In Roemenië hebben wetenschappelijk onderzoekers binnenkort de beschikking over de krachtigste laser ter wereld. Ze gaan ermee het vacuüm beschieten met een vermogen van 10 petawatt, ongeveer net zoveel als een miljoen kerncentrales leveren. Maar wacht even. Het vacuüm beschieten? Dat lijkt net zoiets als gebakken lucht verkopen, een slag in de lucht doen of vissen zonder haakje. Maar u leest het goed.
In de gewone wereld is het vacuüm natuurlijk leeg. De samengebalde krachten in de Roemeense laser openen echter het domein van de quantummechanica, het sprookjesbos van de moderne natuurkunde. Daarin is niets wat het lijkt en zelfs het vacuüm niet leeg. Het onzekerheidsprincipe van Heisenberg staat energiefluctuaties toe, waaruit zomaar ‘virtuele’ deeltjesparen - zoals positronen en elektronen - kunnen ontstaan. Maar niet met de ogen knipperen, want zo plots als ze verschijnen heffen deze ‘virtuele’ deeltjes elkaar ook weer op - ze ‘annihileren’ elkaar. Voordat ze daartoe de kans krijgen willen de wetenschappers met de Roemeense laser de deeltjesparen uiteen drijven, als twee vechtersbazen die uit elkaar worden getrokken en elkaar niet meer te lijf kunnen gaan. De virtuele deeltjes treden zo uit het schimmenrijk van de kwantummechanica om zich als ‘echte’ deeltjes in onze eigen realiteit te vestigen.
Maar misschien is er meer mogelijk. De hoop is dat het gelaserde vacuüm iets gaat prijsgeven over de geheimzinnige ‘donkere materie’. Astronomen leiden het bestaan van een onbekende, ‘donkere’ materiesoort af uit de zwaartekracht die de melkweg op zijn sterren uitoefent. Deze duidt op een veel grotere massa dan alle ‘gewone’ materie bij elkaar opgeteld oplevert. Waar die donkere materie dan uit bestaat is een raadsel. Wellicht stuit de Roemeense laser op donkere materiedeeltjes.
Apparaat Casimir-effect (Collectie Rijksmuseum Boerhaave, inv. nr. V34608)
Wie weet wat het vacuüm ons allemaal nog gaat prijsgeven? Hebben we de lege ruimte altijd te makkelijk als onbeduidend afgedaan? Ooit konden we ons niet voorstellen dat er onbekende continenten waren en dat het heelal zich eindeloos buiten het firmament uitstrekte. Wat gaan we in de peilloze diepten van het vacuüm aantreffen? Staan de vacuümonderzoekers op de drempel van een nieuwe ontdekkingsreis?
In dat geval krijgt een niet heel spectaculair ogend object uit de collectie van Rijksmuseum Boerhaave een bijzondere betekenis. Dit eenvoudige, mechanische werktuig, beschreven als ‘Apparaat Casimir-effect’, wierp namelijk in 1958 een allereerste blik op het borrelende kwantummechanische vacuüm. De ontwerper was Hans Sparnaay, fysisch-chemicus en werkzaam bij het onderzoekslaboratorium NatLab van Philips.
Sparnaay testte de theorie van zijn Eindhovense onderzoeksbaas, Hendrik Casimir. Die had, voordat hij NatLab-directeur werd, als theoretisch fysicus nog met grootheden als Niels Bohr en Wolfgang Pauli gewerkt. Casimir had een manier bedacht om het bestaan van de virtuele deeltjes in vacuüm aan te tonen. Plaats in een vacuüm ruimte, zo betoogde hij, twee parallel aan elkaar opgestelde, perfect geleidende platen. Volgens de kwantummechanica zijn deeltjes tevens golven. De afgeperkte ruimte tussen de platen biedt geen ruimte voor alle golflengten, en dus ook niet voor de daaraan gelieerde deeltjes, die zich buiten de platen wel kunnen manifesteren. Hierdoor ontstaat een onderdruk tussen de platen en kost het kracht om ze uiteen te trekken.
Op de bovenste schijf van Sparnaays opstelling lag een metalen plaatje. Een tweede plaatje hing er boven en was bevestigd aan een horizontale balk waarvan één uiteinde aan een veer hing. Naderden de plaatjes elkaar en begonnen ze elkaar krachtens het Casimir-effect aan te trekken, dan werd de veer uitgetrokken. Het doorbuigen van de veer beïnvloedde de capaciteit van een condensator, en deze veranderende capaciteit was een maat voor de kracht.
Een middeleeuwse missionaris vindt de plaats waar hemel en aarde elkaar raken, 1888 (Science Museum)
De proeven toonden het Casimir-effect aan, zij het niet eenduidig. Storende factoren beïnvloedden onder meer de metingen. Maar ach, de eerste Portugese ontdekkingsreizigers rondden ook niet fluitend Kaap de Goede Hoop. Ondanks alle slagen om de arm bleven Sparnaays proeven maatgevend tot in 1997 Steve Lamoreaux met een torsie-balans een eerste kwalitatieve bevestiging van het Casimir-effect gaf.
Mocht het kwantummechanische vacuüm een nieuwe wereld openen, dan zullen de metalen schijven op poten die het ‘Apparaat Casimir-Effect’ uitmaken een iconische status krijgen en krijgt Sparnaay zelf iets van de figuur op de bekende prent waarin een missionaris met zijn hoofd door het firmament breekt. Of zal het vacuüm toch bovenal erg leeg zijn?
Verder lezen:
- George van Hal, ‘Superlaser schiet zelfs het vacuüm aan gort’, De Volkskrant 16-2-2019.
- Ad Maas, Beto Pimentel, ‘Kwantum op een keukentafel’, in: E. van Gelder e.a. (red.), Dingen die ergens toe dienen: verhalen over materiële cultuur van wetenschap (Hilversum 2017), 54-59.
