de bizarre wereld van de quantummechanica

De onderzoeksgroep van professor Tempere is gespecialiseerd in zogenaamde bose-einsteincondensaten. Dat is een compleet aparte toestand waarin materie zich kan bevinden, naast de bekende vast, vloeibaar en gas. Deze aggregatietoestand werd al ongeveer een eeuw geleden voorspeld door Albert Einstein, maar kon pas de laatste decennia in laboratoria bereikt worden. De moeilijkheid is dat zo'n condensaat of quantumgas normaal pas voorkomt bij extreem lage temperaturen, vlakbij het absolute nulpunt. De gekste quantummechanische eigenschappen zie je meestal alleen bij enkele deeltjes, zoals een elektron dat tegelijk omhoog en omlaag draait ('superpositie') of twee deeltjes die op afstand magisch met elkaar verbonden lijken te zijn, zodat het ene altijd precies doet wat het andere doet ('entanglement'). In een bose-einsteincondensaat gaat een heel wolkje atomen tegelijk quantumeigenschappen vertonen.

Je kan een atoom best niet bekijken als een knikker, maar eerder als een soort golfje. In een normaal gas vliegen ze in een vrolijke chaos alle kanten op. In een quantumgas gaan die golfjes elkaar overlappen, wat ze tot coherentie dwingt. Ze gaan als het ware in de pas lopen met de coördinatie van een militaire parade. Daardoor gaat de hele groep zich bijzonder vreemd gedragen. Wanneer je twee quantumgassen samenbrengt, gaan ze niet mengen zoals je zou verwachten, maar wel interfereren. Wanneer golven tegen elkaar botsen, zie je dat waar de hoogste golven elkaar raken er een nog hogere golf ontstaat, maar waar een hoge golf een dal raakt, doen ze elkaar teniet. Iets gelijkaardigs zien we hier: de twee condensaten gaan lagen vormen. Pannenkoeken van materie met ertussen leegte waar de materie elkaar tenietdoet.

van theorie tot technologie

Dat lijkt allemaal nogal ver verwijderd van onze leefwereld. De toepassingen van deze theorieën komen nochtans steeds dichterbij. Supergeleiders, een ander quantummateriaal, worden nu al gebruikt om bijvoorbeeld supersnelle treinen te laten zweven over het spoor. Quantumcomputers worden momenteel getest en als die goed genoeg worden, zouden ze potentieel de huidige beveiliging van onze computers kunnen kraken, maar ook meteen nieuwe, sterkere beveiliging mogelijk maken. Aan deze technologische innovaties gaat een hoop onderzoek vooraf. Zowel experimenteel, om deze vreemde stoffen te proberen aanmaken en manipuleren, als theoretisch onderzoek, om het gedrag van die stoffen te beschrijven en te voorspellen. Dat is wat hier aan UAntwerpen gebeurt.

Hoe ziet zo'n onderzoek in de theoretische fysica er dan precies uit? Professor Tempere stelt het humoristisch voor: "Een theoretisch fysicus zet cafeïne om in formules." Uiteindelijk bestaat het grootste deel van zijn of haar werk uit wiskunde. Bij TQC wordt vaak gewerkt met een wiskundige techniek, genaamd padintegralen, die hen in staat stelt om toch met de onzekerheid van de quantumwereld te gaan rekenen door een soort gemiddelde te nemen van alle verschillende mogelijkheden. Omdat dit hele onderzoeksdomein nog relatief nieuw is, kunnen er niet gewoon formules uit een handboek geplukt worden, zoals we dat met de wetten van Newton kunnen doen. De onderzoekers stellen nieuwe formules op die verklaren wat in een experiment gebeurt of die de uitkomst van een experiment kunnen voorspellen. Er is dus ook steeds interactie met experimentele fysici. Er zijn momenteel zelfs plannen om in samenwerking met UGent een eigen experimentele groep op te richten om voor het eerst in België een bose-einsteincondensaat te maken.

Belgische band

België heeft immers al lang een band met de quantummechanica. Op de Solvaymeetings in Brussel komen al sinds 1911 de knapste koppen uit de natuurkunde samen om de nieuwste ontwikkelingen in hun wetenschap te bediscussiëren. Dat was de gelegenheid voor mensen als Marie Curie, Niels Bohr, Max Planck en Albert Einstein om de toentertijd gloednieuwe quantumtheorie te bespreken, nog voor die algemeen aanvaard was. Het is ook daar dat hevige discussies woedden over hoe we de vreemde wereld van de quantummechanica moesten interpreteren. De wiskundige formules geven dan wel goede resultaten, maar hoe zetten we dat om in een wereldbeeld? Volgens professor Tempere zijn die discussies nog altijd niet beslecht. Hij haalt een laatste bedenking aan: "In de quantumwereld kan een systeem in superpositie zijn van twee toestanden, zoals de bekende kat van Schrödinger die, verborgen in een doos, tegelijk levend en dood is, tot er een meting gedaan wordt waardoor de superpositie stopt en de kat gewoon levend of dood is. Meestal zegt men dan dat het openen van de doos als een meting geldt en de kat op dat moment dus ofwel levend ofwel dood moet zijn. Maar volgens de quantummechanica kom je, als je die doos opent, mee in superpositie. Een blije versie van jezelf omdat de kat nog leeft en een ongelukkige versie omdat de kat dood is. Wat geldt dan juist als een meting die ervoor zorgt dat het systeem in een bepaalde staat komt? We kunnen dat wel herkennen als het gebeurt, maar wat het juist is, weten we nog niet."