Volgens de klassieke natuurkunde kan de EM Drive, of officieel RF resonant cavity thruster, niet werken. Toch passeert deze experimentele motor experimenteel onderzoek na onderzoek. Nu lanceert een groepje onafhankelijke enthousiastelingen een prototype van een werkende EM Drive in een baan om de aarde. Wordt de EM Drive nu volwassen?
Waarom is de EM Drive zo controversieel?
Volgens de Derde Wet van Newton wekt elke uitgeoefende kracht, een tegengesteld gerichte kracht op (actie=reactie). In het vacuüm is er niets om je tegen af te zetten. Chemische raketmotoren werken daarom door het uitstoten van reactiemassa. Door deze met hoge snelheid naar achteren uit te stoten, wordt de raket naar voren gestuwd. Nadeel hiervan is, dat de raket een grote hoeveelheid reactiemassa mee moet slepen. De EM Drive zet zich volgens de bedenker, Roger Shawyer, via een ingenieus mechanisme af tegen de virtuele deeltjes van het vacuüm. Het niets dus. Dit is in strijd met de Derde Wet van Newton en de nauwkeuriger geformuleerde opvolger hiervan, de wet van behoud van impuls. Dit zou de eerste keer in de geschiedenis zijn dat deze wet, die zo ongeveer het fundament van de mechanica uitmaakt, zou worden geschonden: dankzij het benutten van deze wet zijn bijvoorbeeld ‘onzichtbare’ deeltjes als het neutrino ontdekt.
Werkt de EM Drive?
Door verschillende groepen, zoals NASA, Chinese onderzoeksinstanties en hoogleraar Tajmar met zijn groep, is aangetoond dat de motor op de een of andere manier impuls levert. Dit zonder dat er iets (bijvoorbeeld straling) is gemeten dat die impuls kan leveren, het equivalent van de reactiemassa. Volgens sommige critici is er een onbekende fout in de meetopstellingen gemaakt, bijvoorbeeld door een vorm van elektromagnetische interactie met iets in het laboratorium. Daardoor ontstaat er toch een elektromagnetisch veld ten opzichte van de motor dat de afstoting levert. Inderdaad bleek bij het Chinese experiment volgens onderzoeksleider Juan Yang een experimentele fout te zijn gemaakt, meldde hij in een vervolgonderzoek. Er is maar één effectieve manier om aan deze twijfels definitief een einde te maken. De motor uit te testen in outer space, honderden kilometers verwijderd van storingsbronnen. Als de EM Drive daar werkt, moet er wel sprake zijn van een anomaal effect en is het een bruikbaar mechanisme voor ruimtevaart.
Schoenendoos met EM Drive
Dit is ook wat er gaat gebeuren. Guido Fetta, die het concept doorontwikkeld heeft tot de Cannae Drive, wil met een groep een satellietje zo groot als een schoenendoos, een CubeSat, lanceren. Hiervan maakt de Cannae Drive een groot deel uit. Zonnepanelen zullen de energie leveren. Op de hoogte waar de CubeSat wordt gelanceerd is nog steeds sprake van een minieme drag, luchtweerstand. Dat wil zeggen dat satellieten voortdurend hoogte verliezen. Slaagt de CubeSat er in om in positie te blijven, dan moet de Cannae Drive dus werken. Aldus het idee. Tegelijk met Fetta wil ook de groep rond de oorspronkelijke uitvinder Shawyer een prototype lanceren. De komende maanden wordt het dus erop of eronder voor de EM Drive.
In zwarte gaten bevindt zich een punt van oneindige dichtheid, waar de natuurwetten eindigen. Zegt althans de algemene relativiteitstheorie. Onzin, zeggen enfant terrible natuurkundige Carlo Rovelli en collega Francesca Vidotto van de universiteit Nijmegen. In plaats daarvan vormt zich de ultieme barrière, de planckster.
Hoe ontstaat een zwart gat?
Onze aarde stort niet in tot een zwart gat. De reden is dat materie door kwantumeffecten zijn structuur behoudt. Deze kwantumeffecten overwinnen vereist een enorme druk. Een druk, die in het binnenste van de aarde niet gehaald wordt, maar wel in ineenstortende sterren. Er zijn in feite meerdere stadia in het samendrukken van materie, die we hieronder zullen noemen.
In het eerste stadium wordt materie zo dicht op elkaar geperst dat atomen verdwijnen en de materie degenereert, verandert in een “elektronenvloeistof”, waarin atoomkernen omgeven worden door elektronen met een snelheid in de buurt van de lichtsnelheid. Elektronenvloeistof is zeer dicht: een theelepeltje weegt ongeveer een ton. Witte dwergen, het vermoedelijke eindstadium van de zon, bestaan uit deze elektronenvloeistof.
Als de druk verder toeneemt, wat het geval is boven de Chandrasekharlimiet van 1,4 zonsmassa, wordt ook de elektronenvloeistof gekraakt. De enorme druk maakt dat het energiegunstiger is voor elektronen en protonen om te fuseren tot neutronen: neutronium. Neutronium is ongeveer zo dicht als atoomkernen. Een theelepel neutronium weegt zoveel als een berg, of een complete stad. Neutronensterren, die wij waar kunnen nemen als pulsars, bestaan uit neutronium. De complete massa van een ster van enkele zonsmassa’s is dan samengebald in een bolletje van ongeveer twintig kilometer doorsnede. De Schwarzschildradius van deze massa is negen kilometer, niet veel kleiner dus. Er is inderdaad niet veel meer nodig om een neutronenster in elkaar te laten storten tot een zwart gat.
Nu naderen we de grens van de bekende kennis. Natuurkundigen denken dat er nog een verdere fase is: de quarkster. Ook neutronen bestaan namelijk uit samenstellende deeltjes, de quarks. Neutronen kunnen nog verder samengeperst worden tot ook zij degenereren en er een quark-gluonplasma ontstaat. Deze natuurkunde is nog slecht begrepen, omdat we deze omstandigheden alleen zeer moeizaam, in de Large Hadron Collider, kunnen nabootsen.
Op een gegeven moment komt er een fundamentele limiet, waarop de zwaartekracht zo hoog wordt dat zelfs licht niet meer kan ontsnappen. Er vormt zich een waarnemingshorizon en een zwart gat is geboren. Volgens de heersende theorieën is de zwaartekracht nu zo allesoverheersend dat niets de ineenstorting tot een enkel punt van oneindige dichtheid, de singulariteit, meer kan stoppen.
Een singulariteit is een rechtgeaarde natuurkundige een gruwel. Dat is namelijk een punt waarop de natuurwetten niet meer opgaan. Zie deze video.
Planckster
Volgens Rovelli is er een fundamentele limiet aan dichtheid, die te maken heeft met ruimtetijd zelf. Als een ster ineenstort tot het volume van een atoomkern, wordt de Planckdichtheid bereikt. Dit is c5/hG2, rond de 1093gram per kubieke centimeter. De dichtheid van het heelal na het verstrijken van de Plancktijd van 10-43 seconde. Dit zorgt voor een sterk afstotend effect. Het gevolg is dat de ster “terugveert” in een fractie van een seconde. Door de extreme tijdsvertraging in de buurt van zwarte gaten, lijkt dit proces voor een waarnemer buiten het zwarte gat vele miljarden jaren te kosten. Door Hawkingstraling is het zwarte gat dan al aan het verdampen. Rovelli denkt dat op deze manier zwarte gaten van voor de Big Bang het hebben kunnen overleven.
Stof om na te denken. Dit artikel dateert van 2014, maar ondertussen zijn m.b.v. de zwaartekrachtsgolfdetector LIGO zwarte gaten van plm. 30 zonsmassa’s aangetroffen. Dit zouden goed primordiale zwarte gaten kunnen zijn. Uit een periode van voor de Big Bang?
Vanaf onze vroege kinderjaren wordt ons al voorgehouden dat niets sneller dan het licht gaat. Mede omdat ik een provocerende persoonlijkheid bezit vind ik het leuk om dit soort onwaarheden aan de kaak te stellen. Een overzicht van dingen die sneller dan het licht gaan.
Hoe snel expandeert ons heelal? Is dit sneller dan het licht, of juist langzamer? Een van de mooiste antwoorden die ik ooit heb gehoord heb kwam van Prof. Christoffel Waelkens. We hebben geen snelheid die te meten is in aardse begrippen. De uitdijing volgt uit de wet van Hubble, die stelt dat de sterrenstelsels zich van elkaar verwijderen met een snelheid evenredig met hun onderlinge afstand. Twee maal zo ver betekent twee maal zo snel. Helaas gaat deze wet alleen maar op bij de erg grote afstanden. De wet werd geformuleerd door Edwin Hubble in 1929.
3: Verstrengelde deeltjes,
Observaties betreffende verstrengelde staten lijken in strijd te zijn met de eigenschap van de relativiteitstheorie dat informatie niet sneller kan reizen dan de lichtsnelheid. Hoewel twee verstrengelde systemen elkaar lijken te beïnvloeden over grote afstand in de ruimte, is de huidige opinie dat geen bruikbare informatie op deze wijze overgebracht kan worden, wat betekent dat de ‘oorzakelijke natuurkunde’ niet geschonden wordt door verstrengeling. Dit is de geen-communicatie-stelling (“no-communication theorem“).
4: Superman,
Superman werd geboren als Kal-El, zoon van de wetenschapper Jor-El en zijn vrouw Lara Lor-Van, op de planeet Krypton. Deze planeet stond op het punt te ontploffen, waardoor Supermans ouders besloten hem te evacueren met een ruimteschip. Dit schip werd naar de Aarde gestuurd, aangezien deze planeet eveneens een perfect leefklimaat had voor Kryptonianen. Op de Aarde landde het schip net buiten het kleine dorpje Smallville, waar de jonge Kal-El werd gevonden en geadopteerd door Jonathan en Martha Kent. Zij noemden hem Clark Kent. (PS: voor de lezers met een autisme spectrum stoornis: ja, dit is humor)
5: Vuurtoreneffect,
De bundels elektromagnetische straling die pulsars rond sproeien, lijken veel sneller dan het licht te reizen. Als er een groot kosmisch scherm zou bestaan, zou je op dit scherm de bundels van pulsars in seconden tijd vele lichtjaren af zien leggen. Dit is echter maar schijn. De bundel kan geen informatie sneller dan het licht laten gaan.
6: Evanescerende golven,
Er bestaat licht, dat sneller dan de lichtsnelheid gaat. Het gaat hier om zogenoemde evanescerende (‘verdwijnende’) golven. Deze ontstaan bij totale interne reflectie (alle licht in een optisch medium, zoals glas, wordt op het grensvlak teruggekaatst). Erg ver reizen evanescerende golven niet: hun intensiteit neemt in licht met een macht e af, elke 130 nanometer afstand. Dit is mogelijk, omdat evanescerende golven geen energie en informatie dragen. Wie niet bang is voor wat pittige optica, staat HIER hoe golven sneller dan het licht kan reizen.
Wiskundig is het al een aantal jaren mogelijk om sneller dan het licht te gaan. Trouwe Visionair-lezers wisten dit al in 2012 :
Al meer dan honderd jaar is het een dogma: niets kan sneller bewegen dan het licht, want in dat geval levert de speciale relativiteitstheorie onzin op. Maar klopt dat laatste wel? Wiskundigen zijn er nu in geslaagd een sneller-dan-licht beweging te beschrijven en zo Einsteins theorie voorbij de lichtsnelheid op te rekken.
Onze intergalactische ambities komen steeds dichterbij de realiteit, mede door visionairs als Alcubierre en Harold White. Deze mannen hebben de relativiteitstheorie goed begrepen. Alles is namelijk relatief.
Naar aanleiding van een persconferentie van Russische onderzoekers in Genève stelden lezers Antares en Razor de vraag: hoe kunnen atomen in andere atomen omgezet worden, m.a.w. transmutatie bereiken? Is er een elegantere manier denkbaar dan de tamelijk vervuilende manier die we nu in kerncentrales en kernwapens toepassen?
Atomen en isotopen
Atomen bestaan uit positief geladen protonen, neutrale neutronen (beide in de kern) en elektronen, die een wolk rondom de kern vormen. Als twee atomen hetzelfde aantal protonen, maar een verschillend aantal neutronen hebben in een kern, behoren ze tot hetzelfde chemische element, maar vormen ze verschillende isotopen.
Er komen in de natuur rond de negentig chemische elementen voor en honderden isotopen. De mens heeft ongeveer dertig chemische elementen gecreëerd, zoals bijvoorbeeld technetium, plutonium en meitnerium. Het gaat hier zonder uitzondering om vrij kortlevende, zeer radioactieve elementen.
Bij een elektrisch neutraal atoom zijn er evenveel protonen als elektronen. De chemische eigenschappen van atomen worden vrijwel geheel bepaald door het aantal elektronen. Vrijwel, want er zijn kleine verschillen in reactiviteit tussen bijvoorbeeld de waterstofisotopen deuterium en protium.
Alchemisten geloofden dat ze atomen in andere atomen konden omzetten met alchemie. Nu weten we dat dit alleen met de energieniveaus in bliksems of kernreacties mogelijk is.
Hoe kunnen we zelf atomen maken? Kerncentrale
Atomen bestaan, zoals gezegd, uit protonen, neutronen en elektronen. Breng het juiste aantal protonen en neutronen bij elkaar en maak het ontstane atoom neutraal met elektronen, en je hebt in principe je atoom. Althans: in theorie. In de praktijk is het voor ons zeer moeilijk om bijvoorbeeld lood in goud te veranderen.
In een kerncentrale ontstaan uit uranium andere elementen, maar wij kunnen dit proces niet precies sturen omdat kwantumprocessen niet exact voorspelbaar zijn. Wel is bekend in welke proporties de nieuwe elementen en isotopen voorkomen. Zo zit er in standaard kernafval per ton zo’n 1,9 kg ruthenium, 13,3 kg rhodium en 1 kg palladium. Rhodium en palladium zijn per kilogram kostbaarder dan goud, ruthenium, een onmisbare katalysator, zit op ongeveer 1,20 euro per gram. In principe maakt dit kernafval een waardevolle bron van kostbare metalen. De hoge radioactiviteit maakt zuivering een uitermate kostbaar proces, de reden dat het nog nauwelijks gebeurt.
