natuurkunde

Vormen zwarte gaten de poort naar een ander universum? Bron: NASA

Leven we in een zwart gat?

21 reacties / Ideeën, natuurkunde, Universum, Visionaire vragen, Wetenschap / Door / 29 december 2015

Een zwart gat is een astronomisch object, waarvan voorbij de waarnemingshorizon de zwaartekracht zo sterk is dat zelfs licht niet meer kan ontsnappen. Het is een plaats, waar de natuurwetten zoals we die kennen ophouden te bestaan. Maar wat als we zelf in een zwart gat leven?

Big Bang en singulariteit
Wiskundigen noemen iets een singulariteit, als op dit punt een functie zich ‘raar’, discontinu, gaat gedragen. Bijvoorbeeld omdat er gedeeld wordt door nul. De natuurkunde hangt van wiskunde aan elkaar, waardoor ook natuurkundigen het begrip ‘singulariteit‘ zijn gaan gebruiken voor punten in natuurkundige theorieën waarop oneindigheden optreden. Een bekend voorbeeld is het punt in een zwart gat, waarbinnen zich alle materie ophoopt, dat de singulariteit wordt genoemd. Volgens Einsteins Algemene Relativiteitstheorie is dit een punt met een grootte nul en oneindige dichtheid (al kan je met een ander coördinatenstelsel dit probleempunt ontwijken). Ook het heelal is naar alle waarschijnlijkheid begonnen als een dergelijk punt: de Big Bang. Dit heeft sommige kosmologen geïnspireerd om de vraag te tellen: wat als het heelal zoals wij dat kennen, het binnenste van een zwart gat is?

Vormen zwarte gaten de poort naar een ander universum? Bron: NASA
Vormen zwarte gaten de poort naar een ander universum? Bron: NASA

Zou het heelal in een zwart gat kunnen liggen?
Opmerkelijk genoeg: ja. Hiervoor moet je bedenken dat de waarnemingshorizon van elk zwart gat een diameter heeft, die evenredig is met de massa. Een zwart gat van twee aardmassa’s heeft dus een doorsnede (34 mm) die twee keer zo groot is als die van een zwart gat met die van de aarde (ongeveer 17 mm, de grootte van een twee-eurocentstuk). Een zwart gat met een zonsmassa is ongeveer 6 km in doorsnede. Dat klopt precies: de zon is enkele honderdduizenden keer zwaarder dan de aarde. Uiteraard is de dichtheid van het zonne-zwarte gat veel kleiner dan dat van de aarde. We kunnen doorgaan: als alle massa van de Melkweg, rond de biljoen (1.000.000.000.000) maal die van de zon, in een zwart gat zou worden gepropt, ontstaat een zwart gat groter dan het zonnestelsel. Wordt alle massa van het waarneembare heelal in een zwart gat gestort, dan is de waarnemingshorizon van het zwarte gat zo groot als: inderdaad, de rand van het waarneembare heelal…

Omgekeerde Big Bang
Het idee lijkt absurd. Toch is de structuur van ruimtetijd binnen een zwart gat zo vreemd, dat het heelal een vorm hiervan zou kunnen zijn (al wijkt dit type dan wel sterk af van de bekende Schwarzschild- en Kerr-oplossingen). De tijdpijl zou dan andersom lopen. Ben je eenmaal binnen de waarnemingshorizon, dan word je onherroepelijk de singulariteit ingezogen. Als je tegenstribbelt nog sneller. Net zoals de tijd vertraagt, als je snelheid de lichtsnelheid nadert. Als het zwarte gat zo groot is als het waarneembare heelal, zou het er binnen wel eens uit kunnen zien als in ons heelal. Het Einde der Tijden zou dan optreden aan de waarnemingshorizon. Of, volgens een nieuwe theorie van Stephen Hawking, is deze waarnemingshorizon een poort naar een ander heelal. Dit zou goed nieuws zijn. We kunnen dan als ons heelal ten dode is opgeschreven, ontsnappen, naar een nieuw, jong universum.

Meer informatie
Is the Big Bang a black hole?, Philip Gibbs, 1997
Black holes are a passway to another universe, says Stephen Hawking – The Independent, 2015

De Big Rip, of Grote Scheur. Het einde van het heelal?

Video: drie manieren om het heelal op te blazen

1 reactie / Ideeën, Mensheid, natuurkunde, Universum, Visionaire vragen, Wetenschap / Door / 27 december 2015

Uitgaande van onze tegenwoordige kennis zijn er drie mogelijke manieren waarop het heelal kan eindigen: de Big Freeze, de Big Rip en de Big Crunch. Wat deze begrippen betekenen, en wat ons waarschijnlijk in de verre toekomst te wachten staat weet je aan het einde van deze korte, maar interessante animatie.

Het heelal kan zo snel uit gaan zetten dat uiteindelijk de tijd stopt: de Big Rip. Het heelal kan blijven uitzetten, maar met een eindige snelheid: de Big Freeze, waarin alle sterren uit zijn gedoofd. Of het heelal stort in elkaar, omdat de zwaartekracht de uitzetting overwint: de Big Crunch.
Op dit moment wijst het voorhanden bewijs vooral op een Big Rip. De uitzettingssnelheid neemt namelijk steeds meer toe. Wel duurt het nog tientallen miljarden jaren voor het zover is. De zon is dan al een witte dwerg.
Zullen wij, of andere heelalbewoners, op tijd kunnen ontsnappen?

De Big Rip, of Grote Scheur. Het einde van het heelal?
De Big Rip, of Grote Scheur. Het einde van het heelal?

Nieuwe, goedkopere ontwerpen voor tokamaks, zoals deze ARC-2 reactor, beloven betaalbare fusie-energie binnen bereik te brengen. Bron: MIT

Welke methoden voor kernfusie zijn er?

Laat een reactie achter / Ideeën, natuurkunde, Techniek, Visionaire projecten, Wetenschap / Door / 18 december 2015

Kernfusie, het proces dat de zon haar energie geeft, is de overvloedigste energiebron die we kennen. Helaas is er nog steeds geen kernfusiereactor die meer nuttige energie levert dan er in gaat, maar het over-unity punt komt in zicht.

Wat is kernfusie?
De energiegunstigste atoomkernen zijn stabiele ijzer- en nikkelkernen met rond de 50-60 deeltjes in de kern. Recordhouder is de atoomkern ijzer-56 met 26 protonen en 30 neutronen. Hieromheen hangen dan weer 26 elektronen, die de positieve lading van de protonen neutraliseren.
Er zijn twee manieren om energie uit atoomkernen te halen: kernsplitsing en kernfusie. Het resultaat van beide is dat de nieuw ontstane atoomkernen qua grootte meer op die van ijzer en nikkel gaan lijken. Kernsplitsing, waarbij zware atoomkernen zoals die van uranium uiteenvallen in lichtere, levert in kerncentrales nu al veel energie. Nadeel van kernsplitsing is dat er meestal instabiele, radioactieve atoomkernen ontstaan.

Nieuwe, goedkopere ontwerpen voor tokamaks, zoals deze ARC-2 reactor, beloven betaalbare fusie-energie binnen bereik te brengen. Bron: MIT
Nieuwe, goedkopere ontwerpen voor tokamaks, zoals deze ARC-2 reactor, beloven betaalbare fusie-energie binnen bereik te brengen. Bron: MIT

Kernfusie, waarbij lichte atoomkernen (denk aan waterstof-2, helium-3 en lithium-6) samensmelten tot zwaardere, lukt op dit moment alleen op kleine schaal in fusors (waar het veel meer benutbare energie kost dan er vrijkomt) en natuurlijk in waterstofbommen. Omdat er veel meer lichte atomen zijn dan zware, en de opbrengst per kerndeeltje veel groter is (en er nauwelijks gevaarlijke instabiele isotopen ontstaan), is kernfusie een erg interessant proces om de steeds energiehongeriger wereld van voldoende energie te voorzien.

Hoe laat je atoomkernen op elkaar botsen?
Atoomkernen bestaan uit positief geladen deeltjes, de protonen, en neutrale neutronen. De neutronen vormen de lijm, die met hun sterke kernkracht-interactie de protonen bij elkaar houden. De protonen stabiliseren weer de neutronen, omdat ze het voor de neutronen erg energie-ongunstig maken om uiteen te vallen in een proton met elektron. HET technische probleem bij kernfusie is, de atoomkernen die je wil laten fuseren elkaar te laten raken. Immers, ze stoten elkaar af door hun positieve lading. Schiet je maar een fractie te hard, dan kaatsen de kernen weg voordat ze kunnen fuseren.

Samenpersen en koude kernfusie
Hier kan je verschillende strategieën voor volgen. In een waterstofbom en de Amerikaanse Z-pinch Z Machine worden de atoomkernen zeer sterk op elkaar geperst (door een splijtingsbom resp. lasers). Waterstofbommen werken, helaas. De Z Machine wekt fusie op, maar te weinig om te benutten voor stroomproductie.

In een fusor worden kernen afgeschoten op de doelwit-kernen, wat een (lage) hoeveelheid kernfusie oplevert. Met muonfusie worden elektronen vervangen door de zware muonen, waardoor de kernen veel dichter op elkaar komen te zitten, met een veel grotere kans op fusie, zelfs bij kamertemperatuur. Helaas zijn muonen zeer instabiel en kost het veel meer energie om de muonen te maken, dan de fusie oplevert. Muonfusie is de enige bekende werkende methode voor LENR, een verzamelterm voor lage-temperatuur kernfusie. LENR is in de wetenschappelijke wereld zeer omstreden. Op dit moment is er geen fusie aangetoond in een LENR-reactor. Althans: niet door publicatie in een peer-reviewed mainstream wetenschappelijk tijdschrift. Enkele honderden gedreven onderzoekers trotseren de banvloek van de mainstream wetenschap met hun LENR-onderzoek. Zij geloven wel kernfusie te stellarator hebben gerealiseerd, zij het nog te weinig om als energiebron te dienen.

De tokamak
Dan komen we bij de derde voornaamste techniek om kernfusie te realiseren. Schep een gas (bij deze temperaturen: een plasma) van vele miljoenen graden heet. Binnen dit plasma vinden zoveel botsingen plaats, dat er altijd enkele botsingen precies de juiste snelheid hebben voor kernfusie. Als je voorkomt dat het plasma te snel weglekt en energie verliest, heb je een reactor. De succesvolste reactor van dit type is de tokamak, uitgevonden in de toenmalige Sovjet-Unie. De tokamak is een donutvormige ring van plasma, die op zijn plaats wordt gehouden met enorme elektromagneten en een sterke ringvorminge elektrische stroom door het plasma. Dit plasma is namelijk zo heet, dat geen enkel bekend materiaal er tegen bestand is. ITER, de onderzoeksreactor in het Franse Cadarache, is van dit type. Een andere, na een lange tijd weer populairder wordend model is de stellarator.

First-principles denken gaat uit van de bekende natuurwetten. Alles wat natuurkundig gezien mogelijk is, is mogelijk en haalbaar.

First principles-denken: de sleutel tot rijkdom

17 reacties / Analyses, Europa, Geopolitiek, Ideeën, Ideeën en techniek, Maatschappij, Mensheid, Misvattingen, natuurkunde, Nederland, Techniek, Visionaire projecten, Visionaire vragen, Wereld / Door / 31 december 2020

Sloppenwijken en villawijken bestaan uit dezelfde atomen. Het verschil is de manier waarop de atomen zijn gerangschikt. Als je uitgaat van first principles, leer je hoe armoede te veranderen is in rijkdom.

First-principles denken gaat uit van de bekende natuurwetten. Alles wat natuurkundig gezien mogelijk is, is mogelijk en haalbaar.
First-principles denken gaat uit van de bekende natuurwetten. Alles wat natuurkundig gezien mogelijk is, is mogelijk en haalbaar. Wormgaten zijn bijvoorbeeld mogelijk volgens de algemene relativiteitstheorie. Bron: Genty/Pixabay

First principles

De first-principles methode komt er op neer dat je teruggaat naar die dingen waarvan je absoluut zeker weet dat ze waar zijn, en vanaf dat punt verder redeneert of ontwerpt.

It’s physics, stupid

Sinds ongeveer een eeuw of twee weten we dat de wereld waarin we leven, beheerst wordt door onveranderlijke natuurwetten. Waar op aarde, of de rest van het bekende heelal we ook komen, er gelden dezelfde natuurkundige wetten. De natuurkundige wetten vormen de basis van alle andere natuurwetten. Als het Belgische of Nederlandse parlement een wet uitvaardigt dat het verboden is om te vallen, val je nog even hard. Kortom: als iets volgens de natuurkundige wetten kan, en je de rest in de hand hebt, kan het in alle gevallen. Deze natuurkundige wetten vormen hiermee de first principles.

Natuurkundige wetten zijn universeel, dus first principles ook

Als je een mep geeft tegen een tennisbal, vliegt deze bal vanaf de Ka’aba in Mekka even hard weg als in de Gouden Tempel van Amritsar. Of op Mars, wat dat betreft. Of Pluto. OK, skip dat laatste, want de bal (en racket) zullen vermoedelijk verpulveren bij de temperaturen vlak boven het absolute nulpunt.

Natuurwetten hebben als prettige bijkomstigheid dat techniek, die gebaseerd is op deze natuurwetten, overal blijft werken. Je horloge loopt op Gliese 674-b, de dichtstbijzijnde bekende exoplaneet, even snel als hier op aarde. Een baksteen die deel uitmaakt van de villa van filmster Leonardo di Caprio, gedraagt zich precies hetzelfde als een baksteen van hetzelfde type in een Mexicaanse krottenwijk.

Een tweede prettige bijkomstigheid is dat in principe alles mogelijk is dat volgens de natuurwetten toegestaan is. Wil je een mooie stikstofgeiser, model-Triton, in je achtertuin? Geen punt. Regel even een supergeleidende kabel, een privé-energiecentrale, een plek waar je de enorme hoeveelheid afvalwarmte kan dumpen en je bent de man. Of vrouw, alhoewel die vermoedelijk zinniger dingen bedenken.

Problemen terugbrengen tot natuurkunde

De natuurkundige beperkingen zijn streng, maar ruim. Zo is het niet mogelijk sneller te gaan dan het licht. Het is -in theorie- wel mogelijk, om de ruimtetijd waarin je je bevindt zo te vervormen dat je via een wormgat of in een warpbubble sneller dan de rechtstreekse route reist. Op andere terreinen zijn er minder problemen. Zo kan je in principe alles maken wat je maar wilt, door de juiste atomen bij elkaar te zoeken en aan elkaar te plakken. Als je maar voldoende vrije energie hebt, een ander belangrijk natuurkundig concept. En, die is er. Zonlicht. Wel ben je gebonden aan de materiaaleigenschappen, maar door atomen en verschijnselen als plasmonen, fononen en kwantumvelden creatief toe te passen, zijn er meestal kleine wonderen mogelijk.

“Onoplosbare” wereldproblemen door een natuurkundige bril, met first principles

Ieder probleem is in principe door het inzetten van de first principles methodiek op te lossen. Als voorbeeld, het wereldarmoedeprobleem.

Het wereldarmoedeprobleem is in drie stappen op te lossen. Ten eerste moet je er voor zorgen dat er heel veel vrije energie beschikbaar komt. Daar hebben we een goede techniek voor: zonnepanelen. Als we iedere wereldbewoner het West-Europese energieverbruik gunnen, dat wil zeggen: rond de 150 kilowattuur (500 MJ) per persoon per dag, hebben we rond de 50.000 Wp per persoon zonnepanelen nodig, bij de gemiddelde zonneschijn in de wereld (164 Wp per vierkante meter) dus 25 vierkante meter zonnepaneel of, anders uitgedrukt, 25 000 euro. Dit zal dalen als zonnepanelen efficiënter worden. Er zijn prototypes in labs die tot 60% efficiëntie halen, dat is drie maal die van nu. Dit zou de benodigde oppervlakte laten dalen tot acht a negen vierkante meter. Hier meer, in woestijngebieden en de tropen minder.

Ten tweede moet je iedere wereldbewoner voorzien van voldoende atomen van de juiste soort. De atomen die we het meeste gebruiken, zoals koolstof, zuurstof, waterstof, silicium en ijzer, zijn in werkelijk onvoorstelbare hoeveelheden aanwezig in de aardkorst, water en lucht. Kortom: als er voldoende energie is, is het verkrijgen van deze atomen triviaal.

Ten derde moeten de atomen op de juiste manier aan elkaar geplakt worden. Hiervoor moeten wij mensen processen ontwikkelen. Dit lukt al vrij aardig. Het enige wat we moeten doen is deze processen energiezuiniger maken, krachtiger maken en verspreiden over de hele wereld. En er voor zorgen dat de vrije energie, atomen en denkkracht waarover we nu beschikken, niet worden verkwist aan bijvoorbeeld oorlogen, patentstrijd en bureaucratie, maar doelmatig worden besteed aan zonnepanelen en innovatie.

De proefopstelling. Bron: [1]

‘Tijdpijl bestaat ook op kwantumniveau’

4 reacties / Ideeën en techniek, natuurkunde, Wetenschap / Door / 3 december 2015
De vergelijkingen van de kwantummechanica hebben geen tijdpijl: zijn omkeerbaar in de tijd. Lange tijd werd daarom gedacht dat entropie, ruwweg te vertalen als wanorde, alleen op grotere schaal voorkomt. Dat blijkt niet te kloppen.

Tijdpijl aangetroffen
Het is erg lastig om thermodynamische processen in een kwantumsyteem waar te nemen. Tot nu toe is dit daarom niet gedaan. In een experiment maten de onderzoekers de verandering in entropie die optreedt, als het koolstofatoom dat het hart vormt van CCl4, het chloroformmolecuul, blootgesteld worden aan een wisselend magnetisch veld. Het chloroform werd gekoeld tot vlak bij het absolute nulpunt.
De proefopstelling. Bron: [1]
De proefopstelling. Bron: [1]

Voor dit experiment maakten de onderzoekers gebruik van koolstof met een extra neutron in de kern, 13C in plaats van de ‘normale’ 12C dus. Atoomkernen kunnen twee verschillende richtingen op tollen: de spin. Dit komt neer op: met het magnetische veld mee of er tegenin.

Atomen springen naar de laagste energietoestand, waarin de spin evenwijdig is met het magnetische veld. Als het magnetisch veld ompoolt, flippen ook de atoomkernen mee. In het experiment verliep dit proces extreem snel, zodat de atoomkernen het niet direct bij konden houden.

Als het omkeren van de procedure mogelijk was, zou de spin zijn oorspronkelijke waarde weer aan hebben genomen, maar interessant genoeg gebeurde dat niet. De metingen aan de spin wezen er op dat de entropie was toegenomen. Klaarblijkelijk is dit kwantum-thermodynamische systeem irreversibel (niet-omkeerbaar). Dit op atoomkernniveau. Met andere woorden: een tijdpijl op kwantumniveau. Iets wat niet wordt voorspeld door de kwantummechanica.

Waar komt deze tijdpijl vandaan?
De kwantummechanische vergelijkingen, zoals de Schrödingervergelijking, zijn alle volstrekt omkeerbaar. Hoe komt met dat zelfs op het niveau van een enkele atoomkern er toename in de entropie ontstaat? Welke onbekende natuurwet is hier verantwoordelijk voor?

‘Kwantummechanische formules alleen geldig bij evenwicht’
Volgens de onderzoekers is het antwoord op deze vraag: de afhankelijkheid van de beginvoorwaarden. In een systeem waarom geen entropietoename mogelijk is, gelden de formules zonder meer. Als een systeem ver uit evenwicht is, zoals in dit experiment, zullen onomkeerbare processen optreden. Wat de onomkeerbaarheid precies veroorzaakt en de tijdpijl tot leven wekt, blijkt niet uit dit experiment.

Uit fundamenteel-wetenschappelijk oogpunt is dit onderzoek buitengewoon interessant en zal tot talrijke nieuwe ontdekkingen en technieken leiden. Helaas kijken de toekenners van onderzoeksbudget voornamelijk naar de onmiddelijk praktische toepasbaarheid. De onderzoekers denken dat dit nieuwe inzicht nuttig is voor het ontwikkelen van kwantumtechnologie, die de beperkingen van klassieke technologie kan overwinnen. Nu technologie steeds kleiner wordt (Silicon Valley hanteert nu een roadmap waarin rond 2020 de minimum afstand in een chip kleiner wordt dan 7 nanometer (rond de 35 atoombreedtes)), is inzicht in kwantummechanische processen van fundamenteel belang. Dat geldt ook voor andere nanotechnologie.

Bron:
1. T. B. Batalhão, et al. “Irreversibility and the Arrow of Time in a Quenched Quantum System.” Physical Review Letters. DOI: 10.1103/PhysRevLett.115.190601
De meetopsteling van Tajmar.

‘Massaloze EM-Drive maakt bemande reis naar Pluto mogelijk’ – update

8 reacties / Ideeën, natuurkunde, Techniek, Visionaire projecten, Visionaire vragen, Wetenschap / Door / 6 november 2015

De omstreden EM-Drive belooft een einde aan de gevaarlijke en dure chemische raketten. En hij werkt, zegt nu een tweede, onafhankelijk onderzoeksteam. Met een slag om de arm.  Kunnen we nu eindelijk de mens naar verre bestemmingen zoals Pluto sturen?

Het probleem met raketten
In de ruimte is er geen lucht, of een oppervlak om je tegen af te zetten. De enige praktische methode om vooruit te komen is daarom om je af te zetten tegen iets dat je meebrengt: raketbrandstof. Door deze brandstof weg te stuwen, vliegt de raket de andere kant op. (Er zijn andere in principe werkende methoden, zoals zonnezeilen en je afzetten tegen de zonnewind of magnetische veld, maar deze zijn nu nog in het experimentele stadium).

Raketten die een lading tot buiten het zwaartekrachtsveld van de aarde moeten brengen, kunnen maar een paar procent nuttige lading meenemen.  De rest van de raket bestaat uit raketbrandstof, plus het omhulsel. Het grootste deel van deze brandstof wordt gebruikt om de andere brandstof omhoog te slepen.

EM Drive als oplossing?
Als je elektromagnetische straling (bijvoorbeeld licht of radiostraling) in tegengestelde richting schijnt, kan je ook je raket wegduwen. Die druk is alleen gewoonlijk miniem. Dat komt door de lichtsnelheid c in de noemer, een enorm groot getal: met bijvoorbeeld een energieflux Ef van 1000 watt vermogen, denk: grote magnetron, wek je slechts

[latex]P_{reflect} = \frac{2E_f}{c} \cos^2 \alpha[/latex]

(onder een rechte hoek α=0, dus (cos 0)2=1)

dus 2 * 1000 / 300 000 000 * 1 = rond de 1,5 miljoenste newton stuwkracht op. Nog niet voldoende om een zandkorrel mee in de lucht te houden. Niet echt praktisch dus. Ter vergelijking: met diezelfde 1000 watt kan je een elektrische fiets 80 km per uur laten rijden, of een gemiddelde volwassen man stil laten hangen in de lucht.

Een uitvinder, de verder goed aangeschreven Britse lucht- en ruimtevaartingenieur Roger Shawyer, denkt een uitweg te hebben gevonden.
De uitvinder beweert dat zijn EM Drive veel beter kan dan dit, omdat hij gebruik maakt van vacuümvoortstuwing. Het vacuüm is volgens de kwantummechanica niet werkelijk leeg, maar gevuld met zeer kort levende ‘spookdeeltjes’. De EM Drive zou zich hiertegen afzetten.

Volgens schattingen van NASA kan een verbeterde versie van de EM Drive Pluto in 18 maanden bereiken, of Mars in twee maanden.

Zeer omstreden
Deze verklaring is zeer omstreden (al blijkt het vacuüm rondtollende stofjes wel degelijk langzaam af te kunnen remmen). Volgens mainstream fysici, zoals natuurkundige en science fictionschrijver Greg Egan en wiskundig fysicus John Baez gaat het hier om een motor, die zich (als hij zou werken) impuls levert uit het niets, met andere woorden: de zo ongeveer heiligste natuurkundige wet, de wet van behoud van impuls, met voeten treedt.

De meetopsteling van Tajmar.
De meetopsteling van Tajmar.

Persoonlijk denk ik dat beide heren, en Motl, hier te stellig zijn. Er kan wel degelijk impuls door ruimtetijd geleverd worden: denk bijvoorbeeld aan zwaartekrachtsgolven, het (nog niet aangetoonde, wel voorspelde) Unruh effect en de eerder beschreven vacuümafremming van stofjes.

Elektromagnetische velden polariseren de virtuele deeltjesparen in het vacuüm. Mogelijk vindt er toch impulsoverdracht tussen deze velden en de gepolariseerde deeltjesparen plaats. Of gedragen die gepolariseerde virtuele deeltjesparen zich als een Bose-Einstein condensaat, dat in ieder geval in atomaire materie de lichtsnelheid c sterk terug kan brengen. Daardoor zou het rekensommetje boven een honderden keren zo grote uitkomst krijgen. Deze mogelijkheden moeten nagetrokken worden. Dit zou werkelijk een wereld aan mogelijkheden openen. Zou je vacuüm net als een vloeistof kunnen manipuleren, dan kan je antizwaartekracht opwekken en de tijd vertragen.

Werkzaamheid in drie experimenten aangetoond
In drie onafhankelijke experimenten is nu de werkzaamheid van de EM Drive aangetoond, althans: is een voortstuwing gemeten die veel groter is dan de minieme voortstuwing die de stralingsdruk kan leveren. Shawyer zelf claimde dat zijn EM Drive inderdaad meetbare stuwing produceerde. Een Chinees team bereikte vergelijkbare resultaten. Dat is duizenden malen meer dan alleen stralingsdruk. Een team van NASA produceerde met een veredelde magnetron een vergelijkbare stuwing van honderdsten newton. Omdat zowel de Chinezen als de NASA-techneuten ingenieurs zijn, geen natuurkundigen, namen veel natuurkundigen deze resultaten weinig serieus. Ze zullen wel een fout in de opstelling hebben gemaakt, is de gedachte.

Dat wordt veel moeilijker met het derde onderzoek. Een team onder leiding van de Oostenrijkse professor ruimtevaarttechniek en natuurkundige Martin Tajmar mat de impuls ook[1]. Tajmar heeft in zijn proefopstelling er werkelijk alles aan gedaan om andere verklaringen dan vacuümstuwing uit te sluiten. Toch zijn er nog enkele loopholes, al sloot Tajmar er meerdere. Tajmar blijft voorzichtig en noemt de afstotingskracht door de verbindingskabels waar de stroom doorheen vloeit een mogelijke verklaring. Toch vindt ook hij de resultaten interessant genoeg om er vervolgonderzoek naar te doen.

Zou de theorie kloppen, dan kunnen er enkele geliefde natuurkundige dogma’s over het vacuüm naar de schroothoop.

Een kleine prijs om te betalen, als daarmee het zonnestelsel voor ons openligt, zoals het team van NASA terecht opmerkte.

UPDATE: NASA vindt opnieuw anomale stuwkracht
In een vervolgtest van de EM Drive hebben NASA-medewerkers die aan het project werken, weer enkele zwakke punten gecorrigeerd in de testopstelling, meldde Paul March, een van de medewerkers, op een forum. Zo veronderstelden enkele natuurkundigen in een nog niet gepubliceerd artikel, dat de gemeten voortstuwing in feite een Lorentzkracht is. Dat is een kracht die ontstaat als een elektrische stroom door een magnetisch veld stroomt (in dit geval: het magnetische veld van de aarde). Dat lijkt met de nieuwe testopstelling uitgesloten te zijn.

Bron
1. M. Tajmar en G.Fiedler, Direct Thrust Measurements of an EMDrive and Evaluation of Possible Side-Effects, 51ST AIAA/SAE/ASEE JOINT PROPULSION CONFERENCE, 2015 (paywall); gratis versie

Tijd is nog steeds erg raadselachtig. Bron: Faradayschools.com

Video: tijd is een illusie

5 reacties / natuurkunde, Universum, Wetenschap / Door / 17 oktober 2015

De algemene relativiteitstheorie van Einstein leert dat ruimte en tijd kneedbaar zijn. Hoge snelheden en zwarte gaten kunnen ruimte en tijd veranderen en soms zelfs omdraaien.

In de kwantummechanica, en wat dat betreft de klassieke natuurkunde, is de tijdpijl volkomen omkeerbaar. Er zijn zelfs tijdloze varianten van de kwantummechanica geformuleerd. Er is alleen een maar. Er bestaat namelijk wel degelijk een schending van de CP-symmetrie. Dat wil zeggen, dat je niet ongestraft zowel een deeltje in zijn antideeltje kan omzetten, en de andere richting op kan laten vliegen. Het is daarom mogelijk vast te stellen of we vooruit of achteruit in de tijd reizen, door te meten hoe een bundel neutrale kaons uit elkaar valt.

Tijd is nog steeds erg raadselachtig. Bron: Faradayschools.com
Tijd is nog steeds erg raadselachtig. Bron: Faradayschools.com
Welk proces levert de enorme energie van de zon? - Wikimedia COmmons

Waarom schijnt de zon?

7 reacties / natuurkunde, Wetenschap, Zonnestelsel / Door / 4 oktober 2015

Als de zon uit fossiele brandstof had bestaan, en de omringende ruimte uit een aardachtige atmosfeer, was de zon al na enkele millennia uitgebrand. De zon schijnt echter al meer dan 5.000.000.000 jaar.

Het geheim: kernfusie. Deze verloopt bij de zon in enkele stappen: protonen fuseren tot deuterium, dat weer fuseert tot helium-4. Hierbij komt veel energie vrij, maar de reactie wordt geremd door de zeer trage snelheid waarmee protonen tot deuterium fuseren.
Door een delicaat evenwicht tussen de snelheid waarmee deuterium wordt gevormd en de zwaartekracht, blijft de zon ongeveer zijn grootte behouden. Toch zal op een dag, gelukkig miljoenen generaties na nu, de zon door zijn waterstof heenraken. De zon verandert dan in een rode reus, die Mercurius, Venus en waarschijnlijk ook de aarde op zal slokken. Dit zal nog miljarden jaren duren, dus we hebben dus ruim de tijd om een oplossing voor dit probleem te bedenken.

Welk proces levert de enorme energie van de zon? - Wikimedia COmmons
Welk proces levert de enorme energie van de zon? – Wikimedia COmmons

Artist impression van Majorana-anapolen.

Anapole donkere materie: heeft donkere materie een onzichtbaarheidsmantel?

3 reacties / natuurkunde, Techniek, Universum, Wetenschap, Zonnestelsel / Door / 29 augustus 2015

Vijfzesde van de materie in het heelal bestaan uit materie die we niet waar kunnen nemen, anders dan door zwaartekracht. Natuurkundigen over de hele wereld pijnigen zich de hersenen over de aard van deze materie. Een nieuw, eenvoudig maar krachtig idee wordt de laatste jaren steeds populairder. Zou donkere materie zich vermommen door anapole elektromagnetische velden die elkaar cancelen?

Anapool (boven), elektrische dipool en magnetische dipool (onder).
Anapool (boven), elektrische dipool en magnetische dipool (onder).

Anapolen: onzichtbare velden
Eerst een lesje Grieks. Een magneet heeft een noord- en zuidpool, twee polen dus en heet daarom een dipool. Een elektrische lading kan wel los voorkomen en vormt een enkele pool, een monopool. Uiteraard kan van een positieve lading, gescheiden van een negatieve lading, ook een dipool gemaakt worden. Er bestaan ook elektromagnetische velden met vier polen (quadrupolen) en acht polen (octapolen). Anapolen (zonder pool) kennen geen enkele pool. Een anapool veld is van buiten onzichtbaar. Een elektromagnetische onzichtbaarheidsmantel dus. Wat, als donkere-materiedeeltjes door zo’n anapool veld omgeven worden en daarom onzichtbaar zijn? Dit zou verklaren, waarom ze niet waar te nemen zijn.

Majoranadeeltjes
De op mysterieuze wijze in 1934 verdwenen Italiaanse natuurkundige Ettore Majorana veronderstelde dat er fermionische deeltjes bestaan, die hun eigen antideeltjes zijn. Deeltjes met deze eigenschap staan bekend als Majoranadeeltjes. Majoranadeeltjes zijn een aantrekkelijke kandidaat voor donkere materie, omdat ze alleen met elkaar reageren. Tot nu toe zijn er nog geen Majoranadeeltjes gevonden, alleen quasideeltjes met Majorana-eigenschappen. Fotonen zijn hun eigen antideeltjes en kunnen elkaar annihileren, maar dit zijn bosonen, geen fermionen.

Hoe zien anapolen er uit?
Magnetische anapolen zijn oorspronkelijk in 1958 voorgesteld door de briljante Sovjetnatuurkundige Yakov Zel’dovich. In 1977 aangetoond in de atoomkernen van cesium-133 and ytterbium-174. In deze oplossing lopen de magnetische veldlijnen in een ring. De elektrische veldlijnen omcirkelen deze ring als hoepels, zie de bovenste afbeelding in het diagram. Je kan zien dat er geen enkele veldlijn ontsnapt uit deze structuur. De reden dat anapolen vrijwel onmogelijk waar te nemen zijn.

Artist impression van Majorana-anapolen.
Artist impression van Majorana-anapolen.

Anapolen enige toegestane veld rond Majoranadeeltjes
In een artikel analyseerden de natuurkundigen  Robert Scherrer en Chiu Man Ho, die voor Vanderbilt University werken, welke vormen van elektromagnetische velden rond Majoranadeeltjes zijn toegestaan volgens de kwantummechanica. [2] Naar bleek, kunnen alleen anapolen rond Majoranadeeltjes voorkomen.

Hoe sneller, hoe meer wisselwerking
Hoe sneller anapolen bewegen, hoe sterker ze wisselwerken. Bij het ontstaan van het universum zou dan veel donkere materie deze wisselwerking hebben vertoond. Nu is door de veel lagere snelheden wisselwerking zeldzaam, waardoor de donkere materie rond zou blijven kolken.

Zou dit de verklaring voor donkere materie kunnen vormen?
Deze theorie is een erg elegant stukje natuurkunde. Er hoeft geen nieuwe natuurkracht te worden verzonnen, een beroep op de oude, vertrouwde elektromagnetische kracht is voldoende. Twee netelige problemen: de net als hun bedenker al een kleine eeuw vermiste Majoranadeeltjes en een ontbrekende verklaring voor de donkere materie worden in één klap opgelost. Scherrer en Ho tonen ook overtuigend aan, dat alleen een anapool veld rond een Majorana-fermion voor kan komen. Met andere woorden: bestaat het Majorana-fermion, dan moet het een anapool veld hebben, dus vrijwel onwaarneembaar zijn.

Het enige wat ontbreekt aan deze theorie is de detectie van het Majorana-fermion. Door deze duidelijke wiskundige omschrijving is het opzetten van een goed experiment om het deeltje aan te tonen of juist uit te sluiten, wel een stuk eenvoudiger geworden.

Anapolen als onzichtbaarheidsmantel en energieopslag
Zou je in staat zijn zelf grote anapolen te maken, dan zou je hierin energie op kunnen slaan. Ook zou je structuren ‘onzichtbaar’ kunnen maken. Dit laatste is precies wat een groepje Australiërs aan de Australian National University heeft gedaan. [4] Door de ladingen hierbinnen zo te verdelen dat zich een anapool vormde, slaagden de onderzoekers er in, schijfjes silicium op nanoschaal onzichtbaar te maken. Kortom: er zou wel eens een hoorn des overvloeds aan nieuwe technologie en mogelijkheden uit dit principe kunnen vloeien. [5]

Bronnen
1. Chiu Man Ho en Robert J. Scherrer, Anapole dark matter, Phys. Rev. Letters B, 2013
2. Boudjema, F.; Hamzaoui, C.; Rahal, V.; Ren, H. C., Electromagnetic properties of generalized Majorana particles (1989), Phys. Rev. Lett. 62 (8): 852–854,doi:10.1103/PhysRevLett.62.852
3. New, simple theory may explain mysterious dark matter, Vanderbilt University News, 2013
4. Andrey E. Miroshnichenko et al., Nonradiating anapole modes in dielectric nanoparticles. Nature Communications, 2015; 6: 8069 DOI:10.1038/ncomms9069
5. New Theory to lead to radiationless revolution, ANU Newsroom, 2015

Een tijdmachine brengt veel paradoxen met zich mee.

Korte film: Stealing Time

3 reacties / Filosofie, Ideeën, natuurkunde, Techniek, Visionaire vragen / Door / 24 augustus 2015

Een aan lager wal geraakte uitvinder slaagt er op het laatst in om zijn grote droom waar te maken: een werkende tijdmachine. Met akelige gevolgen…

Deze korte film bevat een logische paradox (welke?). Een van de redenen waarom tijdreizen onmogelijk wordt geacht is het ontstaan van dit soort logische paradoxen. Een ander interessant facet is dat deze loeispannende minithriller met een minimaal budget is gemaakt. Filmmaken was nog nooit zo binnen bereik van goede amateurs.

Een tijdmachine brengt veel paradoxen met zich mee.
Een tijdmachine brengt veel paradoxen met zich mee.