Met Penrose op zoek naar de grens van kwantum

08 juni 2011

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.

Afbeelding: 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.

Idee

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: ‘Kunnen we niet iets bedenken wat op een optische tafel past?’ Met als resultaat dat Bouwmeester inmiddels zeven jaar bezig is om het experiment uit te voeren dat ze die dag samen bedachten.

Superpositie

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: ‘Dat klinkt vreemd, en het is iets wat we in het dagelijkse leven niet terugzien. Blijkbaar bestaat er een grens tot waar deze superpositie geldt.’ 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. ‘In ons experiment willen we proberen een piepklein spiegeltje - tien keer kleiner dan een menselijke haar - tegelijkertijd wél en niet te laten trillen’, legt hij uit. ‘Het spiegeltje is dan in superpositie. Als we zien dat het deze superpositie kwijtraakt, bevestigt dit het vermoeden van Penrose.’ 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.

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. ‘We hebben echt een theorie nodig die het gat tussen deze twee kan overbruggen’, aldus Penrose. Ook als hij ongelijk heeft is de uitkomst bijzonder. ‘Dat zou betekenen dat er geen grenzen zijn aan kwantummechanica, en dat wij mensen dus ook in meerdere toestanden tegelijk verkeren’, zegt Bouwmeester. ‘Dat is enorm bizar, maar zeker niet uitgesloten.’

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. ‘Een interessant idee, wat nog verder uitgewerkt dient te worden’, zegt Penrose. ‘Mijn input kan hier wellicht nog van betekenis zijn.’ Penrose vindt de samenwerking met de Leidse natuurkundigen erg prettig. ‘We hebben al veel vruchtbare gesprekken gehad’, 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