Sterallures van een ijskoud wolkje

Onderzoekers krijgen meer en meer zicht op de koudste materie op aarde, het Bose-Einsteincondensaat. Ze zien er vreemde dingen in, die doen denken aan exploderende of ineenstortende sterren....

Martijn van Calmthout

ULF LEONHARDT, fysicus aan de universiteit van St. Andrews, windt er geen doekjes om: hij moet geld hebben. Geld voor apparatuur, voor een postdoc en voor wat verdere assistentie. Een paar ton. Maar dan krijgt de wereld ook wat. Om precies te zijn een zwart gat. Gewoon in zijn laboratorium in de oudste universiteitsstad van Schotland, pal aan de Noordzee.

Vorig jaar sloegen de Britse zondagskranten alarm over het mal klinkende plan. Wist professor Leonhardt wel hoe gevaarlijk zwarte gaten zijn?

Dat wist hij. Zwarte gaten zijn ingestorte sterren waarvan de zwaartekracht zo sterk is dat er niks uit kan ontsnappen, zelfs geen licht. Zoiets maak je niet voor een paar ton in een lab. Maar Leonhardt kent een andere uithoek van de natuurkunde, waar precies dezelfde wetten een rol spelen: in een wervelend ultrakoud gas. Licht wordt daarin opgeslokt als eendjes in een krachtige draaikolk.

Leonhardt: 'De wiskundige vergelijkingen voor de twee verschijnselen blijken identiek, dus kun je volhouden dat je een zwart gat in het laboratorium kunt realiseren, ook al zal het onze geen materie opslokken. Sterker, je kunt het observeren en er metingen aan doen, theoretische voorspellingen mee controleren. Buiten in het heelal kan dat natuurlijk niet.'

Leonhardt en een groep theoretici van de universiteit van Innsbruck maken handig gebruik van de wonderlijke verschijnselen die de laatste vijf jaar zijn ontdekt in de koudste materie op aarde: het Bose-Einsteincondensaat.

Einstein voorspelde al in 1924, samen met de Indiase fysicus Satyendra Nath Bose, dat sommige gassen bij het absolute nulpunt niet bevriezen, maar een gasvormig superatoom vormen, een zogeheten quantumcondensaat. In 1995, zeventig jaar later, brachten de Amerikanen Carl Wieman en Eric Cornell deze materietoestand voor het eerst in een lab echt tot stand in een rubidium-gas bij 1,5 miljoenste graad boven nul.

Daarbij maakten ze gebruik van ingenieuze koeltechnieken, met lasers en magneetvallen, die deels in Amsterdam in de jaren negentig waren ontwikkeld.

De Amsterdammers werkten toen echter met waterstofgas, waarvan nu bekend is dat het veel lastiger tot quantumcondensatie komt dan elementen als lithium, natrium en rubidium.

Bose-Einsteincondensaat is raar spul, zo is intussen volkomen duidelijk. Eerder dit jaar nog liet een groep onderzoekers van de Stanford Universiteit onder leiding van Lene Hau er een lichtstraal in stilstaan en weer optrekken. Vorig jaar meldde zij al licht met de snelheid van een wandelaar.

En voortdurend worden nieuwe artikelen gepubliceerd waarin weer andere, uiterst exotische fenomenen worden gemeld.

Opvallend daarbij is dat er nogal wat raakpunten lijken te bestaan met verschijnselen uit de astrofysica. Vorige week schreef een groep aan de Rice universiteit in Houston, Texas, in Nature (2 maart) dat ze in een condenserend mengsel van twee soorten lithium-atomen een type druk waarnemen dat in het heelal hele neutronensterren tegen instorten behoedt.

Komende week zal Carl Wieman op een bijeenkomst van de American Physical Society in Seattle iets presenteren dat in de wandelgangen al een 'supernova in een potje' is gaan heten: een Bose-Einsteincondensaat van alweer rubidium dat onder bepaalde omstandigheden begint in te storten, om daarna opeens uit elkaar te klappen. Dat lijkt, aldus Wieman, heel veel op het ineenstorten van bepaalde sterren. Of er fysisch vergelijkbare dingen aan de hand zijn, weet hij overigens niet.

