counter free hit unique web
WETENSCHAP - Mare 26, 29 maart 2007

Wat de kat niet kan

BART BRAUN
Foto: Taco van der Eb Natuurkundige Dirk Bouwmeester gaat iets heel bijzonders zichtbaar maken: kwantumeffecten in een echt voorwerp, in plaats van in wat losse moleculen. ‘Het is bijna onmogelijk.’

Grote vondsten van dinosaurusbotten vielen opvallend vaak samen met de lancering van een Jurassic Park-film. Vlak voor kerstmis verschijnt ineens wetenschappelijk nieuws in de krant over kalkoenen, paranoten en eenzaamheid. Dus als de Universiteit Leiden een onderzoeker aantrekt die werkt met superkoeling en die in het Kamerlingh Onnes-jaar met resultaten gaat komen, is enige scepsis gepast.

Volgend jaar is het honderd jaar geleden dat Heike Kamerlingh Onnes de helium vloeibaar wist te maken. De koudste plek ter wereld lag toen in Leiden. Negenennegentig jaar na dat kunststukje zijn natuurkundigen nog steeds bezig met superlage temperaturen. Dirk Bouwmeester: ‘Er zijn steeds weer voorspellingen die het interessant maken om naar lage temperaturen te gaan.’

Bij kamertemperatuur trillen moleculen met enorme snelheden. Alles wappert heen en weer, en dat maakt het onmogelijk om kleine, maar bijzondere effecten te meten. Fysici hebben de kou nodig om bijvoorbeeld zwaartekrachtgolven te bestuderen, of de raadselachtige Bose-Einstein-condensaten. Bouwmeester wil de lage temperatuur gebruiken om te meten aan een spiegeltje, dat zou koud is dat er kwantumeffecten gaan optreden. ‘De theorie van de kwantummechanica zegt niet dat er een grens is aan de grootte van het object waarin kwantumverschijnselen optreden. Het is alleen nooit geprobeerd, omdat het zo moeilijk is om een groter object te isoleren.’

‘Wat wij willen doen is niet enkele atomen afkoelen, maar een echt object, dat spiegeltje. We gaan niet tot het kouderecord van nanokelvins (een paar miljardsten van een graad boven nul, red.), maar tot miljoensten van een graad. Voor vaste stoffen van deze grootte is dat het koudste dat je kan halen.’

Bouwmeester verwerpt de suggestie dat hij alleen in Leiden is om de nagedachtenis aan Kamerlingh Onnes op te leuken. ‘Dat is geen moment mijn doel of wens geweest. Ik wil onderzoek doen dat nieuwe inzichten in de natuurkunde oplevert. De lage temperatuur is een hulpmiddel, geen streven’ zegt hij. ‘Ik ben geen expert op het gebied van lage temperaturen, ik ben kwantumopticus. Voor de lage temperaturen ben ik juist naar terug naar Leiden gekomen.’ Bouwmeester studeerde en promoveerde aan de Leidse universiteit, en keert nu terug als deeltijd-hoogleraar.

‘De Leidse kennis over superkoeling en instrumenten maken is bij mijn andere werkgever, de University of Santa Barbara, niet aanwezig. De werkplaats hier is fantastisch, dat is de hoofdzaak waarom ik hier naartoe kwam. Het spiegeltje komt juist weer uit Santa Barbara, dat kunnen de mensen hier weer niet maken. De twee sterke punten van de onderzoeksgroepen worden zo gecombineerd.’

De kwantumwereld is raar. Deeltjes die elkaars eigenschappen lijken te weten, deeltjes die in twee verschillende staten tegelijk kunnen bestaan, teleportaties – het is allemaal moeilijk voor te stellen. ‘Taal is niet toereikend om de het te beschrijven’, verzucht Bouwmeester. ‘Zelfs de wiskunde helpt niet: als je die begrijpt, betekent dat nog niet dat je ook de fysica begrijpt.’

De Oostenrijkse fysicus Erwin Schrödinger bedacht een beroemd gedachte-experiment om dat te laten zien. We nemen een kat, en die stoppen we in een doos met een radioactief deeltje. Als het deeltje vervalt, zendt het straling uit en die activeert een machine die de kat doodmaakt. Volgens de inzichten in de kwantummechanica kunnen deeltjes – zoals in dit geval ons radioactieve atoom – meerdere eigenschappen tegelijk hebben. Superpositie, heet dat.

Die superpositie houdt aan zolang je niet kijkt. Houden we de doos dicht, dan is de kat dus eigenlijk tegelijkertijd dood en levend, in het kwantummechanische denken. Natuurkundigen vertonen opvallend vaak een manische opgewektheid als ze over de kat van Schrödinger vertellen: jaja, echt waar, hun wereld is écht zo.

Wat Schrödinger bedoelde is dat de kwantummechanica verregaande gevolgen heeft als je het verplaatst van de wereld van losse atomen naar de wereld van grote objecten. Toch is dat precies wat Bouwmeester gaat doen. Niet met een kat, maar met een spiegeltje.

In plaats van een radioactief atoom neemt hij een lichtdeeltje. Die kunnen ook in twee verschillende toestanden bestaan. Bouwmeesters proefopstelling is zo, dat het foton in de ene toestand tegen het spiegeltje aankomt, en in de andere niet. Het spiegeltje is dan dus ook in superpositie: het beweegt tegelijkertijd wel en niet. ‘Dat kun je met wiskunde uitstekend begrijpen’, zegt Bouwmeester.

Superpositie is overigens niet meetbaar, legt hij uit. ‘Aan een foton kun je dat achteraf pas meten: je kunt dan wiskundig de verschillende posities samenbrengen.’ Bij de kat in de dodelijke doos zit dat er niet in..

Dat gaat gebeuren door het spiegeltje zo goed mogelijk te isoleren. Het komt aan een veertje te hangen dat bijna geen demping heeft, in een trilvrije kamer. Rond het spiegeltje wordt een heel sterk vacuüm aangelegd. En, inderdaad, een zo laag mogelijke temperatuur.

Bouwmeester: ‘Je moet alle interacties met de omgeving – luchtdeeltjes, bewegingen, alles – ongedaan maken. Dat is onmogelijk bij een kat. Het is bijna onmogelijk met een spiegeltje. Maar we gaan het toch proberen.’