Het is dan wel weer mogelijk de kernreactie zo te sturen dat het percentage gewenste elementen en isotopen zo hoog mogelijk is. Dit gebeurt bijvoorbeeld om plutonium te maken voor atoombommen of, een zinnige toepassing, medische isotopen of isotopen voor de ruimtevaart.
Kernfusie
De rond de dertig door de mens gecreëerde nieuwe elementen zijn bijna zonder uitzondering ontstaan door de fusie van lichtere elementen. Door bijvoorbeeld een uranium-238 kern met neon-22 te laten fuseren, levert dit het nieuwe element nobelium op. De zon ontleent zijn energie aan de fusie van waterstof tot helium.
Gammastraling
Al langer is bekend dat gammastraling een belangrijke rol speelt in supernova’s bij het ontstaan van bepaalde isotopen, de zogenoemde fotodisintegratie. De kernfysici Hiroyasu Ejiri en S. Date zijn er in 2011 in geslaagd om met behulp van gammastraling een niet-radioactieve isotoop in een radioactieve isotoop om te zetten (Tor browser link). Dit werkt ongeveer als volgt. Door aan een bepaalde atoomkern een precieze hoeveelheid energie toe te voeren, in de vorm van een foton gammastraling, komt er voldoende vrij voor een kwantumovergang waardoor bijvoorbeeld een neutron in een proton verandert. Dit werkt maar bij een paar procent van alle atoomkernen, maar in principe is uiteraard de toevoer van gammastraling onbeperkt, waardoor uiteindelijk alle atomen kunnen worden omgezet.
Koude kernfusie
Er doen in alternatieve kringen hardnekkige geruchten de ronde dat het mogelijk is om bij lage temperaturen kernfusie te bereiken, de zogenoemde LENR of low-energy nuclear fusion. Door bijvoorbeeld protonen te laten fuseren met een middelzware atoomkern zoals ijzer, zou er netto een behoorlijke hoeveelheid energie vrijkomen (de bindingsenergie per nucleon van de nieuwe, zwaardere kern is ongeveer gelijk aan die van ijzer. Die van een los proton is nul, waardoor er netto energie vrijkomt). Middelzware atoomkernen hebben een veel breder vang-energiespectrum en nucleaire doorsnede dan bijvoorbeeld een kleine deuteriumkern. Hiermee zijn ze veel gemakkelijker te raken dan deze: het energiespectrum van protonen kan in principe veel breder zijn. Daarom is het bijvoorbeeld veel gemakkelijker om boor te laten fuseren dan waterstof.
Wel blijft het centrale probleem. De afstoting tussen twee positief geladen atoomkernen is zeer sterk. Deze afstoting moet overwonnen worden, wat zeer lastig is bij lage temperaturen. De enige vorm van koude kernfusie die aantoonbaar werkt, is muon-gekatalyseerde fusie. Muonen zijn een instabiele, zwaardere variant van elektronen en bevinden zich door hun hoge massa veel dichter bij de atoomkern dan elektronen, waardoor ‘muon-atomen’ honderden malen kleiner zijn en fusie gemakkelijker is. Helaas is het produceren van voldoende muonen dat bepaald niet – muonen leven namelijk zeer kort, 2,2 miljoenste seconde.
De koude-kernfusie onderzoeksgemeenschap probeert na de fail van Fleischmann en Pons al sinds de jaren tachtig – onder grote persoonlijke opofferingen – dit doel te bereiken. Koude kernfusie zou, als het werkt, onze energieproblemen oplossen, in principe geen radioactief afval opleveren en het ook mogelijk maken nieuwe elementen te produceren. De mainstream wetenschap reageert met uitstoting, dit terwijl er bij LENR naast de nodige oplichters, ook honderden bona fide onderzoekers betrokken zijn die de wetenschappelijke methode nauwgezet en integer volgen. Hoewel er nog steeds geen harde bewijzen zijn voor LENR, bijvoorbeeld een pocket kerncentrale voor in je laptop, is het in principe een legitiem onderzoeksdoel, dat nagestreefd kan worden door middel van bona fide wetenschappelijk onderzoek.
Pseudomaterie
We zeiden het al: wat atomen hun chemische eigenschappen geeft is het aantal van hun elektronen. In natuurlijke atomen worden elektronen op hun plek gehouden door de positief geladen atoomkern. Je zou elektronen ook kunnen vasthouden in een quantum corral, een kwantumheining. Ze vormen dan ook dezelfde energieniveaus en kunnen ook chemische bindingen aan gaan. Voordeel aan deze programmeerbare materie is ook dat het ene atoom eenvoudig in het andere is om te zetten. De natte droom van veel chemici. Wel is het technisch uitdagend om dit te implementeren.
