Voor het eerst hebben natuurkundigen een lang voorspeld zwaartekrachteffect waargenomen bij een vallend kwantumdeeltje. De uitkomst laat zien dat een belangrijke bouwsteen van Albert Einsteins algemene relativiteitstheorie overeind blijft in de bizarre kwantumwereld.
Al meer dan honderd jaar leunt de natuurkunde op twee succesvolle theorieën. De kwantummechanica verklaart het bijzondere gedrag van de allerkleinste deeltjes (moleculen, atomen en subatomaire deeltjes). Einsteins zwaartekrachttheorie verklaart waarom voorwerpen vallen en hoe zwaartekracht het heelal vormgeeft. Toch begrijpen natuurkundigen nog altijd niet precies hoe die twee op elkaar aansluiten.
Het nieuwe experiment, waarbij ook de Britse Nobelprijswinnaar Sir Roger Penrose betrokken was, zoomt precies in op het raakvlak van die twee werelden. De onderzoekers zagen een verandering in de kwantumeigenschappen van atomen terwijl ze onder invloed van zwaartekracht naar beneden vielen. Cruciaal hierbij is dat het gemeten effect exact overeenkomt met de voorspelling die volgt uit Einsteins equivalentieprincipe, toegepast op een kwantumobject.
Het equivalentieprincipe is de natuurkundige stelling dat een versnelde beweging en de zwaartekracht precies hetzelfde aanvoelen en niet van elkaar te onderscheiden zijn. Einstein gebruikte dit basisidee als fundament voor zijn algemene relativiteitstheorie. Dit principe stelt ook dat zwaartekracht plaatselijk verdwijnt voor iemand die vrij valt: wie in een vallende lift zit, ervaart gewichtsloosheid. Het principe doorstond al talloze precieze tests met gewone materie, maar bij kwantumdeeltjes, die zich als golven gedragen en meerdere paden tegelijk kunnen afleggen, was het onduidelijk op wat voor manier je dit zou kunnen testen.
Een atoom dat twee kanten op valt
De kern van het experiment is een nieuw apparaat met een spectaculaire naam: de Quantum Galileo Interferometer. Daarmee lukte het de kwantumgolf van een atoom in twee paden te splitsen: het ene bleef op zijn plek, het andere viel vrij naar beneden. Daarna werden de golven weer samengevoegd om te zien hoe de val de golf had veranderd. Het experiment vond plaats met wolkjes rubidiumatomen, afgekoeld tot vlak boven het absolute nulpunt, vlak boven een speciaal ontworpen atoomchip. Met microgolfpulsen brachten de onderzoekers, onder wie promovendus Or Dobkowski, de atomen in een kwantumsuperpositie (een basisprincipe in de kwantummechanica waarbij een deeltje in meerdere toestanden tegelijk kan verkeren zolang het niet wordt gemeten), zodat elk atoom in feite twee paden tegelijk kon volgen.
Nauwkeurig gestuurde magneetvelden hielden vervolgens één deel van de golf stil, terwijl het andere deel eerst omhoog werd geduwd en daarna vrij naar beneden viel, in een baan zoals die van een omhoog gegooide bal. Aan het einde van de val brachten de onderzoekers beide delen weer samen. De golven interfereerden met elkaar en uit dat interferentiepatroon was het piepkleine verschil in kwantumfase af te lezen dat was ontstaan doordat het ene deel viel en het andere stilstond.
Leestip: Een wiebelige basis: waarom ruis de kracht van kwantumcircuits beperkt
Puzzelstukje voor de theorie van alles
Die gemeten fase komt precies overeen met wat Einsteins principe voorspelt voor zo’n kwantumgolf. Eerdere experimenten gebruikten al kwantumdeeltjes om zwaartekracht te meten, maar dit is de eerste directe meting van de voorspelde kwantumfase van een vrij vallend object. “Dit is een unieke studie, omdat het een ontzettend lastig experiment combineert met een verstrekkende theoretische interpretatie van een van de meest fundamentele vragen in de natuurkunde: hoe kunnen zwaartekracht en kwantumtheorie samensmelten tot één begrip van het heelal? Deze twee pijlers van de moderne natuurkunde hebben tot nu toe elke poging tot een verenigde theorie weten te weerstaan, maar dit experiment geeft nieuwe aanwijzingen over hoe zo’n verbinding eruit zou kunnen zien”, aldus hoofdonderzoeker Ron Folman van Ben-Gurion University of the Negev.
“We hebben geen sluitende theorie die verklaart waarom de kwantumfysica het zou moeten laten afweten. Dit experiment duwt de kwantummechanica een van haar meest fascinerende grensgebieden in, dat van de zwaartekracht, en laat opnieuw zien dat de voorspellingen standhouden”, legt Oxford-onderzoeker Vlatko Vedral uit.
Het resultaat verenigt kwantummechanica en zwaartekracht nog niet en bewijst ook niet dat zwaartekracht zelf kwantumnatuur heeft. Wel toont het aan dat Einsteins equivalentieprincipe overeind blijft binnen de kwantummechanica, in elk geval in de gekozen testopstelling.
Verschillende kwantumdeeltjes
In de kwantummechanica worden deeltjes op basis van hun eigenschappen (met name hun spin) verdeeld in twee hoofdgroepen:
1. Fermionen (Materiedeeltjes)
Fermionen vormen de bouwstenen van alle materie om ons heen. Ze hebben een halve spin en sluiten elkaar daarom uit als ze in dezelfde toestand verkeren. Hieronder vallen:
– Quarks: dit zijn deeltjes waar protonen en neutronen in de atoomkern uit bestaan (zoals de up- en down-quark).
– Leptonen: dit zijn lichte deeltjes waartoe het elektron (dat rond de atoomkern beweegt) en het neutrino behoren.
2. Bosonen (Krachtdeeltjes)
Bosonen zijn deeltjes die krachten overbrengen tussen materiedeeltjes. Ze hebben een hele spin en kunnen wel met velen tegelijk dezelfde kwantumtoestand innemen.
– Fotonen: lichtdeeltjes die elektromagnetische straling overbrengen.
– Gluonen: deeltjes die quarks bij elkaar houden (de sterke kernkracht).
– W- en Z-bosonen: deeltjes die de zwakke kernkracht overbrengen.
– Higgs-boson: het deeltje dat andere deeltjes massa geeft.
Wil je niets van Scientias missen? Voeg Scientias toe als voorkeursbron op Google dan zie je al onze verhalen!
Uitgelezen? Luister ook eens naar de Scientias Podcast:
