Lichtdeeltjes gedragen zich vreemd als je hun ‘staart’ probeert af te knippen

Als je een ‘uiteinde’ van een lichtdeeltje probeert af te knippen, wordt het deeltje niet korter, maar vermenigvuldigt het zich.

Als je probeert een stukje van een lichtdeeltje af te snijden, leidt dat tot oneindig veel meer lichtdeeltjes. De deeltjes doen daardoor wel wat denken aan de Hydra uit de Griekse mythologie, die twee nieuwe koppen groeide voor elke kop die werd afgehakt.

Geknipte deeltjes

Sommige deeltjes zijn elementair, wat betekent dat ze niet in nog kleinere deeltjes kunnen worden opgesplitst. Een proton kan bijvoorbeeld wel worden verdeeld in drie quarks, maar elk quark is een ondeelbaar deeltje.

LEES OOK

De beste ideeën van de 21e eeuw: quantumgekkigheid

Het eerste kwart van deze eeuw zit erop. Sinds de eeuwwisseling zijn we dankzij de wetenschap veel te weten gekomen over onszelf, het heelal en onze p ...

Wat gebeurt er nou als je dan toch in zo’n elementair deeltje probeert te snijden? Het team van natuurkundige Johannes Skaar van de Universiteit van Oslo in Noorwegen boog zich over deze kwestie. Ze keken specifiek naar fotonen: ondeelbare lichtdeeltjes.

Licht kan op twee manieren worden beschreven: als een stroom van deeltjes of als een elektromagnetische golf. Zoom je in op één lichtdeeltje, dan gedraagt het zich volgens de regels van de quantumtheorie. Dat betekent dat een foton niet perfect op één plekje in de ruimte bestaat, zoals alledaagse voorwerpen. In plaats daarvan heeft het een soort ‘staart’: het bevindt zich in een wazig gebiedje dat een stukje van de ruimte beslaat.

De natuurkundigen berekenden wat er gebeurt als je een spiegel zo snel richting een lichtdeeltje beweegt, dat die slechts een deel van het foton zou weerkaatsen. Dat komt in feite neer op het afsnijden van zijn staart. Het team vogelde met behulp van formules uit dat dit afsnijden leidt tot een bijzondere quantumtoestand van het licht: een mengsel, een zogeheten superpositie, van oneindig veel fotonen.

Deeltjes uit het niks

Dit gebeurt doordat de lege ruimte op quantumniveau niet leeg is, maar gevuld met quantumvelden, net zoals er rond een magneet een elektromagnetisch veld bestaat. Deze velden vertonen allemaal kleine schommelingen. Waar het veld piekt, ontstaan nieuwe deeltjes. De spiegel die het foton afsnijdt, zorgt voor zulke pieken. ‘Zodra je de spiegel snel verplaatst, breng je het vacuüm in beweging en tover je fotonen tevoorschijn uit de lege ruimte’, zegt natuurkundige Samuel Braunstein van de York-universiteit in het Verenigd Koninkrijk.

Als je op de situatie zou inzoomen met een detector, is de superpositietoestand niet te onderscheiden van een situatie waarbij een enkel foton zich aan de ene kant van de spiegel bevindt, en een leeg vacuüm aan de andere kant. Dat onderstreept hoe anders een waarneming in de quantumwereld werkt ten opzichte van wat we gewend zijn in ons dagelijks bestaan. Het laat zien dat in de quantumwereld ‘een angstaanjagend ingewikkeld object zich kan voordoen als iets volkomen eenvoudigs’, zegt Braunstein.

Natuurkundige Ulf Leonhardt van het Weizmann-wetenschapsinstituut in Israël zegt dat het lastig kan zijn dit nieuwe idee experimenteel te testen. Het lukt steeds beter om ultrasnel te schakelen met licht in experimenten, maar de snelheid die voor deze proef nodig is, overtreft wat er mogelijk is in laboratoria, zegt hij. Toch hebben eerdere experimenten wel al eens laten zien dat er bij een voldoende snelle ‘sluitertijd’ fotonen kunnen ontstaan uit de lege ruimte.

Oorzaak en gevolg

Het werkt laat zien dat uit het quantumvacuüm nieuwe verschijnselen opborrelen die nog verder moeten worden onderzocht. Dat kan leiden tot een aanpassing van de quantumtheorie, zegt Leonhardt.

Skaars team wil de analyse nu uitbreiden naar meer dan één foton tegelijk. Ook willen de onderzoekers bekijken wat er gebeurt bij andere deeltjes, zoals elektronen. Ze hopen dat dit licht werpt op vragen over hoe oorzaak en gevolg werken voor quantumdeeltjes.