O p a v o n t u u r i n d e w e t e n s ch a p!" #$%&'( )*+ Op avontuur, -./012 in de3 wete4 nschap 5 6 7 8 9: <=
Bram Vermeer Op avontuur in de wetenschap Stichting FOM, Utrecht
Colofon CIP-gegevens Koninklijke Bibliotheek Vermeer, Bram Op avontuur in de wetenschap Utrecht, Stichting FOM ISBN 90-803011-3-2 NUGI 924 Eerste druk 2002 Trefwoorden: natuurkunde, toepassingen natuurkunde, technologie Bram Vermeer, Amsterdam licentie-uitgave Stichting FOM, Postbus 3021, 3502 GA Utrecht (www.fom.nl) Eindredactie: Huub Eggen Omslagontwerp, vormgeving en druk: Drukkerij Cees Badoux, Nieuwegein Alle rechten voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden verveelvoudigd, opgeslagen in een geautomatiseerd gegevensbestand of openbaar gemaakt in enige vorm of op enige wijze, hetzij elektronisch, mechanisch, door fotokopieën, opnamen of op enige andere manier zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van de uitgever. Voor zover het maken van kopieën uit deze uitgave is toegestaan op grond van artikel 16b j0 het Besluit van 20 juni 1974, St.b. 351, gewijzigd bij Besluit van 23 augustus 1985, St.b. 471 en artikel 17 Auteurswet 1912, dienen de daarvoor wettelijk verschuldigde vergoedingen te worden voldaan aan de Stichting Reprorecht (Postbus 882, 1180 AW Amstelveen). Voor het overnemen van gedeelten uit deze uitgave in bloemlezingen, readers en andere compilatiewerken (artikel 16 Auteurswet 1912) dient men zich tot de uitgever te wenden. 2
Inhoudsopgave Voorwoord 5 Hoofdstuk 1 Natuurkunde van de grote vragen 6 Hoofdstuk 2 Natuurkunde en leven 44 Hoofdstuk 3 Natuurkunde en de maatschappij 64 Hoofdstuk 4 Natuurkunde en de toekomst 86 Index 109 Fotoverantwoording 110 3
Voorwoord Wetenschap is soms net topsport. Onderzoekers willen in hun vakgebied topprestaties leveren. Ze willen dingen doen die niemand eerder deed, grenzen verleggen, antwoorden geven op slepende vragen, en dat het liefst eerder dan hun collega s. Als zoiets lukt, zijn ze even in de zevende hemel. Ze voelen zich als bergbeklimmers die een lastige top hebben bedwongen: ze genieten van hun prestatie en het geweldige uitzicht, maar dan denken ze alweer aan de volgende beklimming. Ze leven van uitdagingen, maar er is meer. Met het onderzoek kun je soms ook mensen helpen, de samenleving beter maken. Over al die dingen gaat het hier. 5
Hoofdstuk 1 Natuurkunde van de grote vragen Hoe is het heelal ontstaan? Waarom zijn er zoveel verschillende stoffen? Hoe ver kun je gaan met opwarmen of afkoelen? Kun je atomen opstapelen? Natuurkundigen proberen stoffen uiteen te rafelen tot ze het allerkleinste deeltje vinden. Ze rekenen terug in de tijd, in de hoop een blik te kunnen werpen op ons ontstaan. Ze zoeken extreme omstandigheden op, om te zien hoe de natuur zich dan gedraagt. De bizarre verschijnselen die zich dan voordoen, kunnen soms op verrassende manier worden toegepast.
De kleinste deeltjes De veelheid van materialen om ons heen heeft natuurkundigen altijd voor een raadsel gesteld. Waarom zijn er zoveel verschillende stoffen? Al eeuwen proberen wetenschappers materialen uiteen te rafelen, om te zien hoe ze zijn opgebouwd. Misschien ligt aan de veelheid van stoffen wel een eenvoudig plan ten grondslag. Het was al een hele vereenvoudiging toen wetenschappers ontdekten dat alle voorkomende materialen opgebouwd bleken uit een beperkt aantal atomen. Al vanaf de oudheid werd gespeculeerd over zulke atomen, maar pas in de 18 e eeuw stelde de Fransman Lavoisier een lijst met atomen op, die al erg lijkt op de lijst die we nu hanteren. Veel chemische reacties bleken verklaard te kunnen worden, door goed te kijken welke atomen in zo n reactie betrokken zijn. Het duurde de hele 19 e eeuw voordat wetenschappers het met elkaar eens werden over het bestaan >< 0,01 m kristal 1/10.000.000 10-9 m molecuul 1/10 10-10 m atoom 1/10.000 10-14 m atoomkern 1/10 10-15 m proton 1/1.000 < 10-18 m elektron, quark Steeds dieper de materie in. De grote vraag is nog altijd waar materie uiteindelijk uit zal blijken te bestaan. van atomen. Echt simpel werd het dan ook niet. Er bleken bijna honderd verschillende atomen te zijn. Waarom is de natuur zo ingewikkeld? De oplossing bleek simpel, zo werd aan het begin van de 20 e eeuw ontdekt. Een atoom heeft een kern, en daaromheen cirkelen elektronen. De kernen op hun beurt zijn opgebouwd uit slechts twee verschillende soorten deeltjes. Protonen en neutronen. In verschillende combinaties vormen ze alle atoomsoorten. Zo heeft het ijzeratoom 26 protonen en 30 neutronen, zuurstof heeft 8 protonen en 8 neutronen. De natuur zit toch simpeler in elkaar dan het op het eerste gezicht lijkt. De vreugde over de ontdekking van deze simpele structuur was echter van korte duur. Er werden allerlei andere deeltjes ontdekt, die niet in dit simpele schema passen. Zo bleek licht uit fotonen (lichtdeeltjes) te bestaan. Vanuit het binnenste van de zon komen uiterst lichte neutrino s op ons af. De krachtwerking in het binnenste van atomen bleek af te hangen van weer een ander soort deeltjes, gluonen. Het elektron bleek grote broers te hebben in de vorm van muonen. Ook bleken protonen en neutronen opgebouwd te zijn uit verschillende soorten quarks. De zoektocht naar de meest elementaire bouwstenen van de natuur is nog niet ten einde. We kennen inmiddels meer dan twintig elementaire deeltjes. Echt eenvoudig is het nog niet, meent Erik Verlinde, hoogleraar theoretische natuurkunde en verbonden aan de Princeton University in de Verenigde Staten. De zoektocht naar een simpelere structuur wordt daarom onverminderd voortgezet. Natuurkundigen zoeken nog steeds naar de kleinste, de meest elementaire bouwstenen van de materie. Zouden al die deeltjes, die we nu kennen, allemaal opgebouwd zijn uit dezelfde ingrediënten? Verlinde is samen met collega s op het spoor van het antwoord. Hij denkt dat alle deeltjes uiteindelijk een verschillende verschijningsvorm zijn van één soort object, een trillende snaar. De verschillende manieren van trillen komen overeen met verschillende deeltjes. Het is als een snaar van een viool, die je op verschillende toonhoogten kunt laten klinken. Eén toon komt overeen met het elektron, een andere met een quark, weer een andere met een lichtdeeltje. De snaren beïnvloeden elkaar, net als muziekinstrumenten. Wie blokfluit speelt vlakbij een piano, merkt dat sommige pianosnaren gaan meetrillen. Die trillingen of resonanties van snaren zijn de krachten tussen deeltjes: bijvoorbeeld de zwaartekracht en de elektrische kracht. Extra dimensies Wat moet je je voorstellen bij die snaren? Ze zijn onvoorstelbaar klein, vele miljarden maal kleiner dan een proton of neutron (om iets preciezer te zijn: zo n 10-35 meter). Op die kleine schaal is ons begrip van ruimte niet meer goed te hanteren. Lengte, breedte en hoogte blijken niet voldoende om maten aan te geven. Natuurkundigen denken dat er minstens tien verschillende dimensies een rol spelen. De snaren kunnen in tien richtingen trillen. Op die uiterst kleine schaal lijkt de werkelijkheid dus in niets op onze alledaagse, driedimensionale ervaringen. Het is ook voor natuurkundigen een moeilijk te begrijpen werkelijkheid. Die extra dimensies hebben de afgelopen tien jaar voor grote raadsels gezorgd. Er was een nieuwe vorm van meetkunde nodig om ze te beschrijven. Nog lastiger was de verbin- Voor onderzoek aan de kleinste deeltjes zijn enorme machines nodig, zoals hier in CERN bij Genève. 8 9
[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] D 2-braan [ 4 ] x 11 open membraan 9-braan rand snaar op rand Het beeldschrift van de onderzoekers die vermoeden dat de bouwstenen van onze materie het beste beschreven kunnen worden trillende snaartjes in een wereld van branen en elf dimensies. ding met de dagelijkse realiteit. Hoe kan het dat wij drie dimensies ervaren, maar dat er zoveel meer zijn als je op kleine schaal gaat kijken? Waar blijven die dimensies als je langzaam uitzoomt? Het kostte jaren onderzoek om te kunnen beschrijven wat er dan precies gebeurt. De dimensies krullen op, zo heet het nu in het spraakgebruik van natuurkundigen. Ze rollen zich op tot bijna een punt, zodat ze in onze driedimensionale wereld geen betekenis hebben. Het heeft daarom lang geduurd voordat natuurkundigen de snaartheorie begonnen te accepteren. Toen de theorie werd bedacht, halverwege de jaren tachtig, was namelijk al duidelijk dat er iets niet klopte. Er bestonden verschillende versies van de theorie, die niet erg op elkaar leken. We wilden niet kiezen, want ze hadden allemaal wel wat in zich. Bovendien werden we nieuwsgierig waarom er verschillende mogelijkheden zijn, aldus Verlinde. Een doorbraak kwam toen de Amerikaan Edward Witten in 1995 een extra elfde dimensie bedacht. In een beroemd geworden lezing, die uren duurde, zette hij zijn vermoeden uiteen. Hij noemde zijn idee de M-theorie, maar liet in het midden of dit betekende: mystery, membrane, of mother of all theories. Het mooie was dat de bestaande vijf theorieën allemaal kinderen van dezelfde moeder bleken. Ze hadden dezelfde oorsprong, hun onderlinge tegenstrijdigheid verdween in het licht van die elfde dimensie. Als je zo n verhaal hoort, dan merk je direct hoe veelbelovend het is. Je merkt dat de puzzelstukken in elkaar vallen. Dat maakt je enthousiast, aldus Verlinde. Het enthousiasme betekende niet dat het werk nu klaar was. In tegendeel. Veel van de theorie is nog niet bekend. We kennen maar een deel van het verhaal, er zit nog veel meer achter. Dat maakt het moeilijk om te laten zien hoe mooi het is. Er is nog steeds veel werk te doen om de theorie te verkennen. Nieuwe rekentechnieken moeten worden ontwikkeld, er moet worden uitgerekend welke deeltjes er volgens de theorie zouden bestaan en hoe hun onderlinge krachten zich onder verschillende omstandigheden voordoen. Het stedebouwkundig plan van de theorie is getekend, het graven van fundamenten is in volle gang. Hoe het bouwwerk er uiteindelijk uit komt te zien, kun je alleen maar fantaseren. Je hoopt dat ergens een parel verborgen ligt. Dat je onverwachte schoonheid ontdekt, als je de theorie verder verkent. Tweeling Erg simpel is het gereken met elf dimensies allemaal niet. Wereldwijd zijn ongeveer duizend natuurkundigen bezig met het bouwen van de M-theorie. Ze staan daarbij voortdurend met elkaar in contact. Verlinde heeft daarbij een bijzondere discussiepartner, zo vertelt hij. Ideeën ontstaan in samenspraak. Als je ergens niet goed uitkomt, is het veel waard om er met anderen over te kunnen Onderzoek aan de kleinste deeltjes is big science : gigantische meetapparaten en grote onderzoeksgroepen, zoals hier bij het experiment ZEUS in Hamburg. 10 11
praten. Iemand die je begrijpt en dingen aanvult. Dat kan niet iedereen. Voor mij zijn de discussies die ik van jongst af met mijn tweelingbroer heb, een belangrijke impuls. Onze interesse in natuurkunde ontwikkelt zich gemeenschappelijk omdat je elkaar stimuleert en beïnvloedt. Eigenlijk zou iedereen een tweelingbroer moeten hebben. Die tweelingbroer is Herman Verlinde, is hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Amsterdam. De stapels papieren, een volgeschreven schoolbord, een computer op het bureau, het zijn de stille getuigen van het construeren van de nieuwe theorie. Maar klopt het allemaal, wat zo op papier wordt geconstrueerd? Voorlopig is het nog niet gelukt om de effecten van snaren waar te nemen. De effecten van de extra dimensies zijn alleen merkbaar op uiterst korte afstand. Om twee deeltjes dicht genoeg bij elkaar te krijgen, moeten ze met grote kracht tegen elkaar botsen. Dat gebeurt in deeltjesversnellers, maar zelfs de grootste versnellers van dit moment zijn niet krachtig genoeg om de deeltjes zichtbaar te maken. Theoretici zijn daarom bezig de theorie door te rekenen, om te zien of er bij lagere energieën bijzondere processen optreden. Zo n proces zou dan wel in een deeltjesversneller kunnen worden aangetoond. Inmiddels is al duidelijk dat de M-theorie meer oplevert dan de verklaring waarom er zoveel verschillende soorten deeltjes lijken te zijn. Hij lost ook een aantal andere problemen in de moderne natuurkunde op. Eén van de grootste problemen op dit moment is dat twee belangrijke natuurwetten met elkaar strijdig zijn. De wetten van de kwantummechanica beschrijven uitstekend de processen binnenin atomen. De theorie van de zwaartekracht beschrijft goed hoe op grote afstand planeten en melkwegstelsels bewegen. Er klopt iets niet op plaatsen waar de zwaartekracht extreem sterk is en dus de effecten van beide processen even belangrijk zijn (zie ook blz. 19). Met de M-theorie worden de gaten tussen de zwaartekrachttheorie en de kwantummechanica gedicht. Alle krachten in de natuur zijn resonanties tussen snaren, ook onder extreme omstandigheden. Misschien kunnen we met de M-theorie ook beter inzicht krijgen in twee andere problemen, waarbij de zwaartekracht een belangrijke rol speelt. Hoe is het heelal ontstaan? Wat gebeurt er in de buurt van een zwart gat? Het zwaarste object Zwarte gaten zijn misschien wel de meest bizarre plaatsen in het heelal. De materie zit in zwarte gaten zo dicht opeen gepakt, dat de zwaartekracht onvoorstelbaar sterk is. Alles wat in de buurt komt, wordt uit elkaar getrokken en onverbiddelijk aangetrokken. Omdat de omstandigheden er zo extreem zijn, vormen ze een gewild studieobject voor natuurkundigen. Nergens anders zie je materie onder zo n hevige krachtwerking. Dat legt eigenschappen van materie bloot, die je op een andere manier niet kunt ontdekken. De theorie van zwarte gaten bouwt voort op het werk van Albert Einstein. De relativiteitstheorie van Einstein voorspelt dat ruimte en tijd veranderen in de buurt van zware hemellichamen, zoals bijvoorbeeld de zon. In de directe omgeving van de zon rekt de ruimte uit en vertraagt de tijd een beetje. Alle afstanden worden daar iets groter en alle processen gaan iets slomer verlopen. Of, om in het spraakgebruik van natuurkundigen te blijven, de ruimte trekt krom. In 1919 werd Einstein beroemd toen metingen aan een zonsverduistering werden gedaan. Sterrenlicht dat dicht langs de zon reist, bleek inderdaad in de gekromde ruimte enigszins van richting te veranderen. Later is ook aangetoond dat ook de tijd onder bepaalde omstandigheden vertraagt (zie blz. 36). In de omgeving van de zon gaat het om een kleine afwijking in tijd en ruimte. Hoe dichter de materie in een hemellichaam samengebald is, hoe sterker ruimte en tijd daar rekken en vertragen. Rond zeer compacte sterren ontstaat zo een zone met een extreme vervorming. De ruimte is daar zo uitgerekt, dat er geen doorkomen meer aan is. De tijd is zo vertraagd, dat alle processen ter plaatse bijna tot stilstand komen. Alles wat deze zone rond zo n compacte ster wil doorkruisen, wordt door deze twee effecten oneindig lang opgehouden. Niets komt zo van buiten naar binnen, of omgekeerd. Zelfs het licht blijft steken. Vandaar de naam: een zwart gat. Waargenomen Tot voor kort was het onduidelijk of zwarte gaten werkelijk Einstein voorspelde hem: de zwaartekrachtlens. Massa buigt lichtstralen af. De langwerpige lichtvlekken zijn de vervormde beelden van een sterrenstelsel dat precies achter een groep andere stelsels staat. 12 13
Een zwart gat zuigt gas uit zijn omgeving aan. Sterrenkundigen kunnen zwarte gaten alleen met behulp van satellieten onderzoeken. bestaan. Omdat een zwart gat echt in duisternis is gehuld, kan het alleen indirect worden waargenomen, door het gedrag van materie die wat verder verwijderd is. Er is al minstens een tiental zwarte gaten getraceerd, die deel uitmaken van een dubbelster, legt Ed van den Heuvel uit. Hij is hoogleraar sterrenkunde op de Universiteit van Amsterdam. Het zwarte gat en de zichtbare begeleider draaien in hoog tempo om elkaar heen. Het zwarte gat kan worden opgespoord, doordat gas dat daar vlak in de buurt is, sterke röntgenstraling uitzendt. Zo kun je het bewegingspatroon van de begeleider en van het donkere object alletwee waarnemen. Daaruit kun je de massa en de maten van het onzichtbare object afleiden. Bij tien dubbelsterren is zo gemeten dat de massa groter is dan 3,5 maal die van de zon. En de zeer snelle variaties in de uitgezonden röntgenstraling tonen dat dit object een doorsnede heeft van minder dan 100 kilometer. Als het object zo compact is, met zoveel massa, moet het wel een zwart gat zijn, aldus Van den Heuvel. Het blijft natuurlijk altijd een indirect bewijs. Maar als je hieraan twijfelt, zet je een groot deel van de moderne natuurkunde over boord. Onderzoekers van het instituut van Van den Heuvel hebben dergelijke zwarte gaten opgespoord met behulp van de satelliet Rossi-X-ray Timing Explorer (XTE). De waarneemtijd op zo n satelliet is beperkt, legt Van den Heuvel uit. Er is daarom een comité dat de beschikbare tijd ver- deelt over de verschillende onderzoeksgroepen. Alleen de beste ideeën komen daarvoor in aanmerking. Elke seconde dat de satelliet kan waarnemen wordt zo benut. Andere onderzoeksgroepen hebben zwarte gaten waargenomen in bijvoorbeeld het centrum van ons Melkwegstelsel. Ook dat is tamelijk overtuigend, aldus Van den Heuvel. Ook zag de Amsterdamse sterrenkundige Titus Galama met een telescoop in Australië in april 1998 hoe een opgebrande zware ster in een ver sterrenstelsel instortte tot een zwart gat. Hij ontdekte op deze plek aan de hemel een zeer bijzondere sterexplosie, meer dan tienmaal zo helder als alle eerder waargenomen sterexplosies. Computerberekeningen tonen aan dat deze enorme helderheid alleen te verklaren is als hier een zwart gat is ontstaan. De laatste paar jaar doen de Amerikaanse kunstmaan Chandra en de Europese kunstmaan XMM Newton heel gedetailleerde metingen aan bronnen van röntgenstraling uit het heelal. Ook die leveren veel aanwijzingen voor het bestaan van zwarte gaten. De voorspellingen van theoretici lijken dus te kloppen. Maar het onderzoek naar zwarte gaten gaat onverminderd door. Want één van de grootste controverses in de moderne natuurkunde speelt zich af aan de rand van zwarte gaten. De ruimte wordt namelijk nog op een andere manier beïnvloed. We hebben niet alleen te maken met het kromtrekken door de zwaartekracht van compacte sterren. Op kleine schaal krioelt het van activiteit in de ruimte, zo heeft de bestudering van atomaire processen ons geleerd. Constant ontstaan en vergaan er deeltjes. Energie wordt omgezet in deeltjes, en deeltjes in energie. Dat gaat Röntgenstraling van een object dat vermoedelijk een zwart gat is, gemeten met de satelliet Chandra. 14 15
steeds met twee deeltjes tegelijk. Het is altijd een paar met precies tegenovergestelde eigenschappen, een deeltje en een antideeltje. Het één is positief geladen, het ander negatief. Het is een grillig proces, waar we normaal weinig van merken. Zo n deeltjespaar komt na korte tijd weer bij elkaar en verdwijnt dan weer. In 1973 bedacht de Britse natuurkundige Stephen Hawking wat er zou gebeuren, als één deeltje net wel, maar het andere net niet kan ontsnappen uit de stiltezone rond een zwart gat. Een hereniging zit er dan niet meer in. Op die manier kan een deel van de materie van een zwart gat toch nog verdwijnen, zo redeneerde hij. Het gaat bovendien niet om een incident, becijferde Hawking. Zo bestaan er twee verschillende ideeën over een zwart gat. Het idee van Einstein gaat uit van de wetmatigheden van de zwaartekracht. Dat leidt tot het idee van gekromde ruimte, een verstilde zone rond een zwart gat, waar niets of niemand meer uit komt. Het idee van Hawking komt voort uit de studie van atomaire processen. In de lege ruimte ontstaat constant materie, waardoor uiteindelijk een zwart gat leegloopt. Verbinding Loopt een zwart gat nu wel of niet leeg? Bij de extreme omstandigheden rond een zwart gat leiden de wetten van de zwaartekracht en die van de atomaire processen tot tegengestelde conclusies. Vreemd is dat niet. We hebben de zwaartekracht leren kennen door de studie van grote bewegende voorwerpen. Een appel die van een boom valt. De maan die rond de aarde draait. De cirkelgang van planeten. Het krioelen van kleine deeltjes is ontdekt door de studie van de processen in atoomkernen. Dat speelt zich op een veel kleinere schaal af. De deeltjes zijn zo klein, dat zwaartekracht normaal nauwelijks een rol speelt, behalve als die zo sterk is als bij een zwart gat. Nergens anders kunnen we het samenspel van verschillende processen zo heftig zien. Onlangs is het gelukt om voor de zwarte gaten de wetten van het grote en van het kleine met elkaar in overeenstemming te brengen. De snaartheorie (blz. 9) bracht daarvoor een oplossing. Het verdampen van zwarte gaten, door Hawking voorspeld op grond van de wetten van het kleine, blijkt precies berekend te kunnen worden met de snaartheorie. Dat is een grote stap voorwaarts, want de snaartheorie geldt ook voor de zwaartekracht. Het is de eerste grote prestatie van de snaartheorie, aldus Erik Verlinde. Het is voor mij het bewijs van de kracht van deze theorie. Zullen we dus zwarte gaten langzaam zien verdampen? Sterrenkundige Van den Heuvel vreest van niet. Gewone zwarte gaten verdampen heel langzaam. Naarmate ze kleiner worden, verliezen ze snel hun materie. Maar zover is het nog niet. Daarvoor is het heelal nog te jong Het is onwaarschijnlijk dat je dat kunt waarnemen. Alleen heel kleine zwarte gaten verliezen snel hun materie. Maar het is onzeker of die wel bestaan. De grootste gebeurtenis Hoe is het heelal ontstaan? Het is misschien wel de meest fundamentele van de vragen waarover natuurkundigen en sterrenkundigen zich buigen. Waarnemingen van het heelal hebben vaak voor een belangrijke doorbraak gezorgd in de inzichten in natuurwetten. De bewegingen van planeten maakten dat Newton de zwaartekrachtwetten kon formuleren. De studie van veraf gelegen sterrenstelsels geeft een glimp van de geschiedenis van de materie. Met de ontdekte wetmatigheden lukte het om terug te redeneren, om te herleiden hoe de vroege geschiedenis van het heelal eruit zag. Het ging zo. Zo n vijf miljard jaar geleden trok een grote wolk zich langzaam samen. De materie daarin raakte daardoor steeds dichter opeen gepakt, totdat het een vurige bal werd: de zon. Daaromheen cirkelden nog enkele overgebleven slierten materie, die samenbalden tot kleinere lichamen, de planeten: Mercurius, Venus, de aarde, Mars, Jupiter, Saturnus, Uranus, Neptunus en Pluto. Tot op de dag van vandaag draaien ze rond de zon. Venus, de Maan en Mars bij elkaar aan de hemel (op 14 mei 2002). Dit soort gebeurtenissen vonden mensen vroeger maar eng. Met Newton kunnen we nu precies uitrekenen wat daar gebeurt. 16 17
Geschiedenis van het heelal De geschiedenis van het heelal, vanaf de Oerknal (of Big Bang) tot nu. Op miljoenen andere plaatsen in het heelal moeten wolken geweest zijn die op dezelfde manier samentrokken tot evenzovele sterren, waarvan vele sprekend lijken op onze zon. Waarschijnlijk hebben veel sterren eveneens planeten, maar dat is moeilijk waar te nemen, omdat ze zo klein zijn. Ze zijn daarom nog maar op een paar plaatsen gezien. Deze stervorming gaat overal in het heelal voortdurend door. Onderzoekers nemen waar dat er nog steeds nieuwe sterren ontstaan uit samentrekkende wolken. Maar ook zien we sterren, die oud zijn, en bijna opgebrand. Ze ontstonden lang voordat onze zon werd gevormd. Sommige zien we exploderen aan het eind van hun leven. Ze blazen dan hun materie het heelal in. Daaruit kunnen later weer andere sterren ontstaan. Dicht bijeen Als we nog verder in de geschiedenis teruggaan, naar de tijd vóórdat de eerste sterren gevormd werden, was alles in het heelal dichter bijeen dan nu. Dat weten we, omdat we ook tegenwoordig nog zien dat alles uit elkaar beweegt. Toen alles dichter bijeen was, heerste er ook een hogere temperatuur. Op een bepaald moment, naar schatting 15 miljard jaar geleden, was alles zo dicht bij elkaar dat het hele heelal één grote gloeiende bol was, met een temperatuur van vele miljarden graden Celsius. De toestand van het heelal was toen zeer eenvormig, een ongestructureerde brij van deeltjes en licht. Zo weinig structuur zou er later in het heelal nooit meer zijn. Door elkaar zwermden vele fotonen, positronen, elektronen, protonen en neutronen. Al deze deeltjes botsten vaak en altijd krachtig tegen elkaar. De krachten die daarbij optraden waren enorm. Natuurkundigen hebben dat op aarde nagebootst in deeltjesversnellers. Zo hebben ze ontdekt hoe vier fundamentele krachten een cruciale rol spelen in die oersoep van deeltjes: de zwaartekracht, de elektromagnetische kracht en de zogeheten sterke en zwakke kracht. Verder terug in de tijd waren de omstandigheden zo extreem dat drie van die vier fundamentele krachten niet meer van elkaar te onderscheiden zijn. En nog iets eerder gaat de vierde, de zwaartekracht, daarin waarschijnlijk ook op, maar hoe precies weten natuurkundigen niet, want de wisselwerking tussen de materie was op dat moment zo intens en alles was zo dicht bijeen, dat het nog niet gelukt is om dat na te bootsen. Theoretici hebben wel een veelbelovend inzicht in deze wisselwerkingen gekregen door de snaartheorie (zie blz. 9), maar of dat echt klopt, zal nog moeten blijken. Zeker is wel dat traditionele begrippen als ruimte en tijd onbruikbaar zijn in die vroege toestand van het heelal. Het heelal was toen 10-43 seconde oud. Mist van de geschiedenis Oplossende mist van de Oerknal, En nog verder terug in de geschiedenis? Hoe zag het Begin gemeten met behulp van een eruit? De Big Bang of de Oerknal, het tijdstip dat het heelal ballon boven de zuidpool. geconcentreerd was in het volume van een theelepel? We De kleuren geven uiterst kleine weten het niet. Nog niet, want voorlopig hebben natuurkundigen hun handen vol aan het ontrafelen van de intense van de Oerknal. Vormden die het verschillen aan in de reststraling wisselwerking aan het eind van die eerste fractie van een begin van sterren en melkwegen? seconde. De grootste gebeurtenis blijft zo in de mist van de geschiedenis. Er is veel wat nog niet klopt. Niet alleen het gedrag van de zwaartekracht moet onder die extreme omstandigheden nog worden ontrafeld, we weten we ook nog niet hoe het komt dat het heelal in die eerste momenten zo snel is uitgedijd. Als natuurkundigen aan het rekenen slaan, becijferen ze dat het heelal nooit verder is uitgedijd dan het formaat van een voetbal. Dat klopt natuurlijk niet. We zijn groter dan een voetbal. De oplossing die de snaartheorie belooft te bieden, laat nog op zich wachten. De theorie is zo ingewikkeld, dat snaarspecialisten er nog niet in geslaagd zijn om na te rekenen hoe hun snaren zich in die vroege momenten gedragen. Ik heb goede hoop, dat we dat binnenkort kunnen, aldus Erik Verlinde. Als dat de goede snelheid voor de uitdijing van het heelal oplevert, hebben we een grote vooruitgang geboekt. We weten dan zekerder dat de snaartheorie klopt. Maar wat belangrijker is, we weten beter waarom het heelal er zo uit ziet als we waarnemen. Dat is voor mij de belangrijkste motivatie om dit te onderzoeken. Je beantwoordt vragen die diep in de natuur zitten. 18 19
De grootste neutrinodetector ter wereld, de Super Kamiokande in Japan. Door een storing sneuvelden eind 2001 ruim 7000 van de 11.200 lichtmeters in de detector. Die is daardoor buiten bedrijf. De lichtste deeltjes Neutrino s behoren tot de meest raadselachtige deeltjes in de natuur. Juist daarom is het boeiend om ze te bestuderen. Ze geven ons inzicht in het binnenste van de zon en processen in atoomkernen. Neutrino s zijn lastig te betrappen. Vermoedelijk hebben ze nauwelijks gewicht en geen lading. Ze laten zich door niets of niemand beïnvloeden, laat staan vangen. Met gemak schieten ze dwars door de aarde heen. Iedere seconde worden mensen en dieren door voorbijkomende neutrino s doorstraald, zonder dat dit enig effect heeft. Neutrino s maken niets kapot. Toch gaat het om veel neutrino s. In de jaren vijftig berekenden sterrenkundigen dat de aarde dagelijks getroffen wordt door een intens bombardement van neutrino s, afkomstig uit het binnenste van de zon. Daar komen ze vrij bij de fusiereacties die de zon van energie voorzien. Alleen al een duimnagel wordt elke seconde getroffen door 100 miljard neutrino s. Lange tijd hebben natuurkundigen gepoogd deze neutrino s te tellen. Het zijn tenslotte de enige deeltjes die ongestoord uit het binnenste van de zon komen en daarmee de meest directe bron van informatie over de processen in de zon. Het tellen van neutrino s is lastig. Omdat ze zich ongestoord verplaatsen, zonder effect op andere materie, laten ze ook geen sporen na. Het zijn perfecte insluipers. Nou ja, bijna perfect. Bij hoge uitzondering botst één van die honderden miljarden neutrino s toevallig tegen een atoom. De kans daarop is haast onvoorstelbaar klein. Om iets van de neutrino s te zien, moeten daarom grote detectoren gemaakt worden, met zoveel mogelijk atomen. Dan is de kans het grootst dat een neutrino ergens tegen de lamp loopt. Zo n detector heeft echter ook last van andere deeltjes, die uit verschillende hoeken van het heelal op ons af komen. Vandaar dat zo n neutrinodetector in de aarde wordt ingegraven, zo diep dat alleen neutrino s daar kunnen doordringen. Aan het eind van de jaren zestig installeerde de Amerikaan Raymond Davis in een goudmijn in de VS een grote tank chloor om de voorspelde neutrinoregen te meten. Het experiment veroorzaakte beroering onder natuurkundigen, want er waren minder neutrino s dan verwacht. Wat was er aan de hand? Zat er een fout in de berekeningen? Deugden de metingen niet? Vielen de neutrino s onderweg uiteen? Het experiment werd op andere plaatsen herhaald, met andere types detectoren. De berekeningen van processen in de zon werden nog eens overgedaan. Er waren geen fouten gemaakt. De puzzel bleef. Japanse onderzoekers hadden in 1987 geluk toen zij een nieuwe detector hadden geïnstalleerd in een zinkmijn diep in de Japanse bodem. Het apparaat, de Super-Kamiokande, was daar een paar maanden in bedrijf toen een ster explodeerde en korte tijd één van de helderste objecten aan de hemel werd. Vlak voordat de explosie zichtbaar werd, registreerde de Japanse detector een neutrinoflits. Dat leverde kostbare kennis op over de processen in het inwendige van die ster. Leptonen Quarks Een meting in Japan die op passerende neutrino s wijst. De drie soorten neutrino s, onderdeel van de familie van de elementaire deeltjes. De massa s die hier staan, volgen uit de theorie. Hun werkelijke massa s kunnen sinds kort worden gemeten. elektron elektron-neutrino up down massa 0,0005 GeV massa < 3 GeV massa ~0,004 GeV massa ~0,007 GeV muon muon-neutrino charm strange massa 0,1 GeV massa < 0,0002 GeV massa ~1,3 GeV massa ~0,15 GeV tau tau-neutrino top bottom massa 1,8 GeV massa < 0,018 GeV massa ~174 GeV massa ~4,2 GeV 20 21
De neutrinodetector bij Sudbury in Canada die neutrino s uit de zon meet. Gedaanteveranderingen Neutrino s vallen niet uit elkaar, zo bleek bij die sterexplosie. Als ze de 160.000 lichtjaar vanaf de exploderende ster konden afleggen, zouden ze de korte oversteek van de zon naar de aarde ook wel halen. Eén van de mogelijke oplossingen van het neutrinoraadsel was met die gebeurtenis van tafel. Maar er zijn nog andere oplossingen voor het neutrinoraadsel. Misschien kunnen neutrino s onderweg wel van karakter veranderen. Er zijn namelijk drie verschillende soorten neutrino s (het elektron-neutrino, het muon-neutrino, en het tau-neutrino). Onder bepaalde omstandigheden kan het ene soort overgaan in het andere. De neutrino s van de zon zijn vooral elektron-neutrino s. Dat zijn ook de neutrino s die het best door een detector worden opgevangen. Het kan best zijn dat sommige elektron-neutrino s op hun weg naar de aarde overgaan in een andere soort en zich daardoor onttrekken aan het oog van de detectoren. Om de puzzel op te lossen, is er een wereldwijde zoektocht aan de gang naar die neutrino-overgangen en het wegen van neutrino s, zo vertelt René van Dantzig, onderzoeker bij NIKHEF in Amsterdam. Honderd onderzoekers, onder wie Van Dantzig, zijn gezamenlijk bezig om te experimenteren met neutrino s. In totaal doen zo n 25 instituten mee, vooral uit Europa en Japan. Van Dantzig heeft met zijn medewerkers een belangrijk onderdeel ontworpen voor de detectoren. Alle apparatuur is samengebracht naar het onderzoeksinstituut CERN in Zwitserland, waar het experiment gedurende vier jaar heeft gewerkt. De neutrino s werden gemaakt door protonen met veel kracht tegen een stuk metaal te laten botsen. Onder bepaalde omstandigheden ontstaat daarbij een bundel neutrino s. Die neutrino s gaan uiteindelijk door een fotografische emulsie van 800 kilo heen. Eén op de miljard neutrino s laat daarin een spoor na, aldus Van Dantzig. Zo n experiment is een constant gevecht om de kans op zo n spoor zo groot mogelijk te maken. Internationaal Boeiend is ook de internationale samenwerking in zo n project, zo vertelt Van Dantzig. Je hebt mensen bij elkaar uit verschillende onderzoekstradities. Mensen zijn gewend om problemen op hun eigen manier aan te pakken. Ideeën worden met elkaar geconfronteerd. Dat is heel vruchtbaar. Soms kies je er dan voor twee alternatieven parallel te onderzoeken, in de hoop dat in ieder geval één weg iets oplevert. Het mooie van de detector bij CERN is dat verschillende soorten neutrino s geregistreerd kunnen worden. Dus als er een gedaantewisseling (of transformatie) van de ene soort naar de andere is, kan dat worden vastgelegd. De analyse van de meetresultaten is nu op de helft. Er zat nog geen enkele transformatie bij. Maar misschien levert de tweede helft wel een transformatie op. Eén of twee transformaties zou al heel sensationeel zijn. Groot nieuws kwam er tenslotte in de zomer van 2001. In het Sudbury Neutrino Observatory in Canada dat in 1998 in bedrijf kwam, worden neutrino s van de zon opgevangen. Zoals eerder opgemerkt zijn dat alleen elektron-neutrino s. De Super- Kamiokande detector in Japan kan alle drie de soorten neutrino s meten, maar hij is het meest gevoelig voor elektron-neutrino s. De metingen van de twee detectoren zijn nu met elkaar vergeleken en de uitkomsten wijzen onmiskenbaar in één richting: sommige elektron-neutrino s van de zon gaan op weg naar de aarde over in een andere soort. Dit lost twee problemen op: het verklaart waarom de zon te weinig neutrino s leek te produceren en neutronen hebben inderdaad een heel klein beetje massa, zeker tien miljoen keer minder dan een elektron. Dit resultaat vraagt natuurlijk om bevestiging door andere onderzoekgroepen en mer andere meetmethoden. Van Dantzig is al betrokken bij zo n volgende stap. Een reusachtige detector van een kubieke kilometer op de bodem van de Middellandse Zee. We kunnen dan de krachtige neutrino s waarnemen, die misschien ontstaan bij heftige processen aan de rand van zwarte gaten. Dat geeft ons een nieuwe blik op het heelal. Omdat het dan de eerste keer zou zijn dat we die hoog-energetische neutrino s waarnemen, kun je allerlei verrassingen verwachten. Een tekening van een deel van ANTARES, een nog te bouwen neutrinodetector op de bodem van de Middellandse Zee. 22 23
Een koud plasma op aarde: TL-verlichting. De zon, één grote kern fusiemachine. De heetste deeltjes Met een gasvlam kun je stoffen opwarmen tot boven 1000 graden Celsius. Met een flinke elektriciteitsstoot wordt het nog wat warmer. Daarna verhit je met speciale radiostralers verder. Wat gebeurt er met stoffen als je ze steeds verder verhit? Je krijgt een hele reeks gedaanteveranderingen te zien. Het begint met enkele bekende veranderingen, die natuurkundigen faseovergangen noemen. IJs smelt bij verwarmen. Water verdampt. IJzer wordt vloeibaar en bij verdere verhitting gasvormig. Lood verdampt gewoonlijk bij 2024 graden Celsius, ijzer bij 3160 graden en rond 5800 graden verdampt als één van de laatste stoffen wolfraam (het metaal dat niet voor niets in de gloeidraad van een lamp wordt gebruikt). Boven deze temperatuur, als dergelijke faseovergangen achter de rug zijn, is alles gasvormig. Na deze gedaanteverwisselingen blijft er een gas over, met vrij door elkaar bewegende moleculen, die elkaars aanwezigheid nauwelijks voelen. Nu kunnen de gasmoleculen verder worden verhit. Ze gaan dan steeds heftiger bewegen, want in principe is warmte niets anders dan beweging. Hoe warmer, hoe meer beweging. Bij heftige bewegingen breken moleculen uit elkaar in afzonderlijk atomen. Water valt uiteen in waterstofatomen en zuurstofatomen, koolzuurgas wordt koolstof en zuurstof. Bij 10.000 graden is daardoor alleen nog een gloeiende wolk afzonderlijke atomen over. Opwarmen bij deze temperaturen kost veel energie. Atomen stralen hun warmte namelijk snel weer uit. Dat uitstralen gebeurt via de elektronen, die rond de atoomkern cirkelen. Zij vangen warmte op door hun cirkelbaan aan te passen. Daarna stralen ze de opgevangen energie snel weer uit. Dat maakt opwarmen lastig. Het is alsof je een huis met openstaande ramen verhit. Alleen met intense warmtebronnen lukt het om de atomen nog verder te verhitten. Verloren elektronen Bij 100.000 graden lukt het voor sommige atomen niet meer om de elektronen vast te houden, die rond de atoomkern cirkelen. Waterstof raakt zijn elektron kwijt. Bij 1 miljoen graden hebben ook koolstof en zuurstof elektronen verloren. Voor ijzer en nog zwaardere atomen ligt die temperatuur nog een stuk hoger. 24 25
Een heel heet plasma op aarde: een machine voor kernfusieonderzoek. Voor het verder verhitten is het verlies van elektronen gunstig, want de elektronen waren er de schuld van dat de ingestraalde warmte direct weer werd uitgestraald. Als de atomen hun elektronen verliezen, wordt de energie van de kachel dus beter benut. Bij een temperatuur van enkele miljoenen graden zijn de meeste atomen alle elektronen kwijt. Wat eerder nog een gas was van moleculen is nu dus een mengsel van vrij door elkaar bewegende atoomkernen en elektronen geworden. Deze toestand van de materie heet een plasma. Het is de vierde in het rijtje vaste stof - vloeistof - gas - plasma. Op aarde komt plasma alleen op speciale plaatsen voor (in TL-buizen bijvoorbeeld), maar het heelal bestaat vrijwel geheel uit plasma. Als de atomen hun elektronen eenmaal kwijt zijn, gaat het verder verhitten relatief gemakkelijk. Er verandert echter weinig, als je het gas nog warmer maakt. De temperatuur loopt op tot enkele tientallen miljoenen graden zonder dat de atomen verder nog veranderen. Wel worden hun onderlinge botsingen steeds heftiger, naarmate het warmer wordt. Meestal worden de atomen bij zo n botsing snel weer teruggekaatst. Een atoomkern is immers positief geladen. Als twee positieve ladingen tegen elkaar komen, stoten ze elkaar af. Die elektrische kracht is echter niet de enige kracht die een rol speelt in de nabijheid van atomen. Op zeer korte afstand is ook de zogenaamde sterke kernkracht voelbaar. Dat is een aantrekkende kracht, die ervoor zorgt dat protonen en neutronen bij elkaar blijven in een atoomkern. Een enkele keer komen twee atoomkernen zó dicht bij elkaar, dat de sterke kernkracht een kans krijgt. De atoomkernen krijgen dan de mogelijkheid om samen te smelten. Twee protonen (dat wil zeggen: waterstofatomen die hun elektronen verloren zijn en met alleen één proton in de kern zijn overgebleven) kunnen zo een heliumkern vormen (met twee protonen in de kern). Daarbij komt veel warmte vrij. Fusie Dat is dus de volgende gedaanteverandering die optreedt. Als de temperatuur oploopt tot enkele tientallen miljoenen graden, versmelten waterstofkernen geleidelijk. Bij elke samensmelting komt warmte vrij. Onder gunstige omstandigheden begint de warmteontwikkeling van de versmeltingsreacties bij 50 miljoen graden goed merkbaar te worden. Bij 150 miljoen graden is de warmteontwikkeling zelfs zo groot dat alle andere verhittingsbronnen uitgezet kunnen wor- den. Het waterstofplasma houdt zichzelf warm. Dat is precies de Een uitbarsting op de zon laat zien manier waarop de zon op temperatuur blijft. Daar gebeurt dat overigens bij veel lagere temperaturen, maar dat kan omdat de druk van magneetvelden volgen. hoe geladen deeltjes de veldlijnen in het hart van de zon gigantisch hoog is. Wat gebeurt er als de materie nog warmer wordt? Bij 300 miljoen graden neemt de fusie van waterstofkernen weer af. De botsingen tussen atoomkeren zijn nu zo heftig, dat de atoomkernen te kort bij elkaar zijn om te kunnen fuseren. Er zijn bij die temperatuur zwaardere atomen, zoals helium en lithium, die nog kunnen fuseren. Maar ook dat is op een gegeven moment voorbij. Als de grens van 1 miljard graden wordt gepasseerd, vindt er weinig fusie meer plaats. Omdat er geen warmte meer vrijkomt door fusie, moet er weer externe energie worden toegevoerd om de atoomwolk verder te verwarmen. Om daarna wéér een verandering in de atomen waar te nemen, moet flink worden doorgestookt. Op een gegeven moment, bij een temperatuur van 100 miljard graden, worden de bewegingen zo heftig, dat de atoomkernen uit elkaar vallen. De protonen en neutronen uit de atoomkern gaan boven die temperatuur apart door het leven. Als een atoom eenmaal in stukken is gebroken, kan de temperatuur daarna bijna onbeperkt worden opgevoerd. Protonen en neutronen blijven vrij rondzweven. Er wordt hard gezocht naar gedaanteverwisselingen die onder deze omstandigheden zouden kunnen optreden. Bij zeer hoge temperatuur en druk versmelten protonen en neutronen zeer waarschijnlijk tot een nieuw soort plasma, waarbij het onderscheid tussen protonen en neutronen vervaagt. Het enige dat dan nog zichtbaar is, zijn de bouwstenen waaruit protonen en neutronen zijn opgebouwd, een soep van quarks en gluonen. Dat is de laatste gedaante van de materie - of de eerste, want dit was de toestand in het heelal vlak na de Oerknal. Althans, dat is wat we nu weten. 26 27
Opstoken Een kijkje in het reactorvat van de JET, de Europese proefinstallatie In de praktijk blijkt het lastig om materie heet genoeg te maken voor onderzoek naar energiewinning uit kernfusie. ben op allerlei manieren geprobeerd om steeds hogere temperatu- om deze verschijnselen zichtbaar te maken. Natuurkundigen hebren te bereiken. De faseovergangen van smelten en verdampen zijn met eenvoudige middelen te bereiken. Een gasbrander is vaak voldoende. Ook is het goed mogelijk om het uiteenbreken van moleculen en het verliezen van elektronen te zien, bijvoorbeeld met laserverhitting. De daarop volgende gedaantewisselingen zijn lastiger. Fusie lukt alleen met de allergrootste ovens die er zijn. Het stadium van fusie is echter erg interessant. Vooral de energie die vrijkomt bij fusie is aantrekkelijk. Misschien kunnen we die energie in de toekomst nuttig gebruiken. Dat is extra aantrekkelijk, omdat de brandstof voor het fusieproces waterstof is. Dat is overvloedig op aarde aanwezig en kan eenvoudig worden gewonnen uit water. Het lastige is echter de intense hitte die nodig is om de fusie in gang te zetten. Daarbij komt dat de fusieprocessen enige tijd op gang gehouden moeten worden, voordat ze blijvend energie produceren. Al bijna een halve eeuw proberen natuurkundigen deze techniek te beheersen. De problemen zijn niet gering. Het gas dat bij die fusie wordt gebruikt, wordt vele malen heter dan in het binnenste van de zon. Om zo n heet plasma enige tijd in een reactor bij elkaar te houden, moeten bijzondere technieken worden gebruikt. Je kunt zo n experiment niet zomaar in een vat of tank uitvoeren, want geen enkel materiaal kan tegen de intense hitte. Bovendien zou het gas meteen weer afkoelen als het de koude wand raakt. Een mogelijkheid is bijvoorbeeld om de materie op te sluiten met een magneetveld. De constructie die hiervoor het meest gebruikt wordt, heet een tokamak. De reactor van een tokamak heeft de vorm van een autoband, waarin geladen atomen in spiraalvormige banen bewegen. De eerste werd in Rusland gebouwd. In grotere tokamaks wordt de kennis over fusie nu verder verfijnd. In zo n tokamak worden verschillende technieken gebruikt om de atomen zo heet mogelijk te krijgen. Het begint bij een sterke stroomstoot, waardoor het waterstof direct al gloeiend heet is, zo n tien miljoen graden. Dat is nog niet heet genoeg voor fusie. Daarna wordt de waterstofwolk echter verder verhit met een reusachtige magnetron. Uiteindelijk bereiken de atomen de temperatuur van zo n 150 miljoen graden die nodig is om de reactor fusie-energie te laten produceren. Het is tegenwoordig de gewoonste zaak van de wereld om deze temperatuur te bereiken. Het kan zelfs nog wel twee tot drie keer zo warm. Zelfs in kleine machines brengen we het tot enkele tientallen miljoenen graden. Het probleem is echter om de atoomkernen in het plasma dicht genoeg bij elkaar te houden. Hoe hoger de druk, hoe beter de fusie verloopt. Ook Nederland is betrokken bij die pogingen. Ons land neemt deel aan onderzoek met de Joint European Torus (JET), een Europese proefinstallatie in Groot-Brittannië. In deze centrale is het gelukt om 16 megawatt op te wekken, ongeveer 5 procent van het vermogen van een gewone Nederlandse elektriciteitscentrale. Er was echter zo n 25 megawatt nodig om zover te komen. Er was dus geen netto energieproductie, maar dat was ook niet het doel van dit experiment. Hoe groot de JET ook is, het is slechts een schaalmodel van een centrale die echt energie kan produceren. Nieuwe elektriciteitscentrale Om echt energie te produceren met fusie is een grotere installatie nodig. Het opwarmen van zo n grotere installatie kost weinig extra energie, terwijl de opbrengst uit fusie in dat geval wel veel groter is. Natuurkundigen denken dat een installatie die 2,5 keer zo groot is als de JET ongeveer 1000 megawatt oplevert, evenveel als twee gewone Nederlandse elektriciteitscentrales. Internationaal worden plannen gemaakt om zo n centrale te bouwen. De bouwschetsen voor deze International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) zijn al gemaakt. De toekomst voor dergelijke grote reactoren is echter onzeker. Het is kostbaar onderzoek Een schets van ITER. 28 29
en kan alleen op langere termijn een bruikbare elektriciteitscentrale opleveren. Toch hopen onderzoekers op zo n investering. Zo n project is een internationaal bindmiddel, vertelt professor Niek Lopes Cardozo. Hij is onderzoeker bij het FOM-Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen, even ten zuiden van Utrecht, een instituut dat gespecialiseerd is in hete materie en lasers. Allerlei onderzoeksgroepen stemmen hun onderzoeksprojecten op ITER af. Als ze een berekening maken, doen ze dat voor een centrale met de maten van ITER. En de ontwikkeling van apparatuur wordt afgestemd op gebruik in ITER. Dat maakt dat je de resultaten van verschillende onderzoeksgroepen goed met elkaar kunt vergelijken. Het wordt dan snel duidelijk of een voorgestelde verandering echt een verbetering is. ITER fungeert als een ijkpunt voor het onderzoek. Of de centrale echt gebouwd gaat worden is echter de vraag. Er is internationaal nog geen overeenstemming over de financiering. Als het project van tafel zou gaan, zou de internationale afstemming in het onderzoek verdwijnen. Het wordt dan veel moeilijker om theorieën en technieken met elkaar te vergelijken, aldus Lopes Cardozo. Nu is zo n fusiecentrale naar verwachting nog erg duur, maar er worden constant technieken ontwikkeld waarmee fusie goedkoper moet kunnen worden. Echt goedkoop zal het wel nooit worden. Maar als olie en kolen schaarser worden, hebben we misschien meer geld voor onze elektriciteit over. De koudste materie Hoe koud kan het worden? Temperatuur van materie staat gelijk aan beweging. Hoe kouder het is, des te trager bewegen atomen en moleculen. Bij kamertemperatuur bewegen ze met duizenden kilometers per uur. De vraag hoe koud het kan worden, is daarom theoretisch snel beantwoord. Als alle bewegingen zijn gestopt, kan het niet meer kouder worden. Dat punt heeft per definitie een temperatuur van 0 kelvin, het absolute nulpunt. In de praktijk blijkt het lastig om alle bewegingen te bevriezen. Die temperatuur van 0 kelvin staat gelijk aan 273,2 graden Celsius onder nul, niet bepaald een alledaagse omstandigheid. De hele twintigste eeuw hebben natuurkundigen geprobeerd om daar zo dicht mogelijk bij in de buurt te komen. Een belangrijk kouderecord werd gevestigd door de Nederlander Heike Kamerlingh Onnes bij de universiteit in Leiden. Hij kreeg een Nobelprijs omdat het hem in 1908 gelukt was om 270 graden Celsius onder nul te bereiken. Behoorlijk koud, maar toch bewegen atomen dan nog met honderden kilometers per uur. Na Kamerlingh Onnes zijn vele kleinere records gevestigd. Af en toe wist iemand nog een kleine verbetering te bereiken. Het duurde tot de jaren tachtig van de twintigste eeuw tot er een fundamentele vooruitgang werd geboekt. Er moesten nieuwe technieken worden ontwikkeld. Het heeft zo lang geduurd omdat een laser nodig is om de allerlaagste temperaturen te bereiken. Zoiets bedenk je niet gemakkelijk. Lasers zijn de krachtigste en warmste lampen die bestaan. Dat je lasers kunt gebruiken voor koeling, dat is een omkering in je gedachten. De Amerikanen Steven Chu en Bill Phillips en de 30
