casimirkracht

Hoe zou onze ruimte er uit zien als we een gebroken aantal dimensies hebben? Bron: visualparadox.com

Gebroken dimensies kunnen experimenteel aangetoond worden

Hoe zou het leven zijn in een wereld waarin er geen drie dimensies bestaan, maar 2,9 of 3,4? Daar kunnen we nu eindelijk achter komen, zegt een natuurkundige.

Hoe zou onze ruimte er uit zien als we een gebroken aantal dimensies hebben? Bron: visualparadox.com
Hoe zou onze ruimte er uit zien als we een gebroken aantal dimensies hebben? Bron: visualparadox.com

In de jaren twintig ontwikkelden de natuurkundigen Theodor Kaluza and Oskar Klein een theorie die Maxwell’s theorie van elektromagnetisme en Einsteins relativiteitstheorie met elkaar in overeensteming bracht. Een indrukwekkende prestatie met één nadeel: in hun model had ruimtetijd vijf dimensies. Kaluza en Klein bedachten hier echter een oplossing voor. Ze veronderstelden dat de vijfde dimensie zeer klein is opgerold en een afmeting heeft ter grootte van de Plancklengte, 10-35 m. Stel dat je in een ruimte zou leven waarin één dimensie tien meter lang is (bijvoorbeeld recht vooruit). Dan zou je na tien meter vooruit gelopen te hebben, weer op de plaats zijn waar je begonnen bent. Je zou ook de achterkant van jezelf zien. Extra dimensies zijn wiskundig gezien erg handig. Geen wonder dat andere natuurkundigen die ook extra dimensies nodig hadden voor hun theorie, graag van deze methode gebruik maakten.

Een recenter idee is dat de extra dimensie onderdeel is van het ‘kwantumschuim’ omdat alles op die extreem kleine schaal onderhevig is aan kwantumonzekerheid. Een andere manier om dit wiskundig te omschrijven is als ‘gebroken’, of fractal, dimensie: een dimensie die tegelijkertijd bestaat en niet bestaat. Zo is bijvoorbeeld een kustlijn een fractal: de dimensie ligt tussen 1 en 2. Weliswaar is de kustlijn een lijn, maar de lengte hiervan neemt toe tot (in theorie) oneindig als je de kustlijn gedetailleerder beschrijft.

Tot nu toe werd gedacht dat er geen manieren bestonden om het idee van fractale dimensies te bevestigen of verwerpen. De Plancklengte is zo absurd klein dat er geen experiment denkbaar is om hun bestaan aan te tonen. Nu is daar verandering in gekomen.  Hongbo Chen van de East China University of Science and Technology in Shanghai zegt dat het mogelijk is toch het verschil te zien. Hij heeft namelijk berekend hoe extra, fractale, dimensies het Casimireffect zouden beïnvloeden. Het Casimireffect zorgt er voor dat twee platen die op zeer korte afstand van elkaar staan, elkaar zeer sterk aantrekken. De oorzaak: de ruimte tussen twee platen is als het ware leger dan normaal, omdat bepaalde virtuele deeltjes zich door de beperkte ruimte niet kunnen vormen. De virtuele deeltjes aan de andere kant van de platen persen de platen op elkaar, ongeveer zoals de luchtdruk een zuignap vastdrukt.

Volgens Cheng geldt, dat als de afstand tussen de platen even grot is als de afmeting van de extra dimensie,die ook de Casimirkracht moet beïnvloeden. In feite zegt hij zelfs dat deze kracht sterker zal zijn als de extra dimensie een geheel getal is, dan als de extra dimensie een fractal is. Het exacte verschil is vanzelfsprekend afhankelijk van de exacte grootte van de breuk, zo zal 3,01 uiteraard minder afwijken dan 3,5.

De hamvraag is natuurlijk of het verschil ondubbelzinnig kan worden gemeten. Als dat kan, hebben we een behoorlijk interessante test van de aard van ruimte-tijd. Er is echter een probleem. De Casimirkracht meten is extreem moeilijk. De Casimirkracht is zo klein dat het pas in 1997 gelukt is deze te meten. Geen fysicus, Cheng incluis, durft het aan een voorspelling te doen over de grootte van de nieuwe kracht. Als deze dimensies inderdaad zo klein zijn als de Planckschaal, zal het extreem moeilijk zijn de effecten te meten. Ook wordt de Casimirkracht op een dergelijke kleine schaal extreem groot, deze neemt namelijk toe met de omgekeerd vierde macht van de afstand. Hier zal dus een indirecte methode moeten worden gebruikt.

Bron:
The Casimir Effect For Parallel Plates In The Spacetime With A Fractal Extra Compactified Dimension

Gebroken dimensies kunnen experimenteel aangetoond worden Meer lezen »

De Casimirkracht kan in bepaalde gevallen dingen laten zweven, althans op kwantumschaal.

`Antizwaartekracht bestaat’

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.
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)  F=-\frac{\pi ^2 \hbar c}{240 a^4} A .  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?

Bron: New Scientist

`Antizwaartekracht bestaat’ Meer lezen »