Een van de beste wiskundigen van Europa moet een kwantummysterie oplossen: ‘De koffieautomaat wordt een belangrijk hulpmiddel’
De komende vijf jaar buigt topwiskundige en professor Søren Fournais zich over een kwantummysterie dat al in de jaren 1920 door Einstein en Bose werd voorspeld en nog steeds onderzoekers wereldwijd bezighoudt.
Søren Fournais’ belangstelling voor de kwantummechanische vergelijkingen begon op de middelbare school, toen hij zich realiseerde dat de kwantummechanica de bron is van wat hij noemt ‘fantastische problemen’: ‘Er is heel veel om mee te werken – het zit hem in het spanningsveld tussen wiskunde, die lekker nerderig en vrij abstract is, en natuurkunde, die vrij down to earth is,’ zegt hij.
‘Stel je zo’n spectaculaire openingsshow bij de Olympische Spelen voor, waarbij een enorme menigte ineens één wordt, en geheel synchroon dezelfde bewegingen maakt, als een zwerm spreeuwen. Dit gebeurt ook in de wereld van de atomen: er zijn een paar zeer bijzondere en vreemde gevallen.’
‘Hierbij gaat het om een miljoen atomen die allemaal in dezelfde kwantumtoestand komen en zich dus volledig synchroon gedragen,’ zegt Søren Fournais, hoogleraar wiskunde aan de universiteit van Kopenhagen.
De Deense topwiskundige en onderzoeker probeert een tastbaar en realistisch beeld te geven van een zeer complex en mysterieus kwantumverschijnsel dat kan optreden wanneer bepaalde atomen worden gekoeld tot bijna het absolute nulpunt.
Hierbij worden de atomen een soort collectieve kwantumgolf, of een atoomwolk, die zich gedraagt als één organisme, waarbij de substantie noch vast, noch vloeibaar, noch gas, noch plasma is – maar eerder een aparte toestand.
Dit werd een bose-einsteincondensaat genoemd, naar onder andere de Indiase natuur- en wiskundige Satyendra Nath Bose. Hij stuurde in 1924 een hoopvol manuscript naar de Duitser Albert Einstein, die de methode van de onbekende man verder uitwerkte en het verschijnsel in 1925 voorspelde.
Pas 70 jaar later werd de toestand in het laboratorium gecreëerd. En nu heeft de Deense wetenschapper Søren Fournais zojuist 2 miljoen euro ontvangen van de Europese Onderzoeksraad via de prestigieuze ERC Advanced Grants, zodat hij verder kan worstelen met de complexe wiskunde van de toestand.
‘Het is een flinke schouderklop. Het is fijn om te weten dat je kennelijk in een bepaalde divisie zit,’ zegt de hoogleraar, die hoopt dat hij de komende jaren iets van het mysterieuze verschijnsel kan ontrafelen.
‘Telkens als we de wiskunde en de vergelijkingen beter begrijpen, geeft dat ons inzicht in wat er werkelijk aan de hand is,’ zei de hoogleraar tegen Wetenschap in Beeld.
‘Dat ga ik dan ook proberen: betere wiskundige methoden ontwikkelen om de kwantummechanische vergelijkingen te analyseren,’ zegt hij.
‘Beter zijn dan alle anderen’
Concreet zal Søren Fournais de komende vijf jaar een groot deel van zijn tijd doorbrengen voor een schoolbord met een team van jonge, getalenteerde onderzoekers dat hij zelf samenstelt.
Anders dan je misschien zou denken, vinden de ingewikkelde berekeningen plaats ver van elektronica en zware computerprogramma’s.
‘Op een ideale dag heb je veel tijd en wissel je veel met de groep uit – bij voorkeur voor een schoolbord of iets dergelijks – om te zien of we wat kleine doorbraken kunnen maken en wat vooruitgang kunnen boeken,’ legt de hoogleraar uit.
Slome atomen veranderen in ijzige wolk
1. Laserstralen bevriezen beweging
Een magnetisch veld houdt een gas van atomen zwevend in een vacuümkamer. Laserstralen vertragen de atomen en koelen ze tot 100 miljoenste van een graad boven het nulpunt. Het koude gas wordt overgebracht naar een zogeheten atoomchip bovenin de kamer.
2. Radiogolven verwijderen hete atomen
Radiogolven duwen de heetste atomen uit het gas, zoals je blaast op hete thee. Dit verlaagt de temperatuur tot een paar miljardste van een graad boven het nulpunt, waarbij het gas verandert in een atoomwolk: een bose-einsteincondensaat.
3. Gewichtloze expansie koelt de wolk
De magnetische greep van de chip verzwakt en de atoomwolk zet uit in gewichtloosheid. Daardoor koelt hij verder af, als gas dat uit een spuitbus komt. De uitzetting moet een kouderecord opleveren van 20 biljoenste graad boven nul.
De grote uitdaging zal zijn om een zeer complex systeem te nemen en er informatie uit te halen in een vrij begrijpelijke vorm.
‘We hebben een miljoen deeltjes, die allemaal op elkaar inwerken. Dat is enorm ingewikkeld, en de wereld zou weleens gewoon niet te begrijpen kunnen zijn. Waarom is het antwoord niet gewoon enorm ingewikkeld?’ vraagt de wiskundige retorisch.
‘Als je een zeer ingewikkeld systeem hebt onder de juiste omstandigheden, hoe komt het dan dat je het eigenlijk veel eenvoudiger kunt beschrijven dan wanneer we alle deeltjes erin mee zouden moeten nemen?’
Søren Fournais hoopt dat het antwoord komt na een jarenlange reeks brainstorms, berekeningen en creatieve ideeën om het probleem vanuit verschillende invalshoeken aan te pakken.
Een schoolbord, krijt en koffie zullen enkele van de belangrijkste hulpmiddelen zijn wanneer Søren Fournais en een team wiskundigen zich buigen over de vergelijkingen van bose-einsteincondensaten. Anders dan je misschien denkt, kunnen ze met computers niet veel. ‘Computers kunnen je een getal geven, maar geen begrip opleveren,’ zegt hij. ‘En wat moeten we de computer vragen uit te rekenen?’
‘We doen dingen die mensen nog niet eerder hebben kunnen doen, dus moet je beter zijn dan al je voorgangers,’ legt hij uit.
En hierbij speelt een praktisch en zeer tastbaar instrument een grotere rol dan de meeste mensen beseffen.
‘De aha-erlebnis komt niet vanzelf – er moet hard voor gewerkt worden. Als we bezig zijn en niet echt iets bereiken, gaan we naar de koffieautomaat en drinken een kop koffie – en dan proberen we het opnieuw,’ zegt de Deense wiskundige.
‘Het koffiezetapparaat kan een belangrijk instrument worden op een wiskundeafdeling.’ Søren Fournais, hoogleraar – afdeling wiskunde aan de Deense universiteit van Kopenhagen
Faseverandering is de grote droom
Net als wanneer water bevriest, is bose-einsteincondensatie, waarbij atomen overgaan in de kwantumtoestand, een faseovergang. En die fysische transformatie wil Søren Fournais dan ook vangen in de wiskunde.
‘Mijn grote droom is de faseovergang van de bose-einsteincondensatie wiskundig te bewijzen. Maar het aantonen van een faseovergang is notoir extreem moeilijk, want je gaat van deeltjes die zich willekeurig verplaatsen naar deeltjes die vast komen te zitten,’ zegt hij.
‘Ik denk dat het onrealistisch is om te denken dat we er in vijf jaar zijn, maar ik hoop dat het project ons op weg helpt. En we hebben veel subdoelstellingen die we onderweg hopen te bereiken,’ vertelt Søren Fournais.
Als er een oplossing wordt gevonden, kunnen we volgens de onderzoeker weer ietsje meer begrijpen van de wereld. En pas dan zullen we volledig doorgronden waarvoor de ontdekking toe kan dienen.
‘Als we betere hulpmiddelen krijgen om de grote kwantumsystemen te begrijpen, ben ik er absoluut van overtuigd dat het ook nuttig zal zijn,’ zegt hij.
‘Maar pas als we het systeem doorgronden, weten we waarvoor het gebruikt kan worden – en dat is de aard van fundamenteel onderzoek,’ zegt hij.