66 miljard geleden maakte een asteroïde zo groot als een berg een einde aan de meest succesvolle groep dieren die de aarde ooit heeft gekend: de dinosauriërs. Alleen de vogels, die afstammen van de theropode dino’s overleefden het. Wat zou er gebeurd zijn als de dino’s niet uitgestorven waren? Had zich een beschaving van intelligente dinosauriërs kunnen vormen?
Dino’s – een succesverhaal
Honderdveertig miljoen jaar lang heersten ze over de aarde. De oerdino overleefde als één van de weinige soorten de grootste ramp ooit die de aarde 250 miljoen jaar geleden trof. De soort ontwikkelde zich tot de meest overheersende groep op aarde met vijfhonderd geslachten en meer dan duizend soorten. Waarschijnlijk waren er veel meer dino’s: onze fossielenverzamelingen zijn verre van compleet omdat fossilisering een uiterst zeldzame gebeurtenis is. Ook nu nog vormen vogels na de vissen (in feite zijn alle gewervelde dieren vissen) met negenduizend soorten nog de soortenrijkste groep. Het aantal vogelsoorten nam de afgelopen twintig miljoen jaar toe terwijl het aantal zoogdiersoorten afnam. Evolutionair gesproken zijn vogels dus nog steeds winnaars.
Waren dinosauriërs dom?
Op dit moment kunnen we uiteraard geen rechtstreekse intelligentiemeting van dinosauriërs doen.
Troodon was waarschijnlijk de slimste dinosauriër.
Een goede manier om de intelligentie van dieren in te schatten is hun hersenvolume schatten op grond van schedelmetingen en die vergelijken met hun lichaamsomvang. Sommige dino’s beschikten nauwelijks over hersens – zo hadden zelfs de grootste sauropoden (tot dertig meter lange en honderd ton zware plantenetende vreetmachines) hersens die niet groter waren dan een flinke walnoot. Enkele soorten scoorden veel hoger: roofdino’s als Troödon, onmgeveer zo groot als een mens waren vermoedelijk zo slim als een opossum, een primitief zoogdier uit Amerika. Daarmee scoorde Troödon (met hersens zo groot als een grote pruim) hoger dan de zoogdieren uit die tijd.
Hadden dino’s zich kunnen ontwikkelen tot een intelligente soort?
In 1982 veronderstelde museumconservator Dale Russell dat als de hersens van Troodon zich met dezelfde snelheid hadden ontwikkeld als gebeurde voor de noodlottige asteroïde-inslag, het dier nu over een mensachtige herseninhoud en intelligentie had beschikt.
De Afrikaanse grijze papegaai Alex is in staat te tellen en eenvoudige zinnen te vormen.
De vraag is of je ongestraft mag extrapoleren – zo verviervoudigde door evolutionaire druk de herseninhoud van de mens zich in maar zes miljoen jaar, omgekeerd zijn miereneters na vijftig miljoen jaar nog steeds uitermate dom.
Rechtop lopen en handen
Waarschijnlijk kunnen we beter kijken naar de directe afstammelingen van dino’s. Papegaaien bijvoorbeeld zijn uitermate intelligent, te vergelijken met apen en dol op het uithalen van allerlei streken. Hierbij moet je bedenken dat vliegende dieren moeten besparen op alles wat het gewicht vergroot, zoals een zwaar en energievretend brein. Vogels gebruiken hun snavel en twee poten om voorwerpen mee vast te pakken. Niet erg handig natuurlijk en de kans is dan ook niet erg groot dat een ras van papegaaien er in slaagt technisch ver te komen. Troodon beschikte nog over werkende voorpoten (deze zijn bij vogels in vleugels veranderd).
Bij de mens was er een bijzondere samenloop van omstandigheden die leidde tot het ontwikkelen van een hoge intelligentie: nauwverwante soorten als de gorilla zijn nog steeds niet erg slim. Als deze bijzondere omstandigheid (grotere groepen bijvoorbeeld, maar niet zo groot dat anonimiteit heerst) zich bij dino’s had voorgedaan, is de kans dus groot dat de eerste voetstap op de maan er drietenig uit had gezien…
Zestien en zeventien februari 2011 maakten we kennis met een zonnestorm, het gevolg van een uitbarsting die op de aarde is gericht. Toen de wolk geladen deeltjes de aardse magnetosfeer raakte werden GPS-verbindingen in China verstoord. Dit was echter nog onschuldig. Wat zijn de gevolgen van een echt vernietigende zonnestorm? De gebeurtenissen van 1859 en 1989 tonen aan dat we maar beter stevige maatregelen kunnen nemen…
Zonnevlammen en coronal mass ejections
Onze zon, een G-ster, is naar melkwegbegrippen een rustige, beschaafde ster. Bij rode dwergen (M-sterren), de kleinste stersoort die samen ongeveer driekwart van alle sterren uitmaken, komen zonnevlammen veel vaker voor en zijn ook relatief veel groter dan op de zon. Een zonnevlam is een magnetische uitbarsting op de zon en ontstaat (denkt men) doordat magnetische velden zich in één klap ontwarren (de zon, een gasbol, draait niet overal even snel rond, wat de magnetische velden in de knoop legt). Kleine zonnevlammen komen heel veel voor. Ze volgen net als zonnevlekken een elfjarige cyclus (2009 was bijvoorbeeld een zonnevlekkenminimum).
Deze spectaculaire zonneuitbarsting is tientallen keren groter dan de aarde.
Vaak, maar niet altijd, komt tegelijkertijd met een zonnevlam ook een CME (“coronal mass ejection“) voor. Men denkt daarom dat zowel zonnevlammen als CME’s het gevolg zijn van hetzelfde magnetische verschijnsel, de ontwarring van het magnetische veld. Er ontstaat dan een enorme boog gloeiend plasma, een protuberans, die uiteindelijk met hoge snelheid wordt weggeslingerd als een reusachtige wolk geladen deeltjes. Als die wolk het aardse magneetveld raakt (gelukkig is dat meestal niet het geval), wordt dit samengedrukt en verandert het veld snel van sterkte, wat enorme elektrische spanningen oplevert, dus sterke elektrische stromen in stukken metaal: een geomagnetische storm. Het noorderlicht is dan zichtbaar tot vlak bij de evenaar.
Brand in telegraafkabels en massale stroomuitval
De grootste zonnestorm van de afgelopen vijfhonderd jaar (dat weten we door analyse van ijs in Groenland, waar radioactieve isotopen van de zonnestorm in zijn aangetroffen) vond plaats in de nacht van 1 op 2 september 1859. De zon was al weken onrustig en astrono0om Carrington nam tussen de middag op 1 september de grootste uitbarsting ooit waar. Elektriciteit was in die tijd nog een slecht begrepen verschijnsel dat alleen voor eenvoudige dingen als telegraafkabels en deurbellen werd gebruikt. Een telegraaf werkt heel simpel: signalen bestaan uit een opeenvolging van stroomstootjes door een kilometers lange dikke koperen stroomdraad.
Een "coronal mass ejection" in actie. Een grote wolk ionen wordt met hoge snelheid weggeschoten.
De gevolgen bleven dan ook niet uit toen de zonnestorm toesloeg. Er ontstonden gigantische stromen die op veel plekken waar de telegraafkabel langs liep, branden veroorzaakten. Veel telegraafhuisjes vlogen in brand. Een spookachtig verschijnsel was dat op enkele plekken waar de elektriciteitsgeneratoren door waren gebrand, toch nog telegraafverkeer mogelijk was. De reden: de zonnestorm leverde de energie.
Maart 1989 veroorzaakte een kleinere zonnestorm de grootste elektriciteitsuitval in de geschiedenis van de Canadese provincie Quebec. Omdat Quebec voor het grootste deel op het slecht geleidende Canadese Rotsschild ligt, piekten de stromen in de kabels, waardoor transformatoren doorbrandden en miljoenen mensen zonder stroom kwamen te zitten. Ook satellieten kwamen in de problemen. Als gevolg hiervan hebben stroomleveranciers overal ter wereld hun stroomnetten meer zonnevlam-proof gemaakt. Augustus van hetzelfde jaar verstoorde een zonnestorm de effectenhandel in Toronto. Geomagnetische stormen storen ook postduiven en hebben, wijst recent onderzoek uit, ook zekere effecten op mensen. Reden voor URSI (internationale bond voor radio-onderzoek) een onderzoekscommissie in te stellen.
Wat als er een tweede zonnestorm zoals in 1859 komt?
We zijn nu veel afhankelijker van elektriciteit dan anderhalve eeuw geleden. Als wereldwijd een massale beschadiging van elektrische apparatuur optreedt, komen we in één klap in de steentijd terecht, want vrijwel al onze technologie is direct of indirect van elektriciteit afhankelijk. Auto’s werken niet meer, een antieke diesel wellicht uitgezonderd, want alle elektronica is doorgebrand. Treinen, fabrieken, telefoons, internet: alles komt stil te liggen. De fiets wordt het snelste vervoermiddel. Paradoxaal genoeg zullen technisch minder ontwikkelde landen het veel beter doen. Daar is nog negentiende-eeuwse techniek voorhanden om op terug te vallen.
Het is echter de vraag of deze catastrofale beschadigingen ook wereldwijd op zullen treden. Het elektriciteitsnet wordt steeds beter beschermd. Ook hebben overheidseisen nu de kwaliteit van elektronica sterk verbeterd. Er zullen een groot aantal apparaten uitvallen, mogelijk wat vliegtuigen neerstorten, maar over het algemeen zal de schade hiertoe beperkt blijven.
Voorzorgsmaatregelen
De gevolgen, als het misgaat, zijn echter enorm. Het is dus verstandig om voorzorgsmaatregelen te nemen. Veel mensen zijn al bezig met een off-grid, zelfvoorzienende levensstijl. Vergeet echter niet dat door een echt zware zonnestorm mogelijk ook zonnepanelen er aan gaan. Voedselvoorziening wordt een enorm probleem, Nederland is een dichtbevolkt land. Het bewaren van wetenschappelijke en technische kennis wordt uiterst belangrijk, zo kan de beschaving zich weer snel herstellen. Ook moeten er alternatieven worden bedacht voor elektrische apparaten. Draai eens een dag de hoofdschakelaar om en kijk of er stroomloze alternatieven zijn voor die keukenmachine, diepvries, home trainer en andere ongetwijfeld onmisbare hoogtepunten van de consumptiemaatschappij…
Van alle aardachtige planeten lijkt Mars het meeste op de aarde, onder meer door de vergelijkbare daglengte. Het klimaat op Mars is te vergelijken met dat op de geografische zuidpool hartje winter, maar dan met veel extremere minimum- en maximumtemperaturen. Miljarden jaren geleden kwam er zelfs veel vloeibaar water voor op de nu kurkdroge planeet en ook nu zijn er nog grote ijsvoorraden aanwezig. Mars wordt van alle planeten het vaakst genoemd als toekomstige vestigingsplaats voor de mens, maar er zijn een aantal zeer lastige hindernissen die overwonnen moeten worden.
Mars is veel kleiner dan de aarde. De atmosfeer is al miljarden jaren geleden verdwenen.
Mars factsheet
Grootte: 6794 km doorsnede (53% van de aarde)
Zwaartekracht: 0,39 maal die van de aarde
Atmosfeer: minder dan 1% van de aardse atmosfeer, 95,32% CO2, 2,7% stikstof, 1,6% argon, 0,13% zuurstof
Mars op een dag zonder stofstormen: een dorre, luchtloze woestijn.
De oppervlakte van Mars heeft veel weg van aardse woestijnen, maar vertoont overal sporen van een waterrijk verleden.
Alle landschapsvormen die in aardse woestijnen voorkomen, komen ook op Mars voor, maar door de lage zwaartekracht met veel grotere afmetingen. Zo kent Mars de met 25 km hoogte grootste vulkaan van het zonnestelsel, Olympus Mons en de gigantische drieduizend kilometer lange kloof Valles Marineris.
De enorme hoeveelheid ijzeroxide (roest) geeft de oppervlakte een roestbruine kleur. De oppervlakte is bezaaid met kraters die veel langer dan op aarde intact blijven.
De daglengte op Mars is vrijwel gelijk aan die van de aarde.
De atmosfeer beschermt nauwelijks tegen de felle uv-straling van de zon. Zeer kleine meteorieten branden op in de dunne atmosfeer, meteorieten vanaf enkele kilo’s reizen ongehinderd door. Bij kortdurende warmere tijdperken, het gevolg van het periodiek kantelen van de planeet, smelten ondergrondse ijsvoorraden, waardoor waterstromen en lawines ontstaan die op sommige plaatsen kraters hebben uitgewist.
Transport van en naar Mars
Alle ruimtevaartuigen nu in gebruik maken gebruik van raketvoortstuwing. Wat dan telt is delta v – de totale hoeveelheid versnelling en vertraging die nodig is. Beide kosten evenveel raketbrandstof. Als Mars en de aarde in optimale positie staan, is de delta v van LEO (een lage parkeerbaan rond de aarde) tot een parkeerbaan rond Mars het laagst: rond de vier kilometer per seconde. Dit kan nog verder verlaagd worden door gebruik te maken van de martiaanse atmosfeer om af te remmen. Volgens Cassandra Club is een reis naar Mars peperduur, maar hierbij gaan ze uit van een retourvlucht. Het is veel goedkoper om alleen een enkele reis uit te voeren. Er hebben zich al tientallen vrijwilligers gemeld voor een dergelijk plan.
Hoe bewoonbaar is Mars?
Door de lage luchtdruk van 0,01 atmosfeer moeten astronauten een lomp, onhandig drukpak dragen. Het volkomen ontbreken van een ozonlaag en andere bescherming tegen zonnestraling betekent dat kolonies een grondige afscherming moeten hebben tegen zonne- en kosmische straling. De zwaartekracht is waarschijnlijk voldoende voor een permanent verblijf van de mens. Ook de daglengte is ideaal voor menselijke bewoning.
Voordelen van een kolonie op Mars
Mars is vooral rijk aan ijzeroxide. IJzer en andere waardevolle delfstoffen zijn op metaalrijke planetoïden met hun zwakke zwaartekrachtsput echter in veel grotere mate aanwezig (en ook makkelijker te winnen) dan in de zwaartekrachtsput van Mars. Er zijn enkele dingen aantrekkelijk aan Mars: de aardachtige daglengte, de bij benadering aardachtige zwaartekracht, de grote hoeveelheid waterijs en de aanwezigheid van een vast oppervlak. Mars bevat ook vrij gemakkelijk toegankelijke materialen die te gebruiken zijn voor een kolonie: water, kooldioxide, ijzerrijke gesteenten. De temperaturen liggen -relatief- dicht bij die van de aarde.
Mars is uit wetenschappelijk oogpunt erg interessant: de planeet is complexer dan alle andere planeten met uitzondering van de aarde en bevat mogelijk leven: er zijn methaanpluimen vastgesteld die in de zomer het actiefst zijn.
Mars is vanaf de aarde relatief makkelijk te bereiken. Door de dunne atmosfeer is atmosferische remming mogelijk. Dit alles maakt Mars -met aantrekkelijker vestigingsplaatsen als Mercurius en Venus– aantrekkelijk als “back-up plan” voor de mensheid.
Gevaren op Mars Mars kent weliswaar nauwelijks een atmosfeer, maar deze is wel in staat voor veel problemen te zorgen. Zo zijn er geregeld enorme stofstormen die soms maandenlang aan kunnen houden en bijna alle zicht wegnemen. Het fijne stof bestaat uit ijzeroxide, dus ook radiotransmissies worden zwaar gestoord. Dit stof is voor apparaten met bewegende onderdelen waarschijnlijk nog vervelender dan het toch al beruchte maanstof. De atmosfeer biedt verder nauwelijks bescherming tegen grotere meteorieten en kosmische straling. Er is minder zonne-energie dan op aarde.
In dit concept van NASA bouwen de eerste kolonisten hun landingsvaartuig om tot kolonie met kassen.
Hoe zou een kolonie op Mars er uit zien?
Een kleine kolonie zal vermoedelijk vlak bij watervoorraden gevestigd zijn en voor een belangrijk deel ondergronds zijn. De metaalrijke bodem van Mars biedt een goede bescherming tegen kosmische straling. De kolonie moet luchtdicht zijn en goed geïsoleerd.
Kolonisten kunnen gebruik maken van de ijsvoorraden om hun kolonie mee te bevoorraden.
Een grotere kolonie kan bestaan uit een drukkoepel over een krater of missschien de Vallis Marineris-kloof. Worden de terraforming-plannen (zie onder) doorgezet, dan zal deze overigens onder water lopen.
Hoe is Mars tot leefbare wereld om te bouwen?
Mars is weliswaar veel kleiner en lichter dan de aarde, maar staat verder van de zon. Van alle planeten is Mars daarom het gemakkelijkst tot een leefbare wereld om te bouwen – althans, leefbaar volgens Tibetanen, Scandinaviërs of Siberiërs. Een eerste fase zou inhouden de poolkappen, die voor een groot deel uit bevroren kooldioxide bestaan, te laten verdampen. Zoals u ongetwijfeld van mijnheer Al Gore hebt opgestoken, is kooldioxide een sterk broeikasgas. Dit zou de luchtdruk op Mars verdertigvoudigen tot 0,3 atmosfeer – en hiermee de temperaturen en luchtdruk binnen aards (althans: de top van de Mount Everest) bereik brengen. Als gevolg hiervan ontdooit de noordelijke oceaan en stijgt de gemiddelde temperatuur op het noordelijk halfrond boven nul. Deze is vermoedelijk weliswaar erg zout, maar aardse planten zullen het in de kooldioxideatmosfeer goed doen en grote wolken zuurstof afscheiden.
Voor mensen is een CO2 atmosfeer onadembaar, dus moet de CO2 als we zonder ademmasker rond willen kunnen lopen, worden vervangen door een ander gas. Mars is zeer arm aan stikstof, de ideale kandidaat voor een inert gas. Er is ook te weinig argon. Zuurstof onder hoge druk leidt tot zuurstofvergiftiging. Op aarde is de zuurstofdruk 0,2 bar, hoger dan plm 0,5 bar is schadelijk. Een volledige zuurstofatmosfeer kan dus tot minder dan een halve atmosfeer. De maximale CO2 druk die een mens langere tijd overleeft ligt rond de huidige druk op Mars: 0,01 atmosfeer. Een dunne zuurstofatmosfeer (0,3 atmosfeer) kan dus in principe, wanneer gecombineerd met minder dan 0,01 atmosfeer kooldioxide en een sterk broeikasgas (een beter alternatief is een ring van spiegels om zonlicht op Mars te concentreren, mogelijk roterend om zo een magnetisch veld op te wekken, zo komt er ook meer energie beschikbaar). Een zuurstofatmosfeer zonder inert buffergas, denk aan stikstof, betekent helaas een zeer hoge kans op branden. Dus zal er extra stikstof van bijvoorbeeld de ijsreuzen of ijsmanen moeten worden aangevoerd, al was het maar voor de planten.
Mars omgebouwd tot leefbare planeet. Een grote oceaan overdekt het noorden.
Zwaartekracht is een buitenbeentje. Niet alleen is deze zwakste van de vier natuurkrachten extreem veel zwakker dan de overige drie (met een klein magneetje kan je de aantrekkingskracht van de hele aarde overwinnen), ook is deze natuurkracht als enige van de vier krachten in staat om de structuur van ruimte en tijd te veranderen en staat de kracht los van het standaardmodel, de drie kwantumveldtheorieën die respectievelijk de sterke kernkracht, de elektromagnetische kracht en de zwakke kernkracht beschrijven. De zwaartekracht heeft haar eigen wet: de algemene relativiteitstheorie van Einstein. Deze theorie beschrijft ook de ruimtetijd waarin de kwantumprocessen van de andere drie theorieën zich afspelen.
Het is nog nooit gelukt zwaartekrachtsdeeltjes, de hypothetische gravitonen, te ontdekken. Er is dus iets wat zwaartekracht fundamenteel anders maakt.
Schizofreen persoonlijkheidsprofiel van het zwaartekrachtsdeeltje Stel dat zwaartekracht wordt veroorzaakt door een hypothetisch kwantumdeeltje, dat we maar even het graviton zullen noemen, dan moet dit deeltje over een aantal zeer lastig in te passen eigenschappen beschikken.
Het graviton volgens natuurkundig kunstenaar Jan Henrik Andersen.
Traagheid en zwaartekracht
Massa heeft twee fundamentele eigenschappen: het is zwaar (oefent zwaartekracht uit) en het is traag (het kost energie om de snelheid te veranderen). We weten dat zwaartekracht en traagheid uiterst nauw samenhangen (al is door de extreem kleine grootte van de zwaartekracht G, de zwaartekrachtsconstante, met vijf cijfers veel minder nauwkeurig bekend dan bijvoorbeeld de fijnstructuurconstante met elf cijfers). Er is nooit ook maar één statistisch significante afwijking gevonden tussen de traagheid van een voorwerp en de zwaartekrachtwisselwerking die het voorwerp uitoefent. Met andere woorden: gravitonen moeten er zowel voor zorgen dat massa traag is (moeilijk te verslepen) als zwaar (andere massa aantrekt).
Energie wordt massa
Verder van belang is de invloed van snelheid en energie op zwaartekracht. Nucleonen, de verzamelnaam voor protonen, neutronen en hun meer exotische antineefjes en -nichtjes die alleen in deeltjesversnellers voorkomen, bestaan bijvoorbeeld uit drie quarks. Opmerkelijk genoeg zijn de drie quarks samen veel lichter (iets meer dan een procent) dan het totale proton of neutron. De rest van de massa zit in de deeltjes die de quarks uitwisselen, de gluonen, volgens de theorie nul, volgens experimenten in ieder geval kleiner dan elk twee procent van de massa van het nucleon, en, vooral, hun relativistische snelheid. In voorwerpen die bijna met de lichtsnelheid bewegen, neemt de massa (gezien vanaf een stilstaande waarnemer) enorm toe. Een kwantumtheorie van het graviton moet dus verklaren hoe het kan dat een hoge snelheid leidt tot meer gravitonen en ook hoe deze gravitonen meer traagheid opwekken.
Vervorming van ruimte en tijd
Het allerergste komt nu. Volgens de algemene relativiteitstheorie vertraagt de zwaartekracht de tijd en vervormt de ruimte. Als gevolg lijkt voor een waarnemer buiten het zwaartekrachtsveld het licht langzamer te bewegen (en hiermee alle natuurkundige processen). Op aarde gaat de tijd trager dan op grote hoogte. Bijna onmeetbaar, maar exact zoals door Einstein voorspeld, aangetoond met ultranauwkeurige atoomklokken. Rekening houden met relativistische effecten is essentieel voor GPS. Gravitonen hebben dus iets te maken met de fundamentele structuur van ruimtetijd. Hoe meer gravitonen, hoe kleiner de ruimte en hoe trager de tijd, m.a.w. gravitonen lijken ruimtetijd in te doen krimpen.
Met dit signalement op zak zullen we verschillende kandidaten voor de zwaartekracht de revue laten passeren.
Ons melkwegstelsel is er mee bezaaid. Enorme wolken plasma, gas zo heet dat atomen worden uiteengeslagen in ionen en elektronen. Tot voor kort werd gedacht dat plasma te chaotisch was om wat v oor structuur ook te bevatten, maar de Russische natuurkundige V.N. Tsytovitsj ontdekte met twee anderen iets opmerkelijks: stofdeeltjes die spiralen vormen die zichzelf vermenigvuldigen. En muteren…
Intelligente stofwolken en rode regen uit de ruimte
De geniale, maar nogal excentrieke astronoom Fred Hoyle schreef ook geregeld science-fiction boeken.
Chandra Wickramasinghe vermoedt dat de stofwolken tussen de sterren vol leven zijn.
In één van die boeken, The Cloud, wordt de aarde plotsklaps omgeven door een grote stofwolk van miljoenen kilometers groot. De gevolgen voor de aarde zijn nogal vervelend: extreem hoge temperaturen en weinig licht brengen de mensheid op de rand van de afgrond. Atoombommen die op de wolk worden afgeschoten komen weer op aarde terecht.
Op een gegeven moment komt het team er achter dat de wolk levend is, zeer intelligent zelfs en af is gekomen op de radiosignalen van de aarde. Uiteindelijk slaagt een team onderzoekers er in de wolk duidelijk te maken dat hij beter een andere plek kan zoeken om zich op te laden met zonlicht.
Hoyle’s student en strijdmakker, de al even briljante en excentrieke Chandra Wickramasinghe, net als Hoyle zelf een fervent panspermist, verkondigt al jaren dat de interstellaire gas- en stofwolken leven bevatten. Volgens Wickramasinghe verklaart dat de rode regen die in 2001 in de Zuid-Indiase deelstaat Kerala optrad. Deze standpunten (en hun ontkenning van de Big Bang) leverden ze weinig vrienden op bij hun collega’s.
Een onverwachte ontdekking van natuurkundige Tsytovitsj en zijn collegas’s uit Duitsland en Australië maakt het domein waar leven -zou- kunnen voorkomen in één klap een stuk groter.
Ze ontdekten namelijk -met behulp van een computersimulatie- dat in stofwolken met veel geladen deeltjes door moleculaire krachten de deeltjes zich in spiraalvormige structuren gaan organiseren die wel wat weg hebben van DNA.
Bevatten stofwolken buitenaards leven? We weten in ieder geval wel dat ze enorme hoeveelheden organische moleculen zoals aminozuren bevatten.
De spiraaltjes kunnen zich splitsen, kopiëren en muteren. Processen die tot nu toe uniek werden geacht voor DNA en RNA. Misschien dat zich ook grotere structuren kunnen vormen die door middel van elektrische ladingen bij elkaar blijven en met elkaar communiceren. Kortom: misschien ontwikkelt zich uiteindelijk iets als de Wolk. of een andere structuur die we ons niet kunnen voorstellen.
Uiteraard is het nog een lange weg vanaf deze spiraaltjes tot een intelligente stofwolk a la Hoyle of zelfs maar eencellige ruimteorganismen. Wel wijst Tsytovitsj op een andere interessante implicatie: bliksemontladingen als mogelijk bron van de levenbrengende spiraaltjes die vervolgens als matrijs de aanzet hebben gegeven tot de ontwikkeling van organisch leven.
De volgende stap in de evolutie van machines is gezet met het oprichten van een communicatienetwerk dat door robots onderling wordt gebruikt om ervaringen uit te wisselen en zo bij te leren. Computers krijgen hierdoor mogelijkheden die mensen van te voren niet kunnen voorzien. Wat kunnen de mogelijke gevolgen zijn?
Biologische evolutie krijgt concurrentie van technische evolutie Miljarden jaren was onze planeet het domein van de biologische evolutie. Door het langzame proces van Darwiniaanse evolutie ontwikkelde het leven zich uit een eencellige voorouder tot de enorme variëteit aan levensvormen die we vandag de dag kennen. Het sleutelwoord bij deze ontwikkeling is “langzaam”. Het kost doorgaans duizenden tot miljoenen jaren voor een nieuwe soort zich heeft ontwikkeld uit een oudersoort. In extreme omstandigheden, zols na een allesvernietigende natuurramp kunen dieren en planten zich weliswaar snel ontwikkelen tot nieuwe soorten, maar zelfs in dit geval gaan hier duizenden jaren of langer overheen.
Technische evolutie: razendsnelle ontwikkeling Met de komst van een levensvorm die abstract kan denken, de mens, is een tweede evolutionair domein ontstaan, de noösfeer en kon zich techniek ontwikkelen. Dat is ook gebeurd; de evolutie van techniek gaat nu werkelijk razendsnel. Onze wereld is zelfs voor iemand die honderd jaar geleden leefde onherkenbaar geworden. De reden is dat technische evolutie mogelijkheden kent die biologische evolutie voor zover we weten niet bezit. Er bestaan geen dieren die alleen door naar een ander dier te kijken, de genetische code voor bijvoorbeeld snelle poten, sabeltanden of een efficiënter verteringsproces kunnen overnemen. We kunnen niet ons lichaam herontwerpen (al doen plastisch chirurgen hun best). De menselijke techniek kan dit wel. De eerste auto leek op een koets met een motor er in in plaats van er voor. Ideeën uit andere vakgebieden worden nu snel verwerkt in technologieën waarin ze van pas komen. Echter: al deze technische evolutie kent nog een beperking. Bij elke wijziging in techniek moet er een mens tussen staan die ze bedenkt en uitvoert.
Watson kan nu al de meeste mensen kloppen bij het vragen beantwoorden in een kennisquiz.
Internet voor zelfevoluerende machines Met de komst van RoboEarth, een internet alleen voor robots verandert dit fundamenteel. Via RoboEarth kunnen robots onderling ervaringen uitwisselen en (de reden voor de naam van het project) een eigen wereldkaart ontwikkelen: Google Earth, maar dan voor robots. Lopen ze ergens mee vast, dan kunnen ze een andere robot om hulp vragen. Machines kunnen nu van elkaar leren en zichzelf herprogrammeren. Hierme is hun evolutie los komen te staan van de mens. De gevolgen hiervan kunnen niet overschat worden. Dit betekent de eerste stap naar een van de mens losstaande machine-ecologie. Vanaf nu zullen machines op hun eigen manier evolueren.
Computer slimmer dan een mens al een feit?
De huidige generatie robots is vrij dom, te vergelijken met een insekt of een niet al te slimme vis. Dit is snel aan het veranderen. Kunstmatige intelligentie op zich (niet ingebed in een robot) klopt de mens op steeds meer terreinen. Rekenwonders moesten er als eerste aan geloven. De schaakwereld wordt ook al langer geteisterd door onoverwinnelijke schaakcomputers.
Nieuw is dat ook in complexere intellectuele domeinen, waar computers tot voor kort weinig mee konden, nu computers mensen verslaan. Zo slaagt de IBM-computer Watson er steeds vaker in om in de kennisquiz Jeopardy van topkandidaten te winnen. Watson is enorm groot – negentig samenwerkende IBM Power 750 servers met samen vijftien terabyte werkgeheugen (dat is vijftien grote harde schijven) en bijna tienduizend snelle processors. Opmerkelijk detail: vijftien terabyte is volgens sommige schattingen de totale hoeveelheid informatie die het menselijk brein kan bevatten.
Als we Watson als grensgeval voor mensgelijke kunstmatige intelligentie beschouwen, waar niet iedereen het mee eens is, dan zal de komst van kwantumcomputers of een voortdurende voortzetting van de Wet van Moore (alsmede, uiteraard, slimmere AI-algoritmen) betekenen dat een computer waarvan het denkvermogen dat van een mens evenaart of overstijgt, over hooguit enkele tientallen jaren in een humanoïde robot ingebouwd kan worden (Watson kan nu al in een robot ter grootte van een blauwe vinvis ingebouwd worden). Er zijn nu al technieken in ontwikkeling om computers duizend keer efficiënter te maken, waarmee dit punt in één klap bereikt zou zijn. We krijgen dan een ras van intelligente wezens die heel snel van elkaar kunnen leren en zichzelf kunnen herontwerpen. Willen we deze richting op? We kunnen er maar beter goed over nadenken voor het te laat is…
De aarde is gastvrij voor leven: vocht, aangename temperaturen en zuurstof. Precies dezelfde redenen die de planeet voor machines een risicovolle omgeving maken. Buiten de aarde zijn de omstandigheden voor mensen onleefbaar, maar voor machines in veel opzichten ideaal: luchtledig dus geen chemisch agressieve zuurstof, geen water (die al even funest werkt) de overvloedige zonne-energie. Gaan de wegen van mens en machine zich scheiden?
Aarde is erg vijandig voor machines (en andersom)
Patman van Zaplog wees me op het uitstekende en visionaire boek Cradle to Cradle. Lezen hiervan was (en is) bepaald geen zonde van uw tijd. Eén van de inzichten hiervan is dat er in feite twee ecosystemen bestaan: de ecosfeer, bestaande uit planten, dieren en mensen en de technosfeer, de grondstoffenkringloop in de industrie.
Machines houden het vaak niet erg lang uit in het oerwoud...
Ecosfeer en technosfeer houden er een ongemakkelijke en weerbarstige relatie op na. Het wordt steeds duidelijker dat materialen uit de technosfeer, zoals plastics, mijnafval en bergen met kolenslakken en bepaalde elektromagnetische straling, funeste gevolgen hebben op de ecosfeer. Omgekeerd (vraag de slachtoffers van zeepokken of iemand met schimmel in huis maar) probeert de ecosfeer materialen uit de technosfeer op te slokken en deel uit te laten maken van zichzelf. Apparaten op plaatsen waar de ecosfeer het sterkst aanwezig is, moerassen en oerwouden bijvoorbeeld, hebben het sterkst te lijden van slijtage en zijn hulpeloos zonder menselijke technici die ze voortdurend onderhouden.
De ruimte: ongastvrij voor mensen, een paradijs voor machines
Buiten de atmosfeer verandert de situatie volkomen. Hier zijn machines sterk in het voordeel. De lage of zelfs afwezige zwaartekracht betekent dat machines doorgaans veel beter en efficiënter werken.
maar mensen nog minder lang in het luchtledig van de ruimte.
De omgeving is veel voorspelbaarder: het is makkelijker om een robot op weg te sturen naar Titan dan een robot in een oerwoud te laten lopen. In de ruimte is er niemand die last heeft van de enorme afvalhopen die industriële processen, bijvoorbeeld het winnen van erts, achterlaten. Sterker nog: dit afval kan vaak heel goed voor een ander industrieel proces gebruikt worden.
Daarentegen is de ruimte voor mensen een vijandige omgeving. Er is veel meer kosmische straling dan op aarde. Er is geen zuurstof, voedsel en water. Temperatuursverschillen zijn zeer groot (Mercurius is de recordhouder). Mensen kunnen in de ruimte alleen in leven blijven omdat er een compleet ecosysteem van machines voor zorgt dat een adembaar mengsel vast wordt gehouden en wordt ververst.
De ruimte als industriegebied, de aarde als woongebied
Met uitzondering van vijftig kilometer boven Venus (en zelfs daar is bescherming tegen kooldioxide en geconcentreerd zwavelzuur nodig) is de rest van het zonnestelsel alleen na uitgebreide technische aanpassingen, denk aan het uithollen van asteroïden of drukkoepels, voor mensen bewoonbaar.
Er zullen veel mensen zich in de ruimte vestigen – de hoeveelheid grondstoffen is enorm en met enige aanpassingen zijn de mogelijkheden echt onbegrensd – maar de meeste mensen zullen voorlopig op de aarde blijven wonen. Wel kan de industrie voor een groot deel naar de ruimte worden verplaatst. Dingen die op aarde heel veel energie kosten om te bereiken, denk aan vacuüm, microzwaartekracht en temperaturen vlak bij het absolute nulpunt, zijn in de ruimte een gegeven. Mensen kunnen in hun gerieflijke woonomgevingen op aarde of drijvende kolonies op Venus de ontwerpen maken, die door machines in ruimtestations worden verwerkt tot producten. De machines snorren en werken ongestoord door vocht, agressieve zuurstof of zwaartekracht aan delicate nanoschakelingen.
Twee fysici hebben een manier bedacht waarop voorwerpen kunnen zweven, ook al is er een zwaartekrachtsveld. Weliswaar op nanoschaal maar toch. Hiervoor maken ze gebruik van zeer kleine metalen staafjes. Is antizwaartekracht dan toch mogelijk?
Casimireffect
Het vacuüm is niet leeg, maar gevuld met een zee van zeer kortlevende deeltjesparen. Kortgeleden berekenden onderzoekers dat deze spookdeeltjes een vorm van wrijving uitoefenen.
Deze virtuele deeltjes hebben nog meer merkwaardige gevolgen. De Nederlandse natuurkundigen Hendrik Casimir en Dirk Polder voorspelden in 1948 bijvoorbeeld dat twee platen dicht bij elkaar elkaar aantrekken. De reden: sommige virtuele deeltjesparen nemen meer ruimte in beslag dan er tuissen de twee platen aanwezig is. De virtuele deeltjesparen werken afstotend, maar omdat het vacuüm alles omringt, is de netto kracht nul.
De Casimirkracht kan in bepaalde gevallen dingen laten zweven, althans op kwantumschaal.
Tussen de twee platen zijn er echter minder deeltjesparen dan om de platen heen: de vacuümdruk is veel lager. Als gevolg daarvan trekken de platen elkaar aan. Ondertussen is in experimenten aangetoond dat het Casimireffect echt bestaat.
Het gaat hier om zeer kleine afstanden: de formule om de Casimirkracht te berekenen is (niet schrikken) [latex] F=-\frac{\pi ^2 \hbar c}{240 a^4} A [/latex]. Uitleg: F is kracht, pi (ongeveer 3,14) kent u van de middelbare school, de h met een streepje er doorheen is de extreem kleine constante van Planck (6,6.10-34 Js), c de lichtsnelheid, A de oppervlakte van de platen. Let op de vierde macht van de afstand (a) in de noemer van de breuk. Het minteken betekent dat het om een aantrekkende kracht gaat.Wie het na wil rekenen: alles is in SI-eenheden, dus meters, kilo’s etc.
Wordt de afstand tussen de platen tien keer zo klein, dan wordt de Casimirkracht maar liefst tien tot de macht vier, dus tienduizend keer zo sterk. De constante van Planck is zo extreem klein dat het Casimireffect alleen bij extreem kleine afstanden een rol speelt. Bij twee platen van een vierkante meter die een meter van elkaar afstaan is de Casimirkracht ongeveer zo groot als het gewicht van een waterstofatoom. Verandert de afstand in een nanometer (een miljoenste millimeter, de lengte van tien waterstofatomen naast elkaar), dan wordt de Casimirkracht verpletterend sterk: het gewicht van 813.000 ton, iets minder dan het gewicht van alle Nederlanders bij elkaar. Geen wonder dat uitvinders van gratis energie apparaten likkebaardend kijken naar deze enorm sterke kracht.
Het Casimireffect werkt per saldo aantrekkend. Voor antizwaartekracht wil je uiteraard iets dat afstoot om je vliegtuig zwevend te houden. Als je UFO onwrikbaar aan de startbaan gekleefd blijft, wordt het nooit wat met je samenzwering voor wereldoverheersing. De twee natuurkundigen Stanislav Maslovski and Mário Silveirinha van de universiteit van Coimbra in Portugal hebben nu iets bedacht om afstoting te genereren. Al eerder werd gewerkt met exotische metamaterialen die tussen de twee oppervlakken waarvan je wilt dat ze elkaar afstoten, worden geplaatst. Deze metamaterialen wekken per saldo een afstotend Casimireffect op. Nu blijkt dat hetzelfde effect ook kan worden bereikt met veertig nanometer dikke metalen staafjes die op het ene oppervlak worden geplaatst. De metalen “kaarsen” kanaliseren de kwantumfluctuaties in het vacuüm zodanig dat ze alles wat er tussen de staafjes komt, afstoten. Stel dat de andere metalen plaat geperforeerd is waardoor de staafjes precies in de gaten van de andere plaats passen, dan blijven ze elkaar afstoten met een – als de druk waarmee ze op elkaar geperst worden maar hoog genoeg wordt – op den duur onmetelijk sterke kracht.
Toepassingen
Met een vliegende schotel die niet verder dan een paar nanometer van de grond komt schiet je uiteraard weinig op, maar er zijn andere interessante toepassingen. Denk eens aan wrijvingsloze vliegwielen, ideaal voor energieopslag. Zweeftreinen op een monorail (al moet je nog iets verzinnen tegen de luchtweerstand en een configuratie bedenken dat de platen horizontaal ten opzichte van elkaar kunnen bewegen). Schokdempers op nanoschaal. Uiteraard zijn er nog veel meer. Hebben jullie ideeën?
Het Niets is minder leeg dan door Einstein werd gedacht. Een dichte zee virtuele deeltjes, een gevolg van de kwantumonzekerheid vult zelfs de leegste ruimte. En remt, zo leiden onderzoekers af, zelfs stofdeeltjes af. Newton zou zich in zijn graf omdraaien…
Virtuele deeltjes: spookmaterie
We kunnen niet precies weten of een stukje ruimte helemaal leeg is. Niet omdat onze meetinstrumenten niet goed zijn, maar door een fundamentele beperking, de kwantumonzekerheid. Hoe korter het tijdsinterval, hoe minder precies we de energie kunnen weten. Virtuele deeltjes, spookdeeltjes, ontstaan omdat we op grond van deze fundamentele onzekerheidsrelatie van Heisenberg niet kunnen uitsluiten dat ze gedurende een zeer korte tijd niet bestaan. De virtuele deeltjes worden in paren gevormd en vallen in een ontelbaar korte tijd weer uiteen.
Virtuele deeltjesparen bestaan uit een deeltje en een antideeltje, of deeltje dat terug in de tijd reist.
Dat de deeltjes bestaan en niet alleen een theoretisch verzinsel zijn, weten we uit meerdere experimenten. Zo zouden bijvoorbeeld elektronen bij metingen een sterkere lading moeten hebben dan werkelijk wordt gemeten. De afwijking wordt veroorzaakt omdat spook-deeltjesparen van elektronen en anti-elektronen (positronen) zich zo draaien dat de spook-positronen richting het elektron gaan staan en het zo afschermen.
Ook het bizarre Casimir-effect kan door virtuele deeltjes worden verklaard. Twee platen die vlak bij elkaar staan (in de praktijk: enkele atoomdiktes), trekken elkaar aan. Omdat zich in de nauwe ruimte tussen twee platen minder virtuele deeltjes kunnen vormen dan in het “normale” vacuüm, oefent dit leger-dan-lege vacuüm minder druk uit dan normaal vacuüm. Het resultaat: de platen worden op elkaar geperst. Ook is het in 2010 gelukt om deeltjes (elektron-positron paren) uit het niets te scheppen met niets anders dan geconcentreerd laserlicht. De laser leverde de energie die nodig was om de virtuele elektronen en positronen reëel te maken.
De kwantummechanica stelt dat een voorwerp, ook al bevindt het zich in totaal vacuüm, in werkelijkheid voortdurend in contact staat met virtuele deeltjes. Virtuele deeltjes gedragen zich als een gas, dat wil zeggen dat onvoorspelbaar is welke richting ze bewegen. Het gevolg is dat als een voorwerp snel ronddraait, de virtuele deeltjes rond het voorwerp versneld worden in de draairichting. De Spaanse fysici Alejandro Manjavacas en F. Javier GarcÃa de Abajo van het Optisch Instituut in Madrid voorspellen dat virtuele fotonen die een voorwerp tegen de draairichting in raken, meer impuls krijgen dan virtuele fotonen die met het voorwerp mee bewegen. Het gevolg: de fotonen met veel energie worden reëel en het voorwerp verliest draaiingsenergie. De energie moet immers ergens vandaan komen.
Zware deeltjes met een reflecterend oppervlak zoals gouddeeltjes zullen nauwelijks beïnvloed worden door dit effect. Het verhaal wordt anders voor roetdeeltjes waar kosmische stofwolken mee bezaaid zijn. Op kamertemperatuur kost het tien jaar voordat een stofdeeltje van 0,1 micrometer tweederde van zijn draaisnelheid heeft verloren. In de koude interstellaire ruimte (drie kelvin) duurt dit 2,7 miljoen jaar. In hete gebieden van zevenhonderd graden duurt dit slechts drie maanden.
Het is dus mogelijk om zelfs in de absolute leegte te remmen.
Zou het in theorie mogelijk zijn dat er een levensvorm bestaat, bestaande uit iets anders dan materie? Een verkenning van de mogelijkheden.
Wat is leven?
De definitie van wat leven is, wordt steeds verder opgerekt. Een aantal kenmerken duiken echter steeds weer op. Levende organismen kennen een vorm van stofwisseling (het omzetten van het ene in het andere), houden zichzelf in dezelfde toestand, kunnen groeien, kunnen zich voortplanten en kunnen zich door natuurlijke selectie aanpassen aan hun omgeving in opeenvolgende generaties: evolutie.
Hier op aarde kennen we eencelligen als archeae en bacteriën tot sequoia’s, vinvissen en alles er tussenin. Al deze levensvormen hebben gemeen dat ze uit cellen bestaan en op dezelfde biochemie van eiwit, RNA en DNA zijn gebaseerd.
Niet-organisch leven
Toch zijn dit niet alle denkbare levensvormen. Mogelijk bestaan er levensvormen die niet op de aardse biochemie maar een ander principe zijn gebaseerd.
Buitenaards leven zou gebaseerd kunnen zijn op silicium in plaats van koolstof, al achten wetenschappers de kans erg klein: silicium is chemisch veel weerbarstiger dan koolstof.
Autokatalytische verschijnselen als vuur, tinpest en kristallen, ook RNA-strengen, prionen en andere moleculen zijn in staat zich te vermenigvuldigen. Gooi een zeer klein kristalletje natriumsulfaat (glauberzout) in een verzadigde natriumsulfaatoplossing en er vormt zich snel een enorm kristal. Sommige kristallen splitsen zichzelf tijdens het groeien in stukken die ook weer uit kunnen groeien. Er is sprake van een structurele verandering, metabolisme dus, en vermenigvuldiging. In de meeste gevallen zijn deze structuren niet in staat om te evolueren omdat ze nauwelijks informatie bevatten. In enkele gevallen (zoals RNA maar ook bepaalde mineralen zoals kleiplaatjes) zijn wel ingewikkelder structuren mogelijk. Onderzoekers testen nu bijvoorbeeld uit of bepaalde typen metaaloxiden dergelijke evoluerende structuren kunnen vormen.
Leven dat niet uit vaste materie bestaat Computervirussen leven in een niet-organisch ecosysteem. Ook de bewoners van digitale werelden zijn in staat tot evolutie (en worden daarom vaak om die reden voor evolutieonderzoek gebruikt). Het gat hier om kunstmatige leefomgevingen, maar in principe moet ieder natuurkundig systeem waarin er entropie bestaat en op de een of andere manier informatie op kan slaan en verwerken, in principe leven kunnen herbergen, denken sommigen. Leven zou dan kunnen bestaan in sterren, op de oppervlakte van neutronensterren, als wervelwinden in de atmosfeer van een gasreus, misschien zelfs als licht dat op de een of andere manier met elkaar verknoopt is. Of Efimov-ringen. Omgevingen die te chaotisch zijn komen vermoedelijk niet in aanmerking omdat levende structuren in een fractie van een seconde uit elkaar worden gerukt.
Omgekeerd: we weten nog maar heel weinig. Misschien dat zelfs de structuur van ruimte-tijd zelf ontastbare levensvormen bevat. We weten dat op het allerdiepste niveau enorm veel complexiteit zit. Er moeten kwantumatomen bestaan ter grootte van de constante van Planck. Ons eiland van kennis wordt omringd door een oceaan van onwetendheid, en al wordt ons eiland snel groter, de oceaan is nog steeds onafzienbaar groot.
