Met Penrose op zoek naar de grens van kwantum
De beroemde wis- en natuurkundige Sir Roger Penrose is deze maand
Lorentzhoogleraar aan de Universiteit Leiden en geeft vrijdag 10 juni
een openbare lezing. Maar zijn band met Leiden gaat verder dan dat.
Samen met de Leidse experimentele fysici Dirk Bouwmeester en Tjerk
Oosterkamp zoekt hij de grens op van de kwantummechanica.
Idee
De kuil in de ruimtetijd die een object als de aarde om zich heen
veroorzaakt. Het effect hiervan ervaren we als zwaartekracht. Credit:
Wikimedia Commons.
De kuil in de ruimtetijd die een object als de aarde om zich heen
veroorzaakt. Het effect hiervan ervaren we als zwaartekracht. Credit:
Wikimedia Commons.
Het begon met een bezoekje van Roger Penrose aan de werkkamer van Dirk
Bouwmeester in Oxford, zo'n tien jaar geleden. Penrose had een idee
voor een experiment. Het behelsde een complex geheel van satellieten en
fotonen, waarop Bouwmeester vroeg: âKunnen we niet iets bedenken wat op
een optische tafel past?â Met als resultaat dat Bouwmeester inmiddels
zeven jaar bezig is om het experiment uit te voeren dat ze die dag
samen bedachten.
Superpositie
Prof.dr. Sir Roger Penrose
Prof.dr. Sir Roger Penrose
Penrose wilde zoeken naar de grenzen van kwantummechanica. Het is iets
waar hij al vele jaren zeer in geïnteresseerd is, zo laat de Britse
wiskundige weten. In theorie zou kwantummechanica altijd moeten gelden,
maar feit is dat wij er niets van merken. Neem één van de
verschijnselen in de kwantumwereld, genaamd superpositie, waarbij
deeltjes zich op meerdere plekken tegelijk kunnen bevinden. Penrose:
âDat klinkt vreemd, en het is iets wat we in het dagelijkse leven niet
terugzien. Blijkbaar bestaat er een grens tot waar deze superpositie
geldt.â Volgens hem ligt de oorzaak hiervan in de zwaartekrachttheorie.
Penrose is ook bekend van de Penrose-betegelingen, zijn doorbraken met
natuurkundige Stephen Hawking in de theorie van zwarte gaten en zijn
ideeën over het bewustzijn als quantummechanisch proces.
Kuiltje
Deeltjes hebben een massa en daarom veroorzaken ze - hoe klein ze ook
zijn - een zogenaamd kuiltje in de ruimtetijd, net als een zware bal
dit doet in een opgespannen kleed. Dit is de theorie van zwaartekracht.
Als een deeltje zich op twee plaatsen tegelijkertijd zou bevinden,
veroorzaakt het dus twee kuiltjes in de ruimtetijd. Dat kost energie,
en kan zodoende alleen kort bestaan. Daaruit volgt volgens Penrose dat
superpositie zich op den duur opheft, met daarbij: hoe zwaarder het
object, des te sneller dit gebeurt. Veel mensen zetten overigens hun
vraagtekens bij dit idee.
Spiegeltje
Het experiment dat Bouwmeester zeven jaar geleden begon, moet uitwijzen
of Penrose gelijk heeft. âIn ons experiment willen we proberen een
piepklein spiegeltje - tien keer kleiner dan een menselijke haar -
tegelijkertijd wél en niet te laten trillenâ, legt hij uit. âHet
spiegeltje is dan in superpositie. Als we zien dat het deze
superpositie kwijtraakt, bevestigt dit het vermoeden van Penrose.â Dat
is echter niet zomaar gedaan. Het experiment is een enorme technische
uitdaging, want het moet plaatsvinden in vacuüm, bij ultralage
temperatuur en zonder verstoringen.
De kat van Schrödinger is een gedachte-experiment dat uit de
quantummechanica volgt. Het idee van superpositie wordt vertaald naar
de situatie waarin een kat levend en dood tegelijk is. Het feit dat we
dit in onze wereld niet zien, is een aanwijzing dat quantummechanica
vanaf een bepaalde grens niet meer geldt. Credit: Wikimedia Commons.
De kat van Schrödinger is een gedachte-experiment dat uit de
quantummechanica volgt. Het idee van superpositie wordt vertaald naar
de situatie waarin een kat levend en dood tegelijk is. Het feit dat we
dit in onze wereld niet zien, is een aanwijzing dat quantummechanica
vanaf een bepaalde grens niet meer geldt. Credit: Wikimedia Commons.
Bizar
Mocht blijken dat Penrose het bij het rechte eind heeft, dan werpt dit
nieuw licht op de relatie tussen de zwaartekrachttheorie en de
kwantummechanica, de twee theorieën die wetenschappers al lange tijd
proberen te verenigen. âWe hebben echt een theorie nodig die het gat
tussen deze twee kan overbruggenâ, aldus Penrose. Ook als hij ongelijk
heeft is de uitkomst bijzonder. âDat zou betekenen dat er geen grenzen
zijn aan kwantummechanica, en dat wij mensen dus ook in meerdere
toestanden tegelijk verkerenâ, zegt Bouwmeester. âDat is enorm bizar,
maar zeker niet uitgesloten.â
Samenwerking
Het werk van Bouwmeester heeft ook Tjerk Oosterkamp geïnspireerd om
experimenteel naar de grenzen van de kwantummechanica te zoeken. Hij
heeft een alternatieve opzet, waarbij hij de naald van een
tastmicroscoop in superpositie brengt. âEen interessant idee, wat nog
verder uitgewerkt dient te wordenâ, zegt Penrose. âMijn input kan hier
wellicht nog van betekenis zijn.â Penrose vindt de samenwerking met de
Leidse natuurkundigen erg prettig. âWe hebben al veel vruchtbare
gesprekken gehadâ, vindt hij. Nu natuurlijk nog zien of ze de
vermoedens van Penrose ook daadwerkelijk kunnen bevestigen.
Lezing prof. dr. Roger Penrose, Are we Able to See Through the Big
Bang, into Another World?, 10 juni 2011
Meer informatie
(10 juni 2011/Barry van der Meer)
Links
* Roger Penrose Lorentzhoogleraar 2011Â
* Vici-subsidie voor Dirk BouwmeesterÂ
* Bizar dubbelleven in de kantummechanica Medewerkerspagina Dirk
BouwmeesterÂ
* Tjerk Oosterkamp benoemd tot hoogleraar expertimentele natuurkunde
* Onderzoeksgebied Fundamentals of Science
* Natuurkunde studeren in Leiden, bachelor en master
Universiteit Leiden