Limiet van Heisenberg gekraakt

Share Button

Experimentatoren zijn er in geslaagd om één van de meest fundamentele natuurkundige barrières te kraken: de onzekerheidslimiet van Heisenberg die bepaalt hoe nauwkeurig we iets kunnen meten. Wat voor nieuwe natuurkunde en techniek liggen nu binnen bereik?

Aan de basis van alle kwantummechanica ligt één natuurconstante: h, de constante van Planck. Dit getal geeft aan hoe precies we een combinatie van twee eigenschappen van een kwantumdeeltje kunnen weten. Hoe preciezer we bijvoorbeeld de energie van een deeltje weten, hoe onzekerder de tijd van het deeltje wordt (er zijn meer combinaties, bijvoorbeeld impuls en plaats). Dit heet de onzekerheidsrelatie van Heisenberg. In formulevorm: \Delta E \Delta t \geq \frac{\hbar}{2}, dus: als de energie bijvoorbeeld twee keer zo nauwkeurig bekend is, wordt de tijd twee keer zo onnauwkeurig bekend.
De paradoxale consequentie: er ‘bestaan’ virtuele deeltjes, omdat we voor een zeer korte tijd niet kunnen uitsluiten dat er deeltjes bestaan in een gegeven ruimte. Inderdaad wijzen experimentele metingen uit dat dat klopt: elektronen, bijvoorbeeld, lijken “afgeschermd” te worden door een wolk spookdeeltjes. Het vacuüm is dus inderdaad gevuld met een ziedende zee van spookdeeltjes met een energie van netto nul…

Bose-Einstein condensaten: koude leidt tot kuddegedrag
Toch blijkt het mogelijk te zijn om de onneembare limiet van Heisenberg te kraken, toonden onderzoekers aan.

Bose-Einstein condensaat. Hoe lager de temperatuur zakt (rechts), hoe meer atomen zich gaan gedragen als één atoom.

Bose-Einstein condensaat. Hoe lager de temperatuur zakt (rechts), hoe meer atomen zich gaan gedragen als één atoom.

Mario Napolitano en zijn collega’s van het instituut voor fotonische wetenschappen in Barcelona kregen dit huzarenstukje voor elkaar door bijna de complete experimentele trukendoos uit de kast te trekken. Zo fabriceerden ze een zogeheten Bose-Einstein condensaat van extreem koude rubidiumatomen (rubidium is een zwaar, chemisch erg reactief metaal met een smeltpunt van 39 graden. Je kan er erg makkelijk Bose-Einstein condensaten mee maken). Hoe langzamer een kwantumdeeltje beweegt, hoe langer de golflengte van de bijbehorende waarschijnlijkheidsgolf (m.a.w. hoe onzekerder de plaats). De rubidiumatomen waren zo sterk afgekoeld dat hun waarschijnlijkheidsgolven veranderen in wazige vlekken en ze elkaar gaan overlappen. Dan gebeurt iets uiterst merkwaardigs. De atomen vergeten hierdoor hun afzonderlijke identiteit en vormen één geheel. Einstein en Satyendra Nath Bose, een Indiase natuurkundige, voorspelden het bestaan van deze vorm van materie, maar pas nu is onze koeling goed genoeg om deze bizarre materietoestand te maken. In dit experiment bestond het condensaat uit ongeveer een miljoen atomen.

Traag licht wordt extreem gevoelig
In deze experimenten werd gebruik gemaakt van licht om het uiterst zwakke magnetische veld van de rubidiumatomen te meten. In deze bizarre condensaten verandert de snelheid van licht in een slakkengang. Lichtdeeltjes krijgen als het ware een ‘massa’. Hierdoor gingen de lichtdeeltjes ook op elkaar reageren en konden met elkaar worden verstrengeld. Bij klassieke metingen, waarbij de lichtdeeltjes onderling geen verband hebben, neemt de nauwkeurigheid evenredig toe met het aantal deeltjes. Hangen de lichtdeeltjes met elkaar samen, dan neemt de meetnauwkeurigheid veel sneller toe: met de macht 3/2, dus twee keer zoveel deeltjes betekent dan niet twee keer zo nauwkeurig, maar 2,8 maal zo nauwkeurig. Meer dan de onzekerheidslimiet van Heisenberg eigenlijk toestaat (alhoewel licht zich hier uiteraard als massa gedraagt). Het gevolg hiervan was dat de sterkte van het magnetische veld veel nauwkeuriger bekend werd dan mogelijk was geweest als het licht niet uit met elkaar verstrengelde deeltjes had bestaan.

Zwaartekrachtsgolven jagen voor een prikje
Napolitano en de zijnen willen deze truc nu toepassen om op zwaartekrachtsgolf-jacht te gaan. Zwaartekrachtsgolven worden voorspeld door Einsteins algemene-relativiteitstheorie. Als twee zware voorwerpen (bijvoorbeeld neutronensterren) om elkaar heendraaien, ontstaat er een soort boeggolf van ruimtetijd die zich verspreidt in de ruimte. Als een zwaartekrachtsgolf passeert, wordt alles in zijn baan uitgerekt en dan weer samengeperst, of, anders geformuleerd, wordt de tijd vertraagd en dan weer versneld. Tot frustratie van natuurkundigen is er na een halve eeuw nog niets gevonden wat op een zwaartekrachtsgolf lijkt. Geen wonder: bijvoorbeeld de aarde zendt evenveel zwaartekrachtsenergie uit als een gloeilamp: enkele tientallen watt. Voor je nulpuntsenergiecentrale moet je dus wat anders verzinnen.

Op dit moment staan er peperdure (tegen het miljard dollar) satellieten in de planning die zwaartekrachtsgolven moeten gaan meten. Deze satellieten staan miljoenen kilometers afstand van elkaar. De bedoeling is om op die manier met behulp van een extreem nauwkeurige laserinterferometer vervormingen in de ruimte te kunnen meten. Napolitano en de zijnen denken dat als ze hun ijskoude wolkje atomen opvoeren, ze voor veel minder geld een even gevoelig zwaartekrachtsgolfmetend systeem kunnen bouwen.

Bronnen
New Scientist
Nature, DOI: 10.1038/nature09778)

Share Button

Germen

Hoofdredacteur en analist (Visionair.nl) Expertise: biologische productiesystemen (master), natuurkunde (gedeeltelijek bachelor), informatica

Dit vind je misschien ook interessant:

4 reacties

  1. Barry schreef:

    Het is leuk als je van 1 miljoen atomen 1 mega atoom kan maken, als ik het artikel goed heb begrepen zou je dit dus ook kunnen herhalen en zo´n grote atomen kunnen creeeren dat de boeggolf van ruimtetijd rondom die atomen een heel mens zou kunnen omvatten met als gevolg dat die persoon voor altijd in een tijdloze toestand gezet kan worden. Wat je hiermee dus zou kunnen realiseren is dus dat je mensen voor zeer lange tijd in stase kan zetten voor lange ruimtereizen.

  2. Renaissance schreef:

    Ahem ### Als een zwaartekrachtsgolf passeert, wordt alles in zijn baan uitgerekt en dan weer samengeperst, of, anders geformuleerd, “”wordt de tijd vertraagd”” en dan weer versneld#

    Dat Betekent Dat Simpelweg Twee of Méér (Dimensies)Atoomklokken Vergelijken ELKE Zwaartekrachtgolf ZOUDEN detecteren

  3. ingewikkeld schreef:

    Moet de “formule” van Heisenberg nu worden aangepast? Of loop ik nu vooruit op de dingen?

  4. PB schreef:

    Wat is zwaartekracht:quarks hebben een zwak magnetisch veld,atomen iets sterker,een bol atomen nog sterker,onze aarde nog sterker,onze zon nog sterker,ons zonnestelsel nog sterker,etc,etc.Kortom alles is electromagnetisch daardoor is er een schijnbare zwaartekracht.En de meetbaarheid van Heisenberg is te meten.

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Verplichte velden zijn gemarkeerd met *

Advertisment ad adsense adlogger