Universum

Leven we in een wiskundig stelsel?

10 reacties / Filosofie, Ideeën en techniek, Universum, Wetenschap / Door / 30 december 2014

Stel dat we allemaal in een enorme wiskundige theorie leven, bijvoorbeeld de natuurlijke getallentheorie. De gedachte is minder gek dan het lijkt. Zo wordt namelijk een netelig filosofisch probleem opgelost. En is wat een Big Bang lijkt is iets heel anders. De gedachte dat we in een wiskundige theorie leven, is niet nieuw en kent een eerbiedwaardige voorgeschiedenis. De Griekse filosoof en mysticus Pythagoras geloofde met zijn aanhangers, de Pythagoreeërs, dat ons heelal uit getallen bestaat.

De Pythagorasboom, een vroege fractal, bedacht door de Nederlandse wiskundeleraar Albert Bosman lijkt levend, maar is een wiskundige structuur.
De Pythagorasboom, een vroege fractal, bedacht door de Nederlandse wiskundeleraar Albert Bosman lijkt levend, maar is een wiskundige structuur.

Alles is wiskunde
Pythagoras ontleende zijn ideeën waarschijnlijk van eerdere, Indische wijsgeren die als eersten werkelijk verbijsterend grote getallen construeerden. Zo is de grootste tijdeenheid in de hindoeïstische mystiek, de mahamanvantaram, zo’n 311,04 biljoen jaar: meer dan twintigduizend keer zo lang als de ouderdom van het heelal. De hele natuurkunde gaat uit van de veronderstelling dat het heelal op wiskundige wijze is te beschrijven. Met Pythagoras’ sekte liep het niet al te best af – ze bemoeiden zich te veel met politiek en boze ex-sekteleden begonnen een gewapende aanval – maar de ideeën van de Pythagoreeërs leefden voort en werden in de loop der eeuwen verder uitgewerkt in de vorm van wiskunde en natuurwetenschap.

Wat is wiskunde?
Als enige exacte wetenschap is wiskunde zowel reëel als imaginair. Niemand heeft ooit het getal twee of een driehoek gezien; toch gedraagt een twaalftal knikkers zich precies zo als het getal twaalf: het kan slechts worden gedeeld door twee, drie, vier, zes en twaalf (of je moet ze kapotslaan: het dagelijks-leven equivalent van breuken). Deze eigenschap geldt voor alle objecten met een eigen ondeelbare identiteit, of het nu om elektronen, atomen, mieren, mensen, bakstenen, manen, planeten of sterren gaat. Het lijkt dus alsof getallen een metafysische realiteit hebben die ze overal in het heelal laat opduiken.

De grote wiskundige theorieën, denk aan TNT (typographical number theory, de natuurlijke getallentheorie), de meetkunde van Euclides of topologie zijn alle afgeleid van een beperkt aantal beginstellingen: axioma’s. Hierbij worden bepaalde simpele regels gevolgd. Zo is in de natuurlijke-getallentheorie het getal één datgene wat volgt op nul, notatie: S0 (successor van nul). Twee is wat volgt op één: S(S0), dus SS0. Enzovoort.  Op die manier is uit de axioma’s van de getallentheorie elk natuurlijk getal te vormen. Uit een paar axioma’s ontstaat een explosie van stellingen, want door twee stellingen te combineren, ontstaan weer nieuwe stellingen.

Wat wiskunde ook een ijzersterke kandidaat maakt als kraamkamer voor een Theorie van Alles. Immers, er is geen onderliggend systeem nodig om wiskunde te produceren. Het is er al op het moment dat je de axioma’s (beginstellingen) bedenkt. Fysica die voortkomt uit metafysica.

Hoe zou een intelligent, uit wiskundige stellingen bestaand wezen zijn wereld zien?

De oplossingen van sommige chaotische wiskundige systemen lijken om bepaalde punten heen te dansen: de verborgen attractoren.
De oplossingen van sommige chaotische wiskundige systemen lijken om bepaalde punten heen te dansen: de verborgen attractoren.
Stel, er bestaat een wiskundig stelsel dat met wat simpele bewerkingen heel veel complexiteit produceert. Hoe verder je af raakt van het beginaxioma, hoe groter het aantal mogelijke afgeleide stellingen. Dus zou het voor een intelligente waarnemer in dit stelsel het lijken alsof de ‘wereld’ in het ‘verleden’ veel kleiner was en in het verre verleden begonnen is met een ‘oerknal’ (de beginaxioma’s).  Dit zou het heelal van het wezen ook een duidelijke tijdpijl verschaffen.

In veel wiskundige, chaotische systemen kennen we ook iets dat zich een beetje gedraagt als zwaartekracht (al zijn er uiteraard veel elementen die er niet overeenkomen): verborgen attractoren. Als het wezen om een verborgen attractor ‘draait’, zal hij dat ervaren als draaien om een zwaar object. Sommige stellingen leiden samen tot één onontkoombare eindconclusie: een zwart gat met een singulariteit in het centrum. Sneller dan het licht kan niet: elke stelling moet rigide afgeleid worden van eerdere stellingen zonder doorsteekjes. Kortom: het heelal van een dergelijk wezen zou wel eens veel op dat van ons kunnen lijken…

{Edit: n.a.v. de terechte op- en aanmerkingen van Attercopus bijgewerkt}

Singulariteiten, punten waar natuurwetten onzinnige waarden opleveren, worden daarom intens gehaat door natuurkundigen.

Leven na de dood in zwarte gat

14 reacties / Filosofie, Universum, Wetenschap / Door / 26 december 2010

Volgens een nieuwe theorie leef je voort als je in een zwart gat valt. Als geest, elders in het heelal.

Toegegeven: je moet er wel voor in de snaartheorie geloven en het experimentele bewijs daarvoor (niets, zelfs het Higgsdeeltje is nog niet gevonden) vinden we niet echt overtuigend. Daartegenover staat dat bijna alle theoretisch natuurkundigen fervente aanhangers van de snaartheorie zijn. En laten we eerlijk zijn, het idee dat we hierna bespreken is erg interessant voor visionair denkenden.

Zwarte gaten slokken alles op, zelfs licht. Niets kan ontsnappen volgens Einstein en Hawking. Informatie misschien wel, volgens twee fysici.
Zwarte gaten slokken alles op, zelfs licht. Niets kan ontsnappen volgens Einstein en Hawking. Informatie misschien wel, volgens twee fysici.

De gevreesde singulariteiten
Het verhaal begint bij zwarte gaten: objecten, meestal uitgeputte zware sterren, zo zwaar dat ruimtetijd eromheen zich opkrult en de ster afsluit van de rest van het heelal. Naar binnen gaan kan wel, naar buiten nooit meer. Na vele miljarden jaren (de precieze tijd hangt af van de massa, hoe groter hoe langzamer) verdampen de zwarte gaten door middel van Hawkingstraling, een soort warmtestraling.
Volgens Einsteins relativiteitstheorie gaat de ineenstorting door tot alle materie is samengeperst in een wiskundig punt, de singulariteit, waar onze natuurwetten niet meer opgaan. Singulariteiten zijn daarom gevreesde ondingen.

Singulariteiten, punten waar natuurwetten onzinnige waarden opleveren, worden daarom intens gehaat door natuurkundigen.
Singulariteiten zijn punten waar natuurwetten onzinnige waarden opleveren. Ze worden intens gehaat door natuurkundigen.

Geen wonder dat theoretisch natuurkundigen er alles aan doen om van singulariteiten af te komen. Een reden dat de snaartheorie zo populair is, is dat singulariteiten niet voorkomen in de snaartheorie: ruimtetijd bestaat volgens die theorie uit elementaire snaren.

Informatie die verdwijnt in het niets?
Een tweede vervelend probleem met zwarte gaten is de informatieparadox. Stel, je kiepert al je reclamedrukwerk (of aanmaningen van de deurwaarder, dat foeilelijke beeldje van je schoonmoeder of slechte rapportcijfers) in een zwart gat. Dan verdwijnen die voorgoed. Er is geen enkele manier waarop deze informatie terug te halen is.

Dat is in strijd met de kwantummechanica. Deze zegt dat in een waarschijnlijkheidsgolffunctie informatie altijd behouden blijft (in wiskundige termen voor de liefhebber: de Schrödingervergelijking is een unitaire operator die altijd ondubbelzinnige uitkomsten geeft). En met kwantummechanica wil je als natuurkundige geen ruzie hebben, tenzij je Albert Einstein heet: QED, kwantumelektrodynamica, is namelijk verreweg de nauwkeurigste natuurkundige theorie die er bestaat. We kunnen soms tot op veertien decimalen, dat is één op honderd biljoen, nauwkeurig voorspellen hoe een door QED beschreven verschijnsel (het grootste deel van de natuurkunde, de complete scheikunde en daarvan afgeleide wetenschappen bijvoorbeeld) zich gedraagt. Ter vergelijking: G, de zwaartekrachtsconstante die zegt hoe sterk twee kilo’s op een meter afstand elkaar aantrekken, kennen we slechts met een miezerige vier decimalen precies.

Geest ontsnapt uit zwart gat
Weliswaar kan de materie waaruit we bestaan niet ontkomen aan het zwarte gat – Einsteins algemene relativiteitstheorie en ook de snaartheorie zijn daar onverbiddelijk over – er blijkt toch een escape te zijn.

Leven na de dood? Als de theorie van Frolov en Mukohyama klopt, kan informatie door een braantunnel ontsnappen uit een zwart gat.
Leven na de dood? Als de theorie van Frolov en Mukohyama klopt, kan informatie door een braantunnel ontsnappen uit een zwart gat.

Volgens de snaartheorie zijn er namelijk meer dimensies dan vier (lengte, breedte, hoogte, tijd) en sloopt een zwart gat ruimtetijd zo grondig dat de anders verborgen zeven dimensies (hemelen voor de mystici onder u) zichtbaar worden. De theoretisch fysici Valeri Frolov van de universiteit van Alberta in Canada en Shinji Mukohyama van de universiteit van Tokyo denken dat ons heelal in een meerdimensionaal multiversum zweeft en dat het goed mogelijk is dat de meetkunde in het multiversum heel anders is dan die van ons. Met andere woorden: punten die in onze wereld niet met elkaar verbonden zijn, zijn dat in het multiversum misschien wel. De informatie, de geest, van de ongelukkige die in een zwart gat valt, duikt zo misschien op in een heel ander deel van het heelal. Als die informatie bij elkaar blijft, tenminste.

Frolov en Mukohyama noemen dit een braangat (braan is een snaartheorieterm voor een n-dimensionaal vlak, een plat vlak is bijvoorbeeld een 2-braan en een lijn een 1-braan).
Braangaten hebben het nadeel (of voordeel) van alle wormgaten. Je kan er namelijk in principe sneller dan het licht of zelfs door de tijd mee reizen. Je zou dus jezelf in het verleden de winnende combinatie van de lotto kunnen toefluisteren. Of kunnen waarschuwen dat je vooral niet in het zwarte gat moet springen…

Resten van sterren in de Grote Magalhaese Wolk. Bron/(c): NASA

Magelhaese Wolken veel jonger dan melkwegstelsel

9 reacties / Universum, Wetenschap / Door / 22 december 2010

Nog vreemder is dat beide satellietstelsels meer licht uitstralen dan vrijwel alle andere satellietstelsels. Het lijkt er steeds meer op dat ons melkwegstelsel een buitenbeentje is.

Resten van sterren in de Grote Magalhaese Wolk. Bron/(c): NASA
Resten van sterren in de Grote Magalhaese Wolk. Bron/(c): NASA

Ons melkwegstelsel is niet alleen. Het maakt met de Andromedanevel onderdeel uit van de Lokale Groep, onze familie van melkwegstelsels.

Ons melkwegstelsel heeft voor zover we weten twee satellietstelsels: de Grote en de Kleine Magelhaese Wolk. Dit zijn kleine, onregelmatige melkwegstelsels die (denken de meeste astronomen) langzaam op worden geslokt door ons eigen melkwegstelsel.

Met de Grote Magelhaese Wolk is wat opmerkelijks aan de hand, stelt de Canadese topastronoom Sidney van den Bergh. Deze is namelijk extreem helder. Er zijn nauwelijks satellietstelsels te vinden die helderder zijn dan dit dwergmelkwegstelsel.

Beide dwergmelkwegstelsels zijn ook erg gasrijk en metaalarm (astronomen noemen alles wat zwaarder is dan waterstof of helium een metaal) wat duidt op een veel jongere leeftijd dan die van onze eigen melkweg. 

Ook opmerkelijk is dat van meer dan 22 000 melkwegstelsels die lijken op het onze, slechts 3,5 procent twee of meer satellietstelsels heeft die zo helder zijn als de Magelhaese Wolken.

Kortom: niet alleen onze thuisplaneet, maar ook onze melkweg zelf blijkt uniek. Uiteraard heeft deze ontdekking al heel wat discussie uitgelokt over mogelijke implicaties voor het ontstaan van intelligent leven.

Astronomen ontdekten vier raadselachtige vlekken in de kosmische achtergrondstraling (kwadrant rechtsonder). Bewijs voor botsingen met andere universa? Bron: P. Feeney et al.

Bewijs voor andere universa gevonden

7 reacties / Universum, Wetenschap / Door / 4 november 2021

Analyse van de kosmische achtergrondstraling heeft aangetoond dat er minstens vier grote ringvormige structuren in het heelal bestaan, elk ongeveer vier graden breed: acht keer zo groot in schijnbare diameter als de zon of volle maan. Dit is veel te groot om door bekende astrofysische processen veroorzaakt te zijn. De meest logische verklaring is volgens de meeste kosmologen dat het hier om andere universa gaat die met het onze gebotst zijn.

Astronomen ontdekten vier raadselachtige vlekken in de kosmische achtergrondstraling (kwadrant rechtsonder). Bewijs voor botsingen met andere universa? Bron: P. Feeney et al.
Astronomen ontdekten vier raadselachtige vlekken in de kosmische achtergrondstraling (kwadrant rechtsonder). Bewijs voor botsingen met andere universa? Bron: P. Feeney et al.

Gaat het hier inderdaad om andere universa?
De vlekken tonen alle kenmerken die heelallen die met het onze botsen zouden vertonen.

Al in 2007 is een enorm gapend gat, een miljard lichtjaar in doorsnede, gevonden waarin de achtergrondtemperatuur lager bleek dan in de rest van het heelal. In het gat bevinden zich nauwelijks melkwegstelsels.

Een lagere achtergrondtemperatuur betekent dat het opgeslokte heelal verder was uitgezet dan het onze, dus ouder was, toen het met het onze in botsing kwam. Een van de andere drie gebieden kent juist een hogere achtergrondtemperatuur dan de rest van het heelal. Dit was dus van jongere leeftijd  toen de botsing plaatsvond.

Opmerkelijk is in ieder geval dat er geen bolsymmetrie aanwezig is: de vlekken zijn niet volmaakt rond. In veel kosmologische theorieën wordt die bolsymmetrie wel verondersteld. Die theorieën kunnen als het hier inderdaad om andere universa gaat,  in hun huidige vorm de prullenmand in.

Wachten op bevestiging
Op dit moment is de Planck satelliet van de Europese ruimtevaartorganisatie ESA metingen aan het uitvoeren. Deze zijn in 2012 afgerond. Planck meet de polarisatie, de richting waarin fotonen van de kosmische achtergrondstraling trillen. Deze is van standaard kosmische achtergrondstraling nul: alle richtingen komen door elkaar voor. Door de heftige vervorming van ruimtetijd bij de botsing zal, als de ‘spots’ inderdaad overblijfselen van zusterheelallen zijn, ook de polarisatierichting in een bepaalde manier afwijken.

Gevolgen voor ons
Het bestaan van alternatieve universa heeft enorme implicaties. Niet langer zullen we opgesloten zijn in dit heelal, wat volgens vrijwel alle kosmologische theorieën uiteindelijk ten dode opgeschreven is. We kunnen wellicht een manier vinden om te ontsnappen naar een jong universum en daar een nieuw bestaan opbouwen.

Vitaly Efimov werd uitgelachen maar kreeg veertig jaar na de publicatie van zijn voorspelling door een experiment gelijk.

Efimov-ringen: nieuwe vorm van materie gevonden

4 reacties / Universum, Wetenschap / Door / 18 december 2010

Het periodiek systeem van scheikundeles uit de middelbare school krijgt concurrentie.

Borromeaanse ringen. Het weghalen van één ring betekent dat de twee andere ringen uiteen vallen.
Borromeaanse ringen. Het weghalen van één ring betekent dat de twee andere ringen uiteen vallen.

Bosonen, een bepaalde groep elementaire deeltjes, blijken weliswaar niet in paren, maar wel in drietallen een stabiele binding te kunnen aangaan. Dit opent een venster op totaal nieuwe materialen. En kunnen we eindelijk het raadsel van kwantumverstrengeling oplossen?

De Russische, later naar de VS geëmigreerde natuurkundige Vitaly Efimov voorspelde in 1970 dat bepaalde kwantumdeeltjes die geen paren kunnen vormen, onder bepaalde omstandigheden wel drietallen kunnen vormen. Deze drietallen hebben iets weg van Boromiaanse ringen: haal er eentje weg en de twee andere ringen laten los.

Vitaly Efimov werd uitgelachen maar kreeg veertig jaar na de publicatie van zijn voorspelling door een experiment gelijk.
Vitaly Efimov werd uitgelachen maar kreeg veertig jaar na de publicatie van zijn voorspelling door een experiment gelijk.

Bosonen en fermionen: een kwestie van spin
Spin is een bizarre kwantumeigenschap die je kan opvatten als de draairichting en -snelheid van een deeltje. Een bal kan je in allerlei richtingen, snelheden en linksom of rechtsom laten tollen. Een kwantumdeeltje kan alleen linksom of rechtsom tollen met hele of halve eenheden. Een spin van bijvoorbeeld 0,33 kan dus niet.

In kwantumtermen kunnen alle deeltjes in twee groepen worden verdeeld: bosonen met een heeltallige spin en fermionen (die een halftallige spin hebben).  Bosonen, bijvoorbeeld lichtdeeltjes en helium-4 atomen, zijn de spreekwoordelijke makke schapen. Het is vrij makkelijk om ze bij elkaar in de buurt te brengen. In kwantumtermen: hun golffuncties overlappen elkaar.

Dat is bij fermionen (bijvoorbeeld elektronen en helium-3 atomen) heel anders: de kans dat ze bij elkaar in de buurt komen is nul (het Pauliverbod). Twee fermionen (denk aan elektronen in een supergeleider) kunnen wel een Cooperpaar vormen dat bosoneigenschappen heeft: de spin van beide deeltjes samen wordt een geheel getal. Zo bestaat supervloeibaar helium-3 uit Cooperparen helium-3 atomen.

Efimov-trio’s
Efimov voorspelde in 1970 dat deeltjes met een heeltallige spin, bosonen dus, onder bepaalde omstandigheden een stabiel drietal konden vormen. De interacties gaan resoneren en houden elkaar dan precies in evenwicht. Het effect is bij ‘gewone’ atomen extreem zwak, de reden dat pas in 2006 Efimov-trio’s zijn aangetroffen in cesiumdamp. Pas toen was er de techniek om atomen tot onder een miljoenste graad boven het absolute nulpunt te koelen.

Wat is het praktisch nut?
Op dit moment, 13,5 miljard jaar na de Big Bang: nul. Zelfs in de ijskoude ruimte tussen de sterren is de temperatuur nog drie kelvin, miljoenen malen te hoog. Misschien dat we er een nieuw type quantumcomputer mee zouden kunnen bouwen of een ultragevoelige detector, bijvoorbeeld van zwaartekrachtsgolven.

Voorbeelden van ingewikkelder Efimov-structuren, 'atomen'. Klik voor een vergroting. Bron: Arxiv/Nils Baas
Voorbeelden van ingewikkelder Efimov-structuren, 'atomen'. Klik voor een vergroting. Bron: Arxiv/Nils Baas

Interessanter is dat we materie kunnen scheppen die niet is beperkt tot onze drie dimensies. Topologisch wiskundige Nils Baas heeft  nog veel ingewikkelder structuren dan de simpele Boromiaanse ringen berekend. Waar uiteraard nog veel extremere koeling voor nodig is. Baas denkt ook dat deze ingewikkelde structuren wel eens kwantumverstrengeling, wat de wetenschap al tachtig jaar hoofdpijn bezorgt, zouden kunnen verklaren.

Zeer verre toekomst
Op dit moment gaan kosmologen er van uit dat de uitzetting van het heelal steeds sneller zal gaan door een op hol geslagen kosmologische constante en dat we uiteindelijk tot atomen uit elkaar zullen worden gerukt. Klopt die theorie niet, en dat zal niet voor de eerste keer zijn in de geschiedenis van de wetenschap, dan is er een goede kans dat ons heelal in de verre toekomst afkoelt tot miljoenste graden boven het absolute nulpunt.

In deze verre toekomst zijn sterren volkomen uitgebrand. De “behaaglijke” drie kelvin van de achtergrondstraling is dan zo laag geworden dat Efimovstaten de regel worden. Wie weet vormt zich dan een nieuwe ijle vorm van materie, die zeer traag zal reageren. Een nieuwe Efimov-chemie. En nieuw intelligent leven, een soort gaswolk, dat onze wereld misschien wel ziet als een vernietigende Big Bang…

De aardappelvormige planetoïde Eros. Wat liet stofjes uitgroeien tot planetoïden? De zwaartekracht is daarvoor te zwak.

Voorouderster zaaide planetenzaden

Laat een reactie achter / Universum, Zonnestelsel / Door / 15 december 2010

Er is op dit moment nog geen enkele theorie die echt overtuigend verklaart waar de eerste planeten vandaan komen en hoe een stofwolk zich verdichtte. Het probleem dat keer op keer optreedt is de noodzakelijkheid van de aanwezigheid van condensatiekernen. Voor bijvoorbeeld regendruppels is hier niet veel voor nodig, elektromagnetische krachten (die verantwoordelijk zijn voor condensatie van water) zijn sterk.

De aardappelvormige planetoïde Eros. Wat liet stofjes uitgroeien tot planetoïden? De zwaartekracht is daarvoor te zwak.
De aardappelvormige planetoïde Eros. Wat liet stofjes uitgroeien tot planetoïden? De zwaartekracht is daarvoor te zwak.

Zwaartekrachts-condensatiekernen
Zwaartekracht is veel en veel zwakker, daarom moeten zwaartekrachtcondensatiekernen veel groter zijn: bij de temperaturen in een interstellaire stofwolk ongeveer zo groot als een grote planetoïde of kleine maan. Volgens de huidige theorieën zou condensatie beginnen bij zeer kleine stofjes. De meeste stofdeeltjes in interstellaire stofnevels zijn ongeveer zo groot als de golflengte van infraroodstraling: enkele micrometers  (duizendste millimeter). Volgens de theorie zouden eerst door elektromagnetische aantrekking, daarna door zwaartekrachtswerking de stofjes elkaar aantrekken.

De ‘missing link’ tussen stofjes en planetoïden ontbreekt
Het probleem met deze theorie: de zwaartekracht is voor kleine objecten veel te zwak. Zo is de zwaartekracht die twee menselijke lichamen op een meter afstand van elkaar uitoefenen ongeveer zo groot als het gewicht van een grote bacterie. Toch weten we uit de vervalsnelheid van radioactieve elementen zoals uranium en thorium dat de voorouderster van de zon niet al te lang geleden moet zijn ontploft en de stofwolk heeft geproduceerd. Iets moet er voor hebben gezorgd dat het proces van samensmelting veel sneller is gaan verlopen, dus de wolk hebben ingezaaid met grote zwaartekrachtskernen.

Een uitgebrande ster op het punt van ontploffen. In de buitenste schil wordt nog waterstof samengesmolten (gefuseerd) tot helium. Daarbinnen volgen helium, koolstof, neon, zuurstof, silicium en ijzer. Fusie van ijzer kost energie, dus stort de ster in elkaar, als gevolg stijgt de temperatuur weer enorm en ontstaat een verwoestende supernova.
Een uitgebrande ster op het punt van ontploffen. In de buitenste schil wordt nog waterstof samengesmolten (gefuseerd) tot helium. Daarbinnen volgen helium, koolstof, neon, zuurstof, silicium en ijzer. Fusie van ijzer kost energie, dus stort de ster in elkaar, als gevolg stijgt de temperatuur weer enorm en ontstaat een verwoestende supernova.

Het familieverhaal van de zon
Wellicht dat we hiervoor verder terug in de tijd moeten, om precies te zijn bij de ontploffing van de voorouder van de zon, een enorme zuurstofrijke O-ster. In vaktermen was dat een type IIa supernova. Als sterren van die grootte de geest geven, zijn ze opgebouwd uit concentrische schillen fusieproducten. Uit nieuwe computersimulaties en ook uit waarnemingen aan supernova 1987A blijkt dat de explosie van supernova’s een zeer chaotisch proces is.

Van de mooie concentrische schillen hiernaast blijft dan weinig over. Brokken schil, bijvoorbeeld de nikkel-ijzer kern en silicium-zuurstof in het midden, worden dan ver weg geslingerd.

Voorouder zon zaaide planetenzaden

Misschien verklaart dit waarom de aarde en Mercurius zo’n grote nikkel-ijzer kern hebben. Domweg een groot stuk ontplofte ster dat in de loop van miljoenen jaren andere brokstukken ster opgeslokt heeft. In sommige meteorieten is gesteente afkomstig van andere supernova’s aangetroffen.

Een ander groot raadsel wordt ook zo opgelost. Dit is waarschijnlijk de reden waarom de producten van het zogenaamde r-proces, een proces waarbij atoomkernen steeds weer neutronen invangen tot de neutronlimiet, zeg maar in een natuurlijke kernreactor zitten, niet waargenomen is bij supernova 1987a. Het r-proces is nodig om te verklaren waarom atoomkernen op aarde doorgaans dicht bij de maximale neutronenlimiet zitten.

Uiteraard merk je niets van die producten als die niet in de vorm van gas, maar massieve brokken sterkern rondzwerven. Zaden als het ware die zich later zullen ontwikkelen tot nieuwe planeten en sterren. Een hypothese die we nog niet in print hebben gezien.

femtotechnologie

Femtotechniek: zijn machines zo groot als een atoom mogelijk?

4 reacties / Universum, Wereld, Wetenschap / Door / 25 november 2022

Atomen zijn bijna helemaal leeg. Sommige visionaire natuurkundigen durven dus al na te denken over een techniek die nu nog extreem ver buiten ons bereik ligt: femtotechniek.

Nanotechniek: atomenlego
De tijd dat atomen voor het eerst zichtbaar werden gemaakt met een elektronenmicroscoop ligt nog maar pas achter ons. Steeds meer onderzoekers stellen zich niet meer tevreden met een hele massa atomen tegelijk te manipuleren – scheikunde – maar willen apparaatjes en materialen atoom voor atoom samenstellen.

Atoom bestaat uit leegte
Een nanometer is een miljoenste millimeter. Atomen bevinden zich op nanoschaal – zo is een waterstofatoom 0,05 nanometer groot. Het grootste atoom, cesium, is zes keer zo groot.

femtotechniek

Er passen dus twintig miljoen waterstofatomen of drie miljoen cesiumatomen op een millimeter. Klein, dat zeker. Maar de atoomkern is nog honderdduizend maal kleiner. Zou een atoom zo groot worden als heel Nederland, dan zou de atoomkern drie meter groot zijn. Of voor de echte visionairen: als een atoom zo groot zou zijn als de aarde, past de kern nog net in de Kuip.

Femtotechniek
Een femtometer, de grootte van een kleine atoomkern, is een miljoen maal kleiner dan een nanometer. De hoeveelheid lege ruimte in een atoom is werkelijk immens. Als je nullen en enen uit protonen en neutronen zouden bestaan, zou je in theorie in een enkel atoom meer informatie kunnen proppen dan op duizend complete ultramoderne harde schijven. Volgens sommigen is dat meer dan de informatie in een menselijk brein. Je zou dan alle herinneringen van de complete wereldbevolking kunnen plaatsen in een kleine bacterie. Wel zou die bacterie ongeveer een ton wegen.

De femtowereld: extreem energierijk en snel
Er zijn maar drie stabiele subatomaire bouwstenen: protonen, neutronen en elektronen. Zelfs losse neutronen vallen in gemiddeld tien minuten uit elkaar. Op atoomkernschaal zijn er maar twee krachten echt relevant: de nucleaire kracht, die protonen en neutronen aan elkaar laat kleven (een overblijfsel van de extreem sterke kernkrachten die quarks op elkaar uitoefenen binnen protonen en neutronen) en de elektromagnetische kracht. De zwakke kernkracht, die bijvoorbeeld protonen in neutronen kan omzetten, is extreem veel zwakker dan deze twee titanenkrachten.

De aantrekkingskracht tussen quarks is heel erg sterk: voldoende om een massa van duizend kilo op te tillen. Het restje hiervan is net voldoende om de ook extreem sterke elektromagnetische kracht die de protonen uit elkaar probeert te rukken, te overwinnen.

femtotechniek, maar dan fout
Voorlopig dieptepunt van femtotechniek: de atoombom.

De neutronen werken als lijm om de protonen bij elkaar te houden, terwijl protonen voorkomen dat neutronen uit elkaar vallen. Er zijn in zware atoomkernen daarom veel meer neutronen dan protonen.

Al deze processen vinden extreem snel plaats, denk aan femtoseconden (een femtoseconde staat tot een seconde als een seconde is tot dertig miljoen jaar). Een miljoen maal sneller dan elektronica.

Worden atoomkernen te groot, de grens ligt achter het (zeer zwak radioactieve) halfmetaal bismuth, dan is er voor zover we weten geen enkele combinatie van protonen en neutronen meer die de kern stabiel houdt. Alle elementen zwaarder dan bismuth, de metalen uranium en plutonium bijvoorbeeld,  zijn daarom radioactief: ze vallen spontaan uit elkaar als je maar lang genoeg wacht.

Glimpen van toekomstige techniek?
Omdat de femtowereld maar drie bouwstenen kent en geen deeltje waarmee de positief geladen protonen zijn te neutraliseren – elektronen nemen door hun lage massa  te veel ruimte in – wordt het construeren van machines op femtoschaal erg lastig.

Misschien dat we zeer zware atomen kunnen maken als we de kerndeeltjes op een slimme manier kunnen herschikken. Zo zijn er lichte en instabiele atoomkernen ontdekt waar andere atoomkernen als satelliet omheen draaien.

Omdat de femtowereld extreem snel en energierijk is, weten we nog vrij weinig wat er zich op zeer kleine schaal afspeelt. Wel duiken er steeds meer fascinerende aanwijzingen op van structuren op femtoschaal. Naast de satelliet-atoomkernen blijken ook zogeheten magische getallen een belangrijke rol te spelen. Atoomkernen waarin veelvouden van deze magische getallen aan kerndeeltjes voorkomen, zijn veel stabieler. Kerndeeltjes lijken ook paren te vormen. Atoomkernen met een oneven aantal deeltjes zijn vaak radioactiever zijn dan atoomkernen met een even aantal deeltjes.

Op dit moment ligt verfijnde femtotechniek duidelijk ver buiten ons bereik. Verder dan de meest ruwe vormen van  kernsplijting komen we nog niet. Picotechniek, een factor duizend groter, is voorlopig interessanter. Al zijn ook hier lastige hordes…

Adembenemend mooi: de drie sterren van Pismis 24 boven een gasnevel

Zwaarste ster in het heelal?

2 reacties / Universum / Door / 19 januari 2021

Pismis 24 is een schitterende flonkerende open-sterrenhoop. Ooit werd gedacht dat Pismis 24-1, in het hart van de verre sterrennevel NGC 6357 de zwaarste ster ooit vormde met 300 maal de massa van de zon. Dit bracht sterrenkundigen in grote problemen: een ster die zo zwaar is, ontploft namelijk meteen.

Adembenemend mooi: de drie sterren van Pismis 24-1 in een gasnevel
Adembenemend mooi: de drie sterren van Pismis 24-1 in een gasnevel

Goed nieuws voor deze geplaagde beroepsgroep. Uit waarnemingen blijkt dat Pismis 24-1, de fonkelende ster in de ‘grot’ in het midden, in feite een driedubbelster is, bestaande uit drie zwaargewichten: sterren honderd maal zo groot als de zon die over niet al te lange tijd gaan ontploffen. Althans, als je een paar miljoen jaar een korte tijd mag noemen.

Onze verre nazaten kunnen dus genieten van een schitterend vuurwerk als deze sterren supernova’s worden. Trouwens: Pismis 24 is ook nu al een schitterend gezicht…

Bron
ESA/NASA, Hubble telescoop

Pismis 24 in volle glorie. Klik op de afbeelding als je het complete plaatje wilt bekijken.
Pismis 24 in volle glorie