Fransman Claude Cohen-Tannoudji, die dat bedachten, hebben Een wolkje van een miljoen daarvoor in 1997 de Nobelprijs gekregen. natriumatomen die door onderzoekers in Utrecht met lasers Deze natuurkundigen vonden een manier uit om de bewegende atomen af te remmen. Beschiet ze met lichtdeeltjes, zo was het vrijwel tot stilstand zijn gebracht. idee. Ook een speelgoedautootje kun je tot stilstand brengen als je er knikkers tegenaan gooit. De moeilijkheid is daarbij dat de atomen kriskras door elkaar bewegen, in een willekeurige richting. Je moet ze dus van alle kanten bekogelen met lichtdeeltjes om ze te kunnen stoppen. In de praktijk wordt een wolkje atomen daarom van zes verschillende kanten bestookt met het licht van zes krachtige lasers. De bewegingen worden zo in alle richtingen afgeremd. De atomen raken gevangen in een soort stroop, zoals één van de ontdekkers het uitdrukte. Het resultaat is dat het wolkje atomen afkoelt. Op die manier zijn temperaturen bereikt van 0,000001 kelvin (1 microkelvin), heel dicht bij het absolute nulpunt. Atomen bewegen dan nog maar met enkele centimeters per seconde. Bizarre verschijnselen Waarom willen natuurkundigen zo dicht bij het nulpunt komen? Het is niet alleen de eer van kouderecords die telt. Zo dicht bij 0 kelvin, als alle bewegingen uitgevroren raken, gedraagt de natuur zich anders. Subtiele verschijnselen die gewoonlijk worden weggevaagd door de krachtige botsingen van snel bewegende atomen, krijgen bij lage temperaturen plotseling een kans. Kamerlingh Onnes merkte dat al. Bepaalde metalen blijken bij de lage temperaturen, die hij wist te bereiken, plotseling hun elektrische weerstand te verliezen. 31
Bose-Einsteincondensatie: links een wolkje rubidiumatomen dat zich als één groot atoom gedraagt. Als men het laat uitzetten, klapt de lange as van het wolkje een kwart slag om. De opstelling in het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica in Amsterdam, waarmee de Bose-Einsteincondensatie in het plaatje hierboven is gemaakt. Metaalatomen zijn dan bijna op hun plaats vastgevroren, zodat elektronen er moeiteloos tussendoor kunnen stromen. Tot zijn verbazing zag Kamerlingh Onnes dat de elektrische weerstand volledig verdween. Een elektrische stroom kan door deze supergeleiding eeuwig blijven stromen. Zolang het koud blijft tenminste. Dit verschijnsel wordt tegenwoordig veel toegepast om zeer sterke magneten te maken, bijvoorbeeld voor MRIapparatuur in ziekenhuizen. Door de supergeleiding kan met weinig verlies een sterke stroom door een spoel lopen, waardoor er een sterk magneetveld wordt opgewekt. Later, in 1995, maakte twee Amerikaanse onderzoeksgroepen een ander verschijnsel, bij nog lagere temperaturen, zichtbaar (Carl Wieman, Eric Cornell en Wolfgang Ketterle kregen er in 2001 de Nobelprijs voor). Door een heel ijl gas van atomen af te koelen tot een temperatuur beneden 0,000 000 1 kelvin zijn onder bepaalde omstandigheden geen individuele bewegingen van atomen meer mogelijk. Een hele wolk atomen gedraagt zich dan als een collectief, met allemaal precies dezelfde bewegingen. Dit verschijnsel was in 1924 al voorspeld door de Indiër Satyendra Nath Bose en Albert Einstein. Op verschillende plaatsen wordt gewerkt aan het vervolmaken van deze zogeheten Bose-Einsteincondensatie. Er worden voortdurend nieuwe verrassende eigenschappen waargenomen. Ook liggen verschillende toepassingen in het verschiet. Zo kunnen er misschien bijzondere soorten lasers mee worden gemaakt, die het mogelijk maken om uiterst kleine structuren te maken voor de micro-elektronica of voor sensoren. Bovendien opent de techniek een nieuw perspectief voor het maken van nauwkeurige klokken. Klokken Het vastleggen van de tijd is altijd lastig gebleken. Als klokken verkeerd gingen lopen, waren er astronomische waarnemingen nodig om ze weer gelijk te zetten. De omwenteling van de aarde, de baan om de zon, het waren vaste bakens van de tijd. Rond 1900 waren de slingeruurwerken zo geperfectioneerd, dat ze nog maar een honderdste seconde per dag fout liepen. Voor veel praktische doelen was dat genoeg, maar voor bijvoorbeeld navigatie op zee is een nauwkeurigere tijdmeting gewenst. Gedurende de hele twintigste eeuw hebben natuurkundigen daarom gewerkt aan steeds betere klokken. In plaats van een slinger werden allerlei andere heen en weer slingerende objecten uitgeprobeerd. Zo zijn nauwkeurige klokken gemaakt met stemvorken en later met trillende kwartskristallen. Kwartsoscillatoren worden tegenwoordig nog veel toegepast in horloges, radiozenders en computers. Ze bleven tot in de tweede helft van de twintigste eeuw de beste klokken. Pas in 1955 bracht de Brit L. Essen een ander principe in praktijk. Hij maakte een klok met de kleinst denkbare trilelementen: atomen. Onder bepaalde omstandigheden gedragen atomen zich als een snel trillend kompasnaaldje. Er zijn eigenlijk twee magneetjes in een atoom aanwezig, die daarbij belangrijk zijn. De atoomkern is magnetisch, maar ook de magnetische eigenschappen van het buitenste elektron is belangrijk. De twee magneetjes kunnen samen in een uiterst precies ritme trillen. Een cesiumatoom trilt bijvoorbeeld zo n 9 miljard keer per seconde (om precies te zijn 9.192.631.770 keer, want zo werd later de duur van de seconde gedefinieerd). Essen bouwde een installatie waardoorheen atomen stromen. Op één plek worden ze in trilling gebracht. Even verderop in het apparaat worden de trillingen gemeten. Dat moet razendsnel, omdat de atomen met duizenden kilometers per uur bewegen. Er is daarom maar een korte tijd beschikbaar om de trilling te meten. Als je maar kort kunt meten, gaat dat ten koste van de nauwkeurigheid. Cesiumklokken lopen daarom toch nog één seconde fout in 300.000 jaar (1:10 13 ). Duizendmaal nauwkeuriger Sinds de tweede helft van de jaren tachtig van de twintigste eeuw wordt er gewerkt aan verdere verbetering. Steeds is de truc om atomen zover af te koelen dat hun snelheid voldoende wordt afgeremd. De laserkoeling, die Chu, Phillips en Cohen- 32 33