Test onzekerheidsrelatie Heisenberg op macroschaal is bijna mogelijk

Waar houdt de quantumwereld van atomen en elektronen op en begint de macro-omgeving van alledaagse voorwerpen als zandkorrels en olifanten? Fysici van de University of Maryland hebben een methode ontwikkeld waarmee het weldra mogelijk moet zijn quantumgedrag op macroschaal aan te tonen. Het idee is een staafje zo ver af te koelen dat de nulpuntsenergie (een uitvloeisel van de quantumtheorie) de trilling van het staafje dicteert. De benodigde gevoeligheid is nu door Matthew LaHaye en zijn medewerkers op een factor tien na gehaald, een fenomenale prestatie. Bovendien zijn er goede vooruitzichten op verbeteringen die de nauwkeurigheid naar het vereiste niveau tillen (Science, 2 april).

Tot de hoekstenen van de quantumtheorie behoort de onzekerheidsrelatie van Heisenberg. Die dateert van 1927 en stelt (in zijn bekendste variant) dat bij een quantumobject, bijvoorbeeld een elektron, de positie en de snelheid niet tegelijk met ongelimiteerde precisie zijn te bepalen. Vastpinnen van de positie van een deeltje tot op hoge nauwkeurigheid leidt principieel (dus los van iedere beperking van de meetmethode) tot meer vaagheid in de waarde van de snelheid – en vice versa. De vraag die LaHaye zich stelde was of Heisenbergs onzekerheidsrelatie, en daarmee quantumgedrag, zich ook op macroschaal doet gelden.

In de praktijk fungeerde als macro-object een trillend staafje met een lengte van circa een honderdste millimeter. Dat is niet groot, maar qua massa komt het nog altijd overeen met 1000 miljard waterstofatomen – uit quantumoogpunt zéér macro. Normaal trilt zo'n staafje door toedoen van toevallige botsingen van luchtmoleculen en de warmtebeweging van de moleculen. In vacuüm en bij ultrakoude ligt dat anders: dan raakt die zogeheten `Brownse beweging' uitgevroren. De benodigde temperatuur komt in het experiment van LaHaye uit op 1 millikelvin (0,001 graad boven het absolute nulpunt).

In die extreme omstandigheden neemt de nulpuntsenergie het roer van de Brownse beweging over. Die nulpuntsenergie belet dat de atomen volledig stilstaan (wat een conflict met Heisenberg zou opleveren) en leidt tot trillingen van het staafje met een amplitude 10.000 keer zo klein als de afmeting van een waterstofatoom. LaHaye heeft die nulpuntsenergie-trillingen in zijn eerste experiment met de nieuwe methode nog niet in beeld weten te krijgen. Daarvoor zijn nóg lagere temperaturen en een nauwkeuriger amplitudebepaling nodig. De Amerikanen hopen die binnenkort te realiseren.