Maak een reis van de dagelijkse werkelijkheid naar het allergrootste en dan weer terug voor een nieuwe reis naar het allerkleinste. In deze video van ongeveer vijf minuten maak je kennis met de grenzen van onze kennis en zal je blik op de wereld mogelijk behoorlijk veranderd zijn.
De grens van het waarneembare heelal is een barrière die, we zoals het er nu naar uit ziet, niet zullen kunnen passeren. Aan de andere kant van de schaal vinden we de Plancklengte, waar de kwantumonzekerheid maakt dat er voortdurend uit het niets wormtunnels, zwarte gaten en dergelijke verschijnen en verdwijnen. Tenminste, als de algemene relativiteitstheorie op deze zeer kleine schaal geldig is.
Voor het eerst in deze serie nemen we nu een duik in de wereld van het onbekende. Er zijn drie ruimtedimensies en één tijddimensie. Samen vormen deze de ruimtetijd van het heelal waarin we leven. maar wat gebeurt er als er een extra dimensie toevoegen?
De makkelijkste manier om je de vijfde dimensie voor te stellen is als volgt. Stel, je loop een meter naar het noorden. Dan beweeg je in één dimensie, namelijk op de noord-zuid lijn. Als je een cirkel loopt, beweeg je in twee dimensies. Als je tijdens het lopen in een cirkel ook een trap op en af loopt, beweeg je in drie dimensies. Omdat de tijd verstrijkt, beweeg je ook in de vierde dimensie, wat je ook doet. Maar wat als je een stap in de vijfde dimensie doet? De wereld om je heen verdwijnt dan.
Er bestaat in natuurkundige theorieën iets als ‘imaginaire tijd’. Imaginaire getallen ontstaan als je de wortel trekt uit een negatief getal en de eenheid van het imaginaire getallenstelsel, i, is gedefinieerd als de wortel uit -1.
Stephen Hawking deed veel theoretisch onderzoek naar zwarte gaten en in zijn vergelijkingen speelt imaginaire tijd een belangrijke rol. Een andere manier om de vijfde dimensie voor te stellen is als een dimensie, waarin zich parallelle heelallen bevinden. Volgens de veelwereldentheorie van Hugh Everett III splitst bij elke meting van een kwantumdeeltjehet heelal zich in tweeën, afhankelijk van de uitkomst van de meting. Is ons heelal een plakje uit een enorme vijfdimensionale stapel van heelallen en vormt deze een ‘waarschijnlijkheidsruimte’?
Veel mensen staan er niet bij stil, dat we niet in een drie- maar in een vierdimensionale wereld leven. Een wereld met drie ruimtedimensies en een tijddimensie. Stel dat je afspreekt met iemand, dan moet je niet alleen de lengte en breedte (kantoorgebouw X op plaats Y) maar ook de hoogte (derde verdieping) en het tijdstip (13.30) afleggen. Als ook maar één van deze vier coördinaten afwijkt, dan missen jullie elkaar.
Er zijn nogal wat verschillen tussen een ‘ruimteachtige’ dimensie en een ’tijdachtige’ dimensie. Het duidelijkst komt dit tot uiting in de speciale relativiteitstheorie. Hoe sneller je in de ruimte beweegt, hoe langzamer de tijd lijkt te lopen. Hoe zou een wereld er uitzien waarin er twee tijddimensies zouden bestaan? En als we ook de tijddimensie als een ruimteachtige dimensie zouden beschouwen, leven we dan in een statisch vierdimensionaal heelal waarin alles vastgelegd is? of is de werkelijkheid rijker en complexer dan dat?
Het universum waarin we leven kent drie dimensies: lengte, breedte en diepte. Of toch niet? Massa doet namelijk merkwaardige dingen met ruimte en tijd, blijkt uit het werk van Einstein. Ook vragen sommige kosmologen zich af of het aantal dimensies van ons heelal wel precies drie is. Deze video gaat dieper op deze vragen in.
Ontsnappen aan een zwart gat is uitermate ingewikkeld, om maar een stevig understatement te gebruiken. Toch is er misschien een mogelijkheid. Als het universum extra dimensies heeft, zou dat moeten blijken uit het gedrag van pulsars, rondtollende neutronensterren.
Pulsars zijn de extreem snel ronddraaiende overblijfselen van uitgebrande zware sterren. We nemen ze waar als de bundel van straling over de aarde 'zwiept'.
Volgens de snaartheorie, omstreden maar erg populair onder veel natuurkundigen, zijn er extra ruimtelijke dimensies naast de drie die we in ons dagelijks leven kunnen waarnemen. De snaartheorie is in tegenstelling tot de nu gesneuvelde loop quantum gravity echter tot nu toe onmogelijk te testen, reden voor o.m. fysicus Lee Smolin de snaartheorie als onwetenschappelijk af te doen, ‘not even wrong’.
