Tweeduizend atomen zijn tegelijk op twee plaatsen: fysici vestigen nieuw deeltjesrecord

De manier waarop de werkelijkheid op de kleinste schaal in elkaar steekt, lijkt soms nog het meest op toveren. Waar een mens nooit tegelijk in Rotterdam op de Euromast én in Brussel bij Manneke Pis kan staan, is iets soortgelijks in de wereld van atomen (en nog kleiner) gewoon mogelijk. Daar heersen namelijk de wetten en regels van de quantumfysica, de natuurkundetheorie die onthult dat iets best op meerdere plaatsen tegelijk kan zijn.

‘Ergens onderweg van klein naar groot raken we die mogelijkheid kwijt’, zegt fysicus Carlo Beenakker (Universiteit Leiden). In een poging de wetten van de quantumwereld op te rekken naar steeds grotere voorwerpen, vestigen Oostenrijkse fysici nu een nieuw record. In het vakblad Nature Physics beschrijven zij hoe moleculen gebouwd uit tweeduizend atomen op twee plaatsen tegelijk zijn.

Maffe eigenschappen

“Onze experimenten laten zien dat de maffe eigenschappen van de quantumfysica ook op grotere schaal blijven gelden”, zegt auteur Yaakov Fein (universiteit Wenen) in een persverklaring. Beenakker noemt het experiment een prachtig kunststukje. “Daar krijgen ze de bewondering van de natuurkundegemeenschap voor”, zegt hij.

De uitkomst van het experiment bevestigt volgens hem de ideeën die de meeste natuurkundigen hebben over quantumfysica. Hoewel grote voorwerpen zoals mensen, auto’s en huizen niet op twee plekken tegelijk kunnen zijn, denken de meeste fysici dat de regels van de quantumfysica wel voor die voorwerpen gelden. Blijkbaar speelt op de achtergrond iets dat de effecten van die regels tenietdoet en mensen dus op één plek houdt. Een theorie stelt bijvoorbeeld dat quantumfysica niet zo gediend is van zwaartekracht. Hoe zwaarder iets is, hoe sneller het zijn quantumeigenschappen verliest.

Fundamentele grens

De meeste natuurkundigen gaan in elk geval niet uit van een fundamentele grens, zoals die bijvoorbeeld in de relativiteitstheorie geldt. Daar liet Albert Einstein zien dat niets sneller kan bewegen dan het licht. “Er is niet zoiets als een ‘lichtsnelheid’ van de quantumfysica”, zegt Beenakker. “Wij denken niet dat er een afmeting of massa is waarbij voorbij voorwerpen per definitie geen quantumeigenschappen meer kunnen hebben.” Toch, zegt Beenakker, is er maar één manier om dat te controleren: door het te proberen met steeds grotere objecten.

Vandaar dat de Oostenrijkse fysici de grens nu dramatisch hebben opgerekt, met moleculen die alles bij elkaar grofweg viermaal zwaarder waren dan die van het vorige record. Om te bewijzen dat die moleculen op twee plaatsen tegelijk konden zijn – in ‘superpositie’ zijn, zeggen fysici – gebruikten ze een uitgebreide variant van een klassiek natuurkunde experiment: het zogeheten tweespletenexperiment.

Op doel schieten

Dat maakt gebruik van het feit dat deeltjes in superpositie iets geks kunnen. Waar een voetballer één voetbal nooit tegelijk in en naast het doel kan schieten, kan een deeltje met quantumeigenschappen wél tegelijk door twee spleten vliegen. Omdat deeltjes ook golven zijn – ook zo’n gek inzicht uit de quantumfysica – kun je het effect daarvan het best vergelijken met wat er gebeurt wanneer je een wand met twee spleten in een bak met golvend water zet. Achter de openingen ontstaat dan een complex samenspel van golftoppen en dalen: een zogeheten interferentiepatroon. Net zoiets gebeurt bij de deeltjes. Zijn ze in superpositie, dan vliegen ze door beide spleten tegelijk en zie je het patroon. Zijn ze hun quantumeigenschappen kwijt en vliegen ze dus maar door één spleet tegelijk, dan zie je het patroon niet.

Voorlopig zijn de fysici daarmee nog niet op een fundamentele grens gestuit. “De komende jaren zullen experimenten dit met steeds grotere voorwerpen laten zien”, zegt Beenakker. Of we daarbij ooit op het niveau van mensen en auto’s uitkomen, is op z’n best twijfelachtig. “Maar dankzij dit soort experimenten ontdekken we wel hoe de werkelijkheid op het meest fundamentele niveau in elkaar steekt.”