Casimirs aantrekkelijke niets

De laatste jaren zag de vorige week overleden fysicus prof. dr. Hendrik Casimir een inzicht uit 1948 bewaarheid: lege ruimte kan krachten uitoefenen....

EIND JAREN veertig - de Leidse theoreticus Hendrik Casimir was net directeur van het Philips Natuurkundig Laboratorium in Waalre - had het bedrijf een probleem. De voorlopers van televisieschermen, de kathodestraalbuizen, hadden een oplichtende laag die werd aangebracht door een suspensie - een poeder zwevend in een vloeistof - te laten verdampen. De beste suspensies waren proefondervindelijk ontwikkeld. Maar waarom die werkten, wist niemand.

Casimirs mededirecteur Verweij en diens assistent Overbeek maakten studie van de gebruikte suspensies en ontdekten iets merkwaardigs. Suspensies van grote deeltjes voldeden niet aan de bestaande theorie.

Dat had, gokte Overbeek, iets te maken met het feit dat zulke deeltjes elkaars invloed niet direct voelen, maar met een vertraging. Dat zou komen doordat geen enkele invloed sneller dan het licht de onderlinge afstand kan overbruggen. Het waren Casimir en zijn rechterhand Dik Polder die deze suggestie uitwerkten en iets nieuws ontdekten: twee ongeladen deeltjes trekken elkaar op korte afstand een beetje extra aan.

Casimir, daartoe aangezet door Niels Bohr in Kopenhagen, ging verder. Hij versimpelde het vraagstuk tot twee geleidende platen op kleine afstand en ontdekte dat ook die elkaar in volkomen vacuüm moesten aantrekken.

De berekenig was ingewikkeld, maar het idee eenvoudig. Het vacuüm is volgens de quantumtheorie niet ledig, maar juist een bruisend geheel waarin voortdurend paren deeltjes en antideeltjes opduiken en weer verdwijnen. Volgens de onzekerheidsrelatie van Heisenberg mag dat, als het maar niet te lang duurt.

Maar deeltjes zijn ook golven en tussen twee metaalplaten passen nu eenmaal niet alle golflengtes. Dat betekent dat buiten de platen meer paren ontstaan en weer verdwijnen dan ertussen. En dat drukt de platen op elkaar, schreven Polder en Casimir in 1948 in een veel geciteerd artikel.

Wie - omgekeerd - zo'n kracht tussen twee platen kan aantonen, bewijst dat het vacuüm vol activiteit zit en dus ook energie bevat, zelfs bij het absolute nulpunt. Dat bleek niet eenvoudig. Pas in januari 1997, op een moment dat vrijwel alle fysici allang uitgingen van het bestaan van het woelende vacuüm, liet Steve Lamoreaux van het Los Alamos National Laboratory in de VS met een proef zien dat de Casimir-kracht bestaat en zich precies gedraagt zoals de theorie voorspelt.

Het Casimir-Polder-effect staat sindsdien weer volop in de belangstelling, onder meer van theoretici die de kosmologische gevolgen van het bruisende niets proberen te doorgronden. Zo is er bijvoorbeeld het probleem dat het heelal volgens recente metingen steeds sneller lijkt uit te dijen, terwijl de oerknaltheorie een vertraging voorspelt. Ergens lijkt energie uit niets te ontstaan.

Speelsere fysici hebben het Casimir-effect al aangeroepen in theoretische pogingen om door de tijd te reizen. Dat zou mogelijk zijn, meent bijvoorbeeld een vooraanstaand theoreticus als Kip Thorne van Caltech, via afsteekjes in Einsteins vierdimensionale ruimtetijd. Daarvoor is wel nogal wat negatieve energie nodig en die zou te vinden zijn tussen twee Casimir-platen.

Er is belangstelling uit nog exotischer hoek. NASA subsidieerde vorig jaar een studie van de firma Quantum Fields in Richland Center, Wisconsin. Oprichter-directeur Jordan Maclay denkt de nulpuntenergie in het vacuüm te kunnen oogsten met twee slim vibrerende metalen plaatjes ter grootte van een bacterie. Daarmee, speculeert hij, zou een ruimteschip uit het niets al genoeg energie kunnen winnen voor de volledige voortstuwing.

Kul, vinden de meeste fysici: de nulpuntenergie is het laagst denkbare energieniveau terwijl na gebruik de hoeveelheid nuttige energie in elk denkbaar systeem lager moet zijn dan ervoor.

Het Casimir-effect laat zien dat het quantumvacuüm echt bruist. Maar er is een andere, latere theorie, de quantumelektrodynamica (QED) van Feynman en Schwinger, die dat allemaal extreem precies beschrijft. En voor spontane energiebronnen, negatieve energie of vacuümmotoren is daarin voor zover bekend helaas geen ruimte.

Meer over

Wilt u belangrijke informatie delen met de Volkskrant?

Tip hier onze journalisten


Op alle verhalen van de Volkskrant rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright @volkskrant.nl.
© 2021 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden