kwantummechanica Archieven

Het molecuul. Wit is waterstof, geel is fluor en zwart koolstof. De atoomkernen van deze drie atomen vormen magneetjes.

Universum onthoudt alles

6 reacties / Filosofie, Universum, Wetenschap / Door Germen Roding / 16 november 2021 16 november 2021

In ons dagelijks leven kan informatie worden gecreëerd, worden gekopieerd en worden vernietigd. Op kwantumschaal is dat niet zo, het universum onthoudt alles. Zo verbiedt het ‘no cloning theorem’ dat kwantumtoestanden (wat je als kwantuminformatie kan zien) van één kwantumdeeltje naar een ander kwantumdeeltje wordt gekopieerd zonder dat de kwantumtoestand van het eerste deeltje verdwijnt. Een experiment bevestigde dat ook het vernietigen van informatie is op kwantumniveau onmogelijk. Wat je ook doet, er blijven altijd sporen van achter…

Kopiëren en vernietigen bestaat niet in de kwantumwereld, universum onthoudt alles

Er zijn twee fundamentele stellingen in de kwantummechanica: naast het ‘no cloning theorem’ ook het ‘no deleting theorem’: een kwantumtoestand kan niet worden vernietigd. Hij kan slechts overgedragen worden aan een ander kwantumdeeltje (of groep deeltjes). De bekende onzekerheidsrelatie van Heisenberg, bijvoorbeeld: de onzekerheid in energie maal de onzekerheid in tijd is groter dan de constante van Planck, zegt niets over de onzekerheid van kwantumtoestanden. Hij zegt slechts iets over de onzekerheid van de koppeling van onze klassieke wereld aan de kwantumwereld. Kwantumtoestanden onderling, in wisselwerking met elkaar, zijn volledig deterministisch.

Ook verstoppen kan niet meer

Aan dat rijtje fundamentele stellingen kan nu definitief een derde stelling worden toegevoegd: het ‘no-hiding theorem’.

universum onthoudt alles — Papierversnipperaars, al dan niet hamster-powered zoals deze van een Engelse student, bestaan niet in de kwantumwereld.

Theoretisch natuurkundigen Samuel L. Braunstein en Arun K. Pati bewezen deze al in 2007. Volgens het ‘no hiding theorem’ kan een kwantumtoestand zich niet verstoppen in de interacties tussen een kwantumsysteem en de rest van de wereld. De kwantumtoestand moet zich of in het kwantumsysteem, of in de rest van de wereld bevinden. Er is domweg geen andere mogelijkheid. Met uitzondering van de twijfelachtige snaartheorie is het in de natuurkunde een goede traditie dat een theoretische bewering slechts zoveel waard is als door middel van experimenten kan worden ondersteund, althans: pogingen tot falsificatie kan overleven.

Arun Pati en twee collega’s, de ondertussen overleden Jharana Rani Samal die op haar zevenentwintigste verjaardag overleed en alle experimentele werkzaamheden verrichte, en Anul Kumar van het Indian Unstitute of Technology in Bangalore, hebben nu door middel van een experiment aangetoond dat een voorspelling, gedaan met behulp van het ‘no-hiding theorem’, klopt.

Hoe werkte het experiment?

De experimentatoren maakten gebruik van moleculen monofluordibroommethaan.

Een koolstofatoom, isotoop C-13 (dus een oneven aantal kerndeeltjes, waardoor de kern in een magneetje verandert) dus waaraan één fluoratoom (ook fluor-19 kent een oneven aantal kerndeeltjes, net als waterstof met zijn ene proton) en twee broomatomen (met een even aantal kerndeeltjes (80), dus niet magnetisch) hangen.

Met die drie atoomkernmagneetjes vormt dit molecuul, overigens berucht wegens de effecten op de ozonlaag, een minuscule kwantumcomputer met drie zogeheten qubits (de magnetische atoomkernen). Elke atoomkern kan de ene kant of de andere kant om “draaien”, de spin. Magneetjes die tegen elkaar in gericht staan (zoals gebeurt als niet alle drie atoomkernen dezelfde spin hebben) stoten elkaar af. Dit is energetisch ongunstiger en dat effect kan je meten in een NMR, waarin een extreem sterk magneetveld is aangebracht, de reden dat je geen metalen voorwerpen bij je moet hebben in een ruimte waarin een NMR staat.

In dit molecuul staat het waterstofatoom tegenover het fluoratoom, het koolstofatoom bevindt zich in het midden. Bij de meting werd eerst de koolstofkern in een bepaalde kwantumtoestand gebracht. Vervolgens werd deze toestand gewist, door het monster met moleculen bloot te stellen aan een volstrekt toevallige reeks van magnetische pulsen. Daarna werden de kwantumtoestanden van de drie atoomkernen in de moleculen weer gemeten. Het bleek dat de kwantumtoestand van de koolstofkern zich “verplaatst” had naar de twee naburige atoomkernen, maar niet verdwenen was, precies zoals voorspeld door het no-hiding theorema.

Informatie leeft eeuwig, universum onthoudt alles

Het universum onthoudt dus alles en informatie gaat nooit verloren. Ook als je in een zwart gat valt en vele noniljarden jaren stukje bij beetje uitgebraakt wordt als Hawkingstraling, kan iemand die alle kwantumtoestanden registreert, hier in principe al je informatie weer in terugvinden. Hiermee is de informatieparadox van het zwarte gat opgelost. Het no-deleting theorema en het no-hiding theorema samen zeggen dat er alleen voortdurende overgangen zijn maar dat er niets is wat er niet was en niets zal zijn wat er niet op dit moment is. Zouden de kwantumtoestanden van ons lichaam en onze hersenen ook worden overgedragen op dingen om ons heen? De kwantummechanica beantwoordt deze vraag nu bevestigend: er blijft altijd iets van ons bestaan. In hoeverre het betekenis heeft, is dan wel de vraag…

Bronnen
Physorg
Arxiv

Rydberg-ontvangers kunnen dankzij extreem-gevoelige Rydberg-atomen zeer veel verschillende frequenties ontvangen. Bron: leger USA

Rydbergontvanger kan alle radiofrequenties ontvangen

Laat een reactie achter / Ideeën en techniek, natuurkunde, Wetenschap / Door Germen Roding / 9 februari 2021 7 februari 2021

Stel je voor, een radio waarmee je alle mogelijke radiogolven kan ontvangen, van extreem-lage frequentie, tot 20 gigahertz. Dat is nu mogelijk met de Rydbergontvanger.

Rydberg-atomen. Door steeds meer energie toe te voegen, springt het buitenste elektron van een atoom naar een hogere baan. Er is steeds minder energie nodig om een baan hoger te springen, tot die energie bijna nul is. Dat is de Rydberg-toestand. Omdat het elektron nu bijna nul energie nodig heeft om te ontsnappen, is de Rydbergontvanger extreem gevoelig. Bron

Wat is een Rydbergontvanger?

De werking van een Rydbergontvanger berust op Rydbergatomen, in dit geval van het element rubidium. Rydbergatomen zijn atomen die veel groter zijn dan normale atomen, omdat het buitenste elektron heel veel extra energie bezit. Daarom bevindt dit elektron zich in een erg wijde baan om de atoomkern. Dat maakt Rydbergatomen erg labiel. Er is immers maar heel weinig energie nodig om het elektron te laten ontsnappen. En dus gevoelig. Zelfs het zwakste signaal is bij Rydbergatomen al voldoende om het elektron weg te laten springen, en dus een elektrisch stroompje te geven. Bijvoorbeeld, het zwakke signaal van een radiogolf.

In deze ontvanger worden de rubidium-atomen opgepompt met een laser tot Rydberg-atomen en bij een microgolfcircuit geplaatst. Dat microgolfcircuit versterkt de signalen die door de antenne worden ontvangen. Rydbergatomen zijn zo gevoelig dat ze op alle golflengtes reageren – van extreem lange golflengtes (denk aan tienduizenden kilometers of meer) tot centimetergolven.

Erg handig in het leger natuurlijk, als er weer eens ergens een olie- of grondstofrijk landje van een anti-westerse dictator, of democratisch gekozen president, bevrijd moet worden. Hun stoorzenders gaan ze dan niet meer baten, want de Rydbergontvanger kan elke frequentie ontvangen, ook de niet-gestoorde frequenties.

Verwacht voorlopig geen Rydberg-modem waarmee je online Space Invaders kan spelen terwijl je trein door een tunnel rijdt. Het Usaanse leger wil eerst hun nieuwe speeltje doorontwikkelen tot een volwassen communicator. We zullen hier nog van horen.

Bron:

David H. Meyer et al, Waveguide-Coupled Rydberg Spectrum Analyzer from 0 to 20 GHz, Physical Review Applied (2021). DOI: 10.1103/PhysRevApplied.15.014053
David H Meyer et al, Assessment of Rydberg atoms for wideband electric field sensing, Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics (2019). DOI: 10.1088/1361-6455/ab6051

Excitonium, een nieuwe materievorm

9 reacties / natuurkunde, Techniek, Wetenschap / Door Germen Roding / 13 december 2017 13 december 2017

Excitonium is een vreemde vorm van materie, die 50 jaar geleden voorspeld is maar nu pas ontdekt is. Maar wat is excitonium precies?.En wat zouden er er mee kunnen doen?

Wat is excitonium?
Excitonium bestaat uit excitons.
Excitons zijn pseudodeeltjes, die bestaan uit een elektron en het gat, dat het elektron achter heeft gelaten in het kristalrooster. Meestal verwijderen elektronen zich ver van het gat dat ze achterlaten. Bij excitonen is dat anders. De elektronen blijven rond het gat hangen en vormen, met het gat, een soort pseudo-atoom. Kwantumeffecten zijn afhankelijk zijn van de massa – de onzekerheidsrelatie van Heisenberg stelt onder meer dat hoe groter de bewegingssnelheid, hoe kleiner de onzekerheid van de plaats. (er zijn andere relaties, bijvoorbeeld die tussen massa en tijd, maar die vallen buiten het bestek van dit artikel). De lage snelheid van de elektronen en gaten in de exciton-pseudo-atomen, betekent dat ze een enorme grootte hebben – denk aan tientallen malen de grootte van een ‘normaal’ atoom. Nu wordt het interessant. Want als kwantumsystemen elkaar overlappen, vormen ze een condensaat. Dat wil zeggen, dat ze zich gaan gedragen als een enkel systeem. Als het systeem groot is, kan je kwantumeffecten op macroscopische schaal ontdekken. Het bekendste voorbeeld van een kwantum condensaat is een supervloeistof.

Bijzonder aan deze ontwikkeling is, dat dit een driedimensionaal excitonium is. Het is onderzoekers al eerder gelukt, om excitonium te produceren, maar dan alleen plat, op een oppervlakte. Ook interessant is, dat deze, zaten zich vormen op relatief hoge temperatuur: 190° boven het absolute nulpunt (190 kelvin, -83 graden). Dit is hoger dan de temperatuur van vaste kooldioxide, droge ijs. Als het lukt om deze temperatuur nog verder op te schroeven, worden toepassingen op kamertemperatuur mogelijk. Condensaten op kamertemperatuur zijn erg interessant, omdat hiermee kwantumeffecten in het dagelijks leven zijn toe te passen.

Excitonium

Wat kan je er mee?
Bijzonder aan deze ontwikkeling is, dat dit een driedimensionaal excitonium is. Het is onderzoekers al eerder gelukt, om excitonium te produceren, maar dan alleen in platte vorm, als oppervlakte. Dit is het eerste bulk-excitonium ooit. Ook interessant is, dat dit excitonium zich vormt op relatief hoge temperatuur: (190 kelvin, -80 graden). Dit is de temperatuur van vloeibare kooldioxide. Als het lukt om deze temperatuur nog verder op te schroeven, komen toepassingen op kamertemperatuur dichterbij. Condensaten op kamertemperatuur zijn erg interessant, omdat hiermee kwantumeffecten in het dagelijks leven zijn toe te passen. Theoretische voorspellingen lopen nogal uiteen over de eigenschappen van de substantie. Volgens sommigen is het een perfecte geleider, volgens anderen een isolator. In het eerste geval hebben we supergeleiding op kamertemperatuur. Ook superwarmtegeleiding zou een erg interessante toepassing zijn. Dan zou je warmteleidingen kunnen aanleggen, waarbij het niet meer nodig is om vloeistoffen te laten stromen. Voordat hier iets met zekerheid over te zeggen, moeten er experimenten worden gedaan met het nieuwe materiaal. Dat is nu eindelijk mogelijk. De ervaring leert dat ook fundamentele ontdekkingen die op het eerste gezicht niet nuttig lijken, vaak later een goudmijn voor nieuwe technologieop te leveren. Zo werd van de laser, die nu in tienduizenden producten is terug te vinden, gezegd dat het een vinding was dat wachtte op een toepassing.

Bron
A. Kogar et al., Signatures of exciton condensation in a transition metal dichalcogenide, Science 08 Dec 2017:
Vol. 358, Issue 6368, pp. 1314-1317 DOI: 10.1126/science.aam6432 Arxiv

‘Onmogelijke’ EM-Drive uitgetest in de ruimte

3 reacties / Ideeën, natuurkunde, Techniek, Visionaire projecten, Wetenschap / Door Germen Roding / 23 september 2016 23 september 2016

Volgens de klassieke natuurkunde kan de EM Drive, of officieel RF resonant cavity thruster, niet werken. Toch passeert deze experimentele motor experimenteel onderzoek na onderzoek. Nu lanceert een groepje onafhankelijke enthousiastelingen een prototype van een werkende EM Drive in een baan om de aarde. Wordt de EM Drive nu volwassen?

Waarom is de EM Drive zo controversieel?
Volgens de Derde Wet van Newton wekt elke uitgeoefende kracht, een tegengesteld gerichte kracht op (actie=reactie). In het vacuüm is er niets om je tegen af te zetten. Chemische raketmotoren werken daarom door het uitstoten van reactiemassa. Door deze met hoge snelheid naar achteren uit te stoten, wordt de raket naar voren gestuwd. Nadeel hiervan is, dat de raket een grote hoeveelheid reactiemassa mee moet slepen. De EM Drive zet zich volgens de bedenker, Roger Shawyer, via een ingenieus mechanisme af tegen de virtuele deeltjes van het vacuüm. Het niets dus. Dit is in strijd met de Derde Wet van Newton en de nauwkeuriger geformuleerde opvolger hiervan, de wet van behoud van impuls. Dit zou de eerste keer in de geschiedenis zijn dat deze wet, die zo ongeveer het fundament van de mechanica uitmaakt, zou worden geschonden: dankzij het benutten van deze wet zijn bijvoorbeeld ‘onzichtbare’ deeltjes als het neutrino ontdekt.

Werkt de EM Drive?
Door verschillende groepen, zoals NASA, Chinese onderzoeksinstanties en hoogleraar Tajmar met zijn groep, is aangetoond dat de motor op de een of andere manier impuls levert. Dit zonder dat er iets (bijvoorbeeld straling) is gemeten dat die impuls kan leveren, het equivalent van de reactiemassa. Volgens sommige critici is er een onbekende fout in de meetopstellingen gemaakt, bijvoorbeeld door een vorm van elektromagnetische interactie met iets in het laboratorium. Daardoor ontstaat er toch een elektromagnetisch veld ten opzichte van de motor dat de afstoting levert. Inderdaad bleek bij het Chinese experiment volgens onderzoeksleider Juan Yang een experimentele fout te zijn gemaakt, meldde hij in een vervolgonderzoek. Er is maar één effectieve manier om aan deze twijfels definitief een einde te maken. De motor uit te testen in outer space, honderden kilometers verwijderd van storingsbronnen. Als de EM Drive daar werkt, moet er wel sprake zijn van een anomaal effect en is het een bruikbaar mechanisme voor ruimtevaart.

Schoenendoos met EM Drive
Dit is ook wat er gaat gebeuren. Guido Fetta, die het concept doorontwikkeld heeft tot de Cannae Drive, wil met een groep een satellietje zo groot als een schoenendoos, een CubeSat, lanceren. Hiervan maakt de Cannae Drive een groot deel uit. Zonnepanelen zullen de energie leveren. Op de hoogte waar de CubeSat wordt gelanceerd is nog steeds sprake van een minieme drag, luchtweerstand. Dat wil zeggen dat satellieten voortdurend hoogte verliezen. Slaagt de CubeSat er in om in positie te blijven, dan moet de Cannae Drive dus werken. Aldus het idee. Tegelijk met Fetta wil ook de groep rond de oorspronkelijke uitvinder Shawyer een prototype lanceren. De komende maanden wordt het dus erop of eronder voor de EM Drive.

Er zijn meer Planckeenheden in een seconde, dan seconden in de leeftijd van het heelal.

Tijdkristal gevonden?

1 reactie / natuurkunde, Wetenschap / Door Germen Roding / 5 februari 2016 5 februari 2016

Tijd lijkt in het dagelijks leven te vloeien. Toch zijn er enkele natuurkundige redenen waarom tijd op zeer kleine schaal waarschijnlijk korrelig is.

Kort, korter en kortst: Plancktijd en tijdatomen
Je kan tijd, bijvoorbeeld een seconde, onderverdelen in kleinere delen. Denk aan milliseconden, attoseconden en nog kleiner. In een seconde, bijvoorbeeld, bereikt een lichtstraal driekwart van de afstand aarde-maan. In een attoseconde reist een lichtdeeltje, foton, niet verder dan twee waterstofatomen achter elkaar. De kortste laserpuls ooit duurde 67 attoseconden (dat is 0,000 000 000 000 000 067 seconde, de kortste tijd ooit gemeten 20 attoseconden. De grootste nauwkeurigheid waarmee een proces kan worden aangestuurd is zelfs kleiner dan twaalf attoseconden. Bestaan er nog kortere tijdsintervallen? Het antwoord: jazeker. W- en Z-bosonen bijvoorbeeld, de deeltjes die de zwakke kernkracht overbrengen, bestaan gemiddeld minder dan een yoctoseconde. Dat is de tijd die licht er over doet om een proton door te reizen. In theorie kan dit doorgaan tot de Plancktijd. Dit is 5,39 * 10^-44 seconde. Deeltjes die kleiner zijn dan de bijbehorende Planckafstand, zijn zo zwaar dat ze een minuscuul zwart gat vormen. Daarom is het natuurkundig gezien zinloos om over kortere tijden dan de Plancktijd te spreken. Ruimtetijd zoals we die kennen, houdt op te bestaan op deze schaal.

Grotere tijdatomen
De Plancktijd is extreem kort: in principe zitten er meer Plancktijden in een seconde, dan seconden in de leeftijd van het heelal. In een nieuw artikel [1] stellen natuurkundige Mir Faizal en collega’s dat het kortste tijdsinterval dat natuurkundig gezien betekenis heeft, vermoedelijk veel groter is dan de Plancktijd. Discrete tijd dus. De twee belangrijkste theorieën wat betreft kwantumzwaartekracht, snaartheorie en loop quantum gravity, voorspellen beide korrelige tijd. Anders dan bijvoorbeeld de snaartheorie, die experimenteel niet te toetsen is, is toetsing wél mogelijk met de veranderde kwantumvergelijking van Faizal c.s. Deze wijkt bij korrelige tijd namelijk iets af van de continue kwantumvergelijking.

Experiment
De makkelijkste manier om te toetsen of er tijdatomen bestaan, is om de spontane emissie van waterstof te bestuderen. Dat is de snelheid waarmee waterstofatomen met teveel energie fotonen uitzenden en weer terugspringen naar de rusttoestand. Als tijd uit korrels bestaat, gedraagt deze zich anders dan voorspeld door de klassieke kwantummechanica.

Bron
1. Mir Faizal, et al. “Time crystals from minimum time uncertainty.” The European Physical Journal C. DOI: 10.1140/epjc/s10052-016-3884-4. Ook: arXiv:1501.03111

‘Tijdpijl bestaat ook op kwantumniveau’

4 reacties / Ideeën en techniek, natuurkunde, Wetenschap / Door Germen Roding / 2 december 2015 3 december 2015

De vergelijkingen van de kwantummechanica hebben geen tijdpijl: zijn omkeerbaar in de tijd. Lange tijd werd daarom gedacht dat entropie, ruwweg te vertalen als wanorde, alleen op grotere schaal voorkomt. Dat blijkt niet te kloppen.

Tijdpijl aangetroffen
Het is erg lastig om thermodynamische processen in een kwantumsyteem waar te nemen. Tot nu toe is dit daarom niet gedaan. In een experiment maten de onderzoekers de verandering in entropie die optreedt, als het koolstofatoom dat het hart vormt van CCl₄, het chloroformmolecuul, blootgesteld worden aan een wisselend magnetisch veld. Het chloroform werd gekoeld tot vlak bij het absolute nulpunt.

Voor dit experiment maakten de onderzoekers gebruik van koolstof met een extra neutron in de kern, ¹³C in plaats van de ‘normale’ ¹²C dus. Atoomkernen kunnen twee verschillende richtingen op tollen: de spin. Dit komt neer op: met het magnetische veld mee of er tegenin.

Atomen springen naar de laagste energietoestand, waarin de spin evenwijdig is met het magnetische veld. Als het magnetisch veld ompoolt, flippen ook de atoomkernen mee. In het experiment verliep dit proces extreem snel, zodat de atoomkernen het niet direct bij konden houden.

Als het omkeren van de procedure mogelijk was, zou de spin zijn oorspronkelijke waarde weer aan hebben genomen, maar interessant genoeg gebeurde dat niet. De metingen aan de spin wezen er op dat de entropie was toegenomen. Klaarblijkelijk is dit kwantum-thermodynamische systeem irreversibel (niet-omkeerbaar). Dit op atoomkernniveau. Met andere woorden: een tijdpijl op kwantumniveau. Iets wat niet wordt voorspeld door de kwantummechanica.

Waar komt deze tijdpijl vandaan?
De kwantummechanische vergelijkingen, zoals de SchrÃ¶dingervergelijking, zijn alle volstrekt omkeerbaar. Hoe komt met dat zelfs op het niveau van een enkele atoomkern er toename in de entropie ontstaat? Welke onbekende natuurwet is hier verantwoordelijk voor?

‘Kwantummechanische formules alleen geldig bij evenwicht’

Volgens de onderzoekers is het antwoord op deze vraag: de afhankelijkheid van de beginvoorwaarden. In een systeem waarom geen entropietoename mogelijk is, gelden de formules zonder meer. Als een systeem ver uit evenwicht is, zoals in dit experiment, zullen onomkeerbare processen optreden. Wat de onomkeerbaarheid precies veroorzaakt en de tijdpijl tot leven wekt, blijkt niet uit dit experiment.

Uit fundamenteel-wetenschappelijk oogpunt is dit onderzoek buitengewoon interessant en zal tot talrijke nieuwe ontdekkingen en technieken leiden. Helaas kijken de toekenners van onderzoeksbudget voornamelijk naar de onmiddelijk praktische toepasbaarheid. De onderzoekers denken dat dit nieuwe inzicht nuttig is voor het ontwikkelen van kwantumtechnologie, die de beperkingen van klassieke technologie kan overwinnen. Nu technologie steeds kleiner wordt (Silicon Valley hanteert nu een roadmap waarin rond 2020 de minimum afstand in een chip kleiner wordt dan 7 nanometer (rond de 35 atoombreedtes)), is inzicht in kwantummechanische processen van fundamenteel belang. Dat geldt ook voor andere nanotechnologie.

Bron:

1. T. B. BatalhÃ£o, et al. “Irreversibility and the Arrow of Time in a Quenched Quantum System.” Physical Review Letters. DOI: 10.1103/PhysRevLett.115.190601

‘Massaloze EM-Drive maakt bemande reis naar Pluto mogelijk’ – update

8 reacties / Ideeën, natuurkunde, Techniek, Visionaire projecten, Visionaire vragen, Wetenschap / Door Germen Roding / 5 november 2015 6 november 2015

De omstreden EM-Drive belooft een einde aan de gevaarlijke en dure chemische raketten. En hij werkt, zegt nu een tweede, onafhankelijk onderzoeksteam. Met een slag om de arm. Kunnen we nu eindelijk de mens naar verre bestemmingen zoals Pluto sturen?

Het probleem met raketten
In de ruimte is er geen lucht, of een oppervlak om je tegen af te zetten. De enige praktische methode om vooruit te komen is daarom om je af te zetten tegen iets dat je meebrengt: raketbrandstof. Door deze brandstof weg te stuwen, vliegt de raket de andere kant op. (Er zijn andere in principe werkende methoden, zoals zonnezeilen en je afzetten tegen de zonnewind of magnetische veld, maar deze zijn nu nog in het experimentele stadium).

Raketten die een lading tot buiten het zwaartekrachtsveld van de aarde moeten brengen, kunnen maar een paar procent nuttige lading meenemen. De rest van de raket bestaat uit raketbrandstof, plus het omhulsel. Het grootste deel van deze brandstof wordt gebruikt om de andere brandstof omhoog te slepen.

EM Drive als oplossing?
Als je elektromagnetische straling (bijvoorbeeld licht of radiostraling) in tegengestelde richting schijnt, kan je ook je raket wegduwen. Die druk is alleen gewoonlijk miniem. Dat komt door de lichtsnelheid c in de noemer, een enorm groot getal: met bijvoorbeeld een energieflux E_f van 1000 watt vermogen, denk: grote magnetron, wek je slechts

[latex]P_{reflect} = \frac{2E_f}{c} \cos^2 \alpha[/latex]

(onder een rechte hoek Î±=0, dus (cos 0)²=1)

dus 2 * 1000 / 300 000 000 * 1 = rond de 1,5 miljoenste newton stuwkracht op. Nog niet voldoende om een zandkorrel mee in de lucht te houden. Niet echt praktisch dus. Ter vergelijking: met diezelfde 1000 watt kan je een elektrische fiets 80 km per uur laten rijden, of een gemiddelde volwassen man stil laten hangen in de lucht.

Een uitvinder, de verder goed aangeschreven Britse lucht- en ruimtevaartingenieur Roger Shawyer, denkt een uitweg te hebben gevonden.
De uitvinder beweert dat zijn EM Drive veel beter kan dan dit, omdat hij gebruik maakt van vacuümvoortstuwing. Het vacuüm is volgens de kwantummechanica niet werkelijk leeg, maar gevuld met zeer kort levende ‘spookdeeltjes’. De EM Drive zou zich hiertegen afzetten.

Volgens schattingen van NASA kan een verbeterde versie van de EM Drive Pluto in 18 maanden bereiken, of Mars in twee maanden.

Zeer omstreden
Deze verklaring is zeer omstreden (al blijkt het vacuüm rondtollende stofjes wel degelijk langzaam af te kunnen remmen). Volgens mainstream fysici, zoals natuurkundige en science fictionschrijver Greg Egan en wiskundig fysicus John Baez gaat het hier om een motor, die zich (als hij zou werken) impuls levert uit het niets, met andere woorden: de zo ongeveer heiligste natuurkundige wet, de wet van behoud van impuls, met voeten treedt.

Persoonlijk denk ik dat beide heren, en Motl, hier te stellig zijn. Er kan wel degelijk impuls door ruimtetijd geleverd worden: denk bijvoorbeeld aan zwaartekrachtsgolven, het (nog niet aangetoonde, wel voorspelde) Unruh effect en de eerder beschreven vacuümafremming van stofjes.

Elektromagnetische velden polariseren de virtuele deeltjesparen in het vacuüm. Mogelijk vindt er toch impulsoverdracht tussen deze velden en de gepolariseerde deeltjesparen plaats. Of gedragen die gepolariseerde virtuele deeltjesparen zich als een Bose-Einstein condensaat, dat in ieder geval in atomaire materie de lichtsnelheid c sterk terug kan brengen. Daardoor zou het rekensommetje boven een honderden keren zo grote uitkomst krijgen. Deze mogelijkheden moeten nagetrokken worden. Dit zou werkelijk een wereld aan mogelijkheden openen. Zou je vacuüm net als een vloeistof kunnen manipuleren, dan kan je antizwaartekracht opwekken en de tijd vertragen.

Werkzaamheid in drie experimenten aangetoond
In drie onafhankelijke experimenten is nu de werkzaamheid van de EM Drive aangetoond, althans: is een voortstuwing gemeten die veel groter is dan de minieme voortstuwing die de stralingsdruk kan leveren. Shawyer zelf claimde dat zijn EM Drive inderdaad meetbare stuwing produceerde. Een Chinees team bereikte vergelijkbare resultaten. Dat is duizenden malen meer dan alleen stralingsdruk. Een team van NASA produceerde met een veredelde magnetron een vergelijkbare stuwing van honderdsten newton. Omdat zowel de Chinezen als de NASA-techneuten ingenieurs zijn, geen natuurkundigen, namen veel natuurkundigen deze resultaten weinig serieus. Ze zullen wel een fout in de opstelling hebben gemaakt, is de gedachte.

Dat wordt veel moeilijker met het derde onderzoek. Een team onder leiding van de Oostenrijkse professor ruimtevaarttechniek en natuurkundige Martin Tajmar mat de impuls ook[1]. Tajmar heeft in zijn proefopstelling er werkelijk alles aan gedaan om andere verklaringen dan vacuümstuwing uit te sluiten. Toch zijn er nog enkele loopholes, al sloot Tajmar er meerdere. Tajmar blijft voorzichtig en noemt de afstotingskracht door de verbindingskabels waar de stroom doorheen vloeit een mogelijke verklaring. Toch vindt ook hij de resultaten interessant genoeg om er vervolgonderzoek naar te doen.

Zou de theorie kloppen, dan kunnen er enkele geliefde natuurkundige dogma’s over het vacuüm naar de schroothoop.

Een kleine prijs om te betalen, als daarmee het zonnestelsel voor ons openligt, zoals het team van NASA terecht opmerkte.

UPDATE: NASA vindt opnieuw anomale stuwkracht
In een vervolgtest van de EM Drive hebben NASA-medewerkers die aan het project werken, weer enkele zwakke punten gecorrigeerd in de testopstelling, meldde Paul March, een van de medewerkers, op een forum. Zo veronderstelden enkele natuurkundigen in een nog niet gepubliceerd artikel, dat de gemeten voortstuwing in feite een Lorentzkracht is. Dat is een kracht die ontstaat als een elektrische stroom door een magnetisch veld stroomt (in dit geval: het magnetische veld van de aarde). Dat lijkt met de nieuwe testopstelling uitgesloten te zijn.

Bron
1. M. Tajmar en G.Fiedler, Direct Thrust Measurements of an EMDrive and Evaluation of Possible Side-Effects, 51ST AIAA/SAE/ASEE JOINT PROPULSION CONFERENCE, 2015 (paywall); gratis versie

Het tussenliggende laagje is Ã©Ã©n atoom dik en bestaat uit molybdeenatomen (zwart) en zwavelatomen (geel) in een regelmatig zeshoekptroon. Bron: Mehta et al.

‘Half-materie, half-licht deeltje ontdekt’

9 reacties / natuurkunde, Techniek / Door Germen Roding / 30 december 2014 30 december 2014

Een team onderzoekers van City College of New York ontdekten quasideeltjes met zowel licht- als materie-eigenschappen in een enkele atomen dikke halfgeleiderlaag.

De halfgeleider bestaat uit een platte laag van molybdeen en zwavelatomen, die een soortgelijk zeshoekig rooster vormen,zoals grafeen. Zie afbeelding. Ze omgaven de halfgeleider door twee lagen die licht invangen, wat de quasideeltjes opleverde. “Dit is niet alleen een doorbraak op het gebied van fundamenteel onderzoek, ook schept dit de mogelijkheid om apparaten te ontwikkelen die zowel van licht- als materie-eigenschappen gebruik kunnen maken,” aldus de weinig bescheiden onderzoeksleider dr. Vinod Menon.

Een voorbeeld kan zijn: logische poorten of signaalverwerkers die gebruik maken van de voor een bepaalde toepassing meest gunstige eigenschappen van licht en materie. Voor bijvoorbeeld praktische kwantumcomputers, die bij bepaalde bewerkingen veel sneller kunnen rekenen dan bestaande computers, kan de nieuwe ontdekking positieve gevolgen hebben.

Het tussenliggende laagje is één atoom dik en bestaat uit molybdeenatomen (zwart) en zwavelatomen (geel) in een regelmatig zeshoekptroon. Bron: Mehta et al. — Het tussenliggende laagje is één atoom dik en bestaat uit molybdeenatomen (zwart) en zwavelatomen (geel) in een regelmatig zeshoekptroon. Bron: Menon et al.

Dr. Dirk Englund, een hoogleraar aan MIT, houdt zich zelf bezig met kwantumtechnologie, gebaseerd op halfgeleiders en optische systemen. Een nauwverwant onderwerp dus.
“Wat het werk van Vinod en zijn team zo opmerkelijk maakt, is hoe makkelijk deze sterke koppeling [tussen licht en massa, red.] kon worden bereikt. Ze hebben overtuigend laten zien, dat door een standaard diëlektrische holte met exciton-polaritons te koppelen in een enkel laagje van molybdeen disulfide, ze de sterke koppeling met een erg grote bindingssterkte hebben kunnen bereiken.”, aldus hem [1].
Korte technische uitleg: als een lichtdeeltje, een foton, door een lichtdoorlatend materiaal, zoals glas of water, reist, vormt het een quasideeltje. Het lichtdeeltje is als het ware veranderd in een trilling (fonon), samengaan van een paar elektrische of magnetische polen met een ander foton (polariton) of een van zijn plaats losgeslagen elektron (exciton). Een diëlektrische holte is een ruimte tussen een positief en negatief geladen oppervlak.
Naar quasideeltjes wordt erg veel onderzoek naar gedaan, want hiermee zijn uitermate interessante fratsen uit te halen. Denk aan nanosensoren, geluidslasers en dergelijke.

De studie werd onder meer gesponsord door het U.S. Army Research Laboratoryâ€™s Army Research Office en de Amerikaanse National Science Foundation. De kans zit er dus in, dat deze techniek binnenkort te vinden is in een drone, kruisraket of ander instrument ter bevordering van vrede en liefde in de wereld.

Bronnen
[1] STUDY UNVEILS NEW HALF-LIGHT HALF-MATTER QUANTUM PARTICLES, City University of New York (2014)
[2] Vinod M. Menon et al., Strong lightâ€“matter coupling in two-dimensional atomic crystals, Nature Photonics, 2014

Dat een deeltje tegelijk ook een golf kan zijn, hangt ten diepste samen met de onzekerheidsrelatie, ontdekten drie onderzoekers. Bron: Tim Teo/Singapore State University

Kwantummechanica simpeler dan gedacht

1 reactie / Ideeën, natuurkunde, Wetenschap / Door Germen Roding / 19 december 2014 19 december 2014

Twee raadsels in de kwantummechanica, golf-deeltje dualiteit en kwantumonzekerheid, zijn in feite twee manifestaties van één en hetzelfde ding. Is dit de doorbraak waarop we al een kleine eeuw wachten om kwantummechanica beter te begrijpen?

Informatie
Patrick Coles, Jedrzej Kaniewski en Stephanie Wehner bereikten deze doorbraak toen ze aan het Centre for Quantum Technologies van de National University of Singapore samenwerkten. Wehner, die nu als assistent hoogleraar werkt aan de Technische Universiteit Delft bij de onderzoeksschool Qutech, benaderde het vraagstuk als een informatievraagstuk. “Het verband tussen onzekerheid en golf-deeltje dualiteit wordt op natuurlijke wijze duidelijk als je ze als vragen over een [kwantummechanisch] systeem beschouwt. Ons resultaat laat zien hoe krachtig de benaderinjg van natuurkunde als informatievraagstuk is,” aldus Wehner.

Wat zijn golf-deeltje dualiteit en kwantumonzekerheid?
De golf-deeltje dualiteit betekent dat op kwantumschaal ‘dingen’ zowel golf als deeltje zijn. Zo is het elektron een puntdeeltje als je het meet, maar gedraagt het zich ook als een golf, bijvoorbeeld als je elektronen met elkaar laat interfereren of in de vorm van de elektronenwolk die rond atoomkernen hangt. Het kwantumonzekerheidsprincipe houdt in dat het onmogelijk is, bepaalde combinaties van dingen over een deeltje met volledige zekerheid te weten, omdat ze fundamenteel onbepaald zijn. Bekende voorbeelden: impuls en plaats, de reden dat zeer koude atomen wazig worden, en tijd en energie: de reden dat er virtuele deeltjes zeer kort kunnen bestaan. Beide, zo blijkt nu, zijn manifestaties van één en hetzelfde verschijnsel.

Entropische onzekerheidsrelaties
De ‘steen van Rosetta’, waarmee het drietal kwantumonzekerheid en golf-deeltje dualiteit in elkaar vertalen is iets wat de drie ‘entropische onzekerheidsrelaties’ noemen. Deze relaties zijn gebaseerd op kwantumonzekerheid. Entropie is ‘wanorde’ of ‘informatieinhoud’ van een systeem. Hoe entropischer een systeem, hoe meer informatie nodig is om het systeem te beschrijven. Het drietal slaagde er in, om alle wiskunde die voor golf-deeltjes dualiteit wordt gebruikt, te vertalen in entropische onzekerheidsrelaties.
In eerdere publicaties, ontdekten Wehner en haar twee collega’s verbindingen tussen het onzekerheidsprincipe en andere fysica, zoals kwantum-nonlocaliteit (‘werking op afstand’) en de Tweede Hoofdwet van de thermodynamica.
Kortom: een knap stukje werk, wat wel eens zou kunnen leiden tot een Nobelprijs. Het drietal wil nu de volgende stap zetten en proberen uit te vinden hoe deze puzzelstukken in elkaar passen. Iets wat ik persoonlijk in hun plaats zeker zou overwegen is dit stukje werk, dat kwantummechanica gebruikt om zwarte gaten te beschrijven, van oudsher het domein van de algemene relativiteitstheorie.

Bronnen
S. Wehner et al., Equivalence of wave-particle duality to entropic uncertainty, Nature Communications DOI: 10.1038/ncomm6814 (2014) (link naar ArXiv preprint)
Quantum physics just got less complicated: Wave-particle duality and quantum uncertainty are same thing, Science Daily, 2014

Video: quantum discord

1 reactie / Ideeën, natuurkunde, Visionaire vragen, Wetenschap / Door Germen Roding / 29 november 2014 1 december 2014

Kwantumverstrengeling stelt natuurkundigen al bijna een eeuw voor raadsels, maar blijkt slechts het topje van de ijsberg te zijn. Maak kennis met het meer fundamentele begrip quantum discord, een variabele die de mate van ‘quantumness’ van een deeltje bepaalt.

Zal quantum discord eindelijk de vraag beantwoorden, welke kwantuminterpretatie klopt en ons de volle greep geven op kwantumverschijnselen?