Een bizarre quantummechanische toestand die Albert Einstein in de jaren twintig voorspelde, staat op het punt om zijn eigen zwaartekrachttheorie op de proef te stellen. Tienduizend atomen moeten tijdens een vrije val het bewijs leveren.
Dit artikel is gepubliceerd in KIJK 12/2010.
Het standaard experiment dat vrijwel elke middelbare scholier heeft gezien toont het klip en klaar: in een vacuüm omgeving valt een donzen veertje net zo snel als een loden kogel. Maar volgens Newtons zwaartekrachtwet is de aantrekkingskracht tussen de aarde en de kogel toch groter dan die tussen de aarde en het veertje, zou je denken? Ja, dat klopt, maar tijdens de val wordt dat teniet gedaan doordat de kogel zich sterker verzet tegen een versnelling dan het veertje. Volgens de tweede wet van Newton is massa is immers ook traag: je trekt een lichte racefiets veel gemakkelijker op gang dan een volgeladen bakfiets. Het gevolg is dat de kogel, het veertje en ook alle andere massa’s in vacuüm tegelijk op de grond terecht komen wanneer je ze tegelijk laat vallen. Dit valprincipe heet het equivalentieprincipe.
Ondanks de overduidelijke conclusie van het middelbare-schoolexperiment, zijn er toch natuurkundigen die twijfelen of alle massa’s − van heel groot tot heel klein − in vacuüm wel even snel vallen. Hun twijfel wordt gevoed door nieuwe theorieën die proberen om de natuurwet die op astronomische lengteschalen domineert, de wet van de zwaartekracht, te combineren met de natuurwetten die de wereld van de atomen en elementaire deeltjes domineert, de kwantummechanica. Hoewel dat tot nu toe nog niet is gelukt en deze theorieën nog in de steigers staan, lijken ze kleine afwijkingen van het equivalentieprincipe te voorspellen. Misschien pas in de vijftiende decimaal na de komma, maar toch, een afwijking is een afwijking. En dan zou de natuur toch iets anders in elkaar zitten dan we tot nu toe hebben gedacht.
Om een eventuele afwijking op te sporen, zijn supergevoelige zwaartekrachtmetingen nodig. En dat is precies wat natuurkundigen in een 146-meter hoge naaldvormige toren in het Duitse Bremen aan het uitspoken zijn. In deze toren hebben ze het binnenste vacuüm gezogen en laten ze een ultrakoud wolkje atomen meer dan honderd meter naar beneden vallen. Tijdens de vrije val meten ze hoe het zich gedraagt.
“Het experiment dient twee doelen”, vertelt onderzoeksleider professor Ernst Rasel van de Leibniz Universiteit in het Duitse Hannover. “Het fundamentele doel is het testen van het equivalentieprincipe: vallen alle voorwerpen in vacuüm echt wel even snel? Geldt het principe net zo goed voor vederlichte kwantumobjecten? Er is namelijk geen enkele dwingende reden waarom dat principe altijd moet gelden. Daarnaast is het praktische doel de ontwikkeling van ultragevoelige zwaartekrachtmeters en traagheidssensoren.”
Zwaartekrachtmeters zijn handig om bijvoorbeeld mineraalvoorraden mee te detecteren en zwaartekrachtvelden nauwkeuriger in kaart brengen. En traagheidssensoren zijn voor de navigatie van ruimtevaartuigen, vliegtuigen, schepen en raketten een betrouwbaar alternatief voor het gebruik van GPS-plaatsbepaling. Traagheidsnavigatie is gebaseerd op het meten van de beweging van een voertuig en is onafhankelijk van externe factoren. Een gyroscoop is een voorbeeld van een traagheidssensor. Vliegtuigen en schepen gebruiken het als kompas. Wanneer GPS onverhoopt uitvalt kan een ruimtevaartuig of een vliegtuig met traagheidsnavigatie altijd terugvallen op traagheidsnavigatie.
Groepsgedrag
Ondanks de overduidelijke conclusie van het middelbare-schoolexperiment, zijn er toch natuurkundigen die twijfelen of alle massa’s − van heel groot tot heel klein − in vacuüm wel even snel vallen. Hun twijfel wordt gevoed door nieuwe theorieën die proberen om de natuurwet die op astronomische lengteschalen domineert, de wet van de zwaartekracht, te combineren met de natuurwetten die de wereld van de atomen en elementaire deeltjes domineert, de kwantummechanica. Hoewel dat tot nu toe nog niet is gelukt en deze theorieën nog in de steigers staan, lijken ze kleine afwijkingen van het equivalentieprincipe te voorspellen. Misschien pas in de vijftiende decimaal na de komma, maar toch, een afwijking is een afwijking. En dan zou de natuur toch iets anders in elkaar zitten dan we tot nu toe hebben gedacht.
Om een eventuele afwijking op te sporen, zijn supergevoelige zwaartekrachtmetingen nodig. En dat is precies wat natuurkundigen in een 146-meter hoge naaldvormige toren in het Duitse Bremen aan het uitspoken zijn. In deze toren hebben ze het binnenste vacuüm gezogen en laten ze een ultrakoud wolkje atomen meer dan honderd meter naar beneden vallen. Tijdens de vrije val meten ze hoe het zich gedraagt.
“Het experiment dient twee doelen”, vertelt onderzoeksleider professor Ernst Rasel van de Leibniz Universiteit in het Duitse Hannover. “Het fundamentele doel is het testen van het equivalentieprincipe: vallen alle voorwerpen in vacuüm echt wel even snel? Geldt het principe net zo goed voor vederlichte kwantumobjecten? Er is namelijk geen enkele dwingende reden waarom dat principe altijd moet gelden. Daarnaast is het praktische doel de ontwikkeling van ultragevoelige zwaartekrachtmeters en traagheidssensoren.”
Zwaartekrachtmeters zijn handig om bijvoorbeeld mineraalvoorraden mee te detecteren en zwaartekrachtvelden nauwkeuriger in kaart brengen. En traagheidssensoren zijn voor de navigatie van ruimtevaartuigen, vliegtuigen, schepen en raketten een betrouwbaar alternatief voor het gebruik van GPS-plaatsbepaling. Traagheidsnavigatie is gebaseerd op het meten van de beweging van een voertuig en is onafhankelijk van externe factoren. Een gyroscoop is een voorbeeld van een traagheidssensor. Vliegtuigen en schepen gebruiken het als kompas. Wanneer GPS onverhoopt uitvalt kan een ruimtevaartuig of een vliegtuig met traagheidsnavigatie altijd terugvallen op traagheidsnavigatie.
Groepsgedrag
Het wolkje atomen dat de Duitsers naar beneden laten vallen bevindt zich op de grens van de macroscopische wereld waarin de zwaartekracht belangrijk is en de microscopische wereld waarin de kwantummechanica belangrijk is. Het wolkje meet bij de geboorte zo’n anderhalve millimeter in doorsnee en bestaat uit ongeveer tienduizend rubidiumatomen. Het is afgekoeld tot slechts negen miljardste van een graad boven het absolute nulpunt (ongeveer 273 graden onder nul). De atomen hebben het dan zo koud dat ze zich niet meer als losse individuen gedragen, maar als één geheel, als één enkel superatoom. Het lijkt op een grote groep voetbalsupporters die allemaal tegelijk hetzelfde groepsgedrag vertonen en als individuen niet meer van elkaar te onderscheiden zijn.
Al in 1924 voorspelden de Indiase fysicus Nath Bose en de Duitse fysicus Albert Einstein het bestaan van dit gekke kwantumwolkje, dat de naam Bose-Einsteincondensaat (BEC) kreeg. Het maken ervan bleek een hels karwei. De temperatuur moet extreem verlaagd worden en het experiment extreem goed geïsoleerd. Pas in 1995 lukte het de natuurkundigen Eric Cornell, Carl Wieman en Wolfgang Ketterle voor het eerst om het voorspelde condensaat te maken. Ze ontvingen er in 2001 de Nobelprijs natuurkunde voor. (Overigens heeft KIJK de creatie van het eerste Bose-Einsteincondensaat in het nummer 11/2008 uitgeroepen tot één van de grootste mijlpalen op het gebied van de natuur- en sterrenkunde van de afgelopen veertig jaar.)
Na de BEC-geboorte dijt het kwantumwolkje, zoals elk gas, van nature uit. Het is echter uiterst fragiel. Bij de minste of geringste verstoring gaat het BEC ter ziele. In een gewoon laboratorium bestaat een BEC zo’n tien milliseconden. Aangetrokken door de zwaartekracht valt het door het experiment heen. Het grote voordeel van een BEC in vrije val is dat het als het ware geen zwaartekracht meer voelt, waardoor het veel langer kan bestaan en geobserveerd kan worden. De Duitsers halen zelfs ruim drie seconden. En hoe langer de vrije val, hoe nauwkeuriger het BEC het equivalentieprincipe kan testen en ook hoe beter het dienst kan doen als zwaartekrachtsensor. Langer vallen betekent dus nauwkeuriger meten.
Mijlpaal
Al in 1924 voorspelden de Indiase fysicus Nath Bose en de Duitse fysicus Albert Einstein het bestaan van dit gekke kwantumwolkje, dat de naam Bose-Einsteincondensaat (BEC) kreeg. Het maken ervan bleek een hels karwei. De temperatuur moet extreem verlaagd worden en het experiment extreem goed geïsoleerd. Pas in 1995 lukte het de natuurkundigen Eric Cornell, Carl Wieman en Wolfgang Ketterle voor het eerst om het voorspelde condensaat te maken. Ze ontvingen er in 2001 de Nobelprijs natuurkunde voor. (Overigens heeft KIJK de creatie van het eerste Bose-Einsteincondensaat in het nummer 11/2008 uitgeroepen tot één van de grootste mijlpalen op het gebied van de natuur- en sterrenkunde van de afgelopen veertig jaar.)
Na de BEC-geboorte dijt het kwantumwolkje, zoals elk gas, van nature uit. Het is echter uiterst fragiel. Bij de minste of geringste verstoring gaat het BEC ter ziele. In een gewoon laboratorium bestaat een BEC zo’n tien milliseconden. Aangetrokken door de zwaartekracht valt het door het experiment heen. Het grote voordeel van een BEC in vrije val is dat het als het ware geen zwaartekracht meer voelt, waardoor het veel langer kan bestaan en geobserveerd kan worden. De Duitsers halen zelfs ruim drie seconden. En hoe langer de vrije val, hoe nauwkeuriger het BEC het equivalentieprincipe kan testen en ook hoe beter het dienst kan doen als zwaartekrachtsensor. Langer vallen betekent dus nauwkeuriger meten.
Mijlpaal
Onder leiding van Rasel zijn de Duitsers de eersten die een BEC niet een in laboratorium hebben gemaakt, maar tijdens de vrije val. “De grootste uitdaging was om om de experimentele opstelling te miniaturiseren”, vertelt hij aan de telefoon. “Daarnaast moesten we het experiment zo goed inpakken dat het de val in goede staat overleeft. En tenslotte moesten we de experimenten optimaliseren zodat we met zo weinig mogelijk valproeven toch zo goed mogelijke meetresultaten kregen. Uiteindelijk hebben we ruim 180 valproeven gedaan.”
“Een belangrijke technologische mijlpaal”, zo noemt de Nederlandse BEC-pionier Jook Walraven van de Universiteit van Amsterdam hun prestatie. “Ze hebben een opstelling waarvoor je normaal een tafelblad van anderhalf bij twee meter nodig hebt geminiaturiseerd tot niet meer dan een dienblad en ook nog valbestendig gemaakt.”
De hele opstelling zit in een ronde capsule van ruim twee meter lang en tachtig centimeter breed. Lasers doen de belangrijkste koeling van de atomen. Een speciaal ontwikkelde atomaire chip zorgt voor de opsluiting van de atomen in een soort magneetval. Vanuit de chip wordt het BEC ook in de vrije ruimte losgelaten. In een gewoon laboratorium duurt het enkele seconden tot wel een minuut om een BEC te maken, maar de chip doet het in minder dan een seconde.
Nadat de capsule bovenin de toren wordt losgelaten, begint hij naar beneden te vallen. Eerst trilt de capsule nog een beetje. Na een seconde zijn de trillingen grotendeels verdwenen. Dan drukken de onderzoekers op de afstandsbediening en de atomaire chip maakt een BEC-wolkje in vrije val. Het wolkje zet uit en dat uitzetten wordt gemeten door er met een laser op te schijnen en de schaduw via een camera te bestuderen. Na zo’n drie seconden landt de capsule in een acht meter dikke laag van piepschuimballetjes.
Hoewel de valexperimenten een technologische doorbraak zijn, zijn de onderzoekers nog geen nieuwe fysica op het spoor. “Het gaat om een proof of principle”, zegt Rasel. “We hebben laten zien dat we een techniek hebben gemaakt die in vrije val werkt. Het is een opstap naar experimenten bij nog langere valtijden. Als de natuur het equivalentieprincipe schendt, dan is dat gemakkelijker te detecteren naarmate de valtijd langer wordt.”
Interferentie
“Een belangrijke technologische mijlpaal”, zo noemt de Nederlandse BEC-pionier Jook Walraven van de Universiteit van Amsterdam hun prestatie. “Ze hebben een opstelling waarvoor je normaal een tafelblad van anderhalf bij twee meter nodig hebt geminiaturiseerd tot niet meer dan een dienblad en ook nog valbestendig gemaakt.”
De hele opstelling zit in een ronde capsule van ruim twee meter lang en tachtig centimeter breed. Lasers doen de belangrijkste koeling van de atomen. Een speciaal ontwikkelde atomaire chip zorgt voor de opsluiting van de atomen in een soort magneetval. Vanuit de chip wordt het BEC ook in de vrije ruimte losgelaten. In een gewoon laboratorium duurt het enkele seconden tot wel een minuut om een BEC te maken, maar de chip doet het in minder dan een seconde.
Nadat de capsule bovenin de toren wordt losgelaten, begint hij naar beneden te vallen. Eerst trilt de capsule nog een beetje. Na een seconde zijn de trillingen grotendeels verdwenen. Dan drukken de onderzoekers op de afstandsbediening en de atomaire chip maakt een BEC-wolkje in vrije val. Het wolkje zet uit en dat uitzetten wordt gemeten door er met een laser op te schijnen en de schaduw via een camera te bestuderen. Na zo’n drie seconden landt de capsule in een acht meter dikke laag van piepschuimballetjes.
Hoewel de valexperimenten een technologische doorbraak zijn, zijn de onderzoekers nog geen nieuwe fysica op het spoor. “Het gaat om een proof of principle”, zegt Rasel. “We hebben laten zien dat we een techniek hebben gemaakt die in vrije val werkt. Het is een opstap naar experimenten bij nog langere valtijden. Als de natuur het equivalentieprincipe schendt, dan is dat gemakkelijker te detecteren naarmate de valtijd langer wordt.”
Interferentie
Behalve langere valtijden, is er nog iets nodig om het equivalentieprincipe te testen. Dat is een apparaat dat een interferometer heet. Een interferometer gebruikt het feit dat wanneer verschillende golven bij elkaar komen, ze elkaar op sommige punten kunnen versterken en op andere punten elkaar juist opheffen. Wanneer je bijvoorbeeld laserlicht laat vallen op twee nauwe, dicht bij elkaar staande spleten, dan verschijnt op een scherm achter de spleten een patroon van lichte en donkere plekken, een zogeheten interferentiepatroon. Op de donkere plekken hebben de twee golven elkaar opgeheven. Op de lichte plekken hebben ze elkaar versterkt.
