Boeken

Monday, June 23, 2008

Hoe leeg is het vacuüm?

Dit artikel is gepubliceerd in dagblad Trouw, 23 juni 2008

Simpel gezegd is het vacuüm pure ruimte, zonder een flintertje materie. Door de geschiedenis heen heeft de ultieme leegheid van het vacuüm sterk tot de verbeelding gesproken. Volgens de Griekse filosoof Aristoteles kon het niet bestaan. Het vacuüm was equivalent aan het niets. En hoe kan niets nu toch iets zijn? Aristoteles beweerde dat de natuur een afkeer heeft van het vacuüm – een horror vacui. Dreigde er toch ergens een vacuüm te ontstaan, dan zou de natuur de leegte meteen opvullen.

Later mengden zelfs theologen zich in de discussie – enerzijds ingegeven door de existentiële angst voor het niets en anderzijds door het argument dat een almachtige god toch ook een vacuüm moet kunnen maken. Aristoteles’ theorie was bijna tweeduizend jaar dominant. Maar zoals het hoort bij natuurwetenschappelijke vraagstukken, is het laatste woord aan het experiment.

In 1643 nam Evangelista Torricelli, een leerling van Galileo Galilei, een lange buis en vulde hem met kwik. Hij keerde de buis om in een bakje met kwik. De kwikkolom in de buis zakte tot de druk van de kolom in evenwicht was met de luchtdruk van de omgeving op het kwik. De kolomlengte kwam op zeeniveau altijd uit op 76 centimeter. In het algemeen bleek de kolomlengte een maat voor de luchtdruk. Omdat de buis eerst volledig was gevuld en er na omkering ruimte boven de kwikkolom was ontstaan, moest deze ruimte wel vacuüm zijn, redeneerde Torricelli correct. Toch is de ruimte boven de kwikkolom niet perfect vacuüm. Af en toe ontsnappen kwikmoleculen uit het oppervlak naar de ruimte erboven.

Een spectaculairdere demonstratie van het bestaan van het vacuüm was het experiment van Otto von Guericke in 1657. Hij plaatste twee halve bronzen bollen tegen elkaar en zoog de inhoud zo leeg mogelijk. Twee teams van acht paarden konden de twee helften niet van elkaar trekken. Niet alleen bestond het vacuüm, het bleek nog krachtig ook.

Tijdens latere experimenten bleek geluid zich niet te kunnen voortplanten in het vacuüm, maar licht en andere soorten straling wel. In de twintigste eeuw werd het vacuüm technologisch benut bij de productie van bijvoorbeeld lampen en televisiebuizen. Mensgemaakte vacua zijn behoorlijk leeg, maar niet perfect leeg. Het heelal kan het beter. Niets is leger dan de ruimte tussen sterrenstelsels in: duizenden malen leger dan het beste vacuüm dat op aarde is gemaakt. Toch schiet zelfs hier af en toe nog een materiedeeltje voorbij.

Terwijl het vacuümraadsel opgelost leek, had de twintigste eeuwse natuurkunde nog een surprise in petto. Volgens de kwantummechanica, de natuurkunde van de allerkleinste fenomenen, kan het vacuüm nooit helemaal leeg zijn. Spontaan blijken deeltjes uit het niets te kunnen ontstaan, die elkaar een ultrakorte tijd later weer vernietigen. Totaal tegenintuïtief, maar toch experimenteel aangetoond. Volgens de recentste kosmologische inzichten heeft de lege heelalruimte daarom ook een vacuümenergie. Puur het gevolg van spontaan verschijnende en verdwijnende virtuele deeltjes. Echt leeg is het vacuüm dus niet, tenminste voor wie met kwantumogen kijkt.