kwantummechanica

Video: De kat van Schrödinger

Een van de meest bizarre paradoxen die de kwantummechanica oplevert is de door Erwin Schrödinger bedachte kat, die zowel dood als levend is. Hoe kan dat?

Het arme dier wordt in een kamer opgesloten met een geigerteller met een radioactief atoom en een hamer. Als de geigerteller een tik registreert – het gevolg van een kwantumproces – sterft de kat. Maar is de kat nou dood of levend? Het kwantummechanische antwoord: beide, zolang de kamer niet is geopend of op een andere manier informatie uit de kamer is gelekt…

Bestaat er een Veld, dat alles doordringt en op onze gedachten reageert?

Bestaat er een kosmisch waarschijnlijkheidsveld?

In een uiterst controversieel experiment, het Global Consciousness Project, toetsen parapsychologen of waarnemingen aan toevalsgeneratoren kunnen voorspellen dat er een ingrijpende gebeurtenis plaats zal vinden. De resultaten zijn – hoe kan het ook anders – omstreden.

Bestaat er een Veld, dat alles doordringt en op onze gedachten reageert?
Bestaat er een Veld, dat alles doordringt en op onze gedachten reageert?

Het Veld
Volgens de bedenkers van het experiment bestaat er een soort kosmisch toevalsveld. Dit veld is ook  de veroorzaker van de nog onverklaarde kwantumcollaps in de kwantummechanica en hangt -volgens de initiatiefnemers – nauw samen met de noösfeer, het ‘wereldwijde bewustzijn’. Zeg maar alle intellectuele en spirituele processen en communicatievormen die op aarde plaatsvinden.

Ingrijpende veranderingen in het rijk van de geest- bijvoorbeeld de schok die door de mensheid heenging na de aanslagen van 11 september 2001- zullen uiteraard een enorme impact hebben op het Veld (gesteld dat het Veld bestaat). Het centrale idee van de onderzoekers: deze schokgolf zal zich uiten door veranderingen in het kwantumgedrag van een deeltje in een toevalsgenerator. En, nog veel interessanter, zelfs voor de uiteindelijke gebeurtenis waarneembaar zijn.

Parapsychologie zeer omstreden
Uiteraard is alleen al suggereren dat de geest invloed heeft op de materie voldoende om een rechtgeaarde natuurwetenschapper boven in de gordijnen te krijgen. Geest die directe invloed heeft op materie, het kerndomein van parapsychologie, is not done in de gevestigde wetenschap. Alleen grenswetenschappers doen onderzoek in deze richting.

Verwoede pogingen van andere wetenschappers om de parapsychologen uit de Amerikaanse vereniging van wetenschappers AAAS te zetten zijn tot nu toe echter niet geslaagd. Terecht natuurlijk; zolang maar bonafide wetenschappelijke onderzoeksmethoden worden gevolgd is sprake van wetenschap.

Tientallen ‘Princeton eggs’ over de hele wereld
Het Global Consciousness Project heeft ongeveer zestig ‘Princeton eggs’, toevalsgeneratoren opgesteld, verspreid over de hele wereld, die op basis van een kwantumproces nullen en enen genereren. De theorie is dat de patronen van toevalsgetallen gaan afwijken vlak voordat zich een ingrijpende,voor mensen schokkende gebeurtenis voordoet.  De reden: het Veld vertoont dan een sterke fluctuatie, aldus de theorie.

Omstreden resultaten
Heel toevallig begon het GCP in 1999, twee jaar voor de aanslagen van 11 september. Deze aanslagen waren vermoedelijk, met de tsunami van tweede kerstdag 2004, de ingrijpendste gebeurtenissen in de meetperiode. Klopt de theorie, dan zouden er dus vlak voor de tsunami en de aanslagen grote afwijkingen meetbaar moeten zijn.

De onderzoekers claimen dat dat inderdaad het geval is. Alle gebeurtenissen samen hebben een overschrijdingskans van minder dan één op een miljard. Sceptische wetenschappers zijn echter niet overtuigd. Volgens hen hebben de onderzoekers een bekende fout gemaakt: ze hebben alleen die meetresultaten geselecteerd die significante waarden opleverden.

Een mogelijke andere verklaring
Ondergetekende is een diehard materialist. Net als de sceptici heb ik persoonlijk een hard hoofd in een metafysisch veld,dat beïnvloedt wordt door gedachten. Kwantumfuncties laten zich niet verbidden door gedachten.

Wat echter wel is aangetoond, is dat toekomstige gebeurtenissen een spookachtige invloed hebben op experimentele uitkomsten nu. Ik denk dat het niet zozeer de gedachten van mensen zijn geweest die deze toevalsgeneratoren beïnvloeden (gesteld dat de effecten werkelijk objectief bestaan – daar zijn de nodige twijfels over bij andere wertenschappers), maar de enorme verschuivingen in materie die er mee te maken hebben.

De grootste afwijking werd gevonden na de tsunami in de Indische Oceaan, m.i. niet toevallig de gebeurtenissen die verreweg de meeste atomen in beweging bracht. Ook de gebeurtenissen van 11 september hadden een enorme impact op de goederenstromen. Vliegtuigen bleven op de grond, het scheepvaartverkeer verminderde.
Een grote wereldwijde meditatiesessie zorgt er voor dat  een grote hoeveelheid mensen lange tijd stil blijft zitten. Dit zal uiteraard de nodige gevolgen hebben voor kwantumverstrengelingen met de materie in de deeltjesgenerator.

Bronnen
Global Consciousness project, homepage
Wikipedia, Global Consciousness project

Energie uit het niets. Onmogelijk volgens de gevestigde natuurkunde. Maar...

Casimireffect als aandrijving voor ruimteschepen?

De Chinese fysici Tian-Ming Zhao en Rong-Xin Miao komen met een theorie die een westerse natuurkundige niet snel zou durven te publiceren. Volgens hen gaat de wet van behoud van energie niet op in bepaalde omstandigheden en kunnen we de nulpuntsenergie aftappen door middel van het Casimireffect. Hebben ze een punt?

Chinezen zetten vraagtekens bij wet van behoud van energie
Nu steeds meer wetenschappers uit een niet-westers land actief worden, zien we een sterke toevloed van nieuwe ideeën en paradigma’s. Een explosie van creativiteit waar een liefhebber van originele wetenschap zijn hart aan ophaalt. Een voorbeeld van echte grenswetenschap is een artikel van de Chinese natuurkundigen Zhao en Miao over het aftappen van de nulpuntsenergie met behulp van het Casimireffect. Veel Chinezen geloven in het bestaan van een universele levensenergie, qi, en zijn dus wat eerder bereid dan westerlingen om vraagtekens te stellen bij de wet van behoud van energie.

Energie uit het niets. Onmogelijk volgens de gevestigde natuurkunde. Maar...
Energie uit het niets. Onmogelijk volgens de gevestigde natuurkunde. Maar...

Ruimte wordt heet als je versnelt
In het kort komt hun idee hier op neer. Volgens de algemene relativiteitstheorie leven we in een ruimte, de Minkowskiruimte, waarin de natuurwetten altijd hetzelfde blijven, hoezeer je ook versnelt of vertraagt. Je neemt bij versnellen of vertragen alleen wel iets waar dat lijkt op zwaartekracht. De fysicus Bill Unruh toonde echter in de zeventiger jaren aan dat dit verhaal niet opgaat voor processen op kwantumniveau. Het vacuüm is namelijk niet leeg, maar gevuld met virtuele deeltjes met netto energie nul. Versnel je, dan krijgen die virtuele deeltjes energie en worden dus echt, bestaand. Volgens Unruh ziet een waarnemer die versnelt dus een soort gloed in zijn bewegingsrichting: het Unruh effect. Je moet overigens wel extreem veel versnellen om hier wat van te merken. Het effect heeft veel weg van Hawkingstraling (ongeveer op dezelfde tijd voorspeld door Stephen Hawking). Om dit effect te beschrijven gebruiken natuurkundigen een ander type ruimtetijd, de Rindler ruimte. Hierin verandert de temperatuur naarmate je versnelt. Zhao en Miao bestudeerden vervolgens het gedrag van de Casimirkracht in deze ruimte.

Casimireffect: leger dan vacuüm
In de lege ruimte vormen zich voortdurend deeltjesparen die zeer kort bestaan, waaronder fotonen. Hoe kleiner de ruimte tussen twee platen, hoe minder deeltjesparen zich kunnen vormen. De ruimte tussen de twee platen lijkt hierdoor leger te zijn dan vacuüm. Het gevolg is dat de platen op elkaar gezogen worden met een enorme kracht, althans op kleine afstanden. De kracht neemt toe met de vierde macht: een twee keer zo kleine afstand betekent dus een zestien keer zo sterke kracht. Als twee platen een atoomdikte (0,1 nanometer) van elkaar zweven, is de Casimirkracht verpletterend sterk: een miljard atmosfeer, niet veel zwakker dan de druk die bij een kernexplosie ontstaat. Als we deze kracht zouden kunnen oogsten, hebben we dus werkelijk onvoorstelbaar veel energie tot onze beschikking. Uiteraard precies wat je nodig hebt voor een beetje snelle interstellaire reis. Exoplaneten, here we come. Helaas is de wet tot behoud van energie onverbiddelijk.

Een uitweg?
Beide natuurkundigen sloegen aan het rekenen met het gedrag van het Casimireffect in de Rindlerruimte. Ze vonden een extreem grote Casimirenergie in een zeer kleine holte van 100 nanometer: rond de drie kilojoule, omgeveer de energie in een gram olie. Ze stellen nu voor een kunstmatige Rindler-ruimte te maken met een metamateriaal en daar proeven mee te doen. Een metamateriaal is een materiaal dat bestaat uit laagjes andere materialen waarmee vaak bijzondere effecten zijn te bereiken. Gezien de potentiële mogelijkheden, de auteurs noemen zwaartekrachtsonderzoek, nulpuntenergie en een mogelijke verklaring voor donkere energie, zeker een interessante optie.

Bron:
Huge Casimir effect at finite temperature in electromagnetic Rindler space

Waarschijnlijkheidgolven in een kwantumomheining.

Kwantummechanica na tachtig jaar opgevolgd door nieuwe theorie?

Al tachtig jaar wordt kwantummechanica geplaagd door iets vreemds: een ‘waarnemer’ die een kwantumgolffunctie doet instorten en zo een wazig deeltje vastlegt op één plaats. Een nieuwe theorie slaagt er in om voor het eerst in tachtig jaar hier komaf mee te maken.

Waarschijnlijkheidgolven in een kwantumomheining.
Waarschijnlijkheidgolven in een kwantumomheining.

Gapend gat in de kwantummechanica
Al bijna een eeuw is kwantummechanica zowel de succesvolste als meest raadselachtige theorie van de moderne wetenschap. We kunnen door kwantummechanische formules te gebruiken een werkelijk ongeëvenaarde nauwkeurigheid bereiken bij het voorspellen van natuurkundige fenomenen. Kwantummechanica was verantwoordelijk voor de komst van moderne techniek zoals halfgeleiders (dus computers), lasers en nog veel meer. Kwantummechanica bevat echter een groot gat: het is onbekend door wat voor proces precies golffuncties ineenstorten. Om dit raadsel op te lossen zijn tientallen zogeheten ‘interpretaties’ van de kwantummechanica bedacht, die echter geen van allen op dit moment door experimenten bevestigd of verworpen kunnen worden. Weinig bevredigend uiteraard.

Tijd voor de kettingzaag in het oerwoud aan kwantuminterpretaties
Meerdere Nobelprijswinnaars hebben opgeroepen dit storende gat in kwantummechanica te dichten, in Nederland Gerardus ’t Hoofd en in de VS Steven Weinberg, die kort geleden een blauwdruk heeft gepubliceerd van hoe een dergelijke ‘verbeterde’ kwantummechanica er uit zal komen te zien.  Er zijn al eerder pogingen gedaan om kwantummechanica te verbeteren, maar een nieuwe theorie, mede ontwikkeld door Weinberg, krijgt veel belangstelling. De nieuwe theorie is namelijk naadloos verweven met Einsteins speciale relativiteitstheorie. Tot nu toe zijn kwantummechanica en de algemene relativiteitstheorie van elkaar losstaande theorieën. De algemene relativiteitstheorie levert de ‘achtergrond’ waarop de kwantummechanica zich afspeelt.

“Zoals veel fysici heb ik gedurende mijn gehele carrière kwantummechanica gebruikt en luchtig de fundamentele vragen over haar betekenis genegeerd. Dit wel met een knagend gevoel dat er iets is dat ik zou moeten begrijpen,” aldus Weinberg.  “Als deze verfijning blijkt te kloppen, zou veel van de spookachtigheid die nog steeds kwantummechanica omringt wegsmelten.”

Als subatomaire deeltjes (en wat dat betreft: soms zelfs moleculen) niet worden gemeten, gedragen ze zich als een waarschijnlijkheidwolk. Ze zijn dan tegelijkertijd op alle  plaatsen in deze wolk. Deze wolk wordt weergegeven door een golffunctie, die zich uitbreidt in de ruimte. Als er een meting wordt uitgevoerd, klapt de waarschijnlijkheidsfunctie echter ineen en zien we alleen het deeltje op een precieze plaats, nooit de wazige golf zelf. De hamvraag is natuurlijk:  hoe kan een deeltje weten of het al dan niet in de gaten wordt gehouden? En waarom verandert het waarnemen van het deeltje zijn gedrag? Onzinnige vragen, zegt de Kopenhaagse interpretatie en de meeste fysici. Weinberg en de zijnen (en ondergetekende) zijn het hier hartgrondig mee oneens.

Ze stellen dat het inklappen van de golffunctie een toevalsproces is en dat deze domweg waarschijnlijker is als een meting wordt uitgevoerd. Tot nu toe slaagden ze er echter niet in hun theorie in overeenstemming te brengen met de speciale relativiteitstheorie. Dit jaar is Daniel Bedingham (die naast zijn baan in de financiële sector bijklust als natuurkundige aan het Imperial College van Londen, een manier op het spoor gekomen om dat voor elkaar te krijgen. Zijn theorie is een afgeleide van GRW, een theorie die genoemd is naar de mensen die deze in 1986 ontwikkeld hebben, GianCarlo Ghirardi, Alberto Rimini en Tullio Weber.

Wat houdt GRW in?
GRW zegt dat een kwantumcollaps extreem zeldzaam is voor een individueel deeltje, maar dat een actuele meting uitvoeren op een deeltje het deeltje dwingt een wisselwerking aan de gaan met de meetapparatuur. Het deeltje raakt zo verstrengeld (entangled). Omdat er zoveel atomen in de meetapparatuur voorkomen – een gram waterstof bevat bijvoorbeeld een onvoorstelbare 6,02 * 1023 atomen – is de kans vrijwel 1 dat er tijdens de meting een kwantumfunctie implodeert. Er is zo geen spookachtig effect nodig om het kwantumdeeltje in elkaar te laten storten.

In 1989 verfijnde Philip Pearle van het Hamilton College in Clinton, New York, GRW tot een andere theorie: continuous spontaneous localisation (CSL)[1]. CSL stelt dat de toevallige fluctuaties die bij toeval de golffuncties in laten storten, horen bij een soort veld dat het hele heelal vult en varieert over de ruimte en tijd. Helaas lukte het maar niet om CSL in overeenstemming te brengen met de speciale relativiteitstheorie. Slecht nieuws, uiteraard, want ook voor de speciale relativiteitstheorie zijn er geen uitzonderingen bekend. Vreemde knikpunten in de golffuncties zouden een oneindige hoeveelheid energie in het universum dumpen. We weten dat golffuncties dat niet doen (anders was het heelal allang ingestort tot een zwart gat).

Bedingham is er nu in geslaagd om CSL relativistisch te maken, wat de oneindigheden elimineert. Het fluctuerende veld werkt niet direct op de golffuncties, maar op een ’tussenliggend’ veld dat de effecten gladstrijkt en zo de scherpe fluctuaties stopt. Bedingham’s idee beschrijft nu niet alleen de deeltjes zelf, maar ook de krachten tussen de deeltjes – een must voor elke theorie die kwantummechanica wil vervangen. Ghirardi is een van de mensen die nu met Bedingham het relativistische collapsmodel verder onderzoekt.

Theorie kan nu worden getest
Stefan Nimmrichter van de vooraanstaande onderzoeksgroep kwantumfysica van de universiteit van Wenen (zij zijn de groep die kwantumverstrengeling voor het eerst over grote afstanden hebben aangetoond) stelt nu een experiment voor om te toetsen of de theorie klopt. Als twee golffuncties met elkaar in contact komen, kunnen ze met elkaar interfereren – elkaar uitdoven of juist versterken. Tot dusver ouwe koek, dit is al begin negentiende eeuw door Young aangetoond. Nimmrichter stelt nu echter voor om te onderzoeken wat voor interferentiepatronen worden geproduceerd als twee wolkjes atomen met elkaar interfereren. Details in [2].

Bronnen:
1. Philip Pearle, Combining stochastic dynamical state-vector reduction with spontaneous localization. Physical Review A (1986) (paywall)
2. Stefan Nimmrichter et al., Testing spontaneous localization theories with matter-wave interferometry, Physical Review A (2011) (gratis toegankelijk)

Witte heliumdwergen vormen zich als van een klein sterretje de buitenste gaslagen worden gestript.

‘Nieuw deeltje gevormd in witte dwergsterren’

Al jaren is het een raadsel waarom de oudste heliumdwergen uit het zicht verdwijnen. Een exotisch kwantumproces verklaart mogelijk waarom. En nog een bonus: dit is ook de eerste waarneming van het spookachtige Higgsmechanisme in actie, als dit klopt.

Witte heliumdwergen vormen zich als van een klein sterretje de buitenste gaslagen worden gestript.
Witte heliumdwergen vormen zich als van een klein sterretje de buitenste gaslagen worden gestript.

Witte-dwergsterren zijn de uitgebrande resten van sterren, waarin alle fusiebrandstof al is omgezet. De meeste witte dwergsterren bestaan uit witgloeiende koolstof en zuurstof. De lichtste variant, met een kern van helium, ontstaat als de kleine M-sterren, rode dwergen, uitgebrand zijn. Dit type sterren is te licht om helium te kunnen omzetten in koolstof en zuurstof. Omdat een kleine ster een veel grotere levensduur heeft dan een grote ster (tot 1000 miljard jaar, ter vergelijking: ons heelal is ‘maar’ 13,5 miljard jaar oud), zijn de weinige heliumdwergen die bekend zijn, het gevolg van het opslokken van hun buitenste gaslagen door een begeleider.

Afkoelen duurt langer dan het heelal oud is
Witte dwergen produceren geen energie meer, dus koelen uiteindelijk af tot zwarte dwergen die zo koud zijn dat ze geen warmte of licht meer uitzenden. Dit afkoelen duurt echter zeer  lang[1], rond de tienduizend miljard jaar, waardoor er op dit moment nog geen zwarte dwergen zijn gevormd. Althans, denken astronomen, want de koelste witte dwerg ooit waargenomen blijkt nog een temperatuur te hebben van plm. 3600 graden Celsius (rond de 3900 K). De precieze snelheid waarmee witte dwergen hangt af van hun structuur en is vrij ingewikkeld [1], maar wordt op zich goed begrepen. Naar nu blijkt, blijken heliumdwergen zich echter onverwacht afwijkend te gedragen.

Heliumdwergen koelen veel sneller af… waarom?
Tot nu toe wordt gedacht dat helium onder hoge druk (net als andere stoffen) een elektronenvloeistof vormt. Atomen worden zo dicht op elkaar geperst dat elektronen niet meer verbonden zijn aan één atoom. Dit is een vorm van gedegenereerde materie. Als de druk nog verder toeneemt, vormen de atoomkernen een soort kristal in de zee van elektronen. De eigenschappen van dit heliumkristal bepalen hoe snel de ster afkoelt. Hoe lager de warmtecapaciteit van het kristal, des te minder hitte kan het bergen en hoe sneller het afkoelt.

Wat bepaalt de warmtecapaciteit?
Die warmtecapaciteit hangt, zoals de warmtecapaciteit van alles, af van het aantal vrijheidsgraden van de atoomkernen en elektronen in het kristal. De warmtecapaciteit van water is bijvoorbeeld zo enorm groot omdat watermoleculen op heel veel verschillende manieren intern en extern kunnen bewegen, waardoor ze veel energie op kunnen slaan. Zo kunnen de waterstof- en zuurstofatomen onderling bewegen, het molecuul kan draaien, de waterstofbruggen, waarmee watermoleculen elkaar aantrekken, geven nog een extra aantal vrijheidsgraden. Kortom: verandert de structuur van het ‘atoomkernkristal’, dan heeft dat enorme gevolgen voor de hoeveelheid warmte die de witte dwerg op kan slaan.

In feite werkt magnetische koeling ook zo. Als het magnetisch veld aan wordt geschakeld, kunnen de atomen in het materiaal veel minder verschillende kanten op trillen. Omdat de energie behouden blijft, wordt deze verdeeld over minder trillingen. De temperatuur neemt daardoor enorm toe en het materiaal dumpt zijn warmte. Als het veld weer uit wordt geschakeld, is het materiaal opeens ijskoud. Immers, de warmte wordt nu opeens uitgesmeerd over meer trillingsmogelijkheden.

Quasideeltjes in een kwantumvloeistof
Naar nu blijkt, kan het helium ook een soort Bose-Einstein condensaat vormen. Dat betekent dat de atoomkernen hun identiteit verliezen en dat het verandert in een soort vloeistof. Astrofysicus Paulo Bedaque van de universiteit van Maryland in College Park en enkele collega’s onderzoeken hoe de aanwezigheid van een dergelijk condensaat de warmtecapaciteit beïnvloedt[2]. Naar nu blijkt, kunnen heliumcondensaten extreem veel verschillende quasideeltjes vormen. Deze quasideeltjes bestaan niet werkelijk, maar zijn in feite trillingen in het condensaat. In de bekende Bose-Einsteincondensaten, die zich vormen in extreem koude stoffen, is het gedrag van quasideeltjes al goed bekend. Deze trillingen transporteren snel hitte uit het binnenste van de ster.

Bedaque en zijn groep hebben nu een quasideeltje gevonden dat de warmtecapaciteit van de kwantumvloeistof met factor honderd verkleint. De gevolgen laten zich raden: deze witte dwergsterren koelen veel sneller af. Ze denken zelfs dat deze snelle afkoeling meetbaar is.

Bewijs voor het Higgsmechanisme gevonden?
Al jarenlang breken astrofysici zich tevergeefs het hoofd waarom heliumdwergen zo snel afkoelen. Enkele jaren geleden vonden astronomen een groep heliumdwergen in een bolvormige sterrenhoop enkele duizenden lichtjaren van hier. Als de temperatuur en helderheid van witte dwergen tegen elkaar worden afgezet vinden astronomen een vloeiende lijn tot de witte dwergen niet meer zichtbaar zijn met de telescoop. Met deze heliumdwergen bleek wat vreemds aan de hand. De lijn eindigde ruim boven de detectielimiet van de Hubble-ruimtetelescoop. Om een bepaalde reden verdwenen de zwakste, koelste en oudste sterren plotsklaps uit beeld. Zou de vorming van een Bose-Einstein kwantumvloeistof, dat plaatsvindt onder een bepaalde temperatuur, inderdaad verantwoordelijk zijn voor het snelle afkoelen van witte heliumdwergen?  Dit zou inderdaad verklaren waarom de dwergen plotseling uit het zicht verdwijnen.

Ook interessant is dat in hun model gebruik wordt gemaakt van het Higgs-mechanisme om fotonen magnetische massa te geven. Dit zou dan het eerste geval zijn waarin het Higgsmechanisme daadwerkelijk verantwoordelijk is voor een waargenomen natuurkundig proces.

Bronnen
1. Greg Thompson, The Physics of White Dwarf Cooling, Universiteit van Toledo (2007)
2. Paulo Bedaque et al., Nuclear Condensate And Helium White Dwarfs, ArXiv (2011)

Zet het heelal uit door het vrijkomen van energie uit massa? Dit zegt een opmerkelijke theorie van de Finse natuurkundige Arto Annila.

‘Uitzetting heelal door opbrandende sterren’

Als fysicus ArtoAnnila gelijk heeft, bestaat er helemaal geen donkere energie, maar klopt onze rekenmethode om de afstand en snelheid van supernova’s te berekenen, domweg niet.  En veroorzaken sterren en supernova’s zelf de uitzetting als gevolg van een kwantumeffect. Food for thought, want deze oplossing is verrassend elegant…

De snelste route voor licht
Terwijl het licht vanaf de supernova voortreist, neemt het uitzettende heelal af in dichtheid. Als licht van een gebied met hoge dichtheid (zoals toen het heelal nog jong was of in de buurt van een zware ster) naar een gebied met lage dichtheid reist, schrijft Maupertuis’ principe van minimale actie voor dat het licht impuls verliest. Licht met een lagere impuls krijgt een grotere golflengte en wordt dus ‘roder’. Maupertuis’ principe bepaalt volgens Annila ook dat als het licht gebieden met een hoge energiedichtheid, zoals rond een ster, passeert, de lokale lichtsnelheid vermindert en de bewegingsrichting verandert.

Behoud van aantal quanta
Als dit de manier is waarop het licht van supernova’s reist, verklaart dit op zijn beurt waarom het universum uitzet, stelt Annila. Als een ster explodeert en zijn massa wordt omgezet in straling, vereist een behoudswet (vermoedelijk de regel dat er in een gesloten systeem, zoals het heelal, geen kwantuminformatie verloren mag gaan of bij mag komen) dat het aantal kwanta gelijk blijft, of deze zich nu in de vorm van massa of straling bevinden. Om de balans tussen energie die in materie is gebonden en energie die in de vorm van fotonen vrijkomt te behouden, bewegen de supernova’s van elkaar weg met een steeds toenemende gemiddelde snelheid. Deze oplossing heeft als voordeel dat er geen donkere energie of iets dergelijks voor nodig is. Deze zou namelijk de wet van behoud van energie schenden. Dit principe geldt overigens niet alleen voor supernova’s maar voor alle vormen van ‘gebonden’ energie. Als de gebonden vorm van energie in hemellichamen als sterren, pulsars, zwarte gaten en dergelijke in elektromagnetische straling wordt omgezet – energie met een veel lagere dichtheid – zorgen deze onherroepelijke omzettingen van massa in energie de uitzetting van het universum. Klopt Annila’s theorie, dan moet de uitzetting van het heelal volgens een sigmoïde (S-vormige) curve verlopen, zie diagram.  De uitzetting stopt namelijk als er geen ‘gebonden’ energie meer vrijkomt omdat alle materie is opgebrand. We zitten nu nog uiterst links op deze curve.

Een sigmoïde curve.
Een sigmoïde curve.

In één klap ook donkere materie verklaard
Annila laat ook zien dat als zwaartekrachtslenzen met dit concept worden geanalyseerd, er geen donkere materie meer nodig is om de resultaten te verklaren. Zoals bekend buigt zware materie licht af. Eén van de eerste experimentele bevestigingen van de algemene relativiteitstheorie was een minieme afwijking van de positie van een ster omdat het licht door de zwaartekrachtsveld van de zon werd afgebogen.  Bij de zon klopt dit wel aardig, maar bij complete melkwegstelsels blijkt er een grote hoeveelheid “donkere materie” op te treden. Naar schatting is hier ongeveer vijf keer zoveel van als van standaard materie.

Fysische realiteit in plaats van wiskundige theorie
Toen Annila Maupertuis’ principe van minimale actie toepaste om te bestuderen hoe een melkwegstelsel van een bepaalde massa passerend licht zou doen afbuigen, berekende hij dat de afbuiging vijf maal groter is dan de uitkomst volgens de algemene relativiteitstheorie. Met andere woorden, de aanwezige massa in melkwegstelsels is zo voldoende om de afbuiging te verklaren. Dit verklaart mijns inziens ook de merkwaardige verdeling van donkere materie. Volgens Annila schiet de algemene relativiteitstheorie hier tekort omdat het (weer zijn stokpaardje, maar hij heeft een punt) een wiskundig model is, terwijl je in de natuurkunde een fysisch nauwkeurige beschrijving van het systeem moet maken om voorspellingen realistisch te maken. Het volgen van Maupertuis’ principe  levert dit model op.

Zet het heelal uit door het vrijkomen van energie uit massa? Dit zegt een opmerkelijke theorie van de Finse natuurkundige Arto Annila. Krabnevel, bron NASA/ESA; public domain

Theorie kan getest worden met experimenten
In tegenstelling tot de snaartheorie, geloof in boze geesten en andere metafysica, kunnen deze concepten natuurlijk nauwkeurig worden getest. Het principe van kortste-tijd vrije energieconsumptie is per definitie een universele en onschendbare wet. Wordt met een experiment deze wet fout bevonden, dan is hiermee de theorie in één klap gefalsificeerd: een kenmerk van een goede wetenschappelijke theorie. Hiervoor kunnen de supernova-explosies gebruikt worden, maar ook de metingen van de zwaartekracht-satelliet Gravity Probe B.

Heeft Annila gelijk?
Annila doet buitengewone claims en deze vereisen dan ook buitengewoon grondige onderbouwing. Toekomstige experimenten zullen dus uitwijzen of hij gelijk heeft. Veel vakgenoten zijn sceptisch (zie ook comments onder het artikel op Physorg), onder meer omdat er ook melkwegstelsels bekend zijn die vrijwel geheel uit donkere materie bestaan.

Zeer aantrekkelijk aan zijn theorie is dat hij uit gaat van enkele rotsvast gegronde natuurkundig principes, dat van Maupertuis en behoud van kwantuminformatie, en maar liefst twee verschijnselen tegelijk verklaart: de versnelde uitzetting en donkere energie. Zijn theorie is daarom vanuit natuurkundig oogpunt gezien erg elegant. Dit is, kortom, zeker een nader onderzoek waard. Dit soort visionair denken is nodig om fundamentele wetenschappelijke doorbraken te bereiken.

Vervolg op: ‘Donkere energie onnodig’

Bronnen
A second look at supernovae light: Universe’s expansion may be understood without dark energy – Physorg.com (2011)
Arto Annila. “Least-time paths of light.” Mon. Not. R. Astron. Soc. 416, 2944-2948 (2011), versie zonder paywall

Zullen wij mensen veranderen in radioactief opgloeiende materie?

Vervaagt het heelal?

Stel, je wordt op een dag wakker en kijkt in de spiegel. Er is iets heel vreemds aan de hand. Je ziet er korrelig en vaag uit, als een slechte kwaliteit beeld dat sterk is opgeblazen. Je gilt,  maar het geluid dat je maakt klinkt spookachtig, als over een slechte telefoonlijn. Vreemd? Toch is dit wat onvermijdelijk gebeurt als twee ideeën, de uitzetting van het heelal en het behoud van kwantuminformatie, allebei kloppen, stelt MIT-kosmoloog Mark Tegmark.

Zullen wij mensen veranderen in radioactief opgloeiende materie?
Zullen wij mensen veranderen in radioactief opgloeiende materie?

De Big Snap en de inflatietheorie
Dit akelige scenario is ook wel bekend als de Big Snap. Het is het logische gevolg als je de snelle uitzetting van het heelal koppelt aan de kwantummechanische voorwaarde dat de hoeveelheid informatie in het heelal altijd gelijk blijft. Als dezelfde hoeveelheid informatie over een groter volume wordt uitgesmeerd, beginnen dingen als atomen en dus ook mensen uit elkaar te vallen.  Het heelal loopt als het ware vast. Een schrale troost: je sterft al door andere oorzaken voor je jezelf ziet vervagen.
Er is gelukkig één maar aan dit  onprettige vooruitzicht. Het is in strijd met de kosmologische theorie van de exponentiële inflatie vlak na de Big Bang.

Nuttig gedachtenexperiment om kwantumzwaartekracht te ontdekken
Tegmark denkt daarom dat dit scenario niet uit zal komen, alhoewel het dus logisch volgt uit beide theorieën. Blijkbaar zit er volgens hem ergens een fout in hetzij de snelle uitzetting van het heelal, dan wel de kwantuminformatie-hypothese. Met dit gedachtenexperiment denkt hij een theoretische koevoet te hebben gevonden om de geheimen van kwantumzwaartekracht los te kunnen wrikken. Voor het andere “idee”, met absurd hoge snelheden proberen de Planck-energie te halen, moeten we een deel of zelfs het complete Melkwegstelsel ombouwen tot deeltjesversneller. Op zich geen gek plan, goed voor de werkgelegenheid de komende paar miljoen jaar, maar gezien de financiële moeilijkheden bij de EU en de Amerikanen zit dat er voorlopig nog niet in.

Heelal onthoudt alles
Informatie gaat volgens de kwantummechanica niet verloren. Elk deeltje en krachtveld is verbonden met een golf. Dit is alles wat we mogelijkerwijs kunnen weten van dat deeltje of veld. Kennen we van elk deeltje de exacte kwantumtoestand (zo heet al die informatie samen), dan kunnen we het heelal volledig beschrijven. Tegmark stelde zich de vraag wat gebeurt in het heelal als dit snel uitzet. Immers: kwantummechanica is onverbiddelijk. Informatie kan niet ontstaan of verdwijnen in het niets.

Einde van de voorspelbaarheid?
Er gaan heel vreemde dingen gebeuren als het beperkte aantal quanta (de informatieinhoud) in het heelal over een steeds groter volume wordt uitgerekt, toonde Tegmark in zijn artikel[1] aan. Zijn redenering komt zonder wiskunde neer op het volgende. Elk stukje ruimtetijd, ook al is het leeg, bevat informatie. De aanwezigheid van zwaartekrachtsvervorming bijvoorbeeld maakt de lege ruimte hier op aarde anders dan die in de gapende leegtes  tussen melkwegclusters. Zo verloopt de tijd hier trager. Om dit te beschrijven heb je informatie nodig. Kwantumtheoretici gaan doorgaans uit van de Plancklengte als elementaire eenheid van lengte. (Dit is overigens experimenteel al weer ontkracht, het is wel duidelijk dat de ware aard van ruimtetijd niets met naieve Euclidische  meetkunde van doen heeft maar goed, daar komen we zo op). Stel je een kubusje van 1x1x1 Plancklengte voor. Of liever: een stukje oppervlak van 1×1 Plancklengte, het heelal is waarschijnlijk een hologram. Dit is volgens deze theoretici een elementaire informatiepixel, een qubit zo ge wil, van het heelal.

Neem maar genoeg van deze qubits, afgrijselijk veel, en op een gegeven moment heb je je heelal. Echter: het heelal zet uit. De elementaire informatie in de qubits is op een gegeven moment uitgesmeerd over een twee keer zo groot volume. Probleem. De Plancklengte blijft namelijk gelijk, dus zijn er nu twee keer zoveel elementaire pixels nodig. Er is dus informatie bijgekomen. En dat is strikt verboden volgens de kwantummechanica. We kunnen niet meer de toekomst voorspellen. Meer filosofisch ingestelde mensen zoals collega-visionair Niek vinden dit prachtig, maar dit brengt theoretici tot wanhoop. Kwantummechanica is namelijk de meest nauwkeurige natuurkundige theorie die er bestaat en een van de twee pijlers waarop de moderne natuurkunde berust.

Levende atoombom
Een andere optie is kwantummechanica intact te laten en aan te nemen dat het nieuwe volume geen nieuwe informatie met zich meebrengt. Met andere woorden: we kunnen het heelal tien miljard jaar geleden, of tien miljard jaar in de toekomst, met hetzelfde aantal bits beschrijven als nu. De makkelijkste manier om je dit voor te stellen is dat elke cel groeit. Er komt wel steeds meer lege ruimte, maar die ruimte wordt steeds korreliger. Op een gegeven moment is de lengte van een elementaire korrel bijvoorbeeld niet meer een Plancklengte (10-35 meter), maar die van de doorsnede van het proton (10-14 meter). Ter vergelijking: een proton zou bij deze vergroting dan zo groot als de aarde zijn. Uiteraard vinden de quarks in een proton dat niet leuk, het evenwicht in atoomkernen wordt totaal verstoord, dus er gaan dan heel grappige dingen gebeuren met atoomkernen. Grappig voor een buitenstaander althans, want veranderen in een levende atoombom is niet fijn om mee te maken.

Moet ik me bij een doomsday sekte aansluiten?
Een subtieler effect is het gedrag van licht. Als ruimte korreliger wordt, zullen zeer energierijke fotonen (die immers zo compact zijn dat ze heel weinig ruimte innemen) meer verstrooid worden en dus langzamer reizen dan zwakke fotonen. Precies dat effect is onderzocht bij gammaflitsen. Dat zijn extreem heftige energieuitbarstingen waarbij zeer energierijke gammafotonen vrijkomen. Is de ruimte inderdaad korrelig, dan moeten de energierijkste fotonen langzamer zijn dan de minder energierijke fotonen. Naar blijkt, bewegen deze precies even snel. De Plancklengte blijkt een hersenspinsel. We zijn een maar paar miljard jaar verwijderd van de voorspelde Big Snap, dus zou deze werkelijk optreden, dan zouden we de gevolgen hiervan merken. Dus wacht nog even met alles verkopen wat je hebt. En van het leven genieten is altijd een goed idee, trouwens.

Dus: of we zijn buitengewoon bevoorrecht dat we de dans zijn ontsprongen, of, waarschijnlijker, zit er een behoorlijke fout in onze theorieën. Ik persoonlijk denk dat die fout in het naieve denken over ruimtetijd schuilt. Planck-kubusjes bestaan niet.

Bronnen
1. Max Tegmark, How unitary cosmology generalizes thermodynamics and solves the inflationary entropy problem, Arxiv.org (2011)

De algemene relativiteitstheorie beschrijft zwaartekracht goed, maar geeft geen antwoord op de vraag wat zwaartekracht precies is.

‘Verlindes entropische zwaartekrachtstheorie klopt niet, bewijst experiment’

De Nederlandse snaartheoreticus Eric Verlinde denkt dat zwaartekracht een statistisch effect is, een entropische pseudokracht dus. Dit idee trok veel aandacht. Hij werd geëerd met de Spinozaprijs voor zijn revolutionaire theorie.  Helaas voor hem haalt fysicus Kobakhidze hem onderuit met een opmerkelijk stukje natuurkunde.

Zwaartekracht of vervorming van ruimtetijd?
Zwaartekracht is een vreemde eend in de bijt van natuurkrachten. Zo vervormt zwaartekracht de ruimte (nauwkeuriger uitgedrukt: IS zwaartekracht de vervorming in de ruimte die we waarnemen) en bepaalt hiermee het speelterrein van de andere krachten. Er zijn twee grote theorieën in de natuurkunde: Einsteins algemene relativiteitstheorie, die de zwaartekracht plus ruimtetijd beschrijft en het Standaardmodel, dat de overige krachten beschrijft door middel van drie kwantumveldtheorieën.

De algemene relativiteitstheorie beschrijft zwaartekracht goed, maar geeft geen antwoord op de vraag wat zwaartekracht precies is.
De algemene relativiteitstheorie beschrijft zwaartekracht goed, maar geeft geen antwoord op de vraag wat zwaartekracht precies is.

Erg onbevredigend natuurlijk. Geen wonder dat natuurkundigen, waaronder Einstein zelf, al bijna een eeuw lang op zoek waren en zijn naar manieren om die twee theorieën samen te voegen tot één zogenaamde ’theorie van alles’ en te verklaren waarom er zoiets als zwaartekracht bestaat. Een van hen is Erik Verlinde. Hij gelooft dat zwaartekracht geen kracht is, maar een entropisch effect is dat alleen maar lijkt op een kracht. Omdat de entropie in het heelal toeneemt, probeert materie zich zo te organiseren dat de entropie maximaal wordt. Het effect van deze herverdeling lijkt op een kracht die we zwaartekracht noemen, aldus Verlinde. Verlinde’s benadering (voor een theorie is het nog te onrijp) biedt een uitweg uit het conflict tussen de algemene relativiteitstheorie en het Standaardmodel, dat op kwantummechanica is gebaseerd. Alleen bij grote aantallen deeltjes treden deze statistische effecten op, aldus Verlinde. Wat ook verklaart waarom op kwantumschaal zwaartekracht nog niet waargenomen is.

Neutronenexperiment
Een interessante benadering, heel wat interessanter dan de door Verlinde en kuddes collega’s zo geliefde snaartheorie. Mede omdat deze theorie, in tegenstelling tot de snaartheorie, door experimenten wél te falsificeren is. En dat is, helaas voor Verlinde, lijkt precies te zijn wat er gebeurd is. Om precies te zijn: door een experiment dat uit is gevoerd toen Verlinde’s idee nog in zijn brein aan het rijpen was. Fysicus Archil Kobakhidze van de Australische universiteit van Melbourne heeft vastgesteld hoe. Hij heeft een uiterst zinnige vraag gesteld: hoe zou het entropische zwaartekrachtseffect van Verlinde kwantumdeeltjes kunnen beïnvloeden? Hij heeft dit model wiskundig geformaliseerd en hier een zwaartekrachtsvergelijking uit afgeleid. Wat heel interessant is: deze vergelijking is een andere dan de conventionele zwaartekrachtsvergelijking. Met andere woorden: met een experiment is te beslechten wie er gelijk heeft. Verlinde of Einstein.

Experiment bewijst: traditionele zwaartekrachtstheorie ook op kwantumniveau geldig
En dat is precies wat er is gebeurd. Natuurkundigen hebben de invloed van zwaartekracht op neutronen al een decennium geleden gemeten. De resultaten van deze metingen – en mogelijk ook van dit Oostenrijkse CERN experiment – komen exact overeen met die van de traditionele zwaartekrachtstheorie van Einstein, aldus Kobakhidze. In zijn woorden: “Experimenten op gravitationeel gebonden staten van neutronen bewijzen ondubbelzinnig dat er geen entropische oorsprong van de zwaartekracht is”.

Hou zouden Verlinde en zijn aanhangers op deze uitdaging reageren?
Lees ook:  Zwaartekracht is gevolg van kwantumverstrengeling.

Bron
Archil Kobakhidze, Once More: Gravity Is Not An Entropic Forc, ArXiv.org (2011) (tip)

Een wiskundige ontdekte dat gekromde impulsruimte qua eigenschappen erg kwantummechanisch aandoet.

Voorbij Einstein: experimenteel bewijs

Een revolutionair nieuwe theorie belooft ruimtetijd en de kwantumwereld met elkaar in verbinding te brengen. Hierbij wordt uitgegaan van impulsruimte. Zijn de eerste bewijzen al gevonden? En, nog veel hallucinerender: nemen verschillende waarnemers een verschillende geschiedenis waar?

Lees ook Voorbij Einsteins ruimtetijd: de theorie

Verleden ligt niet vast
Relatieve lokaliteit heeft de nodige voordelen. Zo kan een lastige puzzel, de informatieparadox van een zwart gat, worden opgelost. Deze komt  in het kort hierop neer. Stephen Hawking berekende in de jaren zeventig dat zwarte gaten langzaam ‘verdampen’ en uiteindelijk in het niets oplossen. Hierbij is er geen spoor te vinden van de dingen die ooit door het zwarte gat opgeslokt zijn.  Dit is in strijd met wat kwantummechanica hierover zegt. Informatie kan niet verdwijnen in het niets.

Volgens Smolin verklaart relatieve lokaliteit hoe deze informatie verloren gaat. Zwarte gaten van enkel zonsmassa’s verdampen in een extreem lange tijd. Als je in deze extreem lange tijd terugkijkt, merk je dat de locaties in dit extreem verre verleden zo wazig en onzeker zijn geworden dat er geen manier is om te vertellen of een voorwerp werkelijk in het zwarte gat is gevallen of het net gemist heeft.

Een wiskundige ontdekte dat gekromde impulsruimte qua eigenschappen erg kwantummechanisch aandoet.
Wiskundige Shahn Majid ontdekte dat gekromde impulsruimte qua eigenschappen erg kwantummechanisch aandoet.

Aanwijzingen ontdekt die de theorie bevestigen
Er blijven de nodige vragen open. Hoe weten we of de impulsruimte werkelijk gekromd is? Om het antwoord te vinden heeft het team verschillende experimenten voorgesteld. Een voorbeeld: het waarnemen van extreem ver verwijderde gammaflitsen. Als de impulsruimte op een niet-metrische manier gekromd is, komt een foton met een grotere impuls (dus meer energie) later aan dan een minder energierijk foton. Dit effect is inderdaad in 2005 waargenomen met een gammatelescoop op de Canarische Eilanden en is in 2008 bevestigd door NASA’s Fermi gammatelescoop. Het is alleen nog niet duidelijk of dit effect het gevolg is van gekromde impulsruimte of onbekende eigenschappen van de explosies zelf. Misschien dat de energie-arme straling een paar seconden voor de energierijke straling wordt uitgezonden.

Gelukkig is er een goede manier om hier snel achter te komen. Het recept gaat ongeveer als volgt. Verzamel een enorme hoeveelheid gammaflitswaarnemingen. Als de vertraging van energierijke straling bij elke gammaflits even groot is, ligt de oorzaak in het proces zelf. Als het een gevolg is van het bestaan van relatieve lokaliteit, betekent een kleinere afstand een kleiner tijdsverschil. Het team wacht daarom in spanning op meer waarnemingen van Fermi.

Wat laat de impulsruimte krommen?
In de algemene relativiteitstheorie laat impuls en energie in de vorm van massa ruimtetijd vervormen. Maar stel dat je uitgaat van impulsruimte. Kunnen ruimte en tijd op een bepaalde manier de impulsruimte laten krommen? Misschien dat het werk van Shahn Majid, wiskundig fysicus aan de Queen Mary University van Londen, wat aanwijzingen heeft. Hij toonde in de negentiger jaren aan dat gekromde impulsruimte equivalent is aan ruimtetijd, maar met een bijzondere eigenschap. Het is namelijk een ruimte waarin je op een andere plek uitkomt als je vijf stappen vooruit en twee naar links doet, dan als je twee stappen naar links doet en dan pas vijf naar voren. Wiskundigen noemen dit een niet-commutatieve ruimte. Hierdoor ontstaat een bepaalde onzekerheid. En laat onzekerheid nu net een fundamenteel onderdeel van kwantummechanica zijn.

‘Impulsruimte is kwantummechanische ruimte’
Kwantummechanica verschilt van klassieke natuurkunde door het onzekerheidsprincipe van Heisenberg. Leg je de impuls van een deeltje vast door het te meten, dan maak je hiermee zijn positie compleet onzeker en andersom. De volgorde waarmee je positie en moment meet, doet hier ter zake. Je krijgt een andere uitkomst als je de twee metingen omdraait. Volgens Majid volgt hieruit dat ‘gekromde impulsruimte’ niets anders dan kwantummechanische ruimtetijd is.

Majid gaat verder. Hij denkt dat er ook een omgekeerd verband is. De kromming van ruimtetijd – waar volgens Einstein zwaartekracht op neerkomt – zou volgens hem wel eens als gevolg kunnen hebben dat de impulsruimte ook kwantum is. Het model van Smolin en zijn team bevat nog geen zwaartekracht, maar is deze eenmaal toegevoegd, dan voorspelt Majid dat waarnemers het ook niet eens zullen worden op waarnemingen in impulsruimte. Maar welke  ruimte is nu werkelijk? Ruimtetijd of impulsruimte?

Ruimtetijd en kwantumruimte vormen achtdimensionale faseruimte
Smolin denkt dat we in een achtdimensionale faseruimte leven die alle mogelijke waardes van positie, tijd, energie en moment omvat. In de relativiteitstheorie is wat één waarnemer als ruimte ziet, voor de andere waarnemer tijd en andersom, want beide maken deel uit van de universele ruimtetijd. In Smolins beeld van kwantumzwaartekracht ziet de ene waarnemer als ruimtetijd wat de andere waarnemer als impulsruimte waarneemt en maken beide onderdeel uit van de acht-dimensionale onveranderlijke ruimte. Maar hoe zouden de puzzelstukken van ruimtetijd en impulsruimte in elkaar kunnen passen?

Hierover meer in het derde en laatste deel.

Bron
Beyond space-time: Welcome to phase space, Newscientist.com (2011)

De Pioneers 10 en 11 gaven niet alleen heel veel informatie over de gasreuzen Jupiter en Saturnus. Ze lieten ook zien dat de heliopauze heel chaotisch is en blijken onderhevig aan een raadselachtige kracht.

Raadselachtige Tajmar effect verklaard?

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

Het Tajmar-effect. Een gyroscoop 'sleept' een supergeleidende schijf mee
Het Tajmar-effect. Een gyroscoop 'sleept' een supergeleidende schijf mee

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.

De Pioneers 10 en 11 gaven niet alleen heel veel informatie over de gasreuzen Jupiter en Saturnus. Ze lieten ook zien dat de heliopauze heel chaotisch is en blijken onderhevig aan een raadselachtige kracht.
De Pioneers 10 en 11 gaven niet alleen heel veel informatie over de gasreuzen Jupiter en Saturnus. Ze lieten ook zien dat de heliopauze heel chaotisch is en blijken onderhevig aan een raadselachtige kracht.

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
.