Onderzoekers manipuleren het "absolute niets" en merken veranderingen in kwantumfluctuaties

In de klassieke visie is een vacuüm een ruimte waarin totaal geen materie voorkomt, en die de laagst mogelijke energie heeft. Er zijn geen deeltjes, en er is niets dat pure fysica in de weg kan staan. 

Maar een van de meest fundamentele principes van de kwantummechanica, het onzekerheidsprincipe van Heisenberg, zegt dat er een limiet is aan wat we kunnen weten over kwantumdeeltjes, en als gevolg daarvan is een kwantumvacuüm helemaal niet leeg. Het staat daarentegen bol van zijn eigen vreemde energie, en het wordt gevuld met paren van deeltjes en antideeltjes die op een willekeurige manier even verschijnen, en dan weer verdwijnen. 

Die deeltjesparen zijn meer "virtuele deeltjes" dan echte fysieke materie, en dus kan je ze normaal gezien niet waarnemen. Maar hoewel ze onzichtbaar zijn, hebben ze toch, zoals de meeste zaken in de kwantumwereld, een subtiele invloed op de "echte" wereld.

De kwantumfluctuaties die de deeltjes veroorzaken, produceren elektrische velden die op een willekeurige manier fluctueren, en die velden kunnen elektronen beïnvloeden. Het is door die invloed op de elektronen dat onderzoekers in de jaren 40 voor het eerst indirect het bestaan van de deeltjes konden aantonen. En gedurende tientallen jaren bleef het daar ook bij.

Tot in 2015 een team onderzoekers van de universiteit van Konstanz in Duitsland, onder leiding van Alfred Leitenstorfer, beweerde dat ze de fluctuaties direct waargenomen hadden, door hun invloed op een lichtgolf vast te stellen.

Daarvoor vuurden ze een superkorte laserstoot - van slechts enkele femtoseconden, een miljoenste van een miljardste van een seconde - in een vacuüm, en ze zeggen dat ze in staat waren om subtiele veranderingen te zien in de polarisatie van het licht. Volgens de onderzoekers werden die veranderingen direct veroorzaakt door de kwantumfluctuaties. Het onderzoek werd gepubliceerd in "Science".

Over hun bewering wordt nog steeds verwoed gedebatteerd, en nu heeft hetzelfde team zijn onderzoek nog een stap verder gebracht door te "knijpen" op het vacuüm, door het samen te drukken. Ze zeggen dat ze als resultaat daarvan vreemde veranderingen in de kwantumfluctuaties hebben kunnen waarnemen.

De waarneming van die veranderingen is niet enkel verder bewijs voor het bestaan van de kwantumfluctuaties, ze zou ook aantonen dat de onderzoekers een manier hebben gevonden om experimenten in de kwantumwereld te observeren zonder de resultaten in de war te sturen. In de kwantumwereld is het immers zo dat een observatie van een deeltje de kwantumtoestand van dat deeltje laat "dichtklappen", vernietigt in feite. 

"We kunnen kwantumtoestanden analyseren zonder ze te veranderen bij de eerste benadering", zo zei Leitenstorfer aan Sciencealert.com.

Normaal gezien, als je zoekt naar het effect van kwantumfluctuaties op een enkel foton - een lichtpartikel -, moet je dat lichtpartikel opsporen, of het zelfs versterken, om het effect te kunnen zien. En dat zou de "kwantumhandtekening" die op dat foton is achtergebleven, verwijderen, wat het geval was bij het experiment van het team in 2015.

Nu, in plaats van naar de veranderingen in de kwantumfluctuaties te kijken door fotonen op te nemen en te versterken, heeft het team het licht bestudeerd op het tijdsveld. Dat klinkt misschien vreemd, maar in een vacuüm gedragen tijd en ruimte zich op dezelfde manier, en het is dus mogelijk om het ene te onderzoeken om iets over het andere te weten te komen.

Op die manier zag het team dat als ze het vacuüm samendrukten, dat dat zowat werkte alsof ze op een ballon knepen en dat het de vreemde kwantumfluctuaties in het vacuüm herverdeelde. Op sommige punten werden de fluctuaties veel luider dan het achtergrondgeluid van een vacuüm waarop geen druk werd uitgeoefend, en op sommige punten werden ze stiller.

Leitenstorfer vergeleek dat met een verkeersopstopping - als er een flessenhals is, zullen daarachter de auto's zich ophopen, voor dat punt verlaagt de dichtheid van de auto's dan opnieuw. Hetzelfde doet zich tot op zekere hoogte voor in een vacuüm: als het vacuüm op een plaats dichtgeknepen wordt, verandert de verdeling van de kwantumfluctuaties, en die kunnen versnellen of vertragen ten gevolge van de uitgeoefende druk.

Dat effect kan gemeten worden op het tijdsveld, en het is te zien op de onderstaande illustratie waar het uitgezet is in de ruimte-tijd. De bult in het midden is de samendrukking van het vacuüm.

Op de illustratie is ook te zien dat de fluctuaties als gevolg van de samendrukking een aantal bulten vertonen. Maar er gebeurt ook iets vreemds: de fluctuaties lijken op sommige plaatsen onder het niveau van het achtergrondgeluid te vallen, wat lager is dan de grondtoestand van de lege ruimte. De geleerden noemen dat een "verbazingwekkend fenomeen".

"Aangezien de nieuwe meettechniek de fotonen noch moet opnemen, noch moet versterken om ze te kunnen meten, is het mogelijk om het elektromagnetisch achtergrondgeluid van het vacuüm direct waar te nemen, en dus ook de gecontroleerde afwijkingen van deze grondtoestand, die door de onderzoekers gecreëerd zijn", zo schrijft het team in een persmededeling.

Het team voert nu testen uit om te zien hoe nauwkeurig hun techniek is, en hoeveel ze er van kunnen leren.

Want hoewel de resultaten tot nu toe indrukwekkend zijn, bestaat er nog altijd een kans dat het team enkel een zogenoemde "zwakke meting" heeft kunnen bekomen, een soort meting die de kwantumtoestand niet verstoort, maar die de onderzoekers ook niet veel vertelt over het kwantumsysteem.

Als de onderzoekers met deze techniek inderdaad meer kunnen leren, willen ze die verder gebruiken om de "kwantumtoestand van licht" te onderzoeken, het onzichtbare gedrag van licht op het kwantumniveau dat we nog maar net beginnen te begrijpen.

Verder onderzoek is nodig om de bevindingen van het team te repliceren en aan te tonen dat het experiment echt werkt. Maar het is hoe dan ook een belangrijke eerste stap. 

Het nieuwe onderzoek van het team uit Konstanz is gepubliceerd in "Nature".

De theoretische fysicus en kosmoloog Lawrence Krauss legt uit dat niets wel degelijk gewicht heeft.