Je leest:

Kwantumgekoelde spiegel zoekt zwaartekrachtgolven

Kwantumgekoelde spiegel zoekt zwaartekrachtgolven

Auteur: | 13 april 2007

Natuurkundigen van de Amerikaanse installatie LIGO proberen hun spiegels te verleiden tot kwantumgedrag. Door extreme koeling maken de zwaartekrachtexperts hun spiegel net zo trillingsvrij als een stilstaand atoom. Of de spiegel ook de bijbehorende regels van de kwantumwereld gaat volgen, is onduidelijk. De extreme koeling is vooral bedoeld om nauwkeuriger te meten aan Einstein’s zwaartekrachtsgolven.

Het team van natuurkundige Nergis Mavalvala van het Amerikaanse MIT beschrijft in de Physical Review Letters hoe ze een onderdeel van de gigantische LIGO-detector gaan koelen tot het volledig trillingsvrij wordt. Warmte is op atoomschaal niets anders dan trillende atomen en als alle atomen van een voorwerp stilstaan, is het aangekomen op het absolute nulpunt, 0 Kelvin of – 273,15 oC. De spiegel wordt vastgehouden door een laserbundel en de beweging van zijn atoom wordt gedempt met een tweede laser.

Wat doet een spiegel bij 273 graden onder nul? Misschien gedraagt hij zich als één gigantisch atoom, compleet met vreemde kwantumeffecten.

De LIGO-spiegel (kleine cirkel middenin de metalen ring) wordt tot vlak boven het absolute nulpunt gekoeld. Zonder de beweging van zijn atomen helpt de spiegel zoeken naar gravitatiegolven – maar misschien ontdekt het LIGO-team ook een nieuw kwantumverschijnsel. bron: Christopher Wipf/MIT.

Kwantum kunstjes

Stoelen staat niet op twee plaatsen tegelijk en mensen verdwijnen niet aan één kant van een muur om aan de andere weer te verschijnen. Maar pak de losse deeltjes waaruit grote voorwerpen bestaan, en ieder voor zich voeren ze die kunstjes aan de lopende band uit. Zulk kwantumgedrag is normaal voorbehouden aan losse atomen of andere kleine deeltjes. Grote groepen van die deeltjes deeltjes verstoren elkaars kwantumaspect door onderlinge botsingen. Dan blijft alleen het normale, alledaagse gedrag van een stoel op één plek over.

Wat gebeurt er als je een materiaal zó ver afkoelt dat de atomen erin bijna stilstaan? Wolkjes rubidiumgas versmelten dan tot één collectief superdeeltje (een Bose-Einstein-condensaat) met allerlei kwantumeigenschappen als supervloeibaarheid. Misschien gaat ook de supergekoelde spiegel van LIGO vreemde dingen doen, zoals tegelijkertijd op twee plaatsen in de laserbundel zijn. Dat is zichtbaar in het lasersignaal: een mooie test van de grenzen van de kwantummechanica, die de wereld van het allerkleinste beschrijft.

De LIGO-installatie bij het Amerikaanse Hanford. bron: LIGO.

Relativiteit

De natuurkundigen van LIGO (Laser Interferometer Gravitational wave Observatory) zijn niet aangenomen om te denken over kwantummechanica. Ze testen de relativiteitstheorie van Einstein en zoeken naar rimpelingen in de ruimtetijd. Die ontstaan bij snel bewegende reuzenmassa’s zoals botsende zwarte gaten of ineenstortende sterren. Als een gravitatiegolf voorbij komt, worden afstanden een atoomlengte (minder dan een miljardste meter) groter of kleiner. Dat is alleen te zien met een afgrijselijk nauwkeurige meetlat.

Bij de twee installaties van LIGO in Hanford en Livingston lopen in tweeën gesplitste laserbundels door kilometerslange tunnels, haaks op elkaar. Normaal zijn de lasers zo uitgelijnd dat hun lichtgolven elkaar uitdoven; beweegt de golf van de ene bundel omhoog, dan duikt de ander juist omlaag. De totale lichtintensiteit is dan nul. Komt er een gravitatiegolf voorbij, dan wordt de ene tunnel een fractie van een seconde korter dan de andere. De twee laserbundels doven elkaar niet meer uit en de detector pikt een restantje licht op.

Twee compacte sterren die in een nauwe baan om elkaar heen draaien, veroorzaken rimpelingen in de ruimte-tijd. Dat is vergelijkbaar met de rimpelingen op een wateroppervlak nadat een steentje in het water is gegooid. Deze zwaartekrachtsgolven kunnen in de nabije toekomst met zeer nauwkeurige instrumenten gemeten worden. bron: K.Thorne (Caltech), T.Carnahan (NASA GSFC).

Zijn er wel bronnen van zwaartekrachtgolven in onze melkweg? De Nijmeegse sterrenkundige Gijs Roelofs heeft onderzoek gedaan aan compacte dubbelsterren die Einstein’s golven zouden opwekken. Roelofs bekeek dubbelsterren van witte dwergen, de uitgebrande kernen van sterren als onze zon. Als die in een tweeling om elkaar draaien, kunnen ze in de loop der tijd steeds dichter bij elkaar komen. Hoe sneller ze om elkaar draaien, hoe sterker de opgewekte gravitatiegolven.

LIGO’s opvolger in de ruimte, de Laser Interferometer Space Antenna (LISA), wordt volgens Roelofs zó nauwkeurig dat ze de zwaartekrachtgolven van zulke compacte dubbelsterren kan zien. De vondst zou Einstein’s relativiteitstheorie nog eens verder bevestigen – of juist barsten erin laten zien als de golven er anders uitzien dan berekend.

Kwantumgedrag

Gravitatiegolven

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 13 april 2007

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.