Snaargoeroe John Simonetti van Virginia Tech in Blacksburg en zijn collega’s zeggen nu echter dat zwarte gaten waar neutronensterren omheen draaien precies dat kunnen doen – als we tenminste een dergelijk bizar paar vinden. Volgens Simonetti produceert het heelal proefopstellingen die we op aarde onmogelijk kunnen realiseren. Zwarte gaten verdampen volgens Stephen Hawking langzaam. Zonder extra dimensies moet dit proces extreem langzaam verlopen voor grote zwarte gaten van enkele zonsmassa’s of meer.
Extra dimensies zouden de deeltjes echter meer manieren moeten geven om te ontsnappen, wat het verdampingsproces zou versnellen. Het effect hiervan is dat zwarte gaten snel gewicht verliezen en neutronenstrerren elk jaar enkele meters van het centrale zwarte gat verwijderd raken. Dat is te meten. Rondtollende neutronensterren, pulsars, zijn namelijk extreem nauwkeurige ‘klokken’. De vuurtorenachtige pulsen van neutronensterren variëren namelijk een beetje, afhankelijk van de grootte van de baan van de neutronenster.
Hoe zou het leven zijn in een wereld waarin er geen drie dimensies bestaan, maar 2,9 of 3,4? Daar kunnen we nu eindelijk achter komen, zegt een natuurkundige.
Hoe zou onze ruimte er uit zien als we een gebroken aantal dimensies hebben? Bron: visualparadox.com
In de jaren twintig ontwikkelden de natuurkundigen Theodor Kaluza and Oskar Klein een theorie die Maxwell’s theorie van elektromagnetisme en Einsteins relativiteitstheorie met elkaar in overeensteming bracht. Een indrukwekkende prestatie met één nadeel: in hun model had ruimtetijd vijf dimensies. Kaluza en Klein bedachten hier echter een oplossing voor. Ze veronderstelden dat de vijfde dimensie zeer klein is opgerold en een afmeting heeft ter grootte van de Plancklengte, 10-35 m. Stel dat je in een ruimte zou leven waarin één dimensie tien meter lang is (bijvoorbeeld recht vooruit). Dan zou je na tien meter vooruit gelopen te hebben, weer op de plaats zijn waar je begonnen bent. Je zou ook de achterkant van jezelf zien. Extra dimensies zijn wiskundig gezien erg handig. Geen wonder dat andere natuurkundigen die ook extra dimensies nodig hadden voor hun theorie, graag van deze methode gebruik maakten.
Een recenter idee is dat de extra dimensie onderdeel is van het ‘kwantumschuim’ omdat alles op die extreem kleine schaal onderhevig is aan kwantumonzekerheid. Een andere manier om dit wiskundig te omschrijven is als ‘gebroken’, of fractal, dimensie: een dimensie die tegelijkertijd bestaat en niet bestaat. Zo is bijvoorbeeld een kustlijn een fractal: de dimensie ligt tussen 1 en 2. Weliswaar is de kustlijn een lijn, maar de lengte hiervan neemt toe tot (in theorie) oneindig als je de kustlijn gedetailleerder beschrijft.
Tot nu toe werd gedacht dat er geen manieren bestonden om het idee van fractale dimensies te bevestigen of verwerpen. De Plancklengte is zo absurd klein dat er geen experiment denkbaar is om hun bestaan aan te tonen. Nu is daar verandering in gekomen. Hongbo Chen van de East China University of Science and Technology in Shanghai zegt dat het mogelijk is toch het verschil te zien. Hij heeft namelijk berekend hoe extra, fractale, dimensies het Casimireffect zouden beïnvloeden. Het Casimireffect zorgt er voor dat twee platen die op zeer korte afstand van elkaar staan, elkaar zeer sterk aantrekken. De oorzaak: de ruimte tussen twee platen is als het ware leger dan normaal, omdat bepaalde virtuele deeltjes zich door de beperkte ruimte niet kunnen vormen. De virtuele deeltjes aan de andere kant van de platen persen de platen op elkaar, ongeveer zoals de luchtdruk een zuignap vastdrukt.
Volgens Cheng geldt, dat als de afstand tussen de platen even grot is als de afmeting van de extra dimensie,die ook de Casimirkracht moet beïnvloeden. In feite zegt hij zelfs dat deze kracht sterker zal zijn als de extra dimensie een geheel getal is, dan als de extra dimensie een fractal is. Het exacte verschil is vanzelfsprekend afhankelijk van de exacte grootte van de breuk, zo zal 3,01 uiteraard minder afwijken dan 3,5.
De hamvraag is natuurlijk of het verschil ondubbelzinnig kan worden gemeten. Als dat kan, hebben we een behoorlijk interessante test van de aard van ruimte-tijd. Er is echter een probleem. De Casimirkracht meten is extreem moeilijk. De Casimirkracht is zo klein dat het pas in 1997 gelukt is deze te meten. Geen fysicus, Cheng incluis, durft het aan een voorspelling te doen over de grootte van de nieuwe kracht. Als deze dimensies inderdaad zo klein zijn als de Planckschaal, zal het extreem moeilijk zijn de effecten te meten. Ook wordt de Casimirkracht op een dergelijke kleine schaal extreem groot, deze neemt namelijk toe met de omgekeerd vierde macht van de afstand. Hier zal dus een indirecte methode moeten worden gebruikt.
