Waar eindigt de quantumwereld?
Met zijn ijskoude nanokrachtsensor zoekt Tjerk Oosterkamp naar de grens tussen de quantumwereld en de wereld van alledag. De Leids natuurkundige heeft een NWO-subsidie van 600.000 euro binnengehaald.
Wereldrecord
Oosterkamp werkt aan een krachtsensor die bij temperaturen van 273 graden onder nul magnetische krachten meet. Deze ontwikkelde hij in eerste instantie voor een ander project. ‘We ontwikkelen een nieuw soort MRI-scan die virusdeeltjes in beeld brengt,’ vertelt hij. ‘Zo’n MRI werkt met een sensor die magneetkracht detecteert en moet een zeer hoge resolutie hebben van 2 nanometer.’ Het ‘wereldrecord’ staat momenteel op 5 nanometer. Oosterkamp wil dit record breken door de krachtsensor in een zeer koude omgeving te plaatsen. ‘Warmte laat een krachtsensor trillen en maakt deze dus minder nauwkeurig. We koelen onze krachtsensor tot maar liefst 10 milliKelvin en zo hopen we de benodigde resolutie te behalen.’
Gekke quantummechanica
Oosterkamp ontdekte dat de opstelling ook bruikbaar is om meer fundamentele vragen te beantwoorden. Met een spinnend elektron kan hij de grondbeginselen van de quantummechanica bestuderen. ‘Als natuurkundestudent leer je dat quantummechanica gek is: deeltjes kunnen op meerdere plaatsen tegelijk zijn of twee kanten tegelijk op draaien. Maar als je een meting doet, is er toch maar één uitkomst. Ik ben op zoek naar experimenten die kunnen achterhalen waar dat door komt.’
Op twee plekken tegelijkertijd
‘Elektronen zullen onze magnetische krachtsensor tegelijkertijd aantrekken en afstoten, omdat ze zowel links- als rechtsom draaien. Als onze magnetische krachtsensor zelf een quantumdeeltje is, zal de sensor tegelijk twee kanten op bewegen. Dat zou je moeten zien in een interferentie-experiment, waarbij je het elektron een aantal keren manipuleert. Hierdoor komt de krachtsensor eerst op meerdere plekken tegelijk en interfereert daarna met zichzelf. Dat is ook de manier waarop met behulp van een tweespletenexperiment is aangetoond dat elektronen op meerdere plekken tegelijk kunnen zijn.’
Waar ligt de grens?
Als dit niet het geval zal blijken, betekent het dat de sensor zich gedraagt als een meetapparaat en niet als quantumdeeltje. En dat is interessant, vindt Oosterkamp. ‘Dat zou betekenen dat een elektron nog wel een quantumobject is, maar onze sensor van een honderdste nanometer niet meer – ook al is deze onder andere opgebouwd uit elektronen. Als dat zo is, kom je iets dichter bij de vraag: wat zorgt dat die quantummechanica op dat moment instort? Moet een deeltje of voorwerp dan heel zwaar worden of heel ingewikkeld? Of is er nog iets anders aan de hand?’
De vrije wil
Het mooie van quantumfysica vindt Oosterkamp dat het laat zien dat de werkelijkheid veel ingewikkelder is dan mensen denken. ‘We willen alles om ons heen beschrijven en verklaren met behulp van de natuurwetten, alsof alles één grote ingewikkelde machine is. Dit kan zo ver gaan dat mensen zeggen: “de mens heeft geen vrije wil, want alles is bepaald door de natuurwetten.” Maar op filosofisch niveau is het allemaal niet zo eenduidig. Op het niveau van de quantummechanica zijn die natuurwetten bijvoorbeeld echt bizar. Dus dat geeft extreem veel interpretatiemogelijkheden. Quantummechanica leert ons dat het allemaal niet zo simpel in elkaar steekt en daarom is er geen reden om aan te nemen dat vrije wil niet bestaat.’
Steun van vakgebied
Met zijn subsidie zal Oosterkamp een promovendus en een postdoc aannemen. ‘Ik ben heel blij dat het is gelukt deze subsidie te krijgen,’ zegt hij. ‘Dat betekent namelijk dat mijn collega’s het ermee eens zijn dat het zin heeft deze vraag te stellen. Vroeger was dit materie voor gepensioneerden, omdat je niet verder kwam en verzandde in filosofisch geneuzel. Dat ik nu geld krijg om dit experiment te doen, betekent eigenlijk dat het vakgebied zegt: de technologie is zover opgeschoten dat het nu een punt heeft bereikt dat we kunnen proberen dit verschijnsel experimenteel te onderzoeken. De gedachte iets aan die vraag te kunnen doen motiveert ons enorm. Tegelijkertijd weet je ook, deze vraag zweeft al honderd jaar boven de markt en al die tijd is er geen antwoord op gekomen. Laten we dus ook maar bescheiden blijven.’
Het onderzoek van Tjerk Oosterkamp is gefinancierd vanuit de Natuurkunde Projectruimte van NWO. De Projectruimte maakt kleinschalige projecten mogelijk voor fundamenteel natuurkundeonderzoek met een vernieuwend karakter en wetenschappelijke, industriële of maatschappelijke urgentie.