Op zoek naar de kwantumgrens


Ook moleculen van duizenden atomen groot kunnen zich op twee plekken tegelijk bevinden. Een zoveelste bewijs van de lange arm van de kwantummechanica.


In de biotoop bevolkt door individuele deeltjes leven zoals elektronen, fotonen, protonen (en noem maar op) regeert de kwantummechanica. Haar wetten liggen aan de basis van de meest bizarre verschijnselen in de natuur. Ze stellen bijvoorbeeld dat voornoemde partikels zich tegelijkertijd als deeltjes en als golven kunnen gedragen. En dat je de locatie en de snelheid van één deeltje niet simultaan exact kunt meten en kennen (dit is de beroemde onzekerheidsrelatie van Heisenberg). Maar ook dat deeltjes verstrengeld kunnen zijn in een ‘spooky interaction’, waardoor ze elkaar ‘buiten de tijd om’ kunnen beïnvloeden – ook al is hun onderlinge afstand lichtjaren groot.

Natuurkundigen zijn intussen goed vertrouwd met de vele rare en contra-intuïtieve implicaties van de kwantummechanica, nu haar eeuwfeest stilaan in zicht komt – de geboorte van de theorie wordt vaak gesitueerd tijdens de Solvayconferentie van 1927 in Brussel. Maar tot waar de invloed van de kwantummechanica reikt, en waar ‘onze’ vertrouwde macrowereld die gehoorzaamt aan de klassieke Newtoniaanse wetten precies begint, is nog niet uitgeklaard.


Op twee plekken tegelijk

Heel wat fysici zijn naarstig op zoek naar die kwantumgrens, waarbij ze stiekem hopen dat hij ‘hoog genoeg’ ligt (op voldoende grote schaal) zodat ook materie die ze kunnen manipuleren nog kwantumgedrag vertoont. Tot zelfs piepkleine biologische structuren – stel je voor: microben die geteleporteerd kunnen worden van de ene naar de andere kant van het universum.

De zoektocht naar de grens tussen ‘kwantum’ en ‘klassiek’ verloopt bottom-up: vertrekkend vanuit de kwantumwereld klimmen natuurkundigen met de experimenten in hun laboratoria telkens een trapje hoger. Van de elementaire deeltjes (elektronen, muonen...) naar de subatomaire deeltjes (protonen, neutronen...), vervolgens naar de atomen en dan naar de moleculen. Voor al deze deeltjes(niveaus) is al aangetoond dat ze onderhevig zijn aan de kwantummechanica. Deeltjes kunnen bijvoorbeeld op twee plaatsen tegelijkertijd zijn, een gevolg van hun duale golf-deeltjeskarakter. Dit soort kwantumeigenschappen zijn zelfs al gezien bij kanjers van moleculen, opgebouwd uit tientallen tot honderden atomen. Met op kop een molecule bestaande uit liefst achthonderd atomen. Dat is natuurlijk nog veel en veel te weinig om met een (licht)microscoop te kunnen zien – laat staan met het blote oog – maar het is toch ook ver boven het niveau van individuele deeltjes en atomen.

Een team van Oostenrijkse en Zwitserse fysici heeft dat record nu verbroken, of zeg maar verpulverd. Bij moleculen bestaande uit niet minder dan tweeduizend atomen zagen ze dat de partikels zich nog steeds als golven gedroegen (Nature Physics,vorige maand). Ze vuurden de moleculen in een bundel af op een ondoordringbaar scherm waarin ze vooraf twee flinterdunne spleten hadden gesneden, op kleine afstand van elkaar. Dat zogeheten ‘tweespletenexperiment’ wordt al twee eeuwen gebruikt om fysische verschijnselen op golfgedrag te betrappen. Bij lichtgolven – maar bijvoorbeeld ook bij watergolven – vindt er achter het scherm interferentie plaats: op plekken waar pieken en dalen samenkomen, doven de golven elkaar uit. Op plaatsen waar twee pieken of twee dalen elkaar ontmoeten, versterken ze elkaar. Bij licht ontstaat (op een achterliggend scherm) zo een patroon van afwisselend heldere en donkere strepen. Bij water een patroon van sterke en zwakke deining.


Typisch golfpatroon

De fysici zagen hetzelfde gebeuren bij hun moleculen (ingewikkelde organische verbindingen met voornamelijk koolstof-, waterstof- en stikstofatomen), nadat ze ze hadden afgevuurd in een vacuümbuis van 2 meter lang. Aan het eind van de buis, op een detectorscherm voorbij de twee spleten, tekende zich het typische patroon af van een golfverschijnsel. Uit de afstand tussen de spleten en de detector konden de vorsers bovendien berekenen hoelang de specifieke kwantumtoestand had geduurd. Met 7 milliseconden (duizendsten van een seconde) kwam dat in de buurt van ‘ons’ tijdsbesef – kijk maar naar de verschillen bij de sprintnummers in de atletiek.

‘Ons experiment toont aan dat de kwantummechanica, hoe bizar ze ook lijkt, enorm robuust is’, zegt fysicus en leidend onderzoeker Yaakov Fein in een persbericht van de universiteit van Wenen. Hij gaat ervan uit dat nog grotere en zwaardere objecten binnenkort ook kwantumgedrag zullen vertonen, iets wat ‘uit komende experimenten moet blijken’. Benieuwd of straks ook de biologische wereld in het vizier komt, te beginnen met de virussen, de kleinste levende organismen. En of de kwantummechanica behalve over de dode ook over levende materie heerst.


DS, 21-10-2019 (Senne Starckx)