jouw wetenschapsgids in de hoofdstad

jouw wetenschapsgids in de hoofdstad

Alle zekerheden overboord: van Casimirkrachten tot kwantumlevitatie

Het onzekerheidsbeginsel van Heisenberg

Het onzekerheidsbeginsel van Heisenberg is een van de hoekstenen van de kwantummechanica. Het is niet toevallig een van de meeste iconische vergelijkingen die je te pas en te onpas op T-shirts, koffiekoppen en screensavers van fysici ziet verschijnen. Kort door de bocht stelt het onzekerheidsbeginsel dat er bepaalde grootheden bestaan die je niet tegelijkertijd met absolute zekerheid experimenteel kan meten. Het bijzonder eigenaardige aan dit principe is dat deze onzekerheid geen gevolg is van beperkte experimentele mogelijkheden, maar eerder een diepgewortelde natuurwet is, ingebakken in de mechanismen van de kwantummechanica. Het bekendste duo grootheden dat aan deze onzekerheidsrelatie voldoet, is het duo positie en bewegingshoeveelheid – het product van de massa en de snelheid – van een kwantumdeeltje. Wil je, met andere woorden, de positie van een deeltje met heel grote nauwkeurigheid bepalen, dan zal je onvermijdelijk moeten inboeten op de nauwkeurigheid van diens bewegingshoeveelheid.

Virtuele deeltjes in het vacuüm

Een tweede stel gekoppelde grootheden dat aan deze onzekerheidsrelatie voldoet, is energie en tijd. De toepassing van het onzekerheidsbeginsel op dit koppel grootheden zorgt voor nog méér exotische gevolgen. Stel dat je een bepaald systeem voor een heel korte tijd bestudeert om zo een kleine onzekerheid te hebben over de tijd, dan verkrijg je automatisch een grote onzekerheid over de energie van dit systeem. Het bestaan van het vacuüm – een lege ruimte zonder deeltjes en straling – is dus in strijd met het onzekerheidsbeginsel. Immers, onafhankelijk van hoelang je meet, zou de energie van het vacuüm gelijk aan nul zijn – alle onzekerheden overboord. De oplossing voor deze paradox wordt geboden door virtuele deeltjes. Zelfs in de absolute afwezigheid van straling en materie zullen er steeds virtuele deeltjes bestaan. We noemen dit virtuele deeltjes omdat ze slechts voor een korte tijd ontstaan en dan weer verdwijnen. De energie van deze deeltjes is in overeenstemming met het onzekerheidsbeginsel: hoe hoger de energie, hoe korter ze bestaan.

De Casimirkracht of de kracht van virtuele deeltjes

Het bestaan van deze virtuele deeltjes mag misschien heel theoretisch en exotisch klinken, toch genereren ze belangrijke en meetbare effecten, meer in het bijzonder in de kwantumelektrodynamica (de kwantumbeschrijving van het klassieke elektromagnetisme). Ook in een elektromagnetisch kwantumveld ontstaan en verdwijnen er virtuele deeltjes, ofwel: virtuele fotonen. Deze virtuele fotonen spelen een bijzondere rol wanneer we twee metalen platen op korte afstand van elkaar plaatsen. De metalen platen zorgen er immers voor dat er bepaalde virtuele fotonen niet kunnen bestaan tussen de platen. Als de virtuele fotonen door hun golflengte groter zijn dan de afstand tussen de metalen platen, passen ze er niet tussen, net zoals trillingsgolven met lange golflengte niet kunnen vibreren op een korte gitaarsnaar. In het gebied buiten de platen kunnen echter fotonen bestaan met alle mogelijke golflengten, zonder enige beperking.

Er is bijgevolg een grotere hoeveelheid virtuele fotonen in het gebied buiten de twee platen dan het gebied tussen de twee platen. Vermits deze virtuele fotonen een druk uitoefenen op deze platen, en er minder fotonen bestaan tussen de platen, ontstaat er een netto kracht die de platen naar elkaar toe duwt. Dit effect werd voor het eerst theoretisch voorspeld door Hendrik Casimir en Dirk Polder in 1948, en werd ook naar hen vernoemd (de Casimir kracht of ook de Casimir-Polder kracht) maar het duurde verschillende decennia vooraleer er een experimentele waarneming mogelijk werd.

___________________________________________________________________

Op microscopisch niveau duwen Casimirkrachten metalen componenten tegen elkaar zodat ze met elkaar versmelten en onbruikbaar worden. Dit is een probleem in de ontwikkeling van geminiaturiseerde bewegende onderdelen.

___________________________________________________________________

In macroscopische structuren is de Casimirkracht immers bijzonder klein en mag deze zonder meer verwaarloosd worden. In de snel groeiende wereld van de nanotechnologie, daarentegen, worden er momenteel minuscule metallische structuren gemaakt waarbij de Casimirkrachten een bijzonder nadelig effect opleveren. Op dit niveau merkt men immers dat de Casimirkrachten alle bewegelijke metalen componenten tegen elkaar duwen, zodat deze met elkaar versmelten en onbruikbaar worden. Dit is een van de struikelblokken die de ontwikkeling van geminiaturiseerde bewegende onderdelen verhindert.

Artificiele metamaterialen die de Casimirkrachten beïnvloeden

Momenteel onderzoeken we aan de VUB hoe we deze Casimirkrachten beter onder controle kunnen krijgen. Hiervoor willen we gebruik maken van nieuwe, articifiële materialen, waarvan de elektromagnetische eigenschappen door ons zelf ontworpen worden. Dit soort materialen noemt men metamaterialen. Theoretisch gezien zou het mogelijk zijn om met deze materialen de Casimirkrachten te verkleinen of zelfs het effect van de Casimirkrachten om te draaien: met andere woorden, er een repulsieve kracht van maken in plaats van een attractieve en zo kwantumlevitatie te bereiken. In dat opzicht is het een ultiem doel om zeer kleine objecten te laten zweven boven elkaar, aangedreven door de mysterieuze fluctuaties in de kwantumvelden.