Zodat leegte ophoudt leegte te zijn
De leegte is een plek waar, ook al zie je het niet, veel gebeurt. Om erachter te komen wat precies kost, is echter zoveel energie nodig dat het voor wetenschappers tot voor kort onmogelijk leek om in de wereld van virtuele deeltjes te kijken. Wanneer sommige mensen in deze situatie stoppen, is voor anderen het onmogelijke een stimulans om het te proberen.
Volgens de kwantumtheorie is de lege ruimte gevuld met virtuele deeltjes die pulseren tussen zijn en niet-zijn. Ze zijn ook volledig niet op te sporen - tenzij we iets krachtigs hadden om ze te vinden.
– Wanneer mensen over een vacuüm praten, bedoelen ze meestal iets dat volkomen leeg is, zei theoretisch natuurkundige Mattias Marklund van de Chalmers University of Technology in Göteborg, Zweden, in het januarinummer van NewScientist.
Het blijkt dat de laser kan aantonen dat hij toch niet zo leeg is.
Elektron in statistische zin
Virtuele deeltjes zijn een wiskundig concept in kwantumveldtheorieën. Dit zijn fysieke deeltjes die hun aanwezigheid manifesteren door interacties, maar het principe van de massa-omhulling doorbreken.
Virtuele deeltjes verschijnen in de werken van Richard Feynman. Volgens zijn theorie is elk fysiek deeltje in feite een conglomeraat van virtuele deeltjes. Een fysiek elektron is eigenlijk een virtueel elektron dat virtuele fotonen uitzendt, die vervallen in virtuele elektron-positronparen, die op hun beurt interageren met behulp van virtuele fotonen - enzovoort tot in het oneindige. Een ‘fysiek’ elektron is een voortdurend plaatsvindend proces van interactie tussen virtuele elektronen, positronen, fotonen en misschien wel andere deeltjes. De ‘realiteit’ van een elektron is een statistisch concept. Het is onmogelijk te zeggen welk deeltje van deze set echt echt is. Het enige dat we weten is dat de som van de ladingen van al deze deeltjes resulteert in de lading van het elektron (dat wil zeggen, om het simpel te zeggen: er moet één virtueel elektron meer zijn dan er virtuele positronen zijn) en dat de som van de massa's van alle deeltjes creëren de massa van het elektron.
Elektronen-positronparen worden in een vacuüm gecreëerd. Elk deeltje met een positieve lading, bijvoorbeeld een proton, zal deze virtuele elektronen aantrekken en positronen afstoten (met behulp van virtuele fotonen). Dit fenomeen wordt vacuümpolarisatie genoemd. Elektronen-positronparen geroteerd door een proton
ze creëren kleine dipolen die het veld van het proton veranderen met hun elektrische veld. De elektrische lading van het proton die we meten is dus niet de lading van het proton zelf, maar van het hele systeem, inclusief de virtuele paren.
Laser in het vacuüm
De reden waarom we denken dat virtuele deeltjes bestaan, gaat terug tot de fundamenten van de kwantumelektrodynamica (QED), een tak van de natuurkunde die de interacties van fotonen met elektronen probeert te verklaren. Sinds de ontwikkeling van deze theorie in de jaren dertig vragen natuurkundigen zich af hoe ze moeten omgaan met het probleem van deeltjes waarvan het bestaan wiskundig noodzakelijk is, maar niet gezien, gehoord of gevoeld kan worden.
QED laat zien dat theoretisch gezien, als we een voldoende sterk elektrisch veld creëren, de virtuele elektronen die hen vergezellen (of een statistisch conglomeraat vormen dat een elektron wordt genoemd) hun aanwezigheid zullen onthullen en dat het mogelijk zal zijn ze te detecteren. De energie die hiervoor nodig is, moet een limiet bereiken en overschrijden die de Schwinger-limiet wordt genoemd, waarboven, zoals het figuurlijk wordt gesteld, het vacuüm zijn klassieke eigenschappen verliest en niet langer "leeg" is. Waarom is het niet zo eenvoudig? Omdat de benodigde hoeveelheid energie gelijk moet zijn aan de totale energie die door alle energiecentrales ter wereld wordt geproduceerd – maal nog een miljard.
Het ding lijkt buiten ons bereik. Het blijkt echter dat dit niet noodzakelijkerwijs het geval is als we de lasertechniek van ultrakorte optische pulsen met hoge intensiteit gebruiken, die in de jaren tachtig werd ontwikkeld door de Nobelprijswinnaars van vorig jaar, Gérard Mourou en Donna Strickland. Mourou zelf zei openlijk dat de giga-, tera- en zelfs petawatt-vermogens die door deze laser-supershots worden bereikt een kans creëren om het vacuüm te doorbreken. Zijn concepten werden belichaamd in het Extreme Light Infrastructure (ELI)-project, ondersteund door Europese fondsen en ontwikkeld in Roemenië. Er zijn twee lasers van 80 petawatt in de buurt van Boekarest die wetenschappers willen gebruiken om de Schwinger-limiet te overwinnen.
Maar zelfs als het mogelijk is om de energiebeperkingen te overwinnen, blijft het resultaat – en wat uiteindelijk in de ogen van natuurkundigen zal verschijnen – zeer onzeker. In het geval van virtuele deeltjes begint de onderzoeksmethodologie te falen en zijn de berekeningen niet langer zinvol. Uit een simpele rekensom blijkt bovendien dat twee ELI-lasers te weinig energie opwekken. Zelfs vier gecombineerde balken zijn nog steeds 10 keer minder dan nodig. Wetenschappers laten zich hierdoor echter niet ontmoedigen, omdat zij deze magische grens niet als een scherpe eenmalige limiet beschouwen, maar als een geleidelijk gebied van verandering. Ze hopen dus op enkele virtuele effecten, zelfs met lagere energiedoses.
Onderzoekers hebben verschillende ideeën voor het versterken van laserstralen. Eén daarvan is het vrij exotische concept van reflecterende en versterkende spiegels die met de snelheid van het licht reizen. Andere ideeën zijn onder meer het versterken van de bundels door fotonenbundels te laten botsen met elektronenbundels of botsende laserbundels, wat zou worden uitgevoerd door wetenschappers van het Chinese onderzoekscentrum Station of Extreme Light in Shanghai. De grote foton- of elektronenbotser is een nieuw en interessant concept dat de moeite waard is om te observeren.