En eveneens in Seattle zal Charles Clark van het Nationaal Meetinstituut NIST in Boulder laten zien dat in Bose-Einsteincondensaten inderdaad de wervels kunnen optreden, waarin Ulf Leonhardt uit Schotland licht wil laten verdwijnen. Zulke quantumwervelingen, speculeren weer anderen, zouden ook wel eens de oorzaak kunnen zijn van abrupte frequentieveranderingen die astronomen zien in pulsars, compacte knippersterretjes, vermoedelijk neutronensterren.

Maar niet elke analogie tussen Bose-Einstein en de astrofysica is even letterlijk te nemen, waarschuwt in Amsterdam dr. Kai Dieckmann. 'Soms is het weinig meer dan een behendige beeldspraak, een manier van praten die natuurkundigen nu eenmaal lekker vinden. Maar in andere gevallen zijn de wiskundige beschrijvingen wel degelijk identiek en heb je dus een reële parallel.'

Dieckmann bereidde twee jaar geleden in alle stilte op het FOM-instituut Amolf als eerste in Nederland een Bose-Einsteincondensaat, in rubidium. Hij promoveerde vorige week vrijdag op zijn werk, bij prof. dr. Jook Walraven, tegenwoordig directeur van de FOM-instituut voor Atoomfysica maar in de jaren negentig de man die vruchteloos de quantumcondensatie van waterstof had nagejaagd. Vandaag vertrekt de van oorsprong Duitse fysicus naar Boston, waar hij zich voor twee jaar aansluit bij de wereldtop in dit vakgebied, de groep van Wolfgang Ketterle op het Massachusetts Institute of Technology.

In zijn proefschrift trekt ook Dieckmann een astronomisch getinte parallel. In de condensaatwolkjes rubidium-atomen die hij met laserkoeling en magneetvelden creëerde, zag hij als eerste een buitenwolk van relatief warme atomen van wel een paar duizendste graden boven het absolute nul.

Met enige goede wil, zegt hij, is die halo te vergelijken met de Oortwolk van komeetachtige objecten rond ons eigen zonnestelsel: niet vrij maar ook niet ingevangen. 'Dat is dus een heel losse analogie', memoreert hij.

Zijn metingen, zegt Dieckmann, geven vooral aan dat het niet alles goud is wat er blinkt met quantumcondensaten. 'Op zichzelf lijkt Bose-Einstein een heel zuivere, geïsoleerde toestand, waarin je prachtig de essenties van een aantal extreme omstandigheden uit het universum kunt herkennen. Maar dat is ook een beetje wishful thinking. Er zijn, hebben wij laten zien, ook hinderlijke onvolkomenheden in het spel.'

De onderzoeker deed in zijn lab in Watergraafsmeer vooral experimenten aan heel dichte Bose-Einsteincondensaten, van wel vijftien miljoen rubidium atomen. Dat gebeurde vooral om beter te kunnen meten aan zulke praktische onvolkomenheden. Maar daarnaast spelen ook eventuele toepassingen een rol, bijvoorbeeld in atoomklokken en atoom-gyroscopen.

Dieckmann: 'In dat soort toepassingen heb je behoefte aan relatief dichte quantumwolkjes, die al bijna vloeistofachtig gedrag beginnen te vertonen. Ook Ulf Leonhardts zwarte gaten vereisen dat soort toestanden.'

De meeste van de honderden publicaties van de laatste vijf jaar over quantumcondensatie betreffen proeven aan juist heel ijle quantumwolkjes van misschien een paar duizend atomen. Daarin, zegt Dieckmann, worden echter sommige complicaties over het hoofd gezien, zoals zijn warme Oortwolk rond het echte ijskoude condensaat.

Dieckmann: 'Die zie je met de bestaande meettechnieken in ijle systemen niet, maar dat wil niet zeggen dat ze geen rol spelen.' Zo vermoedt hij dat Wiemans 'supernova in een potje', die al mediageniek de Bosenova is gedoopt, eigenlijk een ordinaire storing betreft. 'Wieman negeert onze Oortwolk die ook zijn condensaat omringt. Wij kunnen laten zien dat relatief hete atomen uit de halo in het condensaat duiken en daar soms zoveel energie afgeven dat het uit elkaar klapt. Ik wil niet negatief doen, maar meer zit er niet achter.'

Binnenkort zal hij het de grootmeester vanuit Boston nog eens rustig proberen uit te leggen.

Meer over