Wat voor licht geldt, geldt in de kwantumwereld ook voor materie. Niet alleen heeft in de kwantumwereld licht een deeltjeskarakter, deeltjes hebben ook een lichtkarakter. Het idee van Rasel en zijn collega’s is nu om met een Bose-Einsteincondensaat een atomaire interferometer te bouwen. Ze gaan het BEC met een laserbundel in tweeën splitsen en sturen elk deel langs een ander, kort ruimtepad. Elk ruimtepad heeft als het ware zijn eigen zwaartekrachtkarakteristiek; hier is de zwaartekracht een beetje meer, daar een beetje minder. De zwaartekracht fungeert bij de uitdijing van het kwantumwolkje als de brekingsindex van stoffen als water of glas voor de voortplanting van lichtgolven.
Vervolgens laten ze beide BEC-delen weer samenkomen en net als bij twee lichtgolven kunnen ze nu het interferentiepatroon van de twee BEC-materiegolven bestuderen. Dat patroon zegt iets over hoe de zwaartekracht inwerkt op kwantumobjecten. Als niet alle massa’s even hard vallen, dan zou een interferentie-experiment van de ene atoomsoort een ander interferentiepatroon moeten opleveren dan dat met een andere atoomsoort. Die twee verschillen namelijk in massa. Rasel wil dat voor de atoomsoorten rubidium en kalium gaan uitzoeken. In theorie is deze meetmethode nauwkeuriger dan alle huidige methoden die de zwaartekracht onderzoeken.
De ruimte in
Wat voor licht geldt, geldt in de kwantumwereld ook voor materie. Niet alleen heeft in de kwantumwereld licht een deeltjeskarakter, deeltjes hebben ook een lichtkarakter. Het idee van Rasel en zijn collega’s is nu om met een Bose-Einsteincondensaat een atomaire interferometer te bouwen. Ze gaan het BEC met een laserbundel in tweeën splitsen en sturen elk deel langs een ander, kort ruimtepad. Elk ruimtepad heeft als het ware zijn eigen zwaartekrachtkarakteristiek; hier is de zwaartekracht een beetje meer, daar een beetje minder. De zwaartekracht fungeert bij de uitdijing van het kwantumwolkje als de brekingsindex van stoffen als water of glas voor de voortplanting van lichtgolven.
Vervolgens laten ze beide BEC-delen weer samenkomen en net als bij twee lichtgolven kunnen ze nu het interferentiepatroon van de twee BEC-materiegolven bestuderen. Dat patroon zegt iets over hoe de zwaartekracht inwerkt op kwantumobjecten. Als niet alle massa’s even hard vallen, dan zou een interferentie-experiment van de ene atoomsoort een ander interferentiepatroon moeten opleveren dan dat met een andere atoomsoort. Die twee verschillen namelijk in massa. Rasel wil dat voor de atoomsoorten rubidium en kalium gaan uitzoeken. In theorie is deze meetmethode nauwkeuriger dan alle huidige methoden die de zwaartekracht onderzoeken.
De ruimte in
In juni 2010 publiceerden Rasel en zijn collega’s voor het eerst over hun succesvolle valproeven in het vakblad Science. Inmiddels zijn de Duitsers alweer een stap verder. Rasel: “Op het moment bouwen we een atoominterferometer met een BEC. Later dit jaar gaan we daar de eerste valproeven mee doen. Verder ontwikkelen we een nieuwe atomaire chip waarmee we twee atoomsoorten tegelijk kunnen afkoelen tot twee verschillende condensaten. We hopen dat die volgend jaar klaar is voor de eerste valproeven. Daarmee kunnen we dan echt op zoek naar een eventuele afwijking van het equivalentieprincipe.”
Om een nog langere tijd van gewichtloosheid te creëren, worden de valtoren en het experiment bovendien gereed gemaakt voor een katapultlancering. Rasel: “Het idee is om het experiment niet meer van boven naar beneden te laten vallen, maar van beneden naar boven te katapulteren. Dan heb je niet alleen gewichtloosheid in de val naar beneden, maar ook in het laatste stukje in de lancering naar boven. En zo creëren we een nog langere toestand van gewichtloosheid en kunnen we dus nog nauwkeuriger meten.”
