kosmologie

Zouden de enorme bellen in ons universum veroorzaakt worden door antimaterie?

‘Antimaterie oefent antizwaartekracht uit’

Materie kent een spiegelbeeldvorm:  antimaterie. Tot nu toe werd gedacht dat er maar één soort zwaartekracht bestaat die altijd aantrekt. Volgens een nieuwe theorie van de Italiaan Villata oefent antimaterie een afstotende kracht uit op materie. Heeft de man gelijk en verklaart dit de uitzetting van het heelal? Of maakt hij een enorme denkfout?

Zware massa en trage massa
Massa heeft twee eigenschappen die op mysterieuze wijze met elkaar samenhangen: traagheid en zwaarte. Het kost tien keer zoveel energie om een tien keer zo zware massa in beweging te krijgen (de traagheid). Een tien keer zo zware massa oefent ook een tien keer zo sterke kracht uit op bijvoorbeeld een weegschaal (de zwaarte). Einstein maakte gebruik van deze eigenschap om het equivalentieprincipe te formuleren: trage massa=zware massa. Hieruit volgen weer de speciale en de algemene relativiteitstheorie.

Materie en antimaterie
Antimaterie werd ooit door kwantummechanica-grootheid Paul Dirac voorspeld als gaten in de Diraczee. Hoewel de Diraczee als concept nu minder populair geworden is, bleken het positron en andere antideeltje die hij voorspelde werkelijk te bestaan. In feite heeft elke deeltje zijn antideeltje en ook een positieve energie. Dus als materie en antimaterie elkaar ontmoeten ontstaat een felle ontploffing waarbij heel veel fotonen vrijkomen, niet een niets.

Zouden de enorme bellen in ons universum veroorzaakt worden door antimaterie?
Zouden de enorme bellen in ons universum veroorzaakt worden door antimaterie?

“Antimaterie veroorzaakt uitzetting heelal”
Volgens het standaardmodel bestaat er een belangrijke symmetrie in de natuur: CPT-symmetrie. Dat houdt in dat als je de lading omkeert, de pariteit omkeert (m.a.w. spiegelt) en de tijd omkeert, er antideeltjes ontstaan. Dit gebeurt ook met antimaterie: deze gedraagt zich als materie die terug in de tijd reist.
In zijn artikel stelt Villata dat als de CPT-pariteit wordt gecombineerd met de algemene relativiteitstheorie, hieruit logisch volgt dat de richting van de zwaartekracht wordt omgedraaid als materie wordt veranderd in antimaterie. Met andere woorden: antimaterie trekt andere antimaterie aan (zoals materie andere materie aantrekt), maar materie en antimaterie stoten elkaar af. Villata maakt hiervan gebruik om de uitzetting van het heelal te verklaren en zo komaf te maken met de beruchte donkere energie.
In wat wij nu waarnemen als de lege zeepbelachtige ruimtes tussen melkwegclusters zouden zich grote ijle wolken antimaterie bevinden die de materie in de melkwegstelsels afstoten.

Waarom Villata vermoedelijk geen gelijk heeft
Villata’s theorie laat toe dat de voor natuurkundigen heilige wet van behoud van energie wordt geschonden en wel als volgt. Stel je hebt een hoeveelheid materie die als een schil om een bolvormige, gelijke hoeveelheid antimaterie heen zit. Per saldo moet volgens Villata het zwaartekrachtsveld hiervan nul zijn: de negatieve zwaartekracht van de antimaterie heft precies de positieve zwaartekracht van de materie op (een variant op de schilstelling). Stel, materie en antimaterie vernietigen elkaar vervolgens. Wat ontstaat is een positief zwaartekrachtsveld (volgens Einstein oefent ook energie zwaartekracht uit). Uit het niets.

Dit betekent een energieverlies voor deeltjes die zich plotseling in dit zwaartekrachtsveld bevinden (het kost immers energie om aan zwaartekracht te ontsnappen). Villata kan hier mogelijk tegenoverstellen dat het volgens zijn theorie energie kost om materie en antimaterie op elkaar te persen (zoals in de bol met schil gebeurt), maar dit maakt de zaak nog erger. Dit is immers positieve energie. Mocht uit het komende AEGIS experiment op het CERN, waarbij de zwaartekrachtseffecten op antimaterie worden gemeten, blijken dat Villata gelijk heeft en dat zwaartekracht inderdaad afstotend werkt op antimaterie, dan staat een groot deel van de natuurkunde op losse schroeven.

Bronnen
Physorg
Arxiv
IOPScience

De deeltjesdetector AMS komt aan de buitenkant van het ruimtestation ISS te hangen. Wordt donkere materie ontraadseld?

Deeltjessatelliet gaat op jacht naar antimaterie en strange matter

Bestaat de rest van het heelal wel uit protonen, neutronen en elektronen, het spul waar de aarde en wijzelf uit bestaan? Dat is verre van zeker, volgens veel natuurkundigen. NASA lanceert nu de satelliet Alpha Magnetic Spectrometer om op zoek te gaan naar zaken als ‘strange’ materie, antimaterie en donkere materie.

De AMS kende een droevige geschiedenis. Het apparaat zou aan boord van de Space Shuttle worden gelanceerd en op het internationale ruimtestation ISS worden geïnstalleerd om daar op jacht te gaan naar deeltjes. Helaas werd na de ramp met het ruimteveer Columbia in 2003 deze vlucht afgelast, waardoor  de satelliet enkele jaren in een werkplaats dreigde te verstoffen. Nu hebben enkele ontdekkingen en recente theoretische ontwikkelingen alsnog goede redenen gegeven de satelliet alsnog te lanceren.

De deeltjesdetector AMS komt aan de buitenkant van het ruimtestation ISS te hangen. Wordt donkere materie ontraadseld?
De deeltjesdetector AMS komt aan de buitenkant van het ruimtestation ISS te hangen. Wordt donkere materie ontraadseld?

Antimaterie
Materie kent een spiegelbeeldvariant: antimaterie. Als materie en antimaterie elkaar raken, vernietigen ze elkaar in een felle explosie. Een gram antimaterie staat gelijk aaan de explosieve kracht van de Hiroshima-bom.Volgens de gangbare theorieën is alle antimaterie vernietigd vlak na de Big Bang en bleef er een klein restje materie over waaruit zich sterren en planeten zoals de aarde vormden.
Volgens sommigen zijn er ergens in het heelal nog grote hoeveelheden antimaterie. In het zonnestelsel in ieder geval gelukkig niet, anders hadden we geregeld een grote explosie waargenomen. De AMS gaat op zoek naar deeltjes antihelium. Worden die waargenomen, dan weten we dat er ergens out there grote hoeveelheden antimaterie moeten bestaan. Ongetwijfeld kan daar weer een leuk doomsday wapen van gebrouwen worden. Met een lucifersdoosje een complete stad kunnen opblazen, is voor de gemiddelde generaal waarschijnlijk een onweerstaanbaar vooruitzicht.

Strange matter
Protonen en neutronen, de kerndeeltjes waar wij (met elektronen) uit bestaan, zijn uit twee soorten quarks opgebouwd: up en down (een positief proton is met twee upquarks en een downquark vrolijker dan een neutraal neutron, dat uit twee downquarks en een upquark bestaat). Er zijn echter (voor zover we weten) zes quarks, naast de up- en downquark zijn dat de veel zwaardere ‘strange’  en ‘charm’ quarks, de tweede generatie en de derde generatie, de extreem zware top quark en bottom quark. Deze zware quarks vallen zeer snel uit elkaar. En, uiteraard, heeft elke quark ook zijn antiquark.

Volgens een theorie van de Deen Jes Madsen van de Aarhus Universiteit in Denemarken bestaat er ‘strange’ materie: druppels materie dus waar ‘strange’ quarks in voorkomen en is deze stabieler dan onze standaard materie.  Klopt dit, dan zouden we uiteindelijk op ‘vreemde’ wijze eindigen en bestaan bijvoorbeeld neutronensterren voornamelijk uit strange materie. Inderdaad werden door een prototype deeltjesdetector aan boord van de Space Shuttle in 1998 vreemde deeltjes waargenomen met de lading van een heliumkern (twee eenheden positief dus) maar de massa van een zuurstofkern of ijzerkern. Precies de deeltjeseigenschappen die strange matter ook zou vertonen, stelt Jensen. Strange matter kan ook de aanwezigheid van donkere materie verklaren, vermoedt hij.

Neutralino’s
Uit de vruchtbare geest van theoretisch natuurkundigen is ook een andere kandidaat voor donkere materie ontsproten: het neutralino. Neutralino’s worden voorspeld door supersymmetrie (en dus snaartheorie) en zijn (als ze bestaan) Majoranadeeltjes: deeltjes die hun eigen antideeltjes zijn.  Het gevolg: als twee neutralino’s elkaar ontmoeten, vernietigen ze elkaar, waarbij een elektron en een positron (antimaterie-elektron) vrijkomen.   Als deze twee elkaar vernietigen ontstaat gammastraling met een karakteristieke golflengte. De deeltjesdetector PAMELA, aan boord van een Russische satelliet, vond hier reeds aanwijzingen voor. Niet één positron op de tienduizend elektronen in kosmische straling, maar een op de honderd. Er moet dus een verborgen positronbron zijn. Dit zouden neutralino’s kunnen zijn, maar merkwaardig genoeg bleken antiprotonen wel uiterst zeldzaam (1:10.000), wat hiermee in strijd is. Ook hiernaar moet de deeltjesdetector op jacht gaan.

Het kan zijn dat PAMELA de antiprotonen niet detecteerde omdat ze teveel energie hebben. Een sterkere magneet (zoals aan boord van AMS) laat geladen deeltjes kleinere cirkels draaien, waardoor ook energierijke deeltjes kunnen worden gedetecteerd. Helaas zijn de plannen om een supergeleidende, met helium gekoelde magneet aan boord te krijgen niet gelukt. Het heliumverbruik bleek door warmtelekken te groot. Een langere missieduur moet dit nu compenseren. Mogelijk kunnen zo de eventuelee snelle antiprotonen – of andere, nog vreemdere deeltjes – alsnog worden gedetecteerd en weten we eindelijk waar donkere materie uit bestaat.

Bron
New Scientist
AMS-02

De stabiele omloopbanen in een zwart gat hebben een uiterst bizarre vorm.

‘Planetenstelsel binnen zwart gat mogelijk’

Ongelofelijk maar waar: planeten kunnen een stabiele baan afleggen binnen bepaalde typen zwarte gaten. Ze draaien hierbij om singulariteiten, ontdekte de Russische fysicus Vyacheslav Dokuchaev.

De directe omgeving van actieve zwarte gaten zendt veel röntgenstraling uit. Bron: NASA’s Goddard Space Flight Center

Wat zijn zwarte gaten?
Zwarte gaten worden voorspeld door Einsteins algemene relativiteitstheorie. Een zwart gat is een gebied in de ruimte met een ontsnappingssnelheid groter dan de lichtsnelheid. Als gevolg hiervan kan zelfs licht niet ontsnappen (met als gevolg dat alles binnen de waarnemingshorizon van een zwart gat onzichtbaar is). Alles binnen de waarnemingshorizon eindigt binnen korte tijd onherroepelijk als een spaghettisliert die in een razend tempo in een punt met oneindige dichtheid, de singulariteit, samen wordt geperst. Er zijn enkele verschijnselen in ons melkwegstelsel, zoals de röntgenbron Cygnus X-1 en het extreem zware object Sagittarius A* in het centrum van ons melkwegstelsel, die het beste verklaard kunnen worden door aan te nemen dat het hier om zwarte gaten gaat.

Kortom, niet echt objecten waarbinnen planeten zouden kunnen bestaan, zou je op het eerste gezicht zeggen. Echter, schijn bedriegt, zo blijkt uit berekeningen. Er zijn namelijk bepaalde typen zwarte gaten met meerdere singulariteiten  waarbinnen een stabiele omloopbaan mogelijk is. Dit is dan direct de meest bizarre omloopbaan ooit berekend. Het gaat hier om roterende of elektrisch geladen zwarte gaten (in vaktermen: Kerr- of Nordström zwarte gaten). In deze typen zwarte gaten vormen de singulariteiten niet punten, maar lussen. In een zwart gat worden ruimte en tijd met elkaar verwisseld. Leven zoals we dat hier kennen is daar onmogelijk.

De stabiele omloopbanen in een zwart gat hebben een uiterst bizarre vorm.
De omloopbaan van planeten binnen zwarte gaten zijn zeer bizar.

Eilandje van normaliteit
Het is echter bekend dat in Kerr– en Reissner-Nordström zwarte gaten een tweede (Cauchy) horizon bestaat, waarbinnen ruimte en tijd weer hun bekende configuratie innemen. Dokuchaev berekende dat binnen deze horizon stabiele omloopbanen mogelijk zijn. Deze hebben een rijke structuur (natuurkundigen-speak voor een ingewikkelde structuur). Objecten in deze baan worden helder verlicht door de singulariteiten en door fotonen die hier gevangen zitten. In principe, stelt Dokuchaev, zijn dus planeten met eventueel leven op deze plek denkbaar. Hij stelt zelfs voor dat vergevorderde beschavingen het binnenste van een zwart gat koloniseren. Het is namelijk de beste plek om het einde van het heelal zo lang mogelijk te overleven en de bizarre natuurkunde in dit gebied is waarschijnlijk zeer interessant voor allerlei toepassingen die we nu nog net kunnen overzien.

Een dergelijke beschaving zou wel te kampen hebben met de extreem energierijke straling in dit gebied en mogelijk schendingen in causaliteit – met andere woorden: fundamenteel onvoorspelbare en onverklaarbare dingen. Kortom: ideaal geschikt voor mensen die van onverwachte dingen houden.

Bronnen:
Arxiv blog
ArXiV

Smolyanov bootste de Big Bang na in zijn metamateriaal. En helaas... tijdreizen is onmogelijk. Tenminste als je niet kan ontsnappen aan onze ruimtetijd...

‘Metamateriaal toont aan dat tijdreizen niet kan’

Slecht nieuws voor science fiction liefhebbers of mensen met spijt. In een metamateriaal waarin de Big Bang is nagebootst, is aangetoond waarom de thermodynamische tijdpijl en de kosmologische tijdpijl  samenvallen. Tijdreizen is dus onmogelijk. Of toch niet?

Wat is een tijdpijl?
Wij nemen waar dat tijd verstrijkt. Dat weten we op twee manieren: omdat de entropie (de wanorde) toeneemt (de reden dat kapotgevallen eieren niet vanzelf weer heel worden) en omdat we als we naar verre melkwegstelsels kijken, deze duidelijk primitiever zijn dan die van ons. Met andere woorden: in ons heelal wijzen de thermodynamische tijdpijl en de kosmologische tijdpijl dezelfde richting op. Tot nu toe wisten natuurkundigen niet waarom deze tijdpijlen dezelfde kant op wijzen.(Een aannemelijke verklaring is uiteraard dat in een steeds groter wordend heelal, ook de maximale mogelijke entropie groter wordt).

Ruimtetijd nagebootst in metamateriaal
Metamaterialen zijn materialen die bestaan uit laagjes of andere structuren van verschillende materialen. Daarmee is het mogelijk deze materialen bijzondere eigenschappen te geven die met monomoleculaire materialen niet te bereiken zijn. Al eerder slaagden materiaalonderzoekers er in om dingen als zwarte gaten en een multiversum te creëren met behulp van metamaterialen.
Nu is Igor Smolyaninov met collega Yu-Ju Hung aan the Universiteit van Maryland, College Park, er in geslaagd de Big Bang na te bootsen in een metamateriaal dat wiskundig op dezelfde manier kan worden beschreven als ruimtetijd. In het metamateriaal staan de x- en y-richtingen (bijv. noord-zuid; oost-west) voor ruimte, de z-richting (naar boven) voor tijd. Met andere woorden: ruimtetijd breidt zich naar boven uit als een kegel. Anders geformuleerd: de uitbreiding van de cirkel levert de kosmologische tijdpijl.

Smolyanov bootste de Big Bang na in zijn metamateriaal. En helaas... tijdreizen is onmogelijk. Tenminste als je niet kan ontsnappen aan onze ruimtetijd...
Smolyanov bootste de Big Bang na in zijn metamateriaal. En helaas... tijdreizen is onmogelijk. Tenminste als je niet kan ontsnappen aan onze ruimtetijd...

Tijdreizen kan niet?
Smolyaninov is geïnteresseerd in de thermodynamische tijdpijl. Dus moest hij een eigenschap in het metamateriaal vinden die overeen komt met entropie. Dat werd de mate waarin lichtstralen die door de kegel worden gestuurd, worden verstrooid. Interessant is dat zich in het metamateriaal ook spontaan een thermodynamische tijdpijl manifesteert. Hiermee is ook de vraag te beantwoorden of tijdmchines mogelijk zijn. Tijdmachines volgen in feite een gesloten wereldlijn. Stel, je reist terug in de tijd, dan kan je op een gegeven moment jezelf tegenkomen je wereldlijn kruist dan zichzelf. In een gedachtenexperiment stelde hij een metamateriaal samen in de vorm van het oppervlak van een cilinder waarin bewegen door de ruimte kan door omhoog of onlaag te bewegen en bewegen door de tijd door om de cilinder heen te bewegen: circulaire tijd dus. Het bleek nu dat een deeltje dat zichzelf kruiste, niet iets waarnam dat lijkt op onze tijd. Dus als een tijdmachine terugreist in de tijd, nemen wij dat niet waar als tijd.

Bronnen
ArXiv blog
ArXiv

Antihelium-4 werd gevormd door een miljard goudatoomkernen op elkaar te beuken.

Antihelium geproduceerd

Als materie en antimaterie elkaar ontmoeten ontstaat er een enorme explosie. Bestaan er grote hoeveelheden antimaterie in het heelal? Als dat zo is, weten we nu hoe we dat uit kunnen vinden.

Antihelium-4 werd gevormd door een miljard goudatoomkernen op elkaar te beuken.
Antihelium-4 werd gevormd door een miljard goudatoomkernen op elkaar te beuken.

Naast materie bestaat er ook antimaterie. Voorspeld door kwantumgrootheid Paul Dirac als een ‘gat’ in de Diraczee van elektronen, was het positron, een anti-elektron, het eerste antimateriedeeltje ooit dat is ontdekt. De Diraczee wordt nu als model wat minder elegant gevonden, maar het positron bleek een blijvertje. Er volgden snel meer ontdekkingen: ook protonen en neutronen blijken antimaterie-tegenhangers te hebben. Antiprotonen en antineutronen zijn opgebouwd uit antiquarks. Er bestaan ook antineutrino’s. Het foton is zijn eigen antideeltje.

Totale vernietiging
Als materie en antimaterie elkaar ontmoeten, vernietigen ze elkaar totaal. Letterlijk alle massa wordt compleet omgezet in energie in de vorm van elektromagnetische straling. Zelfs bij kernfusie, het energierijkste proces dat we in de praktijk kennen, wordt ‘maar’ 0,7% van alle massa in energie omgezet. Als één gram materie en antimaterie in energie wordt omgezet, komt evenveel energie vrij als bij de kernexplosie in Hiroshima.

Anti-atomen
Uit antimateriedeeltjes zijn atomen te bouwen, waarin positronen met antiprotonen (en eventueel antineutronen in de kern) een atoom vormen. Het kost extreem veel energie om antimaterie te produceren. Als gevolg hiervan zijn antimateriedeeltjes extreem heet en is het zeer lastig om ze samen te laten voegen tot atomaire materie. Het is in 2010 gelukt met antiwaterstof, bestaande uit een antiproton met een positron.

Antihelium: zeer lastig te fabriceren, toch geslaagd
Antimaterie moet letterlijk vanaf de basis, kerndeeltje bij kerndeeltje, worden opgebouwd. Vooral twee geladen antiprotonen bij elkaar brengen is extreem lastig. Antihelium bestaat uit twee antiprotonen en twee antineutronen. Met “gewone” materie is dit al uiterst lastig – de reden dat kernfusie nog steeds niet als energiebron kan worden gebruikt.

Dus werd door de onderzoekers besloten domweg uiterst bruut geweld toe te passen. Helaas kost elk extra antiproton of antineutron in een antimateriekern die op deze manier wordt vervaardigd, duizend keer zoveel energie.
Een miljard goudkernen werd met bijna de lichtsnelheid (een energie van 200 miljard elektronvolt per goudkern) op elkaar gebeukt in de Relativistic Heavy Ion Collider van het Amerikaanse onderzoekslaboratorium Brookhaven. Het brute geweld had resultaat: achttien antihelium-4 kernen. Daardoor weten we dat antihelium bestaat en hoe het zich fysisch gedraagt.

Sterren van antimaterie?
Dat laatste is belangrijk. Volgens sommige (overigens niet erg populaire) theorieën bevinden zich elders in het heelal grote concentraties antimaterie. De aanwezigheid hiervan zou je kunnen vaststellen uit kosmische straling. We weten nu dat antihelium-4 bestaat en dat het een biljoen maal minder voor moet komen dan antiwaterstof, als er in dit heelal alleen materie op grote schaal voorkomt.

Bestaan er ook antimateriesterren en -planeten, dan moet deze verhouding in de kosmische straling hoger zijn, want ongeveer een kwart van alle massa in atomen is helium. Dat zou ook voor antimaterie gelden. Het bestaan van grote hoeveelheden antimaterie zou kosmologisch en natuurkundig grote consequenties hebben. Ook weten we dan in de verre toekomst waar we aan werkelijk onvoorstelbare hoeveelheden energie kunnen komen.

Bronnen
ArXiv
ArXiv Blog

Panoramafoto van de Melkweg. Hier verschuilt zich de enorme 'Australische kosmische dipool'.

Scheuren in Einsteins algemene relativiteitstheorie?

Australische astronomen hebben definitief aangetoond dat tien miljard jaar geleden een fundamentele natuurconstante, de fijnstructuurconstante alfa, anders was ten noorden van de galactische equator dan ten zuiden hiervan. Een probleem: dat kan helemaal niet volgens Einsteins algemene relativiteitstheorie…

Wat is de fijnstructuurconstante?
De fijnstructuurconstante, alfa, geeft de sterkte aan van de elektromagnetische kracht ten opzichte van twee andere natuurconstanten, de lichtsnelheid (c) en de constante van Planck (h), die fundamenteel is in de kwantummechanica. In formulevorm: [latex]\alpha = \frac{k_\mathrm{e} e^2}{\hbar c}[/latex]. Alfa is ongeveer gelijk aan 1/137. Het is een dimensieloos getal, dus zonder eenheden er achter. Daarom wordt alfa gezien als fundamenteler dan andere natuurconstantes.

Volgens de algemene relativiteitstheorie zijn de natuurwetten overal gelijk, waar je ook bent en hoe snel je ook beweegt. Dat geldt dus ook voor fundamentele natuurconstanten als alfa, die in die natuurwetten gebruikt worden. Met andere woorden: als er veranderingen in deze verhouding worden gemeten, moeten de natuurwetten anders zijn op die andere plaats en gaat Einsteins relativiteitsprincipe niet overal op. De fijnstructuurconstante is te meten door te kijken naar het gedrag van licht. De golflengte van licht wordt namelijk bepaald door de energie, c en h. Lichtdeeltjes worden uitgezonden door de elektrisch geladen elektronen als ze in een andere ‘baan’ springen. Hoeveel energie dat kost, hangt af van hoe sterk de elektronen en de atoomkern elkaar aantrekken. Verandert er iets in de verhouding tussen de kracht die op elektronen werkt en de lichtsnelheid of de constante van Planck, dan merk je dat meteen aan het licht dat elektronen in bijvoorbeeld waterstofatomen uitzenden.

Wrede schok
Het nieuws uit Australië vervulde natuurkundigen en kosmologen met ongeloof. Alfa is misschien wel de meest onaantastbare natuurconstante, bekend tot op dertien decimalen precies.

Panoramafoto van de Melkweg. Hier verschuilt zich de enorme 'Australische kosmische dipool'.
Panoramafoto van de Melkweg. Hier verschuilt zich de enorme 'Australische kosmische dipool'.

Toch bleek alfa bij enkele verre quasars een honderdduizendste kleiner te zijn dan normaal. Naar goed wetenschappelijk gebruik werden de brengers van het slechte nieuws, John Webb, Victor Flambaum en hun collega’s van de Australische universiteit van New South Wales, in 1998 aanvankelijk aan de schandpaal genageld (1). Nu blijkt uit nieuwe metingen van Webb en de zijnen aan verre quasars, dat ook aan de andere kant van de hemel alfa een honderdduizendste afwijkt, deze keer groter dan hier op aarde. We lijken hier op aarde in het midden van deze twee waarden te liggen, iets dat sommige onderzoekers al heeft doen speculeren dat de Melkweg en onze buurstelsels om die reden uniek geschikt zijn voor leven.

Er kunnen verschillende redenen zijn voor deze variatie. Sommigen denken dat deze het bestaan van extra dimensies aantoont. Andere onderzoekers plaatsen vraagtekens bij de accuratesse van de metingen. Zo is weliswaar het effect statistisch significant, er is ongeveer 1:15 000 kans dat de resultaten van Webb op toeval berusten, maar er blijkt een behoorlijke correlatie te zijn tussen de uitkomsten van metingen en het instrument dat gebruikt is, stelt collega Orzel.

Is niet alleen de ruimtelijke locatie, maar ook de tijd waarin we nu leven, uniek geschikt voor leven?
Er kunnen ook in het verleden verandering op zijn getreden in alfa. Als dit zo is, dan moeten kernreacties anders zijn verlopen dan nu. Twee miljard jaar geleden was er op aarde een natuurlijke kernreactor actief op de plaats waar nu de Gabonese plaats Oklo ligt. Als de splijtingsproducten in een andere verhouding voorkomen dan verwacht wordt bij de tegenwoordige alfa, bewijst dat dat alfa afweek in het verleden (2).

Bronnen
1. Arxiv.org (Evidence for spatial variation of the fine structure constant)
2. Arxiv.org (Manifestations of a spatial variation of fundamental constants on atomic clocks, Oklo, meteorites, and cosmological phenomena)
3. physicsworld.com, Changes spotted in fundamental constant

Leven we in de projectie van een platte wereld?

Boodschap uit Platland ontvangen?

Volgens sommige natuurkundigen leven we in een heelal met minder dan drie dimensies. Het feit dat we toch drie ruimtelijke en één tijdsdimensie waarnemen, komt volgens hen door het effect van een grotere schaal en lage energie.

Minkowski-metriek
Er zijn theorieën, zoals de diverse incarnaties van de snaartheorie, die aannemen dat we in een elf- of nog meer-dimensionale braanwereld leven. Volgens Einsteins algemene relativiteitstheorie leven we in een vierdimensionale ruimte, bestaande uit drie ruimtedimensies en één tijddimensie. In de wiskundige beschrijving van ruimtetijd volgens Einstein, de Minkovski-ruimte, worden de drie ruimtedimensies als positieve getallen (enen) weergegeven en de tijddimensie als een negatief getal. Dat beschrijft het bekende relativistische effect, dat de tijd langzamer lijkt te gaan voor waarnemers die versnellen en daarna weer afremmen.
Er komt echter steeds meer experimenteel bewijs dat in ieder geval bij zeer hoge energieën, dit niet meer opgaat en we het met één, of misschien zelfs wel twee dimensies minder moeten doen…

Warme, tweedimensionale zwarte gaten
De eerste scheuren in ons vierdimensionale wereldbeeld ontstonden door theoretisch werk aan  zwarte gaten. Het principe van een zwart gat is simpel. Volgens Einsteins algemene relativiteitstheorie kan niets sneller bewegen dan het licht. Hoe zwaarder iets is, hoe hoger de ontsnappingssnelheid – je kan bijvoorbeeld van een zwevend rotsblok van een kubieke kilometer al ontsnappen door een flinke sprong te nemen. Op aarde moet je dan meer dan elf kilometer per seconde reizen, vijf keer sneller dan een kogel. Sommige objecten – ingestorte sterren zwaarder dan vijf keer de zon, bijvoorbeeld – zijn zo zwaar en dicht dat zelfs een voorwerp dat met de lichtsnelheid beweegt, zoals een lichtdeeltje, niet meer kan ontsnappen. Er ontstaat dan iets dat alles, zelfs licht, opslokt: een zwart gat.

Theoretisch natuurkundigen gingen stoeien met de wiskundige beschrijving van ruimte-tijd rond een zwart gat, waar onder meer de Schwarzschild-radius uit is afgeleid. En kwamen met opmerkelijke uitkomsten, toen ze deze met kwantummechanica gingen combineren. Zo ontdekte mediaberoemdheid Stephen Hawking dat zwarte gaten Hawkingstraling uitzenden, omdat als in het vacuüm virtuele deeltjes worden opgeslokt door het zwarte gat, het andere deeltje daardoor positieve energie krijgt en zo kan ontsnappen. Met andere woorden: zwarte gaten hebben een temperatuur! Nu is er een ijzeren thermodynamische wet in de natuurkunde: alles wat temperatuur heeft, heeft entropie, dus een informatieinhoud. Jacob Bekenstein berekende dat de hoeveelheid entropie van een zwart gat afhangt van… de oppervlakte van de waarnemingshorizon. Elke bit informatie komt overeen met [latex]\hbar G/c^3[/latex], de oppervlakte van Planck. Zowel [latex]\hbar[/latex] als G zijn erg klein en de lichtsnelheid c is heel erg groot, waardoor hier een absurd kleine waarde uit rolt: 2,6 * 10-70 vierkante meter (zeventig nullen achter de komma dus) per kwantumbit. De waarnemingshorizon van een zwart gat is ideaal om je illegale downloads op te dumpen, dus. Ook interessant is dat volgens de algemene relativiteitstheorie de diameter van een zwart gat evenredig is aan zijn massa: elke zonsmassa extra betekent dat het gat zes kilometer doorsnede er bij krijgt. Is massa informatie, dus entropie? En komt informatieinhoud overeen met oppervlak? Dit is wat het combineren van de algemene relativiteitstheorie met kwantummechanica lijkt te impliceren…

Leven we in een plat vlak?
Waarnemingen aan extreem krachtige kosmische straling (het krachtigste kosmische deeltje ooit waargenomen had evenveel punch als een weggemepte honkbal, let wel, één enkel deeltje) tonen aan dat de ruimte voor deze deeltjes er heel anders uitziet dan voor ons. Erg plat, namelijk.

Leven we in de projectie van een platte wereld?
Leven we in de projectie van een platte wereld?

Dit komt uitstekend overeen met theorieën waarin het heelal vlak na de Big Bang, toen het veel heter was dan nu (de deeltjes hadden in die tijd een energie van boven de 100 biljoen elektron-volt of eV), maar één ruimte- en een tijdsdimensie heeft. Een lijn die door de tijd beweegt, dus. Iets later, de energie per deeltje daalde tot 1 biljoen eV, zou zich een tweede dimensie hebben gevormd, waaronder ons bekende heelal met drie dimensies zou zijn ontstaan. Nu heeft de achtergrondstraling een temperatuur van drie kelvin, dit is een duizendste eV. Misschien dat ons heelal als het heel sterk af is gekoeld, nog veel meer dimensies zal tellen. Mureika en Stojkovic veronderstellen dat bij zeer lage temperaturen mogelijk het vacuüm uit elkaar zal vallen in vier ruimtedimensies en een tijdsdimensie.

Boodschappers van Platland?
De statistische verdeling van de energie van kosmische deeltjes toont aan dat ze uit een ruimte komen, die meer weg heeft van een plat vlak dan van onze driedimensionale ruimte.  In hun nieuwe studie bedachten natuurkundigen Jonas Mureika en Dejan Stojkovic een nieuwe methode om uit te vinden of deze waarneming inderdaad klopt en bij zeer hoge deeltjesenergieën de ruimte inderdaad plat wordt. Deze methode gaat er vanuit dat in een tweedimensionaal, plat heelal de ruimte geen mogelijkheden voor zwaartekrachtswerking heeft, dus ook geen zwaartekrachtsgolven voorkomen. Als de gevoelige zwaartekrachtsdetectoren die nu gepland worden merken dat zwaartekrachtsgolven voorbij een bepaalde frequentiegrens niet meer voorkomen, zou dat een concreet bewijs zijn voor een tweedimensionale voorloper van ons heelal.

Eendimensionale wereld in de LHC?
In sommige varianten van de theorie worden al sporen zichtbaar van de eendimensionale wereld boven tien biljoen eV, wat binnen bereik ligt van de Large Hadron Collider. Beide onderzoekers denken dat het daarom mogelijk kan zijn in botsingen sporen te ontdekken van de wereld vlak na de Big Bang.

Bronnen
Physorg
Physical Review Letters
Arxiv

Van de drie mogelijke toekomsten van het heelal, instorting, langzamere uitzetting of een op hol geslagen uitzetting is de Big Rip, de derde optie, het waarschijnlijkst.

Natuurwetten niet scherpgesteld voor leven

Een geliefd argument voor mensen die in een schepper geloven is aan vervanging toe.

Het blijkt dat de uitzettingssnelheid van het heelal niet optimaal is voor het ontstaan van intelligent leven. Als de kosmologische constante licht negatief was geweest, was het heelal gastvrijer geweest dan nu.

Van de drie mogelijke toekomsten van het heelal, instorting, langzamere uitzetting of een op hol geslagen uitzetting is de Big Rip, de derde optie, het waarschijnlijkst.
Van de drie mogelijke toekomsten van het heelal, instorting, langzamere uitzetting of een op hol geslagen uitzetting is de Big Rip, de derde optie, het waarschijnlijkst.

Volgens de laatste astronomische waarnemingen drijft het heelal steeds sneller uit elkaar. Dat is kosmologisch te beschrijven door een kosmologische constante labda ([latex]\Lambda[/latex]) in te voeren. Deze constante, ooit door Einstein de grootste blunder van zijn leven genoemd, nu een handig hulpmiddel om de steeds grotere afstand tussen big-bang theorie en waarneming te overbruggen. [latex]\Lambda[/latex] beschrijft de fractie waarmee de uitzettingssnelheid van het universum elke seconde groter wordt.

Dit getal [latex]\Lambda[/latex] is weliswaar erg klein, 10−35 s−2, maar omdat het om een versnelling gaat, een gestage toename van uitzettingssnelheid dus, betekent het dat de uitzettingssnelheid op een gegeven moment zo groot wordt dat zelfs atomen uit elkaar gerukt worden. We zullen dan misschien kunnen schuilen in zwarte gaten tot ook die de geest geven.

Erg gezond is het heelal in de verre toekomst dus niet. Ook nu leiden we een marginaal bestaan. Het blijkt uit berekeningen van Don Page, een theoretisch natuurkundige van de University of Alberta in Canada dat een licht negatieve kosmologische constante zelfs beter voor de kans dat zich melkwegstelsels (en dus leven) ontwikkelt uitpakt, dan een positieve constante zoals nu. Sterker nog: we zitten zelfs aan de uiterste grens voor leefbaarheid. Was de kosmologische constante ook maar iets groter geweest dan hadden zich uit de dunne slierten materie geen melkwegstelsels gevormd.

Toch is er ook goed nieuws voor universum-chauvinisten. De overige natuurconstanten, denk aan de sterkte van de elektromagnetische en zwaartekracht, blijken wel zeer nauwkeurig overeen te komen met de eisen die het leven aan de grootte stelt. Gelovige misantropen kunnen hieruit afleiden dat God een sadist is: hij heeft de constanten in dit heelal zo afgesteld dat het leven dat onvermijdelijk ontstaat, over een paar miljard jaar wreed uit elkaar wordt gerukt. Of dat God wil dat we een manier verzinnen om uit het universum te ontsnappen. Survival of the cleverest. Het heelal als kosmische IQ-test?

Of misschien vergissen de kosmologen zich en doen we hier aan smadelijke godslastering. Ze zaten er al vaker naast. Laten we dat laatste maar hopen…

Bron

Leven we in een wiskundig stelsel?

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}