natuurkunde

Een puzzel van galactisch formaat: waarom draaien de sterren vlak bij het centrum zo langzaam?

Gedrag melkwegstelsels niet te verklaren met donkere materie

10 reacties / Universum, Wetenschap / Door / 24 februari 2011

De combinatie van donkere materie, onzichtbare massa die alleen door middel van haar zwaartekracht invloed uitoefent en donkere energie, die de plotseling snelle uitzetting van het heelal moet verklaren, is op dit moment het meest populair om het gedrag van het heelal te verklaren. Gasrijke melkwegstelsels, een type melkwegstelsel met weinig sterren maar veel gaswolken, blijken echter veel beter te beschrijven met de alternatieve zwaartekrachtstheorie MOND. Spannende tijden…

Het fundamentele probleem: waarom draaien de sterren aan de binnenkant van melkwegstelsels niet sneller rond?
Melkwegstelsels gedragen zich vreemd.

Een puzzel van galactisch formaat: waarom draaien de sterren vlak bij het centrum zo langzaam?
Een puzzel van galactisch formaat: waarom draaien de sterren vlak bij het centrum zo langzaam?

Volgens de zwaartekrachtstheorieën van Newton en Einstein moeten sterren die zich vlakbij het centrum van de melkweg bevinden veel sneller rond draaien dan ze in werkelijkheid doen. In het zonnestelsel is dat bijvoorbeeld zo: de binnenplaneet Mercurius beweegt veel sneller in haar baan dan de aarde. Dit blijkt echter niet te kloppen voor melkwegstelsels: buiten de ‘bulge’ blijken de omloopsnelheden van sterren veel minder sterk af te nemen dan voorspeld door Newton en Einstein. Iets moet er dus voor zorgen dat sterren zich zo vreemd gedragen.

Donkere materie?
Volgens donkere-materie aanhangers is dat onzichtbare materie: materie die we niet kunnen waarnemen, behalve door de zwaartekracht. Volgens theorieën hangt er rond elk melkwegstelsel een bolvormige wolk donkere materie. Sterren die ver van de kern afstaan, worden aangetrokken door bijna de hele wolk en draaien dus sneller dan sterren die vlak bij de kern staan (waar de aantrekkingskracht van het grootste deel van de wolk elkaar opheft – als je in het centrum van de aarde zou staan zou je ook niets wegen, dit heet de schilstelling). Donkere materie vliegt door ons heen zonder dat we er wat van kunnen merken. Volgens theorieën zou er vier keer zoveel donkere materie zijn als ‘gewone’ zichtbare materie.  Een belangrijke uitdaging voor de moderne natuurkunde is het vinden van deeltjes die in aanmerking komen om als donkere materie dienst te doen.

Of kloppen onze zwaartekrachtwetten op grote schaal gewoon niet?
Andere kosmologen denken dat het verschijnsel wordt veroorzaakt omdat zwaartekracht zich op zeer grote afstanden anders gedraagt dan door Newton en Einstein voorspeld.

Het reusachtige elliptische melkwegstelsel NGC 1316 is vermoedt men ontstaan doordat gasrijke stelsels met elkaar botsten.
Het reusachtige elliptische melkwegstelsel NGC 1316 is vermoedt men ontstaan doordat gasrijke stelsels met elkaar botsten.

De populairste theorie is MOND, modified newtonian dynamics. MOND voorspelt redelijk nauwkeurig het gedrag van alle typen melkwegstelsels: elliptische stelsels, spiraalstelsels en onregelmatige stelsels. MOND bleek echter niet te kloppen voor nog grotere structuren zoals galactische clusters en superclusters (groepen melkwegstelsels). Ook een botsing van twee melkwegstelsels leverde gedrag op dat niet consistent was met MOND.