“Biochemische methode”
Een groep Russische onderzoekers beweert nu dat ze in staat zijn om elementen te transmuteren door gestimuleerde emissie van alfadeeltjes (heliumkernen). De aanleiding tot deze Lezersvraag. Kloppen de claims in deze video?
https://youtu.be/YG8XJVPmMrU
We hebben de bron er bij gezocht. Het gaat om een groep, die claimt dat ze een biochemische methode hebben ontwikkeld om elementen te transmuteren. Dit is in principe complete onzin en wel hierom. Chemische reacties hebben betrekking op elektronen, niet op protonen en neutronen. De energieniveaus bij kernreacties liggen drie ordes van grootte (duizenden malen) hoger dan bij zelfs de meest energetische chemische reacties. Om een proton in de buurt te krijgen van een ijzerkern is een energie van meer dan 2 MeV nodig. Dit vereist dat je tientallen ouderwetse beeldbuizen achter elkaar zet (of een spectaculair vonkencircus met 2 tot 3 miljoen volt). Dit is maar één orde van grootte minder dan de hoogste spanning ooit geproduceerd door de mens, 32 miljoen volt. Alleen bliksemschichten kunnen in de natuur deze enorme voltages opwekken en inderdaad, bliksemschichten produceren neutronen, wat wijst op kernreacties tijdens onweer.
Als ik een dergelijke methode kende en, zoals deze mensen, stinkend rijk wilde worden, zou ik mijn mond dichthouden en flink wat kilootjes kostbare metalen produceren en verkopen. Of voor tienduizenden put opties op goudaandelen kopen en dan de technologie openbaar maken. Kortom: deze claim kan je maar beter totaal niet serieus nemen, totdat de twee heren en dame met keihard, repliceerbaar experimenteel bewijs komen.
Analoge computers zijn uit. Alle computers die we uit het dagelijkse leven kennen zijn digitale computers. Kwantumcomputers komen steeds meer in het nieuws. Nu is de analoge computer met een eigen programmeertaal veel gebruiksvriendelijker geworden. Komt er een comeback?
Wat zijn analoge computers?
Computers zijn apparaten die rekenen, ruimer gezegd: informatie verwerken. Dat kan op verschillende manieren. De computers die wij uit het dagelijkse leven kennen maken gebruik van twee spanningsniveaus, die worden geïnterpreteerd als 0 en 1. Deze digitale computers zijn veel sneller wat betreft het verwerken van exacte getallen dan andere types computers. Ook zijn ze gemakkelijk te programmeren. Geen wonder dus, dat we nu al twee generaties massaal gebruik maken van digitale computers, en niet van analoge computers zoals rekenlinialen.
Analoge computers vormen een analogie (overeenkomstige structuur) van een systeem waaraan ze berekeningen verrichten. Eigenlijk kan je hier dus beter spreken van een meting dan van een berekening. In de jaren vijftig gebruikte het CBS een indrukwekkend buizensysteem om de pseudowetenschap der economie mee te beoefenen. Deze analoge computer werkte door middel van het principe van de communicerende vaten. Hieronder een filmpje met een overgebleven exemplaar van zo’n ding, de MONIAC.
Sommige vraagstukken zijn in feite makkelijker met een analoge, dan met een digitale computer aan te pakken. Een differentiaalvergelijking, bijvoorbeeld, is lastig om numeriek uit te drukken. Het kost een digitale computer vele rekenstappen met algoritmes als Runge-Kutta om de uitkomst van een differentiaalvergelijking vast te stellen. Met een analoge computer kan dat in principe vrijwel direct, ongeacht hoe ingewikkeld het stelsel van differentiaalvergelijkingen is. Hiervoor wordt het vaakste gebruik gemaakt van een elektronische analoge computer. De verandering van een elektrische stroom (m.a.w. de differentiaal) wekt een magnetisch veld op. Hoe meer verandering, hoe sterker de magnetische piek. Meet dat magnetische veld met de gewenste nauwkeurigheid en zie, daar is in een fractie van een seconde je antwoord, terwijl de digitale computer nog zucht en kreunt.
AKAT-1, een analoge computer. Ooit state of the art. Zullen analoge computers weer een comeback maken? Bron: Wikimedia Commons
Programmeren tot nu bottleneck
Dit klinkt te mooi om waar te zijn en dat is het dan ook. De voornaamste bottleneck voor de analoge computer is de enorme moeite die het kost om dit juweel te programmeren. In de jaren vijftig was er domweg geen andere keus, maar nu kunnen differentiaalvergelijkingen eenvoudig in programma’s als Maple of Mathematica, of voor de minder pecuniair gezegenden, het open-source alternatief Sagemath, ingevoerd worden. Digitale computer zijn zo snel, dat zelfs de omslachtige digitale manier toch snel resultaat oplevert. Al kosten echt uitgebreide stelsels, zoals die je nodig hebt om complexe biologische systemen na te bootsen, nog steeds erg veel rekentijd. Niet voor niets kijken veel wetenschappers nog steeds verlekkerd naar de mogelijkheden van analoge computers.
Wat zijn afgeleides en differentiaalvergelijkingen? Wat kan je er mee?
Differentiaalvergelijkingen beschrijven de relatie tussen een functie, f(x) en de afgeleide van een functie, f'(x). In normale mensentaal: tussen de functie en de veranderingssnelheid van een functie. Als je weet hoe een functie zich gedraagt, kan je het gedrag voorspellen.
Logistische (sigmoïde) curve. Bron: Wikipedia
Zo zijn er veel groeiprocessen, bijvoorbeeld die van een markt, die zich gedragen als een zogeheten sigmoïde, een s-vormige functie. De afgeleide van deze s-vorm is de bekende klokfunctie of normale verdeling, een heuvel rond het nulpunt. Als je als startende ondernemer in een markt actief wilt zijn, is het slim om een markt te kiezen die steeds sneller groeit. Met andere woorden: waarvan de afgeleide groeit. Neemt deze groeisnelheid af, dan wordt de concurrentie moordend en zijn je kansen maar klein. Ik zag bij een multilevel-marketingbedrijf in Nederland een grafiekje van de meer ontwikkelde Duitse markt en herkende de sigmoïde. Dus geloofde ik de juichverhalen over de Nederlandse markt, die het beginstukje van de sigmoïde vormde, niet meer. Deze zou, kon ik afleiden, onvermijdelijk ook stagneren.
Met een enkele differentiaalvergelijking kan je bijvoorbeeld heel mooi natuurkundige velden beschrijven. Groepen differentiaalvergelijkingen geven de wisselwerking weer in een ingewikkelder systeem, zoals een lichaamscel of een chemische reactor. Als je het gedrag van deze differentiaalvergelijkingen kan voorspellen, ken je het systeem en het gedrag van het systeem. En, kennis is macht.
Programmeertaal voor analoge computers
Enkele van die mensen die de beperkingen van digitale computers zat zijn, zijn prof. Martin Rinard van de Amerikaanse topuniversiteit MIT en voormalige collega Rahul Sapeshkar, die met een aantal doctoraalstudenten een analoge chip hebben ontwikkeld. Hiermee kunnen analoge berekeningen worden uitgevoerd. De chip kan wel door middel van een digitale computer worden geprogrammeerd en uitgelezen. Zij hebben hiervoor een programmeertaal voor deze chip (en soortgelijke chips) ontwikkeld.
In Arco, de programmeertaal van de groep onderzoekers, kunnen differentiaalvergelijkingen gemakkelijk worden toegevoerd. Het kost per differentiaalvergelijking ongeveer een minuut om deze in te programmeren. Zelfs een complex stelsel van zeventig differentiaalvergelijkingen kan in ongeveer een uur worden ingevoerd en gecompileerd. Zoals bij alle analoge computers zijn de resultaten in principe vrijwel onmiddellijk bekend.
Met een eenvoudige chip kan zo een supercomputer worden vervangen. Althans: voor dit soort simulaties.
Het is uitermate slecht voor je gezondheid is om een klontje moscovium of nihonium bij je in de buurt te hebben.
Dat valt namelijk uit elkaar in een fractie van een seconde, met een lawine aan ioniserende straling tot gevolg. Toch is de ontdekking en naamgeving van deze elementen groot nieuws. Nu kunnen we namelijk verder kijken.
De nieuwe elementen zijn:
Nihonium met symbool Nh, voor element 113,
Moscovium met symbool Mc, voor element 115,
Tennessine met symbool Ts, voor element 117 en
Oganesson met symbool Og, voor element 118.
Er bestaan hardnekkige vermoedens dat er een zogeheten Eiland van Stabiliteit bestaat. Dat zijn atoomkernen, die veel langer intact blijven dan je zou vermoeden op basis van hun grote massa. Sommige natuurkundigen denken zelfs dat er enkele van deze superzware atomen zich schuilhouden op aarde. Op dit moment is het zwaarste natuurlijke atoom dat ooit is aangetroffen, uranium-238. Dit is dan ook meteen de meest voorkomende uranium-isotoop en komt ongeveer net zoveel voor als tin. Maar misschien blijft het hier dus niet bij…
Japan heeft nu haar eigen element: nihonium. Ooit ununtrium geheten.
Licht, radiogolven en röntgenstraling hebben één ding gemeen: het zijn alle vormen van elektromagnetische straling. Alle elektromagnetische straling bestaat uit fotonen. Dat zijn deeltjes die bestaan uit een elektrisch en magnetisch veld. Fotonen die snel trillen, zoals in gammastraling, bevatten heel veel energie. Radiofotonen zijn erg zwak en verspreid over een groot gebied. Daarom kan je met gammastraling veel nauwkeuriger kijken dan met radiostraling.
Omdat gammafotonen erg energierijk zijn, zijn ze ook gevaarlijk. Ze meppen zonder problemen elektronen van atomen af. Radiofotonen zijn daar veel te zwak voor. Als dat atoom deel uit maakt van bijvoorbeeld een DNA-molecuul, heeft dat vervelende gevolgen. Er ontstaat een zogenoemde vrije radicaal. Het molecuul wordt verminkt. Er kan een mutatie ontstaan en mogelijk zelfs kanker. Daarom zitten er dikke beschermende loden schilden om bronnen van gammastraling.
Een groot moment voor de wetenschap. De laatste grote voorspelling van Einstein, het bestaan van zwaartekrachtsgolven, is nu experimenteel bevestigd door de zwaartekrachtsdetector LIGO.
Wat is een zwaartekrachtsgolf?
Net zoals watergolven als je roert in een stil wateroppervlak, of elektromagnetische golven als je een elektrische lading heen en weer beweegt, ontstaan er volgens de algemene relativiteitstheorie zwaartekrachtsgolven, als er een voorwerp met massa beweegt. Zwaartekrachtsgolven trekken ruimtetijd uit elkaar en/of persen deze samen, als de golf door een stuk ruimte trekt.
De zwaartekracht is de zwakste van de vier elementaire natuurkrachten. Ons lichaam, dat bijeengehouden wordt door de elektromagnetische kracht, kan daarom omhoog springen, tegen het enorme zwaartekrachtsveld van de aarde in. Dat kan, omdat de zwaartekracht van elektronen 1039 maal zwakker is dan de elektromagnetische kracht tussen hen. Omdat positieve en negatieve ladingen elkaar opheffen, maar zwaartekracht alleen maar toeneemt, ligt dat op astronomische schaal totaal anders. Hier is de zwaartekracht veruit de belangrijkste kracht. Het is de zwaartekracht die de aarde en de zon (en het Melkwegstelsel) bij elkaar houdt.
Hoe werkt een zwaartekrachtsdetector?
Het voornaamste effect van een zwaartekrachtsgolf is dat materie beurtelings uit elkaar en in elkaar geduwd wordt. Kortom: afstanden veranderen tijdens een fractie van een seconde. En afstandsveranderingen kan je meten. Zeer nauwkeurig zelfs, met een laserinterferometer. LIGO is in feite een tweetal laserinterferometers, met laserstralen die loodrecht op elkaar staan. Als een trilling wel in de ene arm optreedt en niet in de andere, is het een zwaartekrachtsgolf geweest.
Wat voor object heeft de zwaartekrachtsdetector ontdekt?
De sterkste zwaartekrachtsgolven denkbaar worden opgewekt, als twee extreem zware objecten zeer dicht om elkaar draaien. De zwaarst denkbare objecten zijn zwarte gaten: astronomische objecten die zo zwaar en dicht zijn dat zelfs licht niet meer kan ontsnappen. De ontdekte bron van zwaartekrachtsgolven bestaat uit twee zwarte gaten die om elkaar heen draaien. Deze ontdekking is ook op zich groot astronomisch nieuws. De zwarte gaten in kwestie zijn namelijk met respectievelijk 29 en 36 zonsmassa’s middelzwaar, een type dat tot nu toe nog nooit is waargenomen.
De bron van de zwaartekrachtsgolven was een tweetal zwarte gaten dat op elkaar crashte. -NASA
De waargenomen zwaartekrachtsgolven vormen de doodskreet van deze zwarte gaten. De aarde draait altijd in dezelfde baan om de zon. Dat komt omdat de uitgestraalde zwaartekrachtsenergie van de aarde heel weinig is: het vermogen van een grote gloeilamp. Alleen al de lichtdruk van het zonlicht (die de aarde naar buiten duwt) is groter dan dit. Dat verandert bij heel snel ronddraaiende zware objecten, zoals deze zwarte gaten. Deze tollen duizenden malen per seconde om elkaar heen en stralen daardoor extreem veel zwaartekrachtsenergie uit: vlak voor de ineenstorting zelfs meer dan de straling van alle sterren in het zichtbare heelal.
Wat kan je met zwaartekrachtsgolven?
Op dit moment is de voornaamste toepassing: astronomische waarnemingen. Zoals al bleek uit deze eerste waarneming. Dit bleek meteen de ontdekking van middelgrote zwarte gaten, die tot nu toe nog nooit waargenomen zijn. Alleen kleine zwarte gaten van enkele zonsmassa’s en de reusachtige zwarte gaten van miljoenen zonsmassa’s in het centrum van sterrenstelsels.
Zwaartekrachtsgolven worden niet gehinderd door gas of stof.
Stel, je hebt flink wat yottajoules energie beschikbaar en wat zwarte gaten bij de hand, dan zou je ook zwaartekrachtskogels, zwaartekrachtssolitonen, kunnen maken. Dat is een speciale golf die bij elkaar blijft. Op dit moment het domein van wiskundigen, maar in de verre toekomst praktisch haalbaar. Je zou hiermee zwaartekrachtspulsen kunnen geven. Deze uitspraak is onder voorbehoud: ik heb het boek in kwestie niet gelezen.
Tijd lijkt in het dagelijks leven te vloeien. Toch zijn er enkele natuurkundige redenen waarom tijd op zeer kleine schaal waarschijnlijk korrelig is.
Kort, korter en kortst: Plancktijd en tijdatomen
Je kan tijd, bijvoorbeeld een seconde, onderverdelen in kleinere delen. Denk aan milliseconden, attoseconden en nog kleiner. In een seconde, bijvoorbeeld, bereikt een lichtstraal driekwart van de afstand aarde-maan. In een attoseconde reist een lichtdeeltje, foton, niet verder dan twee waterstofatomen achter elkaar. De kortste laserpuls ooit duurde 67 attoseconden (dat is 0,000 000 000 000 000 067 seconde, de kortste tijd ooit gemeten 20 attoseconden. De grootste nauwkeurigheid waarmee een proces kan worden aangestuurd is zelfs kleiner dan twaalf attoseconden. Bestaan er nog kortere tijdsintervallen? Het antwoord: jazeker. W- en Z-bosonen bijvoorbeeld, de deeltjes die de zwakke kernkracht overbrengen, bestaan gemiddeld minder dan een yoctoseconde. Dat is de tijd die licht er over doet om een proton door te reizen. In theorie kan dit doorgaan tot de Plancktijd. Dit is 5,39 * 10-44 seconde. Deeltjes die kleiner zijn dan de bijbehorende Planckafstand, zijn zo zwaar dat ze een minuscuul zwart gat vormen. Daarom is het natuurkundig gezien zinloos om over kortere tijden dan de Plancktijd te spreken. Ruimtetijd zoals we die kennen, houdt op te bestaan op deze schaal.
Er zijn meer Planckeenheden in een seconde, dan seconden in de leeftijd van het heelal.
Grotere tijdatomen
De Plancktijd is extreem kort: in principe zitten er meer Plancktijden in een seconde, dan seconden in de leeftijd van het heelal. In een nieuw artikel [1] stellen natuurkundige Mir Faizal en collega’s dat het kortste tijdsinterval dat natuurkundig gezien betekenis heeft, vermoedelijk veel groter is dan de Plancktijd. Discrete tijd dus. De twee belangrijkste theorieën wat betreft kwantumzwaartekracht, snaartheorie en loop quantum gravity, voorspellen beide korrelige tijd. Anders dan bijvoorbeeld de snaartheorie, die experimenteel niet te toetsen is, is toetsing wél mogelijk met de veranderde kwantumvergelijking van Faizal c.s. Deze wijkt bij korrelige tijd namelijk iets af van de continue kwantumvergelijking.
Experiment
De makkelijkste manier om te toetsen of er tijdatomen bestaan, is om de spontane emissie van waterstof te bestuderen. Dat is de snelheid waarmee waterstofatomen met teveel energie fotonen uitzenden en weer terugspringen naar de rusttoestand. Als tijd uit korrels bestaat, gedraagt deze zich anders dan voorspeld door de klassieke kwantummechanica.
Een lotusbloem en bijvoorbeeld oo de waterlelie stoot water af. Dat komt niet door vet, maar door de bijzondere structuur van de oppervlaktelaag. Techneuten van de universiteit van Rochester, UK, hebben een vergelijkbaar patroon als op een lotis, in metaal geëtst met een laser. De gevolgen zijn onverwacht, zeg maar gerust: verbluffend.
Dit zou ook bij andere materialen kunnen. Immers: het waterafstotende effect ontstaat door nanostructuurtjes op de oppervlakte, niet door de chemische eigenschappen van de metalen. Nooit meer natte voorruiten of kleren? De smetteloze aanblik van de lotus, midden in de modder, maakte de bloem heilig in de ogen van Indiërs. De werkelijke verklaring voor het gebrek aan moddersporen: nanostructuren.
