Ah, de kwantummechanica: eindeloos interessant en, ondanks het feit dat we al zowat honderd jaar bezig zijn met het onderwerp, nog steeds grotendeels een collectie raadsels en vraagstukken. Eén van die vraagstukken was de vraag hoe het überhaupt voelt om je hand in een supervloeistof te steken. Tijdens een experimenteel onderzoek zijn wetenschappers er ‘toevallig’ achter gekomen hoe het voelt om de supervloeistof Helium-3 aan te raken.
Samuli Autti is de wetenschapper die de ontdekking heeft gedaan. Zijn onderzoek is gepubliceerd in het blad Nature Communications. “Van origine waren we van plan om iets heel anders te onderzoeken,” verteld Autti aan Scientias.nl. “Het originele plan was om te kijken wat er gebeurt op het moment dat je een supervloeistof heel hard slaat met een staaf. Traditioneel wordt er binnen de kwantummechanica gedacht dat de supervloeistof hierop zou moeten reageren. Wat we echter zagen, was dat de supervloeistof Helium-3 volledig passief bleef, hoe hard we het ook probeerden.”
Om een supervloeistof goed uit te kunnen leggen, moeten we eerst kijken naar wat een ‘normale’ vloeistof is. Laten we als voorbeeld kijken naar een glas water. Op moleculair niveau zijn de watermoleculen genoeg aangetrokken tot elkaar dat losse moleculen er niet zomaar vandoor kunnen gaan. Tegelijkertijd is er genoeg ruimte dat elk molecuul individueel wel enigszins zijn eigen ding kan doen. Sommige watermoleculen schieten naar links, sommigen naar rechts en sommigen botsen tegen elkaar op. In het geval van een supervloeistof is dit niet zo. Bij een supervloeistof ‘weten’ de moleculen onderling waar de anderen zich begeven en gaan ze zich meer gedragen als één geheel. Dit wordt ook wel een ‘systeem’ genoemd.
Gigantisch koud
Nu is één van de bijzondere eigenschappen van vloeibaar Helium-3 dat deze zich heel anders gedraagt dan een ‘traditionele’ vloeistof op het moment dat je deze héél koud maakt. Zo is het experiment uitgevoerd met een temperatuur van een duizendste van een Kelvin-graad boven het absolute nulpunt. Op deze temperatuur verandert Helium-3 in een supervloeistof, waarbij de moleculen zich meer gedragen als golven dan als ‘traditionele’ deeltjes. Zo bewegen in een supervloeistof alle moleculen zich tegelijkertijd dezelfde kant op, in plaats van dat ze allemaal min of meer hun eigen weg gaan. Door dit aangepaste gedrag wordt het mogelijk dat deze supervloeistoffen zich volledig zonder wrijving kunnen verplaatsen.
“Zoals we dus tijdens ons eerdere experiment hadden vastgesteld, is het niet mogelijk om de kwantumstaat te breken van de supervloeistof. Dit betekent dat je dus geen druk ervaart op het moment dat jij je hand erin steekt. Het is alsof je hand zich in een vacuüm bevindt,” legt Autti uit. “Net zoals een vacuüm kan de supervloeistof Helium-3 dan ook geen hitte geleiden.”
Verpakking
Echter is dat nog niet het hele verhaal. Want alhoewel het onderzoek dus niet liep zoals voorspeld, deed Autti wel een andere ontdekking die volledig als een verrassing kwam. “Wat we tijdens het experiment leerden, was dat er een heel dunne laag leek te liggen langs de randen van de supervloeistof.” De onderzoekers concluderen dan ook dat de supervloeistof Helium-3 als het ware is verpakt in een subsysteem: een heel dunne laag Helium-3 die anders reageert dan de rest van de supervloeistof en dus wél hitte kan geleiden.
“Stel je voor dat er een ‘warm’ oppervlak aanwezig is in de supervloeistof Helium-3. Je voelt de hitte op het moment dat je het aanraakt. Maar op het moment dat je het níet aanraakt voel je helemaal niks,” legt Autti uit. Met dit ‘warme’ oppervlak doelt hij dus op de heel dunne laag rondom de Helium-3. “Aangezien het aanraken van een object bestaat uit het waarnemen van druk en hitte, kunnen we nu dus zeggen hoe het voelt om Helium-3 aan te raken.” Autti omschrijft de volledige ervaring dan ook als volgt: “De supervloeistof zou tweedimensionaal aanvoelen. Het gros van de Helium-3 zou leeg aanvoelen, als een vacuüm, terwijl er hitte in een twee-dimensionaal subsysteem langs de randen van de supervloeistof loopt, en dus ook langs je vinger.”
Mogelijke gevolgen
Alhoewel het aanraken van de supervloeistof Helium-3 voor de meeste mensen geen dagelijkse kost is, kan de conclusie van het onderzoek alsnog van grote waarde zijn. Zo is Helium-3 één van de meest veelzijdige macroscopische kwantumsystemen die wordt gebruikt in laboratoria. De supervloeistof komt voor in onderzoeken naar het Higgs-mechanisme, het Kibble-mechanisme en onderzoek naar kwantuminformatieverwerking. Autti laat weten: “Dit onderzoek herdefinieert ons begrip van de supervloeistof Helium-3. Voor de wetenschap kan dit verstrekkende gevolgen hebben”.
Het volledig begrijpen van de kwantummechanica gaat momenteel eigenlijk – zelfs voor wetenschappers – niet. Om de kwantummechanica toch enigszins begrijpbaar uit te leggen, heeft Scientias in het verleden gesproken met professor Ton van Leeuwen. Hij beschrijft de kwantummechanica vooral als een set vergelijkingen die we gebruiken om de werkelijkheid te beschrijven. Het is het beste model dat we hiervoor hebben, maar de gevolgen van dit model gaan vaak tegen de intuïtie in. Zo staat, onder andere, het idee centraal dat deeltjes zich niet alleen als deeltjes, maar ook als golven kunnen gedragen. Dit gedrag zien we dus, onder andere, terug bij supervloeistoffen, waar alle deeltjes tegelijkertijd dezelfde kant op bewegen. Wil je meer weten over kwantummechanica? Lees het interview met Van Leeuwen dan hier.