Maar Rasels droom is een experiment in de ruimte: een Bose-Einsteincondensaat in een baan rond de aarde waarbij het permanent in vrije val is; ideaal voor nauwkeurige zwaartekrachtmetingen. Jook Walraven zegt over die droom: “Rasels experiment laat zien dat een experiment in de ruimte echt mogelijk is. En dat zou een belangrijke stap voorwaarts zijn. Niet alleen om het equivalentieprincipe te testen en voor betere zwaartekrachtmeters, maar ook voor nauwkeurigere atoomklokken. Als het equivalentieprincipe namelijk niet klopt, dan moeten we onze atoomklokken daarvoor corrigeren en kunnen we de tijd dus preciezer meten.”
Een Bose-Einsteincondensaat in de ruimte zou pas echt een spannende Einstein-Einstein-confrontatie opleveren. Een bizarre kwantummechanische materietoestand die Einstein zelf mede heeft voorspeld, het Bose-Einsteincondensaat, zou dan gebruikt worden om zijn eigen zwaartekrachttheorie, de algemene relativiteitstheorie, nog nauwkeuriger te testen dan tot nu toe al is gebeurd.
Voor dit artikel heeft de auteur Ernst Rasel en Jook Walraven geïnterviewd en gebruik gemaakt van het wetenschappelijke artikel ‘Bose-Einstein Condensation in microgravity’ uit Science van 18 juni 2010.
Om een nog langere tijd van gewichtloosheid te creëren, worden de valtoren en het experiment bovendien gereed gemaakt voor een katapultlancering. Rasel: “Het idee is om het experiment niet meer van boven naar beneden te laten vallen, maar van beneden naar boven te katapulteren. Dan heb je niet alleen gewichtloosheid in de val naar beneden, maar ook in het laatste stukje in de lancering naar boven. En zo creëren we een nog langere toestand van gewichtloosheid en kunnen we dus nog nauwkeuriger meten.”
Maar Rasels droom is een experiment in de ruimte: een Bose-Einsteincondensaat in een baan rond de aarde waarbij het permanent in vrije val is; ideaal voor nauwkeurige zwaartekrachtmetingen. Jook Walraven zegt over die droom: “Rasels experiment laat zien dat een experiment in de ruimte echt mogelijk is. En dat zou een belangrijke stap voorwaarts zijn. Niet alleen om het equivalentieprincipe te testen en voor betere zwaartekrachtmeters, maar ook voor nauwkeurigere atoomklokken. Als het equivalentieprincipe namelijk niet klopt, dan moeten we onze atoomklokken daarvoor corrigeren en kunnen we de tijd dus preciezer meten.”
Een Bose-Einsteincondensaat in de ruimte zou pas echt een spannende Einstein-Einstein-confrontatie opleveren. Een bizarre kwantummechanische materietoestand die Einstein zelf mede heeft voorspeld, het Bose-Einsteincondensaat, zou dan gebruikt worden om zijn eigen zwaartekrachttheorie, de algemene relativiteitstheorie, nog nauwkeuriger te testen dan tot nu toe al is gebeurd.
Voor dit artikel heeft de auteur Ernst Rasel en Jook Walraven geïnterviewd en gebruik gemaakt van het wetenschappelijke artikel ‘Bose-Einstein Condensation in microgravity’ uit Science van 18 juni 2010.
Internet
Kwantumsystemen in microzwaartekracht:
www.iqo.uni-hannover.de/quantus.html
www.physnet.uni-hamburg.de/ilp/sengstock/projects/BECiS/index.html
Valtoren in Bremen:
www.zarm.uni-bremen.de/
Kwantumsystemen in microzwaartekracht:
www.iqo.uni-hannover.de/quantus.html
www.physnet.uni-hamburg.de/ilp/sengstock/projects/BECiS/index.html
Valtoren in Bremen:
www.zarm.uni-bremen.de/
