Het fascinerende van dieper ingaan op het gedrag van materie op zeer kleine schaal is dat ons gevoel voor logica daar steeds meer afhaakt. In deze gebieden van zeer kleine schaal, de quantummechanica dus, nemen we middels experimenten verschijnselen waar die ons gewone verstand niet kan bevatten. Bijvoorbeeld dat een deeltje als een elektron zich gelijktijdig op twee plaatsen tegelijk kan bevinden, hetgeen is aangetoond met het twee-spleten-experiment. Ik heb daar eerder over geschreven. Of dat je de positie van een deeltje nooit exact kunt bepalen (naar de onbepaaldheidsrelatie van Heisenberg), omdat dan de hoeveelheid beweging oneindig wordt. Of dat we in feite niet echt weten waar materie ten diepste uit bestaat. Ja, uit atomen en moleculen. En die weer uit protonen, neutronen en elektronen. En protonen en neutronen bestaan op hun beurt uit diverse soorten quarks. En quarks bestaan uit andere, ja uit wat eigenlijk? We lijken oneindig verder te kunnen gaan in onze zoektochten, maar we komen nooit tot één gehele, duidelijke conclusie.
De beroemde natuurkundige Richard Feynman vatte dit onvermogen om de resultaten uit de quantummechanica verstandelijk te verklaren samen in zijn beroemde uitspraak:
‘Degene die beweert dat hij quantummechanica begrijpt is: 1. Of gek. 2. Of hij liegt.’
Het Casimir-effect, genoemd naar de Nederlandse natuurkundige Hendrik Casimir (1909-2000), is ook zo’n fenomeen uit de kwantumfysica met opmerkelijke resultaten. Het treedt op in vacuüm, wat we normaal gesproken beschouwen als de afwezigheid van materie en energie. Volgens de kwantummechanica is het vacuüm echter niet helemaal leeg, maar vol met virtuele deeltjes die constant verschijnen en verdwijnen. In een heel korte tijd ontstaan er steeds deeltjes samen met hun antideeltjes. Bijvoorbeeld elektronen en hun antideeltjes, de positronen. Deze annihileren (slokken elkaar als het ware op) direct weer, zodat er netto niets aan materie overblijft. Maar door hun bewegingen is er wel sprake van een bepaalde hoeveelheid energie. Zodoende bevat een vacuüm altijd nog energie. Deze energie van het vacuüm wordt de kosmologische constante genoemd. Die is weliswaar heel klein, geschat wordt op 54 cijfers achter de komma per vierkante meter, en nauwelijks te meten, maar wel degelijk aanwezig.
Het mooie van het Casimir effect is dat het bestaan van deze virtuele deeltjes en hun bijbehorende energie experimenteel bevestigd kon worden (eerst in 1958, later veel nauwkeuriger in 1997).
Men plaatst twee parallelle, geleidende platen dicht bij elkaar in vacuüm. Zie hieronder.
Het Casimireffect tussen twee metalen platen
Tussen de platen ontstaan zoals gezegd virtuele deeltjes die tegen de platen aan botsen en weer terug. Echter, waar buiten de platen alle mogelijke golflengten van de virtuele deeltjes mogelijk zijn, is dat tussen de platen niet het geval. Juist door de uiterst korte afstand tussen de platen kunnen alleen die golflengten ontstaan die er tussen passen. Alle andere golflengten worden uitgedoofd (vergelijk dit met een snaar van een gitaar die bij aanslaan alleen geluid met bepaalde golflengten kan voortbrengen, juist omdat de lengte van de snaar vastligt).
Binnen de platen is het aantal virtuele deeltjes zodoende minder dan buiten de platen, waar ze vrij kunnen bewegen. Buiten de platen botsen er zodoende meer deeltjes tegen de platen dan in de ruimte ertussen. De druk van buitenaf is daarmee groter dan die van binnenuit. Dit verschil in dichtheid zorgt voor een netto-kracht die de platen naar elkaar toe trekt. Uit experimenten bleek dat dit het geval was. Deze netto-kracht wordt het Casimir-effect genoemd, in 1948 door Hendrik Casimir en Dirk Polder voorspeld.
Het Casimireffect is zoals gezegd bijzonder klein en ogenschijnlijk alleen interessant vanuit wetenschappelijke oogpunt. Maar ze blijkt ook in onze praktische wereld op te treden, bijvoorbeeld bij microscopische onderdelen van computers die nogal eens aan elkaar blijken te plakken (in het Engels heet dit effect stiction). Juist door de korte afstand tussen de onderdelen zorgt dit voor vervelende problemen. Gelukkig blijkt het mogelijk te zijn van de Casimirkracht een afstotende kracht te maken in plaats van een aantrekkende.
Ook in de natuur treedt het Casimireffect op. Het zorgt er bijvoorbeeld voor dat gekko’s op muren en plafonds kunnen lopen zonder naar beneden te vallen: de miljoenen microscopische haartjes op hun poten worden aangetrokken door het oppervlak waarover ze lopen.