Nobelprijs Natuurkunde voor lichtonderzoek

De Nobelprijs voor de Natuurkunde gaat dit jaar naar de Fransman Serge Haroche en de Amerikaan David Wineland. Dat heeft het Nobelprijscomité in Stockholm bekendgemaakt. Zij krijgen de onderscheiding voor hun baanbrekende onderzoek naar de relatie tussen licht en materie. Ze slaagden erin heel kleine deeltjes te bestuderen zonder ze te vernietigen, aldus de academie.

David Wineland
 

David J. Wineland (68) is een Amerikaanse fysicus verbonden aan Harvard University en het National Institute of Standards and Technology (NIST) in Boulder, Verenigde Staten. De Franse natuurkundige Serge Haroche (68) werkt aan het Collège de France en Ecole Normale Supérieure in Parijs. Beide natuurkundigen krijgen de prijs omdat ze (onafhankelijk) nieuwe methoden ontwikkelden om individuele kwantumdeeltjes te bestuderen, te meten en te manipuleren, zonder de deeltjes te vernietigen.

Kwantumfenomenen zichtbaar gemaakt
Beide laureaten werken in de kwantumoptica, het studiegebied waarin de fundamentele interactie tussen licht en materie wordt onderzocht. Voor individuele lichtdeeltjes of materiedeeltjes moet de klassieke natuurkunde wijken voor de kwantumfysica. Omdat de individuele deeltjes niet eenvoudig uit hun omgeving geïsoleerd kunnen worden, was het lange tijd onmogelijk om ‘kwantumfenomenen’ die door de theorie voorspeld worden direct te observeren. Wetenschappers konden enkel steunen op gedachte-experimenten.

Haroche en Wineland ontwikkelden met hun onderzoeksgroepen en onafhankelijk van elkaar baanbrekende methoden om individuele kwantumdeeltjes te bestuderen, te meten en te manipuleren, zonder de deeltjes te vernietigen. David Wineland vang elektrisch geladen atomen, ionen, door ze te ‘besturen’ en te meten met lichtdeeltjes, fotonen. Serge Haroche doet het net andersom: hij controleert en meet gevangen fotonen door atomen door een ‘val’ te sturen.

De methodes van Wineland en Haroche openden de weg naar een nieuw type supersnelle kwantumcomputer met veel meer opslagcapaciteit. Volgens het Nobelprijscomité zullen dergelijke computers ons leven in deze eeuw even radicaal veranderen als de klassieke computer in de voorbije eeuw heeft gedaan. Het onderzoek leidde ook naar de ontwikkeling van klokken met een meer dan honderd keer grotere precisie dan de huidige cesiumklokken.

De winnaars krijgen hun prijs uitgereikt in december. Dan krijgen zij een medaille en een bedrag van omgerekend ongeveer 930.000 euro.

Licht en materie is overal
Het hele leven bestaat uit licht en materie. Serge Haroche en David Wineland zijn erin geslaagd om deze deeltjes op het kleinst mogelijke niveau met elkaar in aanraking te brengen, op het niveau van fotonen en atomen. 'Alles wat wij zien komt ook voort uit deze elementaire interactie', zegt professor natuurkunde Leo Kouwenhoven.

'Het licht dat door boomblaadjes omgezet wordt in energie, het licht dat op ons netvlies valt, het licht waarop zonnecellen werken, het komt allemaal neer op atomen en fotonen', aldus de fysicus die verbonden is aan de TU Delft. 'Door het werk van deze wetenschappers leren we dit alles beter te begrijpen.'

Volgens Kouwenhoven hebben de heren de Nobelprijs zeker verdiend. 'Ze hebben een mijlpaal bereikt. Dit is de meest fundamentele manier waarop je de wisselwerking tussen de kleinste deeltjes van materie en licht kan bestuderen. Kleiner dan dit wordt het niet.'

Het werk van de Fransman en de Amerikaan is erg belangrijk in de kwantummechanica. 'Die is veel rijker dan de klassieke mechanica van onze wereld waarmee we bijvoorbeeld het verschijnsel fietsen kunnen beschrijven. Binnen de kwantummechanica is het mogelijk dat één deeltje op meerdere plekken tegelijk kan zijn en verschillende dingen tegelijk kan doen. Dat je als mens op 2 fietsen zit die allebei een andere kant op gaan. Het is allemaal nog heel absurd, maar concreter kan ik het niet maken', aldus Kouwenhoven.

Wat we uiteindelijk met de vindingen van de Nobelprijswinnaars kunnen, is nog de vraag. Volgens Kouwenhoven kan het ons helpen het energieprobleem op te lossen, maar kan het ook worden ingezet in de gezondheidszorg. 'Uiteindelijk heeft alles te maken met materie en licht. Ook ons lichaam bestaat uit atomen en we ontvangen allemaal straling, die ook ingezet wordt in de medische wereld: lasercorrectie bijvoorbeeld en bestraling.'

Het werk van de wetenschappers heeft ook als inspiratie gediend bij de ideeën achter de kwantumcomputer, een computer die, als hij er komt, niet met nullen en enen werkt maar op een totaal andere en veel snellere manier dan we nu kennen.

Jaartje te vroeg voor België?

François Englert en Peter Higgs

De Belg François Englert, voorspeller van het Higgs-deeltje, en daardoor een van de favorieten voor de Nobelprijs voor Natuurkunde heeft de prijs dan toch niet gekregen. Volgens deeltjesfysicus Nick van Remortel van de Universiteit Antwerpen, en betrokken bij het CMS-experiment dat het Higgs-boson bevestigde, is 2012 mogelijk minstens een jaartje te vroeg. 'Ik vermoed dat men gaat wachten tot volgend jaar, wanneer beide LHC experimenten, CMS en ATLAS, hun volledige gegevensstaal hebben geanalyseerd en ook met meer precisie de eigenschappen van het nieuwe deeltje kunnen toetsen aan de Brout-Englert-Higgs-hypothese.'

Nobelprijs Natuurkunde afgelopen tien jaar
Vorig jaar ging de Nobelprijs voor Natuurkunde naar de Amerikanen Saul Perlmutter en Adam Riess en de in de VS geboren Australiër Brian Schmidt. Zij kregen de onderscheiding voor het onderzoek naar het heelal. De drie hebben supernova's (ontploffende sterren) in de afgelegen uithoeken van het heelal onderzocht. Uit de metingen bleek niet alleen dat het universum zich sinds de oerknal uitbreidt, maar ook dat dat steeds sneller gaat.

Een overzichtje van de afgelopen tien jaar:
2012: Serge Haroche (Frankrijk) en David Wineland (VS) voor hun baanbrekende onderzoek naar de relatie tussen licht en materie. Ze slaagden erin heel kleine deeltjes te bestuderen zonder ze te vernietigen.

2011: Saul Perlmutter, Adam Riess (beiden VS) en Brian Schmidt (Australië). Hun onderzoek naar supernova's - ontploffende sterren - toonde aan dat het heelal zich steeds sneller uitbreidt.

2010: De in Rusland geboren Nederlandse natuurkundige Andre Geim en zijn Russisch-Britse collega Konstantin Novoselov krijgen de prijs voor hun onderzoek naar de eigenschappen van grafeen.

2009: Charles Kao (Chinees-Brits) krijgt de prijs voor zijn pionierswerk op het gebied van glasvezelcommunicatie. Willard Boyle (Canadees-Amerikaan) en George Smith (VS) zijn de grondleggers van de CCD-beeldsensor, die in digitale camera's wordt gebruikt.

2008: Makoto Kobayashi en Toshihide Maskawa (Japan) en Yoichiro Nambu (VS) voor baanbrekend onderzoek naar quarks, elementaire deeltjes.

2007: Albert Fert (Frankrijk) en Peter Grünberg (Duitsland) voor hun onderzoek naar de effecten van magnetische velden. Door hun ontdekkingen konden de harde schijven van computers fors worden verkleind.

2006: John Mather en George Smoot (VS) voor hun onderzoek naar de kosmische achtergrondstraling, de restanten van de oerknal waarmee het heelal bijna 14 miljard jaar geleden ontstond.

2005: Roy Glauber (VS) voor zijn onderzoek naar het gedrag van lichtdeeltjes; John Hall (VS) en Theodor Hänsch (Duitsland) voor hun onderzoek op het gebied van op laser gebaseerde precisiespectroscopie.

2004: David Gross, David Politzer en Frank Wilczek (VS) voor hun onderzoek naar de sterke kernkracht. Die houdt protonen en neutronen in een atoom bij elkaar en is daarmee een van de belangrijkste krachten in de natuur.

2003: Aleksej Abrikosov en Vitali Ginzburg (Rusland) en Anthony Leggett (VS) voor hun onderzoek naar supergeleidende metalen.