We leven in een enorme legodoos. Alleen kunnen we de blokjes, de atomen, niet zien omdat ze zo klein zijn. Nanotechnologie biedt de mogelijkheid om op atoomschaal te bouwen. Dat opent ongekende mogelijkheden. Denk aan programmeerbare materie, kankercellen of bacteriën met nanorobotjes het leven zuur maken of een pen, die inkt uit lucht maakt. Om maar wat nano-ideeën te noemen.
Vanaf 2010 raken onderzoekers en technici steeds meer vertrouwd met de nanowereld en de bizarre natuurkunde hierin. Althans: bizar, vanaf het gezichtspunt van het dagelijkse leven. Zo kunnen atomen door een dunne wand tunnelen. Kaatsen atomen weg van een scherpe rand. Worden atomen waziger, naarmate ze langzamer bewegen. En zo zijn er nog wat aardige dingen….
Nanomachientjes. Erg handig als je atoom voor atoom iets wil bouwen. Kortom voor ongeveer alles. Bron: ucr.edu
Donkere energie en de versnelde uitzetting van het heelal die daarmee samenhangt, is een symptoom van de spoedige ineenstorting van het heelal. Spoedig, in kosmologische tijdschaal althans. Dat zeggen de fysici Nemanja Kaloper van de Amerikaanse University of California, Davis en Antonio Padilla van de Britse Universiteit van Nottingham. Dreigt ons heelal binnen enkele tientallen miljarden jaren onleefbaar te worden?
Steeds snellere uitzetting
Sinds de jaren dertig weten we dankzij de Amerikaanse astronoom Hubble, dat het heelal uitzet. Ongeveer 13,8 miljard jaar geleden was het heelal zeer klein en dicht. Sinds die tijd zet het heelal sterk uit, waardoor het waarneembare heelal zijn huidige grootte heeft bereikt. Einde twintigste eeuw ontdekten kosmologen iets opmerkelijks. De uitzetting van het heelal verloopt steeds sneller. De kosmische constante lambda die door Einstein in het leven was geroepen om het heelal statisch te houden en afgedankt, is nu weer uit de mottenballen gehaald om dit vreemde effect te beschrijven. Zogeheten donkere energie zou verantwoordelijk zijn voor dit proces.
In een nieuw artikel, gepubliceerd in het gezaghebbende blad Physics Review letters, beschrijven de twee natuurkundigen wat zij als ‘kosmologische ineenstorting’ aanduiden als verklaring voor dit proces. Op grond van hun berekeningen zal het heelal zoals wij dat kennen, over enkele tientallen miljarden jaren in elkaar storten. In onderstaande video beschrijft een van hen, Joseph Padilla, hun ontdekking.
Vacuümenergie en ineenstorting
Animatie van de laatste dagen van het heelal in een Big Crunch. Bron: Wikimedia Commons.
Het vacuüm is niet leeg. In een gegeven stuk ruimte springen er voortdurend paren van deeltje en antideeltje te voorschijn om binnen de onzekerheidsmarge weer te verdwijnen. Deze deeltjesparen dragen bij aan de energie van het vacuüm, die daarom enorm is (volgens sommige, bepaald niet onomstreden, berekeningen 1096 kg*c2 per kubieke meter), die vervolgens via allerlei kunstgrepen wordt “gerenormaliseerd” tot bijna nul. Andere kosmologen gaan liever uit van de waargenomen dichtheid van donkere energie, rond een tienmiljardste joule per kubieke meter, en zetten hiermee de totale massa van virtuele deeltjes op nul [2]. Dat is uiteraard veel minder, maar gezien het enorme volume van het heelal toch nog een aanzienlijke hoeveelheid energie. Deze vacuümenergie is betrokken bij de ineenstorting: deze wordt als het ware opgeslagen (gesequestreerd).
Wat gebeurt er nu precies?
Volgens Padilla en Kaloper is de huidige fase van versnelde uitzetting een verschijnsel dat samenhangt met het beginstadium van de ineenstorting. Dat zou betekenen dat de ineenstorting enkele tientallen miljarden jaren na nu zou plaatsvinden. Gelukkig, gesteld dat ze gelijk hebben, duurt dat nog heel lang, en hebben we nog ruim de tijd om een methode uit te dokteren om de ineenstorting van het heelal te overleven. Bijvoorbeeld door naar een ander heelal te ontsnappen.
Wie wel eens een druppel water in een sissende pan heeft laten vallen kent het: het Leidenfrosteffect. Voor het eerst in de geschiedenis slaagden technici er in om het Leidenfrosteffect uit te buiten voor het aandrijven van een motor. Goed nieuws voor Marskolonisten.
Infographic over het Leidenfrosteffect. Bron: Wikimedia Commons
Wat is het Leidenfrosteffect?
Als een spetter water in een hete pan valt, is deze in een paar seconden verdampt. De Duitse natuurkundige Johann Gottlob Leidenfrost (1715-1794) ontdekte echter iets vreemds. Je zou verwachten, dat hoe heter de pan is, hoe sneller het water verdampt. Bizar genoeg bleek de druppel in een hete pan, vanaf 250 graden, minder snel te verdampen. We weten nu waarom. Als de pan heter is, verdampt er meer water aan de onderkant van de druppel. Daardoor ontstaat een isolerend ‘kussen’ van waterdamp, dat de druppel als een mini-hovercraft laat zweven en zo gescheiden houdt van de hete bodem. Daardoor neemt de druppel minder warmte op dan in een koelere pan, en blijft de druppel langer in leven. Uiteraard ligt zelfs het Leidenfrosteffect het af, als de temperatuur maar hoog genoeg is. De stralingshitte van de pan, die immers exponentieel toeneemt met de temperatuur, laat dan de druppel rechtstreeks verdampen.
De Leidenfrostmotor met ‘droog ijs’
Zo werkt de Leidenfrostmotor. Het verdampende droge ijs laat het blok droog ijs draaien. Bron: bronartikel.
Niet elke stof vormt een vloeistof bij normale luchtdruk. Kooldioxide bijvoorbeeld, verdampt rechtstreeks als vaste stof: het sublimeert. Vandaar de bijnaam ‘droog ijs’ voor vaste kooldioxide. Een blok droog ijs boven een warm oppervlak blijft ook zweven: het damplaagje kooldioxide houdt het blok zwevend. Kooldioxide wordt veel gebruikt als koelmiddel in labs, dus dit effect was vanzelfsprekend al langer bekend. Nieuw aan dit onderzoek is de poging, het effect te gebruiken om er een motor mee aan te drijven.
Hoe werkt de Leidenfrostmotor?
Een blok van onder verdampend kooldioxide-ijs, levert gas onder druk. Die druk kan direct of indirect afgetapt worden. In dit ontwerp heeft de onderste, hete plaat een spiraalvormig patroon. Hieruit spuit het gas weg, ruwweg zoals in een draaiend stuk siervuurwerk, dat hierdoor het blok droog ijs laat ronddraaien. Het resultaat: dit blok draait steeds sneller, tot er zich een evenwicht instelt. Draait er eenmaal iets, dan is het een fluitje van een cent daar een dynamo aan te koppelen en er zo elektriciteit van af te tappen.
Detail van de onderste schijf. Redder uit de nood voor Marskolonisten?
Ideale motor voor Mars Op aarde lijkt deze motor onpraktisch. Kooldioxide koelen tot vaste stof vergt zeer lage temperaturen. Zelfs hartje winter op Vostok, Antarctica, is nog niet koud genoeg. Op Mars is dit anders. Op onze koude buurplaneet komen grote hoeveelheden kooldioxide in vaste vorm voor, die in een jaarlijkse cyclus sublimeert en weer aanvriest. Om de Leidenfrostmotor aan te drijven, hoeven Marskolonisten er alleen geregeld kooldioxide-ijs in te scheppen. Vanzelfsprekend moet er dan wel een plaats zijn, waar voldoende warmte kan worden geoogst om deze CO2 te laten verdampen. Dit plaatsen zijn er echter voldoende op Mars. Denk aan afvalwarmte van het ruimtestation, reactoren en met zonne-energie opgewarmde gedeelten.
Bron
Gary G. Wells, Rodrigo Ledesma-Aguilar, Glen McHale & Khellil Sefiane, “A sublimation heat engine,” Nature Communications 6,Article number:6390 DOI: 10.1038/ncomms7390
Volgens meerdere kwantuminterpretaties en de snaartheorie bestaan er naast ons knusse universum meerdere parallelle universa. Ons heelal lijkt de sporen te tonen van de botsing met iets, zelfs voor astronomische begrippen, enorms. Nu komen Belgische natuurkundigen met een bruikbare methode om uit te vinden of er een parallel universum is naast dat van ons. En nog beter, een manier om naar een parallelle wereld te reizen…
De perfecte bankroof
Stel, je zou van dit heelal naar een parallel heelal kunnen reizen en weer terug. Dan zou je vrij gemakkelijk goudstaven kunnen roven uit de kluis van de Nederlandsche Bank. Eerst stap je in huis in een ruimtepak, want in een parallel universum is de kans aanwezig dat je in het luchtledig terecht komt. Immers, het universum, dus ook een parallel universum, waar de natuurwetten op die van ons lijken, bestaat vrijwel geheel uit leegte. Dan gebruik je je apparaat, gaat met je stuwraketjes naar de locatie waar de goudstaven liggen in dit heelal en keert terug. Je vult je grote plunjezak met vele kilo’s goud en volgt dezelfde route. Terwijl jij gniffelend je buit telt en toekomstplannen maakt, komt er een ingelast extra journaal op TV.
Ander heelal
Volgens sommige theorieën kunnen deeltjes uit andere universa naar dit universum reizen en andersom. Dit kan als twee zogeheten 3-branen, de term in de snaartheorie voor driedimensionale parallelle universa, elkaar dicht genoeg naderen. Volgens sommige varianten van deze theorie bestaan deeltjes in meerdere branen tegelijkertijd: een vorm van superpositie.
De proefopstelling, zoals voorgesteld door Sarrazin en zijn collega’s
Botst één van deze deeltjes, bijvoorbeeld een neutron, met een ander deeltje, dan verdwijnt deze superpositie en “kiest” het deeltje tussen één van de universa waarin het voorkomt. Op dit manier kunnen neutronen van het ene 3-braan naar het andere lekken, aldus de onbewezen theorie althans. Stel, één van deze neutronen reist in het parallelle universum verder en wipt door een ander proces terug naar dit universum. Dan zullen barrières in dit universum, zoals de mantel rond een kernreactor, de neutronen niet tegenhouden en zullen sommige van deze neutronen toch gedetecteerd kunnen worden.
Geen afwijkingen
We zien in het dagelijks leven nooit deeltjes uit het niets verschijnen of verdwijnen. Deze lekkage komt dus vrijwel nooit, tot nooit voor. Vinden we neutronen die wél in staat zijn om van de ene braan naar de andere te springen, dan hebben we een doorslaggevend bewijs voor het bestaan voor een heelal naast het onze.
De voornaamste technische uitdaging is uiteraard hoe we neutronen uit ons universum kunnen onderscheiden van neutronen uit een parallel universum. Sarrazin en zijn collega’s willen dit bereiken door een kernreactor waaruit grote hoeveelheden neutronen vrijkomen, zelf denken ze aan de zeer krachtige neutronenleverende reactor van Institute Laue Langevin (ILL) in het Franse Grenoble, goed af te schermen en hier in de buurt een neutronendetector te plaatsen. Langzame, “thermische”, neutronen worden weggevangen door een mantel met een boorrijke verbinding rond de detector te plaatsen. Neutronen die ze waarnemen, moeten dus binnen de detector zijn opgedoken. Een tweede methode is, het vergelijken van de hoeveelheid waargenomen neutronen als functie van de afstand van de kernreactor. Staat de detector twee keer zo ver weg, dan zou het aantal waargenomen neutronen moeten dalen tot een kwart. Een derde methode is het meten van seizoenseffecten. Volgens de braantheorie waar Sarrazin c.s. in geloven, leidt een veranderend zwaartekrachtsveld tot meer of juist minder braaninteractie. De baan van de aarde om de zon is een ellips, waardoor er een lichte verandering in de zwaartekracht optreedt in de loop van het jaar. Dit zou dus een seizoenseffect op moeten leveren.
Door een muur schijnen
Dit effect zou ook met andere deeltjes, zoals fotonen kunnen optreden. Eerdere soortgelijke experimenten, waarbij met een sterke laser op een muur werd geschenen, leverden echter niets op. Het aantal deeltjes in een laser is vele ordes van grootte groter dan de neutronenflux uit een kernreactor. Onze apparatuur om fotonen te meten is ook veel gevoeliger, vrijwel 100% van alle fotonen wordt gedetecteerd. Als een foton uit de laserstraal de binnendoorgang via een parallel braan had genomen, hadden deze onderzoekers dit gemeten. Of dit iets gaat opleveren is dan ook de vraag.
Aan de andere kant zijn de gevolgen van het ontdekken van een parallel universum waar we heen kunnen reizen, enorm. Mogelijk zelfs de grootste ontdekking ooit in de geschiedenis van de mensheid. Als onderzoeksonderwerp dus zeker meer dan de moeite waard.
Test je algemene kennis over zwarte gaten. Wist je bijvoorbeeld al dat zwarte gaten vijftig keer zo veel energie per kilogram leveren als de veelbejubelde kernfusie, en dat een zwart gat in de buurt onze energieproblemen zou oplossen?
De algemene relativiteitstheorie voorspelt dat er massaconcentraties bestaan, waarbij zelfs licht niet meer kan ontsnappen: zwarte gaten. Hoewel er nog niet 100% zeker is vastgesteld dat zwarte gaten inderdaad bestaan, zijn er wel meerdere verschijnselen aangetroffen die alleen door middel van een zwart gat zijn te verklaren. De kleinst bekende zwarte gaten hebben een massa van enkele zonsmassa’s, de grootste van vele miljoenen zonsmassa’s.
It’s the energy, stupid. Zo zou je de conclusie van Reiner Kümmel and Dietmar Lindenberger kunnen samenvatten. Uit hun onderzoek blijkt dat het zogeheten Solow residu in neoklassieke economische groeimodellen, de mysterieuze ‘factor X’, die voor een groot deel economische groei verklaart, wel eens goedkope energie zou kunnen zijn. Moeten we ophouden met dure banenplannen en een Ministerie van Energievoorziening oprichten?
Vrije energie
Energie is onvernietigbaar, tenzij het in massa wordt omgezet. Waar het in feite om gaat is niet zozeer energie, maar vrije energie, energie waarmee je nuttige arbeid kan verrichten. De ‘economie’ van het aardse ecosysteem draait om vrije energie. Planten zetten de vrije energie in zonlicht om in chemische energie, die door dieren, schimmels en microben weer om wordt gezet in afvalwarmte. Gelukkig voor ons, is het heelal (vier kelvin) veel kouder dan de aarde (gemiddeld 287 kelvin), waardoor de aarde de afvalwarmte makkelijk kan dumpen.De zon is, 2% aardenergie uitgezonderd, de bron van alle energie, en dus ook de economie.
Energie buitenproportioneel belangrijk
Economen zien vrije energie gewoonlijk niet als iets bijzonders, maar alleen als een grondstof, net als bijvoorbeeld metalen dat zijn. In neoklassieke groeimodellen zijn er twee hoofdfactoren die economische groei verklaren: arbeid en kapitaal. Kort gezegd: investeer je veel geld en zijn er veel arbeiders, dan moet volgens het boekje de economie de grond uit brullen. In klassiek-economische modellen krijgen kapitaal, arbeid en energie de wegingsfactoren 25%, 70% en 5%, omdat van alle kosten, 25% kapitaalkosten, 70% arbeidskosten en 5% energiekosten zijn. Kümmel en Lindenberger onderzochten of dit wel klopt. Ze bestudeerden de groeicijfers van de VS, Japan en Duitsland in de periode 1960-2000. Ze besteedden extra aandacht aan de beide oliecrises in 1973 en 1979. In de periode 1973-1975 daalde het energieverbruik met 7%. Volgens neoklassieke modellen, waarin energie immers voor slechts 5% meetelt, zou dit de economie 0,35% naar beneden laten gaan. In werkelijkheid bleek dit veel meer effect te hebben: rond de drie procent. Kortom: het klassieke model schiet ernstig tekort.
Thermodynamisch evenwicht
In het nieuwe model van Kümmel and Lindenberger staat het concept thermodynamisch evenwicht centraal. Economieën proberen bepaalde doelen, zoals algemeen welzijn of rijkdom, zo groot mogelijk te maken. Neoklassieke economen nemen aan dat er geen beperkingen zijn aan de combinaties van kapitaal, arbeid en energie. Zonder deze beperkingen, is outputelasticiteit gelijk aan het aandeel in de prijs.
In de praktijk zijn die beperkingen er uiteraard wel. Om die reden hebben Kümmel en Lindenberger in hun nieuwe model deze beperkingen opgenomen. In werkelijkheid kan een productiesysteem (fabriek, bedrijf etc.) maximaal op volle capaciteit werken, ook al staat de telefoon roodgloeiend. De mate van automatisering op een gegeven moment is afhankelijk van de hoeveelheden energie-omzetters en informatieverwerkers binnen het systeem. Wettelijke en sociale beperkingen plaatsen “zachte” beperkingen op productiefactoren, voornamelijk arbeid.
In het nieuwe model voorkomen deze beperkingen dat zich een evenwicht instelt.
Uiteraard is de hamvraag: hoe zorgen we voor meer economische groei en tegelijk minder werkloosheid en vervuilende uitstoot? De resultaten lijken er op te wijzen dat energie hier een centrale rol in speelt. “Binnen het huidige wettelijke raamwerk van de markt, hebben we economische groei nodig om werkloosheid te bestrijden,” aldus de twee.[1] “Economische groei die door energie wordt gestuwd, leidt op zijn beurt mogelijk tot toenemende milieuverstoringen, omdat volgens de Eerste en tweede Hoofdwet van de thermodynamica, geen arbeid verricht kan worden zonder energieomzettingen en ontstaan van entropie. Entropieproductie hangt samen met de uitstoot van hitte en deeltjes, voornamelijk kooldioxide, zolang de wereld doorgaat in het huidige tempo fossiele brandstoffen te gebruiken.”
Andere maatregelen die Kümmel aanbeveelt, is de belastingdruk gelijkmaken aan de outputelasticiteit. Dit zou inhouden dat de belasting op arbeid 10-20% procent van de belastingopbrengsten op moet leveren, die op kapitaal i.e. vennootschapsbelasting 30-40% en die op energie 40-50%. “Valsspelende” landen, bijvoorbeeld tax havens waar nauwelijks energiebelasting of vennootschapsbelasting wordt geheven, moeten door invoerheffingen op [producten en diensten alsnog bijdragen aan dit systeem. [2] Totaal anders dan nu dus, en denk ik geen onaardige oplossing.
Een team onderzoekers van City College of New York ontdekten quasideeltjes met zowel licht- als materie-eigenschappen in een enkele atomen dikke halfgeleiderlaag.
De halfgeleider bestaat uit een platte laag van molybdeen en zwavelatomen, die een soortgelijk zeshoekig rooster vormen,zoals grafeen. Zie afbeelding. Ze omgaven de halfgeleider door twee lagen die licht invangen, wat de quasideeltjes opleverde. “Dit is niet alleen een doorbraak op het gebied van fundamenteel onderzoek, ook schept dit de mogelijkheid om apparaten te ontwikkelen die zowel van licht- als materie-eigenschappen gebruik kunnen maken,” aldus de weinig bescheiden onderzoeksleider dr. Vinod Menon.
Een voorbeeld kan zijn: logische poorten of signaalverwerkers die gebruik maken van de voor een bepaalde toepassing meest gunstige eigenschappen van licht en materie. Voor bijvoorbeeld praktische kwantumcomputers, die bij bepaalde bewerkingen veel sneller kunnen rekenen dan bestaande computers, kan de nieuwe ontdekking positieve gevolgen hebben.
Het tussenliggende laagje is één atoom dik en bestaat uit molybdeenatomen (zwart) en zwavelatomen (geel) in een regelmatig zeshoekptroon. Bron: Menon et al.
Dr. Dirk Englund, een hoogleraar aan MIT, houdt zich zelf bezig met kwantumtechnologie, gebaseerd op halfgeleiders en optische systemen. Een nauwverwant onderwerp dus.
“Wat het werk van Vinod en zijn team zo opmerkelijk maakt, is hoe makkelijk deze sterke koppeling [tussen licht en massa, red.] kon worden bereikt. Ze hebben overtuigend laten zien, dat door een standaard diëlektrische holte met exciton-polaritons te koppelen in een enkel laagje van molybdeen disulfide, ze de sterke koppeling met een erg grote bindingssterkte hebben kunnen bereiken.”, aldus hem [1].
Korte technische uitleg: als een lichtdeeltje, een foton, door een lichtdoorlatend materiaal, zoals glas of water, reist, vormt het een quasideeltje. Het lichtdeeltje is als het ware veranderd in een trilling (fonon), samengaan van een paar elektrische of magnetische polen met een ander foton (polariton) of een van zijn plaats losgeslagen elektron (exciton). Een diëlektrische holte is een ruimte tussen een positief en negatief geladen oppervlak.
Naar quasideeltjes wordt erg veel onderzoek naar gedaan, want hiermee zijn uitermate interessante fratsen uit te halen. Denk aan nanosensoren, geluidslasers en dergelijke.
De studie werd onder meer gesponsord door het U.S. Army Research Laboratory’s Army Research Office en de Amerikaanse National Science Foundation. De kans zit er dus in, dat deze techniek binnenkort te vinden is in een drone, kruisraket of ander instrument ter bevordering van vrede en liefde in de wereld.
Robert Ehrlich van de George Mason University in Virginia heeft zes waarnemingen beschreven die er op lijken te wijzen dat neutrino’s een imaginaire massa hebben, dus sneller dan het licht bewegen. Wat betekent dit precies?
Neutrino’s zijn vermoedelijk de raadselachtigste waargenomen deeltjes die we kennen. Deze ‘kleine neutraaltjes’ komen voor in drie ‘smaken’, elektron- , mu- en tauon-neutrino, waartussen ze oscilleren. Neutrino’s waarnemen is uiterst moeilijk, omdat ze alleen via de zogeheten zwakke wisselwerking met andere deeltjes wisselwerken. Pas in de eenentwintigste eeuw is bevestigd dat ze inderdaad massa hebben, al is niet bekend welke massa. Paul Ehrlich denkt hierop een antwoord te hebben. Neutrino’s beschikken over imaginaire massa, en moeten dus tachyonen zijn, dat wil zeggen: deeltjes die alleen sneller dan de lichtsnelheid kunnen bewegen.
Imaginaire getallen
Op de middelbare school krijg je ze helaas niet, maar ze duiken op in het eerste jaar van meer exacte studies, omdat ze zo handig zijn: imaginaire getallen. Het imaginaire eenheidsgetal i is gedefinieerd als de wortel uit -1. i vermenigvuldigd met i levert dus -1 op. Herhaal je dat, dan krijg je -i. Vermenigvuldig je dit weer met i, dan kom je uit op de welbekende 1. Je hebt als het ware een rondje gemaakt rond het nulpunt van een assenstelsel, warbij de i-getallen op de y-as liggen. En inderdaad blijken imaginaire getallen alles te maken te hebben met periodieke verschijnselen.
Waarom kan je niet sneller dan het licht?
Hoe dichter je de lichtsnelheid benadert, hoe groter de totale massa wordt ten opzichte van het punt van waar je meet. De totale massa (M) is [latex]M = m/\sqrt{1 – v^2/c^2}[/latex]. Let op dat wortelteken. Als v, je snelheid, bijna even groot i als c, de lichtsnelheid, nadert v^2/c^2 1, dus de uitdrukking onder het wortelteken 1-1=0. Daardoor wordt de relativistische massa enorm. je kan dus beter snel maken dat je uit de buurt komt, als iets met relativistische snelheid op je afkomt, want al die massa wordt dan omgezet in energie. Precies de lichtsnelheid mag niet, want dan deel je door nul en zou je een oneindige massa hebben. Maar wat gebeurt er als je sneller gaat dan het licht? Dan wordt het getal onder het wortelteken negatief. Er ontstaat dan imaginaire massa. Dit, stelt Ehrlich, is er aan de hand met neutrino’s.
Zes waarnemingen
Ehrlich analyseerde de resultaten van zes eerder door anderen gedane onderzoeken en kwam tot de conclusie dat deze het beste overeenkwamen met het aannemen van een imaginaire massa. Deze onderzoeken bestudeerden CMB fluctuaties, gravitational lensing, spectra van kosmische straling, neutrino oscillaties, en neutrino dubbele beta verval. Deze middelde hij en kwam voor de rustmssa uit op een waarde van ongeveer een miljoenste van die van een elektron. Omdat in zijn theorie neutrino’s sneller dan het licht bewegen, verandert dit dus in een imaginaire massa. Hij beschrijft drie manieren hoe zijn hypothese kan worden getest: op zoek gaan naar een piek van 4.5 PeV in kosmische straling, de energieverdeling van de vrijkomende deeltjes bij het verval van de radioactieve waterstofisotoop tritium bestuderen, of afwijkingen in de neutrinoverdeling waarnemen als er in de galactische buurt een supernova met volledige instorting van de sterkern plaatsvindt. Zou zijn hypothese kloppen, en vinden we een praktische manier om met neutrino’s te communiceren op interstellaire afstanden, dan zijn de gevolgen uiteraard spectaculair. We zouden dan sneller dan licht boodschappen kunnen uitwisselen. Dat maakt een interstellaire kardashev-III beschaving veel haalbaarder.
Bron
R. Ehrlich, Six observations consistent with the electron neutrino being a tachyon with mass: m2νe = −0.11 ± 0.016eV2, Arxiv preprint server, 2014 (geaccepteerd voor publicatie door Astroparticle Physics)
Twee raadsels in de kwantummechanica, golf-deeltje dualiteit en kwantumonzekerheid, zijn in feite twee manifestaties van één en hetzelfde ding. Is dit de doorbraak waarop we al een kleine eeuw wachten om kwantummechanica beter te begrijpen?
Informatie
Patrick Coles, Jedrzej Kaniewski en Stephanie Wehner bereikten deze doorbraak toen ze aan het Centre for Quantum Technologies van de National University of Singapore samenwerkten. Wehner, die nu als assistent hoogleraar werkt aan de Technische Universiteit Delft bij de onderzoeksschool Qutech, benaderde het vraagstuk als een informatievraagstuk. “Het verband tussen onzekerheid en golf-deeltje dualiteit wordt op natuurlijke wijze duidelijk als je ze als vragen over een [kwantummechanisch] systeem beschouwt. Ons resultaat laat zien hoe krachtig de benaderinjg van natuurkunde als informatievraagstuk is,” aldus Wehner.Dat een deeltje tegelijk ook een golf kan zijn, hangt ten diepste samen met de onzekerheidsrelatie, ontdekten drie onderzoekers. Bron: Tim Teo/Singapore State University
Wat zijn golf-deeltje dualiteit en kwantumonzekerheid?
De golf-deeltje dualiteit betekent dat op kwantumschaal ‘dingen’ zowel golf als deeltje zijn. Zo is het elektron een puntdeeltje als je het meet, maar gedraagt het zich ook als een golf, bijvoorbeeld als je elektronen met elkaar laat interfereren of in de vorm van de elektronenwolk die rond atoomkernen hangt. Het kwantumonzekerheidsprincipe houdt in dat het onmogelijk is, bepaalde combinaties van dingen over een deeltje met volledige zekerheid te weten, omdat ze fundamenteel onbepaald zijn. Bekende voorbeelden: impuls en plaats, de reden dat zeer koude atomen wazig worden, en tijd en energie: de reden dat er virtuele deeltjes zeer kort kunnen bestaan. Beide, zo blijkt nu, zijn manifestaties van één en hetzelfde verschijnsel.
Entropische onzekerheidsrelaties
De ‘steen van Rosetta’, waarmee het drietal kwantumonzekerheid en golf-deeltje dualiteit in elkaar vertalen is iets wat de drie ‘entropische onzekerheidsrelaties’ noemen. Deze relaties zijn gebaseerd op kwantumonzekerheid. Entropie is ‘wanorde’ of ‘informatieinhoud’ van een systeem. Hoe entropischer een systeem, hoe meer informatie nodig is om het systeem te beschrijven. Het drietal slaagde er in, om alle wiskunde die voor golf-deeltjes dualiteit wordt gebruikt, te vertalen in entropische onzekerheidsrelaties.
In eerdere publicaties, ontdekten Wehner en haar twee collega’s verbindingen tussen het onzekerheidsprincipe en andere fysica, zoals kwantum-nonlocaliteit (‘werking op afstand’) en de Tweede Hoofdwet van de thermodynamica.
Kortom: een knap stukje werk, wat wel eens zou kunnen leiden tot een Nobelprijs. Het drietal wil nu de volgende stap zetten en proberen uit te vinden hoe deze puzzelstukken in elkaar passen. Iets wat ik persoonlijk in hun plaats zeker zou overwegen is dit stukje werk, dat kwantummechanica gebruikt om zwarte gaten te beschrijven, van oudsher het domein van de algemene relativiteitstheorie.
Naar we nu weten, worden grote hoeveelheden sterren met zeer grote snelheden de intergalactische ruimte in geslingerd. Zou dit verklaren hoe het leven op aarde terecht is gekomen?
Centrum Melkweg: ideale verspreidingsgrond voor leven
Op ongeveer 26.000 lichtjaar afstand bevindt zich het centrale zwarte gat van de Melkweg, waaromheen de rest van het sterrenstelsel draait. De sterdichtheid in dit gebied is enorm: waar in de omgeving van de Zon sterren op gemiddeld enkele lichtjaren afstand van elkaar staan, zijn de afstanden in de dichtbevolkte kern van het Melkwegstelsel veel kleiner: gemiddeld 100 sterren per kubieke parsec, wat neerkomt op een gemiddelde afstand van minder dan 0,8 lichtjaar tussen sterren. Op deze korte afstanden zullen de Oortwolken rond deze sterren voortdurend brokstukken uitwisselen; volgens sommige schattingen is de uiterste rand van de Oortwolk rond de zon ongeveer een lichtjaar in diameter. De kans is dus veel groter dan hier, in de buitengewesten van het Melkwegstelsel, dat het leven zich van het ene planetenstelsel naar het andere kan verplaatsen.
Eerder bouwstenen voor leven aanwezig
Een ander argument is dat de ‘metaalrijke’ Populatie I sterren in het centrum van de Melkweg rijk zijn aan atomen zwaarder dan waterstof en helium. Vlak na het ontstaan van het heelal bestond er alleen waterstof, het extreem inerte edelgas helium en een spoortje lithium. Er zijn hiermee welgeteld drie chemische verbindingen mogelijk: moleculair waterstof (H2), metallisch lithium (Li) en lithiumhydride (LiH). Veel te weinig voor welke vorm van op chemie gebaseerd leven dan ook. De vele sterexplosies maken het centrum van de Melkweg weinig gastvrij voor complex leven, maar eencelligen zouden zich er prima thuisvoelen. Bron/copyright: dailygalaxy.com
Leven kan alleen ontstaan als zich koolstof, zuurstof en stikstof hebben gevormd. Deze zijn ontstaan na supernova’s, die in het dichte centrum van de Melkweg veel meer, en ook al eerder, voorkwamen dan in de spiraalarmen. De omstandigheden voor het ontstaan van leven waren daar dus al miljarden jaren eerder aanwezig dan hier in de periferie. De kernen van zeer ver weg gelegen sterrenstelsels, waarvan het licht van vlak na het ontstaan van het heelal dateert, laten reeds grote hoeveelheden zwaardere elementen zien, meer zelfs dan die van de zon (!) [1]. Er was dus erg veel gelegenheid voor het leven om zich in deze omgeving te vormen.
Sterexplosies te overleven door bacteriën
Door sommige auteurs is het galactische centrum een onwaarschijnlijke plaats voor het ontstaan van complex leven genoemd, juist door deze veel optredende dodelijke sterexplosies[2]. Eenvoudige levensvormen zoals bacteriën worden echter effectief beschermd door een dikke laag water, die op oceaanwerelden en ijsplaneten overvloedig aanwezig is. Op aarde komen bacteriën in de aardkorst, zo lijkt het, voor tot op 20 kilometer diepte[3]. Voor bacteriën ligt het verhaal dus heel anders. De oudste aangetroffen sporen van leven op aarde zijn van prokaryoten, eencellige organismen zonder celkern. Deze kunnen, zo weten we, uitstekend overleven op een aardachtige planeet of ijsplaneet in het galactische centrum.
Zwerfsterren als uitzaaiers van leven
Naar we nu weten, worden er zeer grote hoeveelheden sterren uit de Melkweg geslingerd. Volgens sommige schattingen bevinden er zich zelfs meer sterren in de intergalactische ruimte dan in sterrenstelsels.
Sommige sterren die rond het zwarte gat in het centrum van de Melkweg roteren, zoals de ster S2, bereiken relativistische snelheden van (bij S2) 1,67 procent de lichtsnelheid. Voldoende om te ontsnappen aan het zwaartekrachtsveld van de Melkweg en zeker voldoende om bijvoorbeeld het gebied van de Zon te bereiken, gesteld dat er een mechanisme bestond waarmee ze zich uit het zwaartekrachtsveld van dit zwarte gat konden bevrijden. Astronomen Loeb and Guillochon denken een dergelijk mechanisme gevonden te hebben[4]. De Melkweg slokt voortdurend kleinere sterrenstelsels op. Als het centrale zwarte gat dat van de Melkweg ontmoet, worden de omloopbanen van de sterren die hierom heen draaien instabiel. Deze worden dan soms weggeslingerd met snelheden die tot tientallen procenten van de lichtsnelheid kunnen bedragen. Je kan zelf dit effect waarnemen, als je in een zwaartekrachtssimulator, bijvoorbeeld deze, twee sterren met elk een planetenstelsel elkaar laat naderen.
Deze sterren zijn ook waar te nemen in de intergalactische ruimte, als ze het einde van hun bestaan in de Hoofdreeks naderen en, uitgeput, veranderen in rode reus [5].
Hiermee wordt het in principe mogelijk, dat sterren van het ene sterrenstelsel naar het andere reizen, met in hun kielzog een zwerm ijzige brokstukken die mogelijk leven herbergen. Een interessante theorie. Zou het leven afkomstig kunnen zijn van buiten de Melkweg?