Een steuntje in de rug voor MOND is een recente ontdekking van astronoom Stacey McGouch dat MOND het gedrag van gasrijke melkwegstelsels nauwkeuriger verklaart dan welke donkere-materie theorie ook. Gaswolken vormen de kraamkamers van sterren: bevat een melkweg veel gas, dan kunnen zich hierin veel sterren vormen. Het probleem bij eerdere testen van MOND is het gebrek aan meetnauwkeurigheid van stermassa’s in melkwegstelsels. Dit probleem doet zich niet voor bij metingen aan gaswolken. De manier waarop gaswolken tussen sterren licht uitzenden is nauwkeurig bekend, waardoor de massa en rotatiesnelheden van de melkwegstelsels nauwkeurig geschat kunnen worden.
Deze metingen werden bij zevenenveertig gasrijke melkwegstelsels uitgevoerd en inderdaad bleek MOND de waarnemingen het beste te verklaren. Probleem blijft wel dat op zowel kleinere (tot de grootte van het zonnestelsel is MOND maar infinitesimaal weinig afwijkend) als grotere (het gedrag van clusters en superclusters) schaal de bestaande zwaartekrachtstheorieën nauwkeuriger zijn dan MOND. Wat dan de merkwaardige dans van melkwegstelsels wél verklaart? Wie hier het antwoord op weet, kan waarschijnlijk alvast gaan nadenken over wat hij met zijn Nobelprijs gaat doen…

Bron: Physorg/Arxiv

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

`Antizwaartekracht bestaat’

5 reacties / Wetenschap / Door / 13 februari 2011

Twee fysici hebben een manier bedacht waarop voorwerpen kunnen zweven, ook al is er een zwaartekrachtsveld. Weliswaar op nanoschaal maar toch. Hiervoor maken ze gebruik van zeer kleine metalen staafjes. Is antizwaartekracht dan toch mogelijk?

Casimireffect
Het vacuüm is niet leeg, maar gevuld met een zee van zeer kortlevende deeltjesparen. Kortgeleden berekenden onderzoekers dat deze spookdeeltjes een vorm van wrijving uitoefenen.
Deze virtuele deeltjes hebben nog meer merkwaardige gevolgen. De Nederlandse natuurkundigen Hendrik Casimir en Dirk Polder voorspelden in 1948 bijvoorbeeld dat twee platen dicht bij elkaar elkaar aantrekken. De reden: sommige virtuele deeltjesparen nemen meer ruimte in beslag dan er tuissen de twee platen aanwezig is. De virtuele deeltjesparen werken afstotend, maar omdat het vacuüm alles omringt, is de netto kracht nul.

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

Tussen de twee platen zijn er echter minder deeltjesparen dan om de platen heen: de vacuümdruk is veel lager. Als gevolg daarvan trekken de platen elkaar aan. Ondertussen is in experimenten aangetoond dat het Casimireffect echt bestaat.

Het gaat hier om zeer kleine afstanden: de formule om de Casimirkracht te berekenen is (niet schrikken)  [latex] F=-\frac{\pi ^2 \hbar c}{240 a^4} A [/latex].  Uitleg: F is kracht,  pi (ongeveer 3,14) kent u van de middelbare school, de h met een streepje er doorheen is de extreem kleine constante van Planck (6,6.10-34 Js), c de lichtsnelheid, A de oppervlakte van de platen. Let op de vierde macht van de afstand (a) in de noemer van de breuk. Het minteken betekent dat het om een aantrekkende kracht gaat.Wie het na wil rekenen: alles is in SI-eenheden, dus meters, kilo’s etc.

Wordt de afstand tussen de platen tien keer zo klein, dan wordt de Casimirkracht maar liefst tien tot de macht vier, dus tienduizend keer zo sterk. De constante van Planck is zo extreem klein dat het Casimireffect alleen bij extreem kleine afstanden een rol speelt. Bij twee platen van een vierkante meter die een meter van elkaar afstaan is de Casimirkracht ongeveer zo groot als het gewicht van een waterstofatoom. Verandert de afstand in een nanometer (een miljoenste millimeter, de lengte van tien waterstofatomen naast elkaar), dan wordt de Casimirkracht verpletterend sterk: het gewicht van 813.000 ton, iets minder dan het gewicht van alle Nederlanders bij elkaar. Geen wonder dat uitvinders van gratis energie apparaten likkebaardend kijken naar deze enorm sterke kracht.

Het Casimireffect werkt per saldo aantrekkend. Voor antizwaartekracht wil je uiteraard iets dat afstoot om je vliegtuig zwevend te houden. Als je UFO onwrikbaar aan de startbaan gekleefd blijft, wordt het nooit wat met je samenzwering voor wereldoverheersing. De twee natuurkundigen Stanislav Maslovski and Mário Silveirinha van de universiteit van Coimbra in Portugal hebben nu iets bedacht om afstoting te genereren. Al eerder werd gewerkt met exotische metamaterialen die tussen de twee oppervlakken waarvan je wilt dat ze elkaar afstoten, worden geplaatst. Deze metamaterialen wekken per saldo een afstotend Casimireffect op. Nu blijkt dat hetzelfde effect ook kan worden bereikt met veertig nanometer dikke metalen staafjes die op het ene  oppervlak worden geplaatst. De metalen “kaarsen” kanaliseren de kwantumfluctuaties in het vacuüm zodanig dat ze alles wat er tussen de staafjes komt, afstoten. Stel dat de andere metalen plaat geperforeerd is waardoor de staafjes precies in de gaten van de andere plaats passen, dan blijven ze elkaar afstoten met een – als de druk waarmee ze op elkaar geperst worden maar hoog genoeg wordt – op den duur onmetelijk sterke kracht.

Toepassingen
Met een vliegende schotel die niet verder dan een paar nanometer van de grond komt schiet je uiteraard weinig op, maar er zijn andere interessante toepassingen. Denk eens aan wrijvingsloze vliegwielen, ideaal voor energieopslag. Zweeftreinen op een monorail (al moet je nog iets verzinnen tegen de luchtweerstand en een configuratie bedenken dat de platen horizontaal ten opzichte van elkaar kunnen bewegen). Schokdempers op nanoschaal. Uiteraard zijn er nog veel meer. Hebben jullie ideeën?

Bron: New Scientist

Volgens kwantumcomputer-pionier David Deutsch werken ontelbare parallelle heelallen samen in een kwantumcomputer.

Massale kwantumverstrengeling opent poort naar nieuwe natuurkunde

1 reactie / Wetenschap / Door / 9 februari 2011

Voor het eerst zijn onderzoekers van de Engelse universiteit van Oxford er in geslaagd om tien miljard deeltjes tegelijkertijd met elkaar te verstrengelen. Dit is een belangrijke doorbraak voor kwantumcomputers, maar er zijn meer gevolgen. Veel meer. Zo komt het moment dichterbij dat we er eindelijk achter kunnen komen wat grote schaal kwantumverstrengeling voor fysische effecten heeft in het dagelijks leven.

Silicium in een extreem sterk magnetisch veld
Het experiment werd uitgevoerd in silicium, het materiaal waar op dit moment alle computerchips van vervaardigd worden. Het silicium werd geplaatst in een extreem sterk magnetisch veld. Het silicium bevatte (in vaktermen: was gedoopt met) een groot aantal fosforatomen. Alle elektronen vormen gewoonlijk paren waarbij elke partner een tegengestelde spin heeft. Fosfor heeft een oneven aantal elektronen dus is er een vrij, ongebonden elektron.

De onderzoekers slaagden er in van dat vrije elektron de elektronspin (spin is een kwantumeigenschap die je het beste kan vergelijken met draairichting, al zijn er in de kwantumwereld maar twee draairichtingen, omhoog en omlaag en dat ook nog in stappen van een half tot maximaal plus of min twee)  te verstrengelen met de spin van de atoomkern van fosfor. Draaiende elektrisch geladen dingen, dus ook deeltjes zoals de negatieve elektronen en de positieve atoomkernen, wekken een magneetveld op. Dit is ook de reden van het sterke magnetische veld, hiermee worden alle elektronen gedwongen in precies dezelfde richting te tollen, de atoomkernen in precies de omgekeerde richting.

Bij verstrengeling beïnvloeden deeltjes elkaar op spookachