Natuur- en sterrenkundigen bedenken de gekste dingen bij hun pogingen om de kosmos beter te begrijpen. In deze rubriek elke maand een mooi voorbeeld. Ditmaal: hoe bij een deeltje met de laagst mogelijke energie toch nog wat te halen valt.

Als je ‘nulpuntsenergie’ googelt, krijg je goddank vooral links naar natuurkundige sites. Althans, dat is wat er gebeurt als ík ‘nulpuntsenergie’ google – een wetenschapsjournalist die vaak schrijft over deeltjesfysica en quantumzaken. Het zou zomaar kunnen dat de zoekmachine bij iemand die wat spiritueler in het leven staat heel andere resultaten bovenaan zet. Een link naar de site FreeEnergy4All bijvoorbeeld, die in nulpuntsenergie “dé nieuwe energiebron van de toekomst” ziet.

Bij dat soort claims zal elke natuurkundige driftig met zijn ogen gaan rollen. Ja, er is zoiets als nulpuntsenergie. En nee, daar heb je verder niets aan. Die kun je niet winnen als energiebron. Althans… Onlangs publiceerde het behoorlijk degelijke online tijdschrift Quanta Magazine een artikel met als kop ‘Natuurkundigen gebruiken quantummechanica om energie uit het niets te halen’. Zou het dan toch…?

Meer Far Out:

• De speurtocht naar communicatienetwerk van buitenaards leven
• De mysterieuze Great Dimming van Betelgeuze

Laagst mogelijke energie

Dat de nulpuntsenergie zweverige breinen in beroering brengt, is niet zo gek. Wat dit begrip inhoudt, is: volgens de quantummechanica kan niks een energie hebben van exact nul. Ook als je kijkt bij de laagst mogelijke temperatuur, van -273 graden Celsius, bewegen deeltjes nog steeds een klein beetje. En zelfs volstrekt lege ruimte is niet helemaal energieloos. Maar hé, is dan al gauw de gedachte: kunnen we die energie niet op de een of andere manier benutten?

Nee, is het geijkte antwoord. De nulpuntsenergie is niet nul, maar wel de laagst mogelijke energie die iets kan hebben. “Als je probeert die te winnen, kóst dat je alleen maar energie”, zegt Nayeli Rodríguez-Briones, natuurkundige aan de Universiteit van Californië te Berkeley.

Toch zou je, zo liet de Japanse theoreticus Masahiro Hotta zien in 2008, wel degelijk energie kunnen halen uit een deeltje dat op het eerste gezicht alleen maar nulpuntsenergie te bieden heeft. En Rodríguez-Briones is er nu samen met haar collega’s voor het eerst in geslaagd Hotta’s idee in een experiment toe te passen.

Misleidende naam

Het toverwoord bij het trucje dat Hotta suggereerde, is verstrengeling. Binnen de quantummechanica kunnen twee deeltjes een mysterieuze band met elkaar hebben, die ook op grote afstand blijft bestaan. Doe je een meting aan deeltje nummer een, dan beïnvloedt die deeltje twee. Ook als dat tweede deeltje zich aan de andere kant van het universum bevindt.

Die eigenschap kun je benutten bij een proces dat quantumenergieteleportatie is gedoopt. Neem twee verstrengelde deeltjes. Geef het ene deeltje aan Alice en het andere aan Bob. Alice doet een meting aan haar deeltje en geeft het resultaat daarvan door aan Bob. Bob kan vervolgens energie onttrekken aan zíjn deeltje. Ook als dat deeltje niet meer dan de nulpuntsenergie bevatte.

Wie het woord quantumenergieteleportatie leest, denkt misschien: ah, er wordt dus energie geteleporteerd, van Alice naar Bob. Door haar meting te doen, pompt Alice vast wat energie in haar deeltje. En doordat Bobs deeltje daarmee verstrengeld is, kan hij die energie er dus aan zijn kant uit halen.

Maar dat is niet wat er gebeurt, zegt Rodríguez-Briones. Er gaat geen energie van Alice naar Bob; alleen informatie. En met die informatie, zo zegt ze, kan Bob in zijn eigen deeltje opgeslagen nulpuntsenergie beschikbaar maken. “De naam quantumenergieteleporatie kan wat misleidend zijn”, geeft ze toe.

Op de wip

Natuurkundige Jan de Boer van de Universiteit van Amsterdam, niet betrokken bij het onderzoek, schetst het proces liever op een andere manier. De totale hoeveelheid energie van de twee verstrengelde deeltjes mag niet negatief zijn, zegt hij. Dan zou je de wet van behoud van energie schenden – en dat is iets waar natuurkundigen in de regel voor terugdeinzen. Wat wel kan, is de energie van Alice’ deeltje onder het nulpunt duwen – maar dan stijgt de energie van Bobs deeltje, zodat de totale hoeveelheid energie van het tweetal níét lager dan nul wordt. Zie het als twee deeltjes die samen op een wip zitten: als Alice’ deeltje omlaaggaat, moet dat van Bob wel omhooggaan. En dan valt er bij dat laatste deeltje ineens toch wat te halen.

Dat trucje hebben Rodríguez-Briones en collega’s nu daadwerkelijk weten uit te voeren. Daarvoor maakten ze gebruik van drie quantumbits of qubits: de bits waar een quantumcomputer mee rekent. De eerste qubit speelde daarbij de rol van het deeltje van Alice, de tweede was het Bob-deeltje, de derde fungeerde als de boodschappenjongen die informatie van Alice naar Bob overbracht.

Quantumenergieteleportatie kán dus, zo is daarmee bewezen. Maar daarmee hebben we niet “dé nieuwe energiebron van de toekomst” beet, hoe graag FreeEnergy4All dat ook zou zien. Als je puur op Bob focust, líjkt het misschien alsof hij energie haalt uit een deeltje met niets dan nulpuntsenergie. Maar als je het hele plaatje overziet, inclusief Alice en die mysterieuze quantumband tussen beide deeltjes, wordt er nergens netto energiewinst geboekt. “Je kunt nog steeds geen energie uit het niets halen”, zegt Rodríguez-Briones.

Wat niet wil zeggen dat het idee van Hotta en de experimentele bevestiging daarvan door Rodríguez-Briones en haar team geen toepassingen hebben. Rodríguez-Briones ziet er een manier in om qubits verder af te koelen – en dus betrouwbaarder te maken – dan normaal gesproken mogelijk is. Anderen denken de ontdekking te kunnen gebruiken voor het quantuminternet; het netwerk dat quantumcomputers informatie met elkaar laat uitwisselen. Nog weer anderen zijn benieuwd wat een deeltje met negatieve energie – dat dus op de lage kant van de wip zit – doet met de omringende ruimtetijd. Kortom, er is genoeg interessant vervolgonderzoek te bedenken, zonder uit te hoeven wijken naar wat allerlei gekke sites beweren.

Jean-Paul Keulen is wetenschapsjournalist. Voor dit artikel raadpleegde hij de volgende literatuur: Nayeli Rodríguez-Briones e.a.: Experimental Activation of Strong Local Passive States with Quantum Information, Physical Review Letters (13 maart 2023) | Zack Savitsky: Physicists Use Quantum Mechanics to Pull Energy out of Nothing, Quanta Magazine (22 februari 2023).

Openingsbeeld: ESA/HUBBLE/NASA/B. MUTLU-PAKDIL/G. DONATIELLO/GETTY IMAGES

Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Word dan lid van KIJK!