Licht omzetten naar materie: het omdraaien van Einsteins vergelijking

Sinds de ontdekkingen van Einstein weten we dat je materie om kan zetten in energie. Zijn bekende vergelijking, E = mc², bepaalt hoeveel energie er in een bepaalde massa aanwezig is. Britse wetenschappers hebben nu een experiment ontworpen waarmee energie omgezet kan worden in massa: de andere kant op dus. Gesprekken met andere onderzoeksgroepen moeten nu leiden tot de daadwerkelijke uitvoering.

27 mei 2014

De naam Albert Einstein is onlosmakelijk verbonden aan de bekendste vergelijking uit de natuurkunde: E = mc². De formule beschrijft de relatie tussen de massa van een object en de energie aanwezig binnen deze massa.

Wanneer energie vrijkomt uit een object, betekent dit dat de massa ervan afneemt. Zo bevat een draaiende tol bijvoorbeeld meer (kinetische) energie dan een tol die niet draait, waardoor hij in theorie ook meer weegt dan de niet draaiende tol.

In de praktijk komt dit principe vooral terug in de vorm van reacties die resulteren in een afname van de massa en in het vrijkomen van energie. De formule laat zien dat een klein beetje massa al heel veel energie oplevert. De kernreactor bij Petten en atoombommen zoals gebruikt in Hiroshima zijn voorbeelden van deze vorm van energieopwekking.

Kernenergie

Zowel kernbommen als kerncentrales maken gebruik van de afname in massa van een bepaalde stof, waarbij een enorme hoeveelheid energie vrijkomt. Vaak gebeurt dit door de splitsing van de kern van een groot atoom, bijvoorbeeld een uraniumkern. Een atoomkern bestaat uit protonen en neutronen die bij elkaar gehouden worden door de zogenoemde sterke kernkracht. Deze kernkracht kan er ook voor zorgen dat er een extra neutron in de kern ‘gevangen’ wordt. Hierdoor wordt de eerst stabiele atoomkern plots instabiel. Als het extra neutron met genoeg snelheid wordt ingevangen, splitst de atoomkern zich in twee nieuwe kernen van min of meer willekeurige grootte. Slechts 0,1% van de massa van een uraniumkern wordt hierbij omgezet in energie, maar omdat de massa (m) in deze vergelijking (E=mc²) wordt vermenigvuldigd met de lichtsnelheid in het kwadraat (c² = 3×10^8)²) is de energieopbrengst toch zeer groot.

Tijdens een splitsing komen er bovendien gemiddeld drie neutronen vrij, die weer gevangen kunnen worden door andere uraniumkernen. Deze zullen weer splitsen en weer nieuwe neutronen opleveren. Zo ontstaat er een kettingreactie en dit veroorzaakt een grote hoeveelheid snel vrijkomende energie: kernenergie.

Van licht naar materie

E = mc² laat dus zien hoeveel energie er vrijkomt bij een daling in massa. Maar je kunt met de vergelijking ook berekenen hoeveel massa er kan ontstaan uit een bepaalde hoeveelheid energie door de vergelijking om te draaien: m = E/c². Dit idee werd tachtig jaar geleden al geopperd door de natuurkundigen Gregory Breit en John Wheeler, die stelden dat het mogelijk was om energie in de vorm van licht om te zetten in materie. Hiervan dachten zij echter dat het een te complex proces was om in de praktijk uit te voeren, mede omdat er relatief veel energie nodig is voor een klein beetje massa.

Fotonenbotsingen

Inmiddels is de technologie veel geavanceerder, waardoor Professor Steve Rose van het Imperial College in Londen samen met PhD-student Oliver Pike wel een proces kon ontwerpen waarbij licht wordt omgezet in materie. Lasers met hoge intensiteit versnellen elektronen tot bijna de lichtsnelheid. De elektronen botsen met een gouden plaat, waardoor gammastralen ontstaan. Net als gewoon licht zijn gammastralen bundels fotonen, energiedragers van elektromagnetische straling, maar dan met een hele hoge energiewaarde. In dit experiment worden fotonen opgewekt met miljard keer meer energie dan fotonen in normaal licht.

Een krachtige laser verhit vervolgens een hohlraum: een holle, gouden buis. Dit levert opnieuw verschillende energierijke fotonen op, ditmaal in de buis. Wanneer de gammastralen uit de vorige stap op het midden van de verhitte hohlraum gericht worden, kunnen botsingen plaatsvinden tussen de beide fotonenstromen.

Als deze botsingen resulteren in elektronen en hun antideeltjes positronen, zouden Rose en Pike bewijs hebben voor de omkeerbaarheid van Einsteins formule. Elektronen en positronen hebben een massa en zijn daarom materie, in tegenstelling tot gewichtloze fotonen. Deze massa kan alleen ontstaan bij dergelijke fotonenbotsingen omdat er zeer veel energie voor nodig is. De term ‘‘c²’‘ in m = E/c² staat voor een dusdanig groot getal, dat de energiewaarde ‘‘E’‘ wel zeer groot moet zijn om massa te kunnen vormen. In fotonen van gewoon licht is hiervoor bij lange na niet genoeg energie aanwezig.

Oerknal

Het ontwerp voor het experiment is inmiddels gepubliceerd in Nature, maar Rose en Pike zijn nog in gesprek met andere onderzoeksgroepen om het daadwerkelijk uit te voeren. Resultaten hiervan zullen voorlopig geen praktische toepassingen opleveren omdat het proces te veel energie kost om commercieel succesvol te zijn. Ze kunnen echter wel bijdragen aan het inzicht in de opbouw van het universum en het ontstaan van de eerste materie die vermoedelijk ook volgens dit principe plaatsvond tijdens de oerknal.

Bron