Over niets dat veel meer dan niets is
Theoretisch fysicus Jan de Boer (zie foto van Bob Bronshoff) van de Universiteit van
Amsterdam gaf op de ouderdag 2016 voor ouders van studenten natuurkunde,
sterrenkunde en wiskunde, die georganiseerd werd door de
Natuurwetenschappelijke Studievereniging Amsterdam (NSA), een hoorcollege over
het begrip vacuüm, dat veel meer blijkt te zijn dan niets. Het college over het
vacuümbegrip dat veel vertelt over de ontwikkeling van de natuurwetenschap, was
zelfs voor een leek nog enigszins te begrijpen, hetgeen in de eerste plaats de
verdienste van De Boer was. De relativering enigszins geeft aan dat mijn
verslag ervan noodzakelijkerwijs tekort schiet, al is mijn behoefte om de
moderne natuurwetenschap te verstaan onverminderd groot. Onze plaats in de
ruimte en het denken over ons mens-zijn wordt erdoor bepaald.
De Boer begint met de meest eenvoudige definitie van een
vacuüm: een ruimte zonder materie, zoals we ons voorstellen bij een doos die
leeg is. Een tweede definitie gaat al iets verder: een toestand van een systeem
met de laagst mogelijke energie. Beide definities spelen zich af binnen het terrein
van de klassieke fysica, waar wij ons intuïtief aan verwant voelen. Dat wordt
anders met de kwantummechanica, die afstand neemt van het duidelijke onderscheid
tussen deeltjes en golven. Golven kunnen zich gedragen als deeltjes en
andersom, zoals het dubbel spleet experiment heeft aangetoond. Daarbij worden
elektronen door twee spleten geschoten, die niet terecht komen waar we ze
verwachten. De voorstelling uit de klassieke fysica waarin een elektron keurig
om een kern heen draait, blijkt dan ook niet te kloppen. De plaats van het
elektron ten opzichte van de kern is veel moeilijker vast te stellen.
De Boer gaat verder met het aspect geluid. Het blijkt dat
een constante toon de zaal vult, terwijl een interferentie van geluidsgolven beter te lokaliseren
is. Dat is een opstapje naar de onzekerheidsrelatie van de Duitser Heisenberg
(1901-1976), die stelt dat je minder te weten komt over het geheel als je een
element lokaliseert. Meten beïnvloedt zelf de uitkomst. Zonder de kwantummechanica
zouden atomen onstabiel zijn, chemische verbindingen niet mogelijk en
biologische reacties niet kunnen plaatsvinden.
Vervolgens stelt De Boer dat een balletje volgens de kwantummechanica niet mag
stilliggen op de bodem van een put. Daardoor is de laagste energie niet gelijk
aan nul. De natuur zit vol trillingen. De Haagse natuurkundige Casimir (1909-2000)
ontdekte dat elektromagnetische golven aanwezig bleven tussen twee geleidende
platen. De hoeveelheid energie is afhankelijk van de afstand tussen de platen.
Dit wordt de Casimir kracht genoemd. In de klassieke fysica kan dit worden
aangetoond met een proef waarbij men twee stokjes in water houdt, maar in de
kwantummechanica mag veel meer, zoals een deeltje en een antideeltje uit niets
tevoorschijn halen. Volgens het Unruh effect, dat nog niet experimenteel
waargenomen is, is het effect en ook het vacuüm afhankelijk van de temperatuur
van de waarnemer.
Omdat De Boer weet dat de aandacht van de luisteraar na
vijfentwintig minuten daalt, laat hij foto’s zien van wetenschappers en daklozen,
waarbij het nog niet zo gemakkelijk is om de Canadese natuurkundige Unruh (1945)
daar tussen uit te halen. Hij gaat verder met een andere theoretische natuurwetenschapper,
de Brit Paul Dirac (1902-1984) die in 1930 die de ideeën over het vacuüm in
verband bracht met de relativiteitstheorie van Einstein (1879-1955) en een
Diraczee aan quarkdeeltjes in het vacuüm veronderstelde, waarin negatieve
energie meespeelde. Daarmee werd het vacuüm alleen nog maar ingewikkelder. Er
wordt veel geld uitgeloofd om de oersoep in het vacuüm te begrijpen.
De vaststelling van het Higgsdeeltje in 2012 dat massa geeft
aan andere deeltjes, leidde tot een hiërarchieprobleem. Oplossingen daarvan met
supersymetrische deeltjes zijn niet bewezen. Inmiddels deed ook de
zwaartekracht, die gevoelig is voor absolute verschillen tussen deeltjes, nog
een duit in het zakje. De donkere energie in het heelal, dat het vacuüm uitmaakt,
vormt zeventig procent van de materie. Het probleem van de kosmologische
constante is in de moderne kwantummechanica nog niet opgelost. De Boer doet een
aantal suggesties: wellicht ontbreekt het ons aan een goede manier van denken
over het probleem of zijn er meerdere universa en brengt ons universum volgens
het antropische principe een leven voort dat zich deze vragen stelt. Hij zegt
erbij dat hij zich op speculatief gebied begeeft. De reis is nog lang niet ten
einde. Voor de studenten is er nog genoeg te verhapstukken.
Geen opmerkingen:
Een reactie posten