casimir-effect

Als een draaiende lasergyroscoop in de buurt van een supergekoelde draaiende ring wordt geplaatst, gaat de gyroscoop een beetje in dezelfde richting als de ring versnellen. Wetenschappers weten niet waarom. Dat wil zeggen: tot nu. Met ingrijpende gevolgen. Als McCulloch gelijk heeft, is het mogelijk massa minder traag te maken en zat Einstein er naast. En hebben we mogelijk een manier gevonden om naar de sterren te reizen.

Raadselachtige ontdekking

De onverklaarbare versnelling werd in 2007 ontdekt door Martin Tajmar, die op dat moment werkte aan de vakgroep Ruimtevaarttechnologie van het Oostenrijkse Technisch Instituut in Seibersdorf. Tot dusver is het Tajmar effect alleen in dit ene laboratorium geobserveerd, wat het wetenschappelijk gezien verdacht maakt. Maar toch. Sommige wetenschappers zijn sindsdien druk op zoek naar een verklaring voor dit raadselachtige effect.

Hoe werkt een lasergyroscoop?
In een recente studie heeft Michael McCulloch van de Engelse universiteit van Plymouth een mogelijke verklaring gevonden. Hiervoor nam hij een diepe duik in de rijkgevulde natuurkundige schatkist van contra-intuïtieve verschijnselen.

Hij begint met een gedetailleerde analyse van wat een lasergyroscoop eigenlijk precies doet.  Lasergyroscopen sturen licht in twee richtingen door een ring. Als de ring sneller of langzamer gaat draaien, veranderen de interferentiepatronen van het licht in de ring. Daarvoor hoeft er maar een verschuiving van enkele nanometers – dat is misschien vijftig atoombreedtes – op te treden. Daardoor zijn lasergyroscopen extreem nauwkeurig.

Trage massa vliegwiel vermindert
McCulloch denkt dat de gyroscoop lijkt te versnellen omdat de traagheid van de gyroscoop verandert. Als er iets een heilig principe is in de natuurkunde is dat wel het behoud van impuls of het draaiende zusje daarvan, draaimoment. Dus als de traagheid vermindert, betekent dat dat de snelheid hoger moet worden om zo de  impuls gelijk te houden. Dit zou volgens McCulloch de verandering in snelheid verklaren.

Unruh-effect
Het uitwerken van kwantummechanica  voorspelt vaak merkwaardige verschijnselen. Zo is er het Unruh effect. Als een voorwerp versnelt, lijkt het heelal voor warmer te zijn dan achter. Dat heeft te maken met de virtuele deeltjes waarmee de leegte gevuld is. Gewoonlijk hebben deze energie nul, maar deze krijgen energie ten opzichte van het voorwerp als dit op ze af vliegt. Als je heel hard (brom)fietst, doen de regendruppels pijn in je gezicht. Ze lijken heel veel energie te hebben, terwijl ze eigenlijk stilstaan. Deeltjes met energie nul lijken daardoor een positieve energie, dus een netto warmte-effect, te hebben.

Hubble-schaal Casimir effect
Volgens McCullochs voorstel wordt de traagheid van de gyroscoop bepaald door de omringende Unruh straling die wordt gemodificeerd door een Hubble-schaal (dus kosmisch) Casimir-effect. In dit model wordt de Unruh straling opgewekt door de draaiende schijf. Ter informatie: elke richtingsverandering (zoals van een deeltje op een draaiende schijf) is fysisch gezien een versnelling. De schijf versnelt dus ten opzichte van de rest van het heelal, zoals de aarde, sterren in de hemel en de koude draaiende ringen. Het Hubble-schaal Casimir-effect is een effect in de kwantumtheorie dat in dit geval de vorming van langere Unruh-golven verhindert en zo indirect de trage massa van de gyroscoop beïnvloedt. McCulloch noemt dit model “modified inertia due to a Hubble-scale Casimir effect” (MiHsC) of kortweg “quantized inertia.”

Als de gyroscoop op kamertemperatuur is, wordt deze omringd door kortegolf Unruh straling. Korte elektromagnetische golven zijn energierijker dan lange golven (een lichtdeeltje is kortgolviger en dus energierijker dan een radiofoton). Als de omgeving wordt afgekoeld tot ongeveer het absolute nulpunt, wordt de golflengte van de Unruh straling langer, waardoor ze niet meer in de ruimte ‘passen’: het Hubble-schaal Casimireffect. Als de supergekoelde ring begint te draaien, zorgt de versnelling van de ring voor kortere Unruh-golven, die makkelijker in de ruimte passen. De traagheid van de gyroscoop neemt toe, waardoor hij langzamer draait.

Behoud van impuls leidt tot versnelling
Volgens het model probeert de gyroscoop met de ring mee te bewegen om zo zijn impuls te behouden. Voor een rotatie met de klok mee moet de gyroscoop met een snelheid van 2,67 x 10^-8 maal de versnelling van de ring gaan roteren. Tegen de klok in wordt deze snelheid gehalveerd.

Opmerkelijk is dat dit model Tajmar’s waarnemingen nauwkeurig verklaart. Tajmar nam waar dat de versnelling van de  gyroscoop ongeveer 3 x 10^-8 maal die van de ring bij rotatie met de klok mee en de helft daarvan voor rotaties tegen de klok in. Met MiHsC kan en hoeft niet geknoeid te worden met natuurconstanten, dus de theorie stemt overeen met de observaties zonder numeriek afgesteld te worden.

McCullochs model kan ook verklaren waarom de versnelling tegen de klok in kleiner is dan met de klok mee. Als de gyroscoop met de ring mee begint te draaien, verandert de beweging ten opzichte van de vaste sterren. Op het noordelijk halfrond zorgt dit effect voor een grotere versnelling met de klok mee. Dit heeft te maken met de draaiing van de aarde. Volgens de theorie is het gedrag op het zuidelijk halfrond daarom precies tegenover gesteld.

Einstein heeft niet meer het laatste woord
Hoeksteen van Einsteins relativiteitstheorie is het equivalentieprincipe: trage massa = zware massa. Daarom vallen lichte en zware voorwerpen even snel. Als MiHcS inderdaad waar is, betekent dat volgens McCulloch dat trage massa helemaal niet altijd precies gelijk is aan zware massa. In zijn artikel legt hij uit waarom in extreem gevoelige torsie-experimenten toch geen verschil is aangetoond. Ook heeft zijn theorie gevolgen voor het gedrag van sterren aan de rand van de Melkweg. Als hun traagheid kleiner is dan hun massa, moeten ze sneller bewegen om niet naar binnen te vallen. Donkere materie?

Tajmar effect verklaart raadselachtige versnelling ruimtevaartuigen
Doorgaans worden ruimtevaartuigen langs planeten gestuurd om ze op kosten van Moeder Natuur nog een flinke zet mee te geven. Heel vreemd is dat sommige ruimtevaartuigen dan een merkwaardige sprong in hun snelheid vertonen. In een eerder artikel liet McCulloch zien dat zijn theorie MiHsC redelijk goed deze flyby anomalieën beschrijft.

HIj heeft ook laten zien dat dit de Pioneer anomalie verklaart. Om raadselachtige redenen blijken de Pioneer satellieten afgeremd te worden nu ze het zonnestelsel verlaten. De verklaring volgens McCulloch is dat hun traagheid vermindert, waardoor de zwaartekracht van de zon meer invloed krijgt en ze meer afremt. McCulloch voorspelt dat als de ronddraaiende ring 10.000 keer lichter wordt uitgevoerd, het effect afneemt met de afstand. Hij hoopt dat Tajmar’s groep dit uittest. Overigens denken andere natuurkundigen dat dit effect wordt veroorzaakt door een warmtelek in de kernreactor van de Pioneers.

Nut van deze ontdekking
Het is uiteraard bijzonder handig om een techniek te hebben om de traagheid van een voorwerp te verminderen. Zo kan je met weinig energie enorme snelheden bereiken. Uiteraard ideaal als je snelheden in de buurt van de lichtsnelheid wilt bereiken. Zou je Unruh straling kunnen genereren om zo de trage massa van een voorwerp te kunnen veranderen en het zo te verplaatsen? In een eerder artikel besprak McCullough deze mogelijkheid.

Bronnen:
M. E. McCulloch. “The Tajmar effect from quantised inertia.” EPL, 95 (2011) 39002.