Het onderzoek van Valery Nesvizhevsky en consorten laat zien dat ook zwaartekracht quantumeffecten kan veroorzaken. Newton’s appel en de kwanta van plank liggen niet zo ver van elkaar als werd gedacht.
Er valt een appel uit een boom. Niet echt interessant misschien, maar dat wordt anders als je die appel meer dan een miljoen keer zo klein maakt. Dan blijkt hij niet gewoon te vallen maar in stapjes omlaag te springen, berichtte het tijdschrift Nature eind januari. Hiermee lijkt een brug geslagen tussen twee tot op heden onverenigbare theorieën in de natuurkunde: de kwantummechanica en de relativiteitstheorie van Einstein .
Zwaartekracht lijkt de meest begrijpelijke natuurkracht te zijn: iedereen weet dat als je iets loslaat, het naar de grond zal vallen. Al honderden jaren geleden formuleerde Newton een wiskundige beschrijving van de zwaartekracht en paste die toe op bekende waarnemingen van planeetbanen en de valbeweging. Einsteins relativiteitstheorie beschrijft de zwaartekracht nog nauwkeuriger dan Newton, maar houdt net zo min rekening met subtiele kwantummechanische effecten. Pogingen om deze effecten waar te nemen in zwaartekrachtsvelden zijn tot op heden op niets uitgelopen. Wel zijn er theorieën die de relativiteitstheorie en kwantummechanica proberen te verenigen, zoals de String-theorie en Loop Quantum Gravity-theorie.
De moeilijkheid is dat kwantummechanische verschijnselen alleen zichtbaar zijn op hele kleine afstanden, zoals de grootte van een atoom. Hoe zwakker de kracht, hoe kleiner de effecten worden. Aangezien de zwaartekracht de zwakste is van alle natuurkrachten, zijn de effecten bij deze kracht het kleinst en dus het moeilijkst te meten. Een probleem dat hiermee samenhangt, wordt gegeven door een belangrijke wet in de natuurkunde: het onzekerheidsprincipe van Heisenberg. Volgens het onzekerheidsprincipe kun je de energie van een deeltje alleen nauwkeurig bepalen, als je een lange meettijd voor lief neemt. Verder moeten de onderzoekers een experiment verzinnen waarin alle natuurkrachten behalve de zwaartekracht geen rol spelen, omdat anders de andere krachten, die veel sterker zijn, het effect van de zwaartekracht overstemmen.
Hoe kouder hoe langzamer
Onderzoekers onder leiding van Valery Nesvizhevsky van het Laue-Langevin instituut in Grenoble, hebben onlangs een manier gevonden om die kleine effecten in zwaartekrachts-energieën zichtbaar te maken. In hun experimenten gebruiken de wetenschappers ‘ultrakoude’ neutronen: neutronen die zo zacht mogelijk horizontaal worden afgeschoten. Onder invloed van de zwaartekracht vallen de neutronen op een spiegel en stuiteren daarna terug omhoog. Boven de spiegel hangt een apparaatje dat de neutronen opvangt. Dit apparaatje kan omhoog en omlaag worden bewogen en kan op die manier dus registreren op welke hoogte de stuiterende neutronen zich bevinden.
Het experimentDe langzame neutronen komen van links en volgen een kogelbaan richting de detector rechts. Wanneer de deeltjes de spiegel raken, stuiteren ze omhoog. Als het apparaatje dat boven de spiegel hangt de neutronen opvangt, komen ze niet meer aan bij de detector. Door het aantal neutronen dat de detector bereikt te tellen bij verschillende hoogtes van het absorberend apparaatje, is te zeggen welke hoogte de deeltjes bereiken.
De slimmigheid in de meetmethode van de Franse wetenschappers is voornamelijk het soort deeltjes dat ze gebruiken. Neutronen zijn ongeladen kerndeeltjes, die geen last hebben van elektromagnetische wisselwerkingen. Om de meettijd te verlengen, moeten de neutronen zo veel mogelijk tijd in de meetopstelling doorbrengen. Dit wordt bereikt door de neutronen met maar een heel kleine horizontale snelheid af te schieten. Door de lage snelheid duurt de vlucht langer en is er dus meer tijd om te meten op welke hoogte het deeltje zich bevindt.
Verrassende beweging
Wat hebben Nesvizhevsky en consorten nu met deze methode bereikt? Simpel gezegd hebben zij bewezen dat deeltjes niet in een vloeiende beweging vallen, maar van de ene naar de andere hoogte springen. Dit is een verrassend resultaat. Als je zelf een stuiterbal laat vallen, kan deze zich immers op elke hoogte tussen de grond en zijn maximale hoogte bevinden. Dat wordt ook voorspeld door Newtons wetten van de klassieke mechanica. Maar als we van die bal stuiterende neutronen maken, zijn we naar de wereld van de kwantummechanica overgegaan en gebeurt er blijkbaar iets heel anders. De neutronen stuiteren niet gewoon in een vloeiende beweging omlaag en omhoog, maar springen van de ene hoogte naar de andere. Eigenlijk lijkt hun beweging het meest op het omlaag lopen op een trap. Net als het onmogelijk is te gaan staan tussen twee treden op een trap, kan een neutron niet worden aangetroffen tussen twee opeenvolgende hoogtes, in dit geval energieniveaus genaamd. De kwantummechanica heeft bij wijze van spreken de trap voor het deeltje getimmerd en daarmee vastgelegd op welke hoogtes het zich kan bevinden.
Treehoogte
Hoe hoog is zo ’n traptrede dan eigenlijk? Uit het experiment van Nesvizhevsky blijkt dat in de eerste vijftien micrometer ongeveer de dikte van een menselijke haar boven de spiegel geen enkel neutron te bekennen valt. Pas zodra het absorberende apparaatje hoger hangt, zijn er deeltjes zichtbaar. Dit wil dus zeggen dat het eerste niveau waar de neutronen van de spiegel naartoe springen (de hoogte van de eerste traptrede), zich op een haardikte boven de spiegel bevindt. Deze afstand komt erg goed overeen met de positie van de laagste toestand zoals die is berekend met behulp van de kwantummechanica.
Nu is ook meteen duidelijk waarom dit springende gedrag bij die vallende appel niet zichtbaar is: als je een appel van een trap laat rollen met treden van een haardikte hoog, zal hij van die hele trap nauwelijks iets merken. Als je echter die appel kleiner maakt dan de treetjes zijn, dan worden ze ineens behoorlijke hindernissen op zijn weg naar beneden en zal hij toch van tree naar tree moeten vallen in plaats van eroverheen te rollen! Helaas zijn de resultaten voor hoger gelegen niveaus nog niet echt overtuigend. Deze zijn wel berekend, maar de onderzoekers zullen nog veel aan het experiment moeten verbeteren voordat ze ook experimenteel bevestigd kunnen worden.
De mogelijkheid om het laagste niveau van de zwaartekrachtsenergie te meten is zeker veelbelovend. Wellicht is hiermee een eerste stap gezet op weg naar één gezamenlijke theorie die alle natuurkundige verschijnselen kan verklaren. En dat zou een wetenschappelijke zoektocht afronden die Newton met zijn appel al honderden jaren geleden begonnen is.