kwantumzwaartekracht

‘Zwart gat bevat Planck-ster’

1 reactie / natuurkunde, Universum, Wetenschap / Door / 26 april 2021

In zwarte gaten bevindt zich een punt van oneindige dichtheid, waar de natuurwetten eindigen. Zegt althans de algemene relativiteitstheorie. Onzin, zeggen enfant terrible natuurkundige Carlo Rovelli en collega Francesca Vidotto van de universiteit Nijmegen. In plaats daarvan vormt zich de ultieme barrière, de planckster.

Hoe ontstaat een zwart gat?
Onze aarde stort niet in tot een zwart gat. De reden is dat materie door kwantumeffecten zijn structuur behoudt. Deze kwantumeffecten overwinnen vereist een enorme druk. Een druk, die in het binnenste van de aarde niet  gehaald wordt, maar wel in ineenstortende sterren. Er zijn in feite meerdere stadia in het samendrukken van materie, die we hieronder zullen noemen.

In het eerste stadium wordt materie zo dicht op elkaar geperst dat atomen verdwijnen en de materie degenereert, verandert in een “elektronenvloeistof”, waarin atoomkernen omgeven worden door elektronen met een snelheid in de buurt van de lichtsnelheid. Elektronenvloeistof is zeer dicht: een theelepeltje weegt ongeveer een ton. Witte dwergen, het vermoedelijke eindstadium van de zon, bestaan uit deze elektronenvloeistof.

zwart-gat-nasa

Als de druk verder toeneemt, wat het geval is boven de Chandrasekharlimiet van 1,4 zonsmassa, wordt ook de elektronenvloeistof gekraakt. De enorme druk maakt dat het energiegunstiger is voor elektronen en protonen om te fuseren tot neutronen: neutronium. Neutronium is ongeveer zo dicht als atoomkernen. Een theelepel neutronium weegt zoveel als een berg, of een complete stad. Neutronensterren, die wij waar kunnen nemen als pulsars, bestaan uit neutronium. De complete massa van een ster van enkele zonsmassa’s  is dan samengebald in een bolletje van ongeveer twintig kilometer doorsnede. De Schwarzschildradius van deze massa is negen kilometer, niet veel kleiner dus. Er is inderdaad niet veel meer nodig om een neutronenster in elkaar te laten storten tot een zwart gat.

Nu naderen we de grens van de bekende kennis. Natuurkundigen denken dat er nog een verdere fase is: de quarkster. Ook neutronen bestaan namelijk uit samenstellende deeltjes, de quarks. Neutronen kunnen nog verder samengeperst worden tot ook zij degenereren en er een quark-gluonplasma ontstaat. Deze natuurkunde is nog slecht begrepen, omdat we deze omstandigheden alleen zeer moeizaam, in de Large Hadron Collider, kunnen nabootsen.

Op een gegeven moment komt er een fundamentele limiet, waarop de zwaartekracht zo hoog wordt dat zelfs licht niet meer kan ontsnappen. Er vormt zich een waarnemingshorizon en een zwart gat is geboren. Volgens de heersende theorieën is de zwaartekracht nu zo allesoverheersend dat niets de ineenstorting tot een enkel punt van oneindige dichtheid, de singulariteit, meer kan stoppen.

Een singulariteit is een rechtgeaarde natuurkundige een gruwel. Dat is namelijk een punt waarop de natuurwetten niet meer opgaan. Zie deze video.

httpv://www.youtube.com/watch?v=embed/TP4loCNCzpM

Planckster
Volgens Rovelli is er een fundamentele limiet aan dichtheid, die te maken heeft met ruimtetijd zelf. Als een ster ineenstort tot het volume van een atoomkern, wordt de Planckdichtheid bereikt. Dit is c5/hG2, rond de 1093gram per kubieke centimeter. De dichtheid van het heelal na het verstrijken van de Plancktijd van 10-43 seconde. Dit zorgt voor een sterk afstotend effect. Het gevolg is dat de ster “terugveert” in een fractie van een seconde. Door de extreme tijdsvertraging in de buurt van zwarte gaten, lijkt dit proces voor een waarnemer buiten het zwarte gat vele miljarden jaren te kosten. Door Hawkingstraling is het zwarte gat dan al aan het verdampen. Rovelli denkt dat op deze manier zwarte gaten van voor de Big Bang het hebben kunnen overleven.

Stof om na te denken. Dit artikel dateert van 2014, maar ondertussen zijn m.b.v. de zwaartekrachtsgolfdetector LIGO zwarte gaten van plm. 30 zonsmassa’s aangetroffen. Dit zouden goed primordiale zwarte gaten kunnen zijn. Uit een periode van voor de Big Bang?

Bron
Carlo Rovelli en Francesca Vidotto, Planck Stars, ArXiv (2014)

Als Smolin gelijk heeft, lijkt een supernova er voor een lokale waarnemer anders uit te zien dan voor iemand op tien miljard lichtjaar afstand.

Voorbij Einsteins ruimtetijd: de theorie

11 reacties / Universum, Visionaire vragen, Wetenschap / Door / 9 augustus 2011

Op dit moment wordt er koortsachtig gewerkt aan een theorie over de realiteit voorbij Einsteins ruimtetijd. Een mysterieus kosmisch signaal kan snel de lege plekken opvullen. Vaarwel, ruimtetijd, als een viertal rebelse natuurkundigen gelijk heeft. Welkom, impulsruimte, waarin zelfs het verleden niet vaststaat….

‘Einstein ging niet ver genoeg’
Drie eeuwen lang verkeerden we in de veronderstelling dat ruimte en tijd absoluut en onveranderlijk waren. Toen kwam Einstein, die liet ziet dan de tijd van zeer snel bewegende voorwerpen langzamer verloopt. Hij smeedde ruimte en tijd ineen tot één geheel: ruimtetijd.  Op zichzelf gezien zijn ruimte en tijd betekenisloos. Alleen in relatie tot elkaar hebben ze betekenis.

Als Smolin gelijk heeft, lijkt een supernova er voor een lokale waarnemer anders uit te zien dan voor iemand op tien miljard lichtjaar afstand.
Als Smolin gelijk heeft, lijkt een supernova er voor een lokale waarnemer anders uit te zien dan voor iemand op tien miljard lichtjaar afstand.

Heeft Einstein het laatste woord? Lee Smolin, gevreesde kwelduivel van de snaartheoretici en oprichter van het Perimeter Institute voor Theoretische Fysica in het Canadese Waterloo (geen universiteit wilde niet-snaaronderzoek sponsoren), denkt van niet. Met een drietal collega’s willen ze relativiteit naar een geheel nieuw niveau tillen. Elke revolutie kent slachtoffers. In Smolins theorie moet ruimtetijd er aan geloven. Volgens Smolin leven we niet in ruimtetijd maar in een faseruimte.

De beloften van Smolins geesteskind zijn immens. Als zijn radicale claim op waarheid berust, hebben we eindelijk de oplossing voor de informatieparadox en zijn we aardig op weg naar de zo lang gezochte ’theorie van alles’. Althans, iets dat er dicht bij in de buurt komt.

Wat is faseruimte?
Een beetje natuurkunde. Alles, zelfs lichtdeeltjes, heeft impuls. Impuls is massa maal snelheid of, zoals bij lichtdeeltjes, de constante van Planck gedeeld door de golflengte. Impuls is voor natuurkundigen absoluut heilig, nog heiliger dan de wet van behoud van energie. Dat is niet voor niets. Zowel in Einstein’s theorie als kwantummechanica blijft impuls behouden.

Faseruimte is onze bekende drie ruimtelijke en één tijddimensie, samengevoegd met een vierdimensionale impulsruimte. Wat we waarnemen is geen ruimte en tijd, maar energie en impuls. Alles wat we waarnemen berust op een voortdurende stroom van energie- en momentuitwisselingen.  Bijvoorbeeld: lichtdeeltjes reizen van de klok naar je netvlies, waar ze in zenuwimpulsen worden omgezet en naar het optische centrum van je hersens wordt gestuurd.  Hieruit construeren we een beeld van ruimte en tijd. Ook bij natuurkundige experimenten, tot deeltjesversnellers aan toe, is het niet anders.

Net zoals ruimtetijd uiteenvalt in drie ruimtelijke dimensies en één tijddimensie, valt de momentruimte uiteen in energie en drie impulsdimensies. Tot nu toe werd de impulsruimte gezien als een handig wiskundig middel om lastige berekeningen ingewikkeld te maken. Zo is de heliocentrische theorie van Copernicus overigens ook zijn opmars begonnen. Rekenen hiermee was veel makkelijker dan met de ingewikkelde epicykels van Ptolemaeus. Pas later werd deze theorie, waarbij de aarde en de planeten om de zon draaien, algemeen ook als wereldbeeld geaccepteerd.

Max Born’s profetische woorden
De Duitse fysicus (en medegrondlegger van de kwantummechanica) Max Born wees er al op dat verschillende essentiële vergelijkingen in de kwantummechanica hetzelfde blijven, of je ze nou in ruimte-tijd coördinaten uitdrukt of in impulsruimte-coördinaten. Hij vermoedde toen al dat het wel eens mogelijk zou kunnen zijn op deze manier de algemene relativiteitstheorie en kwantummechanica samen te voegen. Dit idee van Born, ‘Born reciprociteit’, had een opmerkelijk gevolg. Als ruimtetijd door de massa van sterren en planeten kan worden vervormd, kan dat ook met impulsruimte gebeuren.  Op dat moment had niemand een flauw benul van welke fysische processen impulsruimte konden laten krommen. Borns idee bleef verstoffen.

Nu beschikken natuurkundigen over krachtige computers en programma’s als Maple (of probeer het gratis Sage) en MATLAB (en voor wetenschappers zonder tienduizenden euro’s, Octave). Kortom: wat de arme Born met pen en papier moest uitrekenen, kan nu door een computer. Voeg hierbij een begaafd natuurkundige als Smolin en vuurwerk is verzekerd. Samen met zijn collega’s Laurent Freidel, ook verbonden aan het Perimeter Institute, Jerzy Kowalski-Glikman van de University of Wroclaw in Polen en Giovanni Amelino-Camelia van de Sapienza Universiteit in Rome, bestudeerde Smolin de effecten van de kromming van impulsruimte bestudeerd.

Hallucinerende uitkomst
Het viertal paste de standaard wiskundige regels toe om impulsruimte in ruimtetijd te vertalen en paste ze toe op gekromde ruimtetijd. Wat ze ontdekten was werkelijk hallucinerend. Waarnemers in een gekromde impulsruimte zullen het niet langer eens zijn over waarnemingen in dezelfde ruimtetijd. Ruimtetijd is relatief voor waarnemers in een gekromde impulsruimte. Volgens verschillende waarnemers is er iets verschillends gebeurd. Dit verschil groeit met de afstand en tijd. Hoe verder weg en hoe energierijker, hoe meer de gebeurtenis wordt uitgesmeerd in ruimtetijd, aldus Smolin.

Een voorbeeld. Stel je bent tien miljard lichtjaar verwijderd van een supernova en de fotonen van het licht hebben een energie van tien giga-elektronvolt (genoeg om toen waterstofatomen uit het niets te scheppen), dan lijkt het voor je alsof het object een lichtseconde van de plek verwijderd is dan die een lokale waarnemer heeft vastgesteld. Driehonderdduizend kilometer verschil dus, m.a.w. “relatieve lokaliteit”[2].

Maar hoe stellen we vast of Smolin en zijn geuzenbende gelijk hebben?  Hierover deel twee.

Volgens Pace en Aaron van Devender hoeven we ons geen zorgen te maken dat de aarde door micro-zwarte gaten wordt opgevreten. Atomen blijven er in een schil omheen zitten.

‘Zwarte gaten vormen atomen’

1 reactie / Universum, Wetenschap, Zonnestelsel / Door / 5 mei 2011

Kleine zwarte gaten verdampen uiteindelijk in een grote explosie. Dat voorspelt Hawkings model van zwarte gaten. Wat als hij niet gelijk heeft? Dan zouden zeer kleine zwarte gaten wel eens een soort atomen kunnen vormen. En kunnen we sporen van ze waarnemen.

Er worden twee soorten zwarte gaten voorspeld. ‘Standaard’ zwarte gaten ontstaan als een zware ster uiteindelijk ineenstort tot een zwart gat (en zijn dus ook enorm groot).
Primordiale zwarte gaten, waarvan het bestaan niet zeker is (al wijzen bepaalde gamma-explosies op hun bestaan) zouden ontstaan zijn vlak na de Big Bang en hebben ongeveer de massa van een grote berg (zijn dus extreem klein, kleiner dan een atoom). Er zou, denken enkelen, overigens ook een derde type zwart gat kunnen bestaan, dat in een cyclisch universum de Grote Krak en daarna de Big Bang heeft overleefd.

In theorie zouden deze zeer kleine zwarte gaten atoom voor atoom eten. Natuurkundigen Pace VanDevender van Sandia National Labs en Aaron VanDevender hebben nu berekend dat dat niet klopt. Op atomaire schaal is de sterkte van de zwaartekracht van een primordiaal zwart gat vergelijkbaar met de elektromagnetische kracht die normale atomen bij elkaar houdt. Beide natuurkundigen denken daarom dat andere atomen zich door kwantumzwaartekrachteffecten in een baan om het micro-zwarte gat gaan nestelen. Er ontstaan dan een vorm van gravitatieatomen met opmerkelijke eigenschappen.

Volgens Pace en Aaron van Devender hoeven we ons geen zorgen te maken dat de aarde door micro-zwarte gaten wordt opgevreten. Atomen blijven er in een schil omheen zitten.
Volgens Pace en Aaron van Devender hoeven we ons geen zorgen te maken dat de aarde door micro-zwarte gaten wordt opgevreten. Atomen blijven er in een schil omheen zitten.

Zeer kleine zwarte gaten (zoals die in het CERN gevormd zouden worden) zouden zo klein zijn, dat zelfs thermische ruis al voldoende is om atomen te laten ontsnappen. Grotere zwarte gaten met een massa van tien tot duizend ton zijn wel voldoende sterk om atomen gevangen te houden en zouden dus omringd moeten zijn door atomen als silicium en ijzer. Dergelijke objecten zijn, denkt het tweetal, waarneembaar als ze op aarde inslaan. Volgens hun berekeningen worden de zwarte gaten losgetrokken van de atomen en is dit waar te nemen als een radiosignaal.
“Een zoektocht naar elektromagnetische signalen van de gravitatieatomen moet zich daarom focussen op snel bewegende, niet-geïdentificeerde RF-bronnen in de ruimte rondom de aarde,” aldus de twee.

Dit past zeker binnen de mogelijkheden van de bestaande waarnemingsapparatuur. Immers, hierbij kan je de gehele dampkring van de aarde gebruiken als een natuurlijke, gigantische zwarte-gat detector. Bij een experiment kan vrij gemakkelijk de golflengte afgeluisterd worden waarbij op aarde inslaande micro-zwarte gaten inslaan, radiostraling uitzenden. Wordt hun bestaan inderdaad aangetoond, dan hebben we weer een nieuwe kandidaat er bij voor donkere materie.

Met mini-zwarte gaten zou je allerlei handige dingen kunnen doen. Als je een zestal kleine zwarte gaten als een zeshoek, in elkaars Lagrangepunten, extreem snel laat rondtollen, zou je een soort Lense-Thirringeffect antizwaartekrachtsgenerator kunnen bouwen. Helaas (of gelukkig; vraatzuchtige zwarte gaten zijn bepaald geen prettige buren) hebben ze volgens Hawking dus de onhebbelijke eigenschap te ontploffen.


Bronnen
1. A. en P. van Devender, Structure and Mass Absorption of Hypothetical Terrestrial Black Holes, Arxiv, 2011
2. Mini Black Holes Could Form Gravitational Atoms, MIT Technology Review 2011