Natuurkunde zoekt nog naar het zuivere niets

Het zoeken naar de absolute leegte waar geen materie is en geen energie of kracht heerst, is al drie millennia aan de gang. Filosofen en natuurkundigen hebben geprobeerd om in theorie en in praktijk tot het totale vacuüm te komen, maar de natuur betoont zich weerbarstig. En net als het vacuüm zich lijkt te laten zien, wordt het gat weer gevuld door nieuwe ontdekkingen en inzichten.

Exact 99,9999426697 procent – zo zeker waren de natuurkundigen van CERN in 2012 dat hun meting klopte. Daarom kondigden ze op 4 juli van dat jaar aan dat ze gevonden hadden waar ze naar hadden gezocht sinds de grote LHC-versneller in 2007 aan werd gezet: het higgsdeeltje.

De onderzoekers wisten van tevoren dat het nauwelijks te vinden zou zijn. Vergeet spelden in hooibergen – in de LHC ontstaat er één waarneembaar higgsdeeltje op 10 duizend miljard botsingen tussen de protonen die met bijna de lichtsnelheid rondrazen in de 27 kilometer lange buis van de versneller.

Gelukkig waren de natuurkundigen er als de kippen bij om het deeltje te registreren. Het laat namelijk zien dat ons beeld van hoe het heelal in elkaar steekt, nog klopt. Het higgsdeeltje geeft andere deeltjes massa. Als het niet zou bestaan, zouden alle deeltjes als fotonen (lichtdeeltjes) zijn: snel, maar zonder massa. Het heelal zou dan alleen elektromagnetische straling bevatten, maar geen elektronen, protonen, atomen, moleculen, planeten of sterren. Er zou dus geen materie zijn.

Het higgsdeeltje verklaart niet alleen dat we hier zijn, maar helpt ook om het antwoord op de tegenovergestelde vraag te vinden: bestaat het vacuüm?

Het idee van een ruimte zonder enige materie of energie spookt nu al duizenden jaren door de hoofden van wetenschappers en filosofen, en het antwoord gaat heen en weer tussen nee en ja. En met de ontdekking van het higgsdeeltje kregen we een heel nieuw beeld van wat er in een stuk ruimte kan zijn waar niets anders aanwezig is.

De vraag ‘Bestaat het niets?’ klinkt eenvoudig, maar bij nader inzien is het misschien wel de meest gecompliceerde vraag die we onszelf kunnen stellen. De definitie van ‘niets’ moet ‘de afwezigheid van alles’ zijn, dus als we ‘niets’ willen begrijpen, moeten we ook ‘alles’ begrijpen. Met andere woorden, de onderzoekers moesten een omweg maken om het definitieve antwoord te kunnen vinden.

Het niets is ons met de paplepel ingegoten

Van jongs af aan komen we het concept van het niets tegen – zonder erover na te denken. Op de basisschool zegt de leerkracht bijvoorbeeld: ‘Er liggen twee appels op tafel. Nu haal ik ze allebei weg. Wat houd ik dan over?’ De meeste kinderen zullen ‘niets’ of ‘nul’ antwoorden, wat de leerkracht goed rekent.

Op de middelbare school ligt het net iets anders. De wiskundeleraar zal een eenheid willen horen, dus het juiste antwoord is ‘geen appels’ of ‘nul appels’. De natuurkundeleraar vindt misschien dat het juiste antwoord ‘lucht’ is omdat de ruimte die de appels vulden nu is vervangen door zuurstof, stikstof en andere elementen van de atmosfeer.

Aan de universiteit zal de vraag waarschijnlijk anders zijn geformuleerd: ‘Er zijn twee appels, niet op tafel maar in de ruimte tussen de sterrenstelsels. Nu halen we ze weg. Wat bevindt er zich nu op hun plek?’ De sterrenkundestudenten weten dat er zelfs in de intergalactische ruimte verspreide

atomen van bijvoorbeeld waterstof en helium zijn, en dat antwoord zal juist zijn, maar niet voldoende, want de volgende vraag zal natuurlijk luiden: ‘Wat zit er in de ruimte die de verspreide atomen niet hebben gevuld?’ En nu wordt het lastig, niet alleen voor de studenten, maar ook voor de knappe koppen op het gebied van natuurkunde en kosmologie.

En dat was ook het geval voor de Griekse filosofen, die ruim 2500 jaar geleden over dit onderwerp begonnen na te denken.

  • ‘Niets is leeg noch overbodig.’

    Empedocles (ca. 490-430 v.Chr.) wees het idee dat er een ruimte zonder inhoud kon zijn, gewoonweg van de hand.

Grieken doen het niets af als absurditeit

De vader van de wetenschappelijke denkwijze vond dat het denken over het niets zinloos was. Thales van Milete (circa 635-546 v.Chr.) voerde als argument aan dat alleen het feit dat iemand dacht aan het bestaan van ‘niets’ nog niet betekent dat het niets toch iets is – en daarmee zou het niet langer niets zijn. In zijn logica kon het niets dus alleen bestaan als er niets of niemand was die het zich kon indenken of het kon aanschouwen.

Het is wat cryptisch, maar Thales probeerde zijn gedachten juist concreter te maken door zich af te vragen wat er over is als je alles uit een gebied verwijdert. Zijn antwoord was: water. Voor Thales was water een heel bijzondere stof, want het kan verschillende vormen aannemen en als vloeistof, gas of ijs voorkomen.

Dat bracht hem op de gedachte dat water ook alle mogelijke andere vormen kon aannemen, en daarom zou het de oermaterie van het universum zijn, waar alle materialen ten diepste van gemaakt waren. ‘Alles is water,’ zou hij hebben gezegd, en het was logisch dat water in zijn ‘oorspronkelijke vorm’ het dichtst bij het niets in de buurt kwam – en die vorm was volgens Thales de vloeibare toestand.

Thales’ basisidee dat er een alomtegenwoordige oerstof is, leefde voort bij generaties Griekse denkers. Voor Anaximenes (circa 585-525 v.Chr.) was die oerstof alleen geen water, maar lucht, en voor Heraclitus (circa 535-480 v.Chr.) was het vuur – in beide gevallen een nog veel vluchtiger substantie dan water.

Een latere geestverwant, Empedocles (circa 490-430 v.Chr.), ging methodischer te werk. Hij onderzocht of lucht een substantie is, of juist de afwezigheid van alle substantie en dus niets. Voor dit doel gebruikte hij een kolf: een fles met een bolle buik en een rechte hals.

Empedocles maakte kleine gaten in de buik van de kolf en voerde vervolgens verschillende experimenten met water uit. Wanneer hij de kolf met water vulde en zijn hand op de halsopening hield, merkte hij bijvoorbeeld dat het water in de kolf bleef. Pas wanneer hij zijn hand weghaalde, spoot het water door de kleine gaatjes naar buiten.

Zo kwam Empedocles tot het inzicht dat lucht een substantie moest zijn die ruimte in de fles innam, net zoals het water. En sterker nog: het water kon er pas uit als de lucht de ruimte in kon nemen.

Nu lijkt het experiment te simpel voor woorden, maar het had grote gevolgen. Empedocles stelde vast dat de natuur zich verzet tegen de vorming van een leegte, en die conclusie heerste nog vele eeuwen.

Empedocles breidde het idee van zijn voorgangers van één substantie uit tot vier basiselementen: water, vuur, lucht en aarde. Hij kreeg ook al een voorzichtige notie van krachten, die hij ‘liefde’ en ‘strijd’ noemde en die zouden inwerken op alle dingen die samengesteld zijn uit de basiselementen.

Ten slotte introduceerde hij het begrip ‘ether’, een substantie die nog ijler was dan lucht, alomtegenwoordig was en zelfs de allerkleinste ruimten vulde. Op die manier sloot Empedocles volledig uit dat het niets zou kunnen bestaan.

In de woorden van de Griekse wijsgeer was niets in de wereld ‘leeg noch overbodig’. Pas 2000 jaar daarna werd het ‘verbod’ van de natuur op een vacuüm opgeheven met een tegenbewijs. En ook dat gebeurde met een simpel experiment.

Luchtledige was een paar duizend jaar in aantocht

In de oudheid en in de middeleeuwen was de gangbare visie dat het luchtledige niet kan bestaan. Alle ruimten zouden gevuld zijn met lucht of met de onbekende substantie ‘ether’.

  • 450 v.Chr.: Natuur verbiedt een vacuüm

    Water en lucht vechten om plek: De Griek Empedocles voerde simpele proeven uit met een fles met gaatjes. Hij zag in dat er altijd water of lucht in de fles zou zitten. Daarom concludeerde hij dat de natuur niet toelaat dat er een vacuüm ontstaat.

  • 1643: Mens kan een vacuüm creëren

    Kwik forceert een vacuüm: Evangelista Torricelli ontdekte dat wanneer hij een glazen buis met kwik vulde en ondersteboven in een schaal kwik stak, het niveau van het vloeibare metaal daalde. Omdat niets de afgesloten buis in kon komen, moest de ruimte
    boven het kwik gevuld zijn met niets.

Natuur overwint zijn angst voor leegte

Neem een glazen buis van een meter lang met een kurk onderin. Vul hem nu met kwik en sluit hem af. Steek de onderkant van de buis in een schaal met kwik en haal de bodemkurk weg. Deze werkwijze werd gevolgd door Evangelista Torricelli in 1643 na advies en aanwijzingen van zijn leermeester Galileo Galilei, die het jaar daarvoor overleden was.

Toen Torricelli het experiment uitvoerde, zag hij dat de kolom met kwik in de buis begon te dalen, totdat hij een hoogte van 76 centimeter had bereikt. Torricelli besefte ook waarom. Het gewicht van het zware kwik in de buis zorgt ervoor dat de kolom daalt tot er een balans ontstaat met de atmosferische druk op het oppervlak van het kwik in de schaal.

Met zijn experiment bereikte Torricelli twee dingen: hij had de barometer uitgevonden en een vacuüm gecreëerd. Toen de kolom met kwik daalde, bleef er 24 centimeter leegte boven in de buis over, die vol moest zitten met ‘niets’.

Torricelli had dus iets gedaan wat men een paar duizend jaar lang voor onmogelijk gehouden had. Droogjes noteerde hij: ‘Velen hebben beweerd dat een vacuüm niet kan bestaan, anderen hebben gezegd dat het alleen kan bestaan door de weerzin van de natuur ertegen te trotseren. Ik ken niemand die beweert dat het kan bestaan zonder weerstand van de natuur.’

Zijn omgeving was heel wat enthousiaster. De jaren daarop herhaalden verschillende onderzoekers in allerlei landen zijn experiment om uit te vogelen wat de eigenschappen van een vacuüm zijn.

In Frankrijk werd het experiment van Torricelli uitgebreid door Blaise Pascal, die de proefopstelling op een weegschaal zette en ontdekte dat de inhoud van het vacuüm, als die er al was, helemaal niets woog.

  • ‘We moeten inzien dat er geen stationaire ether is.’

    Albert michelson bewees in 1887 dat er geen ether bestaat waarin de aarde zich voortbeweegt in zijn baan om de zon.

In Groot-Brittannië ontwikkelde Robert Hooke pompen die een vacuüm op een wat groter gebied konden voortbrengen, en zijn leermeester Robert Boyle sloot muizen, slangen en vogels in een vacuüm op en zag hoe ze stikten: wat er zich ook in het vacuüm bevond, het was in elk geval geen lucht.

Boyle plaatste ook een bel in het vacuüm en merkte dat die stil bleef. Het geluid kon zich dus niet door het luchtledige verplaatsen. Maar licht werd er kennelijk niet door aangedaan. Een lamp die aan de ene kant van een luchtdichte glazen bak stond, kon je immers aan de andere kant zien. Zo kwam Boyle op het spoor van het verschil tussen golven in fysieke substanties als lucht en water en elektromagnetische golven als licht.

De ontdekking van het vacuüm in de 17e eeuw maakte een eind aan de ‘horror vacui’ – angst voor de leegte – die de beschrijvingen van de wereld vanaf de oudheid en gedurende de middeleeuwen doordesemd had. En die doorbraak reikte verder dan de wetenschap.

Materie vervangen door golven

In de 19e eeuw dacht men dat een ether de ruimte tussen de sterren en planeten vulde, maar een uitvinding toonde aan dat dit niet klopte. 100 jaar later werden daar gravitatiegolven mee ontdekt.

  • 1887: Ether verlaat het wereldruim

    Meting van ether stelt teleur: Albert Michelson vond zijn interferometer uit om de beweging van de aarde ten opzichte van de ether te meten. Twee lichtstralen werden verschillend beïnvloed, zodat hun interferentiepatroon veranderde als Michelson de opstelling draaide. Zo moest de beweging van de aarde aan het licht komen. Maar er gebeurde niets, want ether bestaat niet.

  • 2015: Gravitatiegolven nemen heelal in

    Onzichtbare golven vervormen het heelal: De gigantische LIGO-interferometer toonde in 2015 gravitatiegolven aan, die precies een eeuw eerder waren voorspeld door Einsteins relativiteitstheorie. Deze golven worden voortgebracht door massa in beweging en vervormen de ruimte wanneer ze door het heelal trekken.

Magisch vacuüm betovert de wereld

Een prominent gezelschap kwam in 1654 in de Duitse stad Regensburg bijeen om een vreemd verschijnsel te ervaren. Zowel keizer Ferdinand III als de leden van de Rijksdag waren aanwezig, want de Duitse natuurkundige Otto von Guericke, ook de burgemeester van Maagdenburg, zou ze eens wat laten zien. Von Guericke had twee halve koperen bollen met een diameter van 60 centimeter laten maken, die samen een holle bol konden vormen.

Met het gevoel voor drama van een goochelaar vroeg hij enkele vrijwilligers om deze halve bollen van elkaar af te halen, wat natuurlijk een eitje was. Toen maakte hij weer een hele bol van de helften en zoog er met behulp van een zelf uitgevonden pomp de lucht uit door een ventiel. Het publiek mocht nog eens aan de halve bollen trekken, maar nu kreeg niemand ze van elkaar af.

Toen speelde Von Guericke zijn troef uit: als hoogtepunt van de voorstelling werden tweemaal acht paarden voor een halve bol gespannen en opgezweept om al hun krachten in te zetten – maar de halve bollen bleven aan elkaar vastzitten.

Von Guericke had laten zien hoe krachtig een vacuüm is – of beter gezegd, hoe groot de krachten zijn die eromheen aan het werk zijn. De druk van de lucht op de halve bollen – en op alles op de aardbodem (op zeeniveau) – bedraagt 1 atmosfeer, wat overeenkomt met 1 kilo op elke vierkante centimeter of 10 ton per vierkante meter –, veel meer dus dan de kracht van 16 paarden.

Von Guericke herhaalde zijn demonstratie keer op keer, soms zelfs met 24 en 30 paarden, en altijd met hetzelfde resultaat. Het was een knap staaltje populaire wetenschap en een eerbetoon aan Torricelli’s inzicht dat we leven ‘op de bodem van een zee van lucht’.

Overigens had de Fransman Blaise Pascal vastgesteld dat die zee van lucht ijler werd naarmate je hoger kwam. En het volgende inzicht lag in het verlengde daarvan: lucht is niet iets wat het hele wereldruim vult.

De ontdekking van het vacuüm als een luchtledige ruimte betekende niet dat het idee van een alomtegenwoordige ether was opgegeven. De ether zou uit iets heel anders kunnen bestaan, zoals Empedocles al dacht.

Het allergrootste genie van de 17e eeuw, Isaac Newton, worstelde nogal met die ether. Zijn publicaties laten zien hoe hij het bestaan ervan nu eens aanvaardde en dan weer ontkende. In 1675 bedacht hij zijn theorie over het licht, waarvan hij dacht dat het door een ether ging. Vier jaar later verliet hij het idee van de ether opnieuw, om er in 1718 weer op terug te komen in een hernieuwde uitgave over de aard van het licht.

Juist de vraag wat licht is, werd hevig bediscussieerd onder de natuurkundigen in Newtons tijd en in de tientallen jaren daarna. Bestaat licht uit deeltjes of golven?

De strijd duurde een hele eeuw en werd pas beslist toen de Britse natuurkundige Thomas Young in 1804 zijn baanbrekende experiment publiceerde waarbij hij licht zodanig door twee nauwe gleuven liet vallen dat er een gestreept interferentiepatroon op een plaat erachter ontstond. Dit patroon was het bewijs dat het licht zich op dezelfde manier gedroeg als golven op het water die op elkaar stuiten: twee golftoppen versterken elkaar, terwijl een golftop en een golfdal elkaar opheffen.

Het idee van licht als golven steunde de theorie over de ether. Als het licht door Torricelli’s vacuüm kon gaan, moest dit een ether bevatten waar het licht doorheen kon golven. Op dezelfde manier moest de luchtledige ruimte tussen de sterren en de planeten vol zitten met dezelfde ether die ervoor zorgt dat het licht van de zon ons hier op aarde kan bereiken. Pas nog een tijd later werd duidelijk dat het heel anders zat.

De Amerikaanse natuurkundige Albert Michelson bedacht een briljante proefopstelling die we nu kennen als de interferometer. Het komt erop neer dat de opstelling een lichtstraal in tweeën splitst en die met spiegels elk een kant op stuurt. Zodra de bundels weer bij elkaar komen, vormen ze een interferentiepatroon. Michelson wilde met de opstelling de beweging van de aarde ten opzichte van de ether meten.

Als de aarde door de ether dreef als een boot door het water, dan zou het patroon veranderen zodra hij de opstelling draaide, want de beweging van de aarde door de ether zou de twee lichtstralen anders beïnvloeden.

Met de hulp van zijn collega Edward Morley slaagde Michelson er in 1887 in om de opstelling zo nauwkeurig in te stellen dat de metingen konden beginnen. De twee wetenschappers draaiden de proefopstelling alle kanten op, maar er gebeurde niets. Welke kant de opstelling ook op ging, het interferentiepatroon was hetzelfde.

Dat kon volgens Albert Michelson maar één ding betekenen: ‘We moeten vaststellen dat er geen stationaire ether is waar de aarde doorheen beweegt in zijn baan om de zon.’

In het waterstofatoom, dat bestaat uit een proton en een elektron, zit een enorme afstand tussen de twee deeltjes. Als je het atoom zo vergroot dat het proton een diameter van 2,2 centimeter krijgt, zou de afstand tot het elektron 541 meter worden. Een groot deel van het atoom bevat dus geen materie.

Zwaartekracht wordt deel van de ruimte

Zonder ether was het beeld van een ruimte gevuld met ‘niets’ plotseling mogelijk. Laten we in gedachten een klein vat maken, bijvoorbeeld in de vorm van een kubus van één kubieke centimeter, en alle atomen eruit zuigen tot alle materie de kubus heeft verlaten. Zouden we het bakje daarbij kunnen afschermen van licht en andere elektromagnetische straling, dan zou het dus ook geen energie bevatten – en zou er ‘niets’ over zijn. Toch?

Er was niet veel tijd om over die vraag na te denken, want al in 1915, slechts 28 jaar na het einde van de ether, werd alles op z’n kop gezet doordat Albert Einstein zijn algemene relativiteitstheorie introduceerde met een geheel nieuwe beschrijving van de wereld.

In newtoniaans opzicht bestaat de ruimte los van de inhoud. We kunnen daarom, althans in theorie, alles uit een ruimtelijk gebied halen zonder dat het gebied zelf verdwijnt. Heel anders is dat in het heelal dat Einstein voor ons schetst.

Ten eerste is het niet driedimensionaal (zoals Newtons universum), maar vierdimensionaal, waarbij tijd de vierde dimensie is. Ten tweede wordt de ruimte gedefinieerd door zijn eigen inhoud. De massa in de kamer bepaalt hoe de kamer zichzelf vormt en de ruimte bepaalt hoe de massa beweegt.

Massa en ruimte zijn in de ruimtetijd dus onlosmakelijk met elkaar verbonden, en daarom alleen al is het zinloos om te denken aan de een zonder de ander. Bovendien vertelt de relativiteitstheorie ons dat massa’s in beweging zogeheten gravitatiegolven voortbrengen, die door het hele heelal trekken en de ruimtetijd vervormen; dus wat we ook met onze kleine kubus van ‘niets’ zouden doen, gravitatiegolven zouden er dwars doorheen gaan.

Het bestaan van gravitatiegolven werd aangetoond in 2015, toen de LIGO-detectoren in de VS een vervorming van de ruimtetijd maten die was ontstaan doordat twee zwarte gaten ruim 1 miljard jaar terug met elkaar versmolten. De detectoren zijn interferometers die sterk lijken op de proefopstelling waarmee Michelson het idee van de ether onderuithaalde.

De lamp is echter vervangen door een laserkanon en de opstelling is een paar duizend keer vergroot om de vereiste gevoeligheid te bereiken. Gravitatiegolven zijn namelijk zo zwak dat we alleen de golven kunnen meten die ontstaan zijn na de heftigste gebeurtenissen in het heelal.

Maar na 2015 weten we dat ze overal aanwezig moeten zijn.In zijn werk aan de algemene relativiteitstheorie kwam Einstein ook een heel ander probleem tegen. Om zijn vergelijkingen te laten kloppen met het heelal zoals we het waarnemen, moest hij een constante bedenken.

Hij was er zelf niet weg van en noemde het later zijn ‘grootste fout’, maar observaties laten zien dat er wel degelijk een kosmologische constante is. Astronomen hebben aangetoond dat het universum uitdijt en dat die uitdijing zelfs versnelt.

Dit betekent dat er een kracht aanwezig moet zijn die de zwaartekracht tegenwerkt. Wat de bron van deze kracht is, blijft een groot mysterie, maar tot nu toe is die bron ‘donkere energie’ genoemd. In onze kleine kubus zou die donkere energie dus ook aanwezig zijn, zoals overal in het heelal.

Met de relativiteitstheorie beschreef Einstein het heelal op grote schaal. Andere natuurkundigen in de 20e eeuw zoomden juist in op het kleinste en begonnen het atoom te verkennen. Het resultaat was een volledig nieuw begrip van wat er gebeurt in gebieden waar geen materie aanwezig is.

Moderne natuurkunde stopt vacuüm vol drukte

De relativiteitstheorie en de kwantummechanica hebben ons geleerd wat er in een vacuüm gebeurt. Het is allesbehalve stilstand. De ogenschijnlijk lege ruimte loopt vol energie en knettert van de vluchtige deeltjes – en achter dit alles ligt het higgsveld als de overal aanwezige ether in het heelal.

1. Virtuele deeltjes

Ontstaan en verdwijnen constant, zelfs in een vacuüm met nauwelijks energie.

2. Gravitatiegolven

Trekken dwars door het hele universum, en dus ook door een vacuüm.

3. Donkere energie

Is de mysterieuze kracht die het heelal doet uitdijen en die overal aan het werk is.

Ruimte in atoom zit vol met energie

Kijk goed naar de punt aan het eind van deze zin. De drukinkt daarin bestaat uit circa 100 miljard atomen. Als we één atoom met het blote oog zouden willen zien, moeten we de stip vergroten tot een diameter van 100 meter. En als we de atoomkern willen zien, moeten we die een diameter van 10.000 kilometer geven: min of meer de afstand tussen de evenaar en de Noordpool.

De kern van het waterstofatoom – het simpelste dat er is – telt maar één proton waar één elektron omheen draait. De afstand tussen de twee deeltjes is enorm in vergelijking met hun omvang. Als we van het centrum van het proton naar het elektron reizen, hebben we nog maar een duizendste van de reis afgelegd op het moment dat we de rand van het proton bereiken.

Het elektron is nog veel kleiner dan het proton, dus het atoom bestaat grotendeels uit ruimte die niet wordt ingenomen door de materiedeeltjes. De ruimte bedraagt liefst 99,9999999999999999 procent van het volume van het atoom. Toch is het atoom niet leeg.

De magnetische krachten tussen de negatieve lading van het elektron en de positieve van het proton creëren namelijk een intens elektrisch veld dat de ruimte ertussen vult.

Zo is het ook als we inzoomen op het proton. Het bestaat uit quarks: kleine elementaire deeltjes, die maar zo’n 9 procent van de massa van het proton vormen. De rest is energie die wordt gecreëerd door de krachten die aan het werk zijn tussen de quarks en de gluonen en andere massaloze deeltjes waaruit het proton bestaat.

In de eerste helft van de 20e eeuw ontstond er een nieuwe tak van de natuurkunde, kwantummechanica, die moet beschrijven wat er op atomair en subatomair niveau gebeurt. De kwantummechanica is in een aantal opzichten strijdig met de manier waarop we concreet onze wereld waarnemen. Zo worden alle deeltjes, ook die van materie, beschreven als golven, wat belangrijke consequenties heeft.

In 1927 formuleerde de Duitse natuurkundige Werner Heisenberg zijn zogenoemde onzekerheidsprincipe. Dit komt erop neer dat het niet mogelijk is om tegelijkertijd de positie en de beweging van een deeltje te bepalen. Stel je maar eens voor dat je een golf op een vel papier tekent. We kunnen nu de positie van de golf bepalen door een bepaald punt op zijn curve te selecteren.

Maar vanuit dit punt kunnen we niets weten over de omvang of de richting van de golf. En omgekeerd: wanneer we de omvang en de richting van de golf bepalen, kunnen we niet tegelijkertijd zijn exacte positie aangeven.

Het onzekerheidsprincipe heeft ook consequenties voor het gedachte-experiment met ons kubusje van ‘niets’. We hebben de atomen en dus de materiedeeltjes eruitgehaald, en kunnen daarom hun exacte positie aanduiden als ‘nul’.

Maar hun energie kan niet ook ‘nul’ zijn; dat zou in strijd zijn met het onzekerheidsprincipe. In feite zegt de kwantummechanica dat er in onze kubus altijd een beetje energie aanwezig zal zijn – bekend als de nulpuntsenergie. Een ruimte met nulpuntsenergie noemen we daarom ook wel een kwantumvacuüm.

En verder kunnen we qua energie niet gaan – dichter bij het niets kunnen we nooit komen.

Het vacuüm bruist van de activiteit

Deeltjes ontstaan uit het niets, bestaan even en keren terug naar het niets. Het klinkt als pure magie, maar is eigenlijk ook een gevolg van de kwantummechanica. Hierdoor kunnen twee deeltjes met een tegengestelde lading spontaan in een kwantumvacuüm ontstaan en elkaar na zeer korte tijd wegvagen.

Natuurkundigen spreken van fluctuaties van ‘virtuele deeltjes’. Hoe groter en zwaarder de deeltjes zijn, des te korter ze bestaan. Een elektron en zijn antideeltje, een positron, kunnen zo in de werkelijkheid springen en na 10-21 seconden weer verdwijnen. Dat is zo snel dat licht in die tijd slechts een afstand zou kunnen afleggen van een duizendste van de diameter van een waterstofatoom.

De virtuele deeltjes zijn dus erg vluchtig, maar ze ontstaan aan de lopende band; overal in het heelal, dus ook in onze kleine kubus met ‘niets’. We kunnen het kwantumvacuüm beschouwen als een ziedende soep van virtuele deeltjes, die met alle denkbare golflengten in alle richtingen in de kubus rondtollen.

Het bestaan van virtuele deeltjes werd al vroeg in de 20e eeuw voorspeld, maar pas in 1996 zijn ze aangetoond in experimenten die de Nederlandse natuurkundige Hendrik Casimir in 1948 al had bedacht. Het idee was om twee metalen platen in een kwantumvacuüm op elkaar af te laten komen.

Wanneer de afstand erg klein wordt, trekken de platen elkaar aan. De oorzaak is dat de afstand tussen de platen nu alleen past bij de virtuele deeltjes met korte golflengten, terwijl in de rest in het vacuüm alle mogelijke golflengten kunnen bestaan.

Het resultaat is dat virtuele deeltjes meer druk uitoefenen op de buitenkant van de platen dan op hun binnenkant, waardoor de platen tegen elkaar worden gedrukt. Dit verschijnsel kennen we als het casimireffect.

De bevestigingen van de voorspellingen van de kwantummechanica vormen een belangrijke basis voor het standaardmodel, de natuurkundige beschrijving van alles in het heelal. Het omvat zowel materiedeeltjes als de deeltjes die de krachten dragen.

Inmiddels zijn bijna alle deeltjes in het standaardmodel aangetoond, maar tot 2012 zat er een gapend gat in de grote legpuzzel. Een zeer centraal puzzelstukje, het higgsdeeltje, ontbrak, en daardoor kon ook niet worden verklaard waarom er massa in het heelal is.

  • ‘Soms is het wel fijn om gelijk te krijgen.’

    Peter Higgs, nadat natuurkundigen van CERN het door hem voorspelde deeltje dat andere deeltjes massa geeft, hadden gevonden.

Ether maakt zijn comeback

Peter Higgs kon zijn tranen niet bedwingen toen hij vanaf de derde rij in het auditorium van CERN naar het nieuws van de onderzoekers luisterde. Dat het deeltje dat hij had voorspeld in 1964 nog tijdens zijn leven gevonden werd, was overweldigend voor de 83-jarige natuurkundige. En niet alleen voor hem. Wereldwijd deelden onderzoekers zijn verbazing en vreugde, want met de vondst van het higgsdeeltje was het standaardmodel gered.

‘Soms is het wel fijn om gelijk te krijgen,’ sprak Peter Higgs toen hij was bijgekomen.

Het higgsdeeltje creëert een veld dat overal in het heelal heerst, dus het is net zo alomtegenwoordig als de ether waar filosofen en wetenschappers duizenden jaren in geloofden, tot het idee in 1887 werd verworpen.

Het higgsveld verschilt van andere velden doordat het niet varieert in kracht en geen richting heeft. Het is als stroop die zich aan sommige deeltjes hecht en niet aan andere. Materiedeeltjes worden beïnvloed door het higgsveld, dat ze massa geeft. Lichtdeeltjes worden niet beïnvloed door het veld en hebben dus geen massa.

De vergelijking met stroop geeft een beeld van het higgsveld, maar zelf is Peter Higgs daar geen fan van, want het kan makkelijk leiden tot de misvatting dat de materiedeeltjes energie en snelheid verliezen wanneer ze door het veld bewegen.

En dat is niet het geval. Het higgsveld vertegenwoordigt de laagst mogelijke energie die kan voorkomen in een vacuüm, en daarom kan er geen energie van het veld naar de deeltjes of omgekeerd lopen. Peter Higgs vergelijkt het veld dan ook eerder met de manier waarop licht wordt gebroken wanneer het door een medium zoals glas of water beweegt.

Volgens de theorie bestaat het higgsveld alleen bij temperaturen onder de 1017 °C, wat betekent dat het er niet altijd is geweest. In de fractie van een seconde nadat tijd en ruimte bij de oerknal waren ontstaan, was de temperatuur van het heelal namelijk hoger. Maar als we deze allereerste biljoenste seconde even vergeten heeft het higgsveld te allen tijde alle hoeken van het heelal opgevuld – en natuurlijk geldt dit ook voor ons kubusje van ‘niets’.

Op de vraag ‘Bestaat het niets?’ moeten we met de kennis van nu dus ‘nee’ zeggen. Van de moderne natuurkunde weten we dat het higgsveld er ook nog is als we alle materie uit een stukje heelal weghalen en isoleren van elektromagnetische straling van buitenaf – naast gravitatiegolven, virtuele deeltjes, nulpuntsenergie en mogelijk donkere materie.

Sommigen zullen beweren dat er niets bestond vóór de oerknal of dat er niets bestaat buiten het heelal. Maar door het ‘niets’ in tijden en op plekken te plaatsen die volgens ons natuurkundige begrip juist gedefinieerd worden door het niet-bestaan, is het bestaan van het niets nog niet aangetoond.

Dus deze twee antwoorden zijn minstens zo absurd als de vraag naar het niets in de ogen van de Griek Thales, ruim 2500 jaar geleden.

Lees ook:

Natuurwetten

Licht is een schizofrene constante

3 minuten
Natuurwetten

Temperatuur verandert vorm van stoffen

3 minuten
Boomerang Nebula
Natuurwetten

Waarom is er een absoluut nulpunt van de temperatuur?

0 minuten

Log in

Fout: Ongeldig e-mailadres
Wachtwoord vereist
ToonVerberg

Al abonnee? Heb je al een abonnement op ons tijdschrift? Klik hier

Nieuwe gebruiker? Krijg nu toegang!