert vacuüm in een supergeleidende superlens’

De extreme magnetische velden vlak na de Big Bang moeten het Niets uit elkaar getrokken hebben. Hierbij vormde zich tijdelijk een supergeleidend, exotisch metamateriaal met heel vreemde optische eigenschappen. Zouden we hier sporen van kunnen ontdekken in de kosmische achtergrondstraling?

Dat het vacuüm niet zo leeg is als het lijkt weten fysici al heel lang. Ze hebben aangetoond dat uit de fundamentele kwantumonzekerheid volgt dat er geen absolute leegte bestaat. Bestond die namelijk wel, dan was het van een gebiedje absoluut zeker dat dit energie nul had. Het gevolg: dit is niet zeker, dus verschijnen en verdwijnen virtuele deeltjes voortdurend. Soms kunnen deze virtuele deeltjes reëel worden. In de praktijk gebeurt dat als door een of ander proces, een extreem sterk veld bijvoorbeeld, de virtuele deeltjes genoeg energie krijgen om ‘echt’ te worden. Een extreem sterk elektrisch veld laat bijvoorbeeld paren elektronen en positronen uit het niets ontstaan.

Een paar maanden geleden beschreef de Russische natuurkundige Maxim Chernodub hoe een extreem sterk magnetisch veld, elektrisch geladen rho-mesonen kan genereren die zich gedragen als een supergeleider. Je kunt  je hierbij voorstellen dat het Niets door het extreem sterke magnetische veld uit elkaar getrokken wordt en verandert in een zee van deeltjes: een condensaat. Nu neemt zijn landgenoot Igor Smolyaninov het stokje over met een nog radicalere, maar wetenschappelijk gezien nog steeds valide theorie. Ook Smolyaninov is her al eerder voorbij gekomen. Met behulp van een metamateriaal heeft hij aangetoond wat er gebeurt als de tijd plotseling stopt en, eerder, dat tijdreizen in de klassieke zin van het woord natuurkundig niet mogelijk is. Hij heeft met behulp van metamaterialen, materialen met een complexe inwendige structuur, dingen als zwarte gaten en kwantumschuim gesimuleerd. Hij gebruikte zijn kennis van metamaterialen om aan te tonen dat het bizarre geladen rho-meson condensaat zich precies als een metamateriaal gedraagt. Met andere woorden: het is een ‘materiaal’ met zeer vreemde optische eigenschappen, zoals een negatieve brekingsindex.

Als dit magnetische veld de juiste verdeling heeft in de ruimte, is het mogelijk voor dit supergeleidende rho-meson condensaat om licht te bundelen als een superlens. Of, zelfs licht op te slokken als een zwart gat. De vereiste magnetische veldsterkte is overigens absurd hoog. Het record voor een elektromagneetveld staat op 22 tesla, de sterkste veldsterkte ooit werd in een fractie van een seconde bereikt en was rond de honderd tesla. Ter vergelijking: het aardmagnetisch veld is maar een tienduizendste tesla, de allersterkste permanente samarium magneten, die je beter niet op elkaar kan laten vliegen, haalt met pijn en moeite één tesla. We hebben het hier over een verpletterende 10¹⁶ tesla. Honderd biljoen keer zo sterk als het absolute wereldrecord dus. Op aarde is dit (gelukkig) onhaalbaar. Ook de sterkste magneetvelden in het heelal die we kennen, die van magnetische neutronensterren, halen ‘slechts’ 10¹¹ tesla. Deze sterkte is overigens al dodelijk.

Volgens zowel Smolyaninov als Chernodub moeten magnetische velden vlak na de Big Bang krachtig genoeg zijn geweest om deze supergeleidende condensaten te produceren. Smolyaninov denkt dat deze condensaten indrukken hebben achtergelaten in de grootschalige structuur van het tegenwoordige universum. Variaties in de achtergrondstraling dus. Ook is het goed mogelijk dat door dit soort effecten de lang gezochte oneffenheden zijn ontstaan waaruit zich melkwegclusters hebben gevormd.

Bron
Igor I. Smolyaninov, Vacuum as a hyperbolic metamaterial, ArXiv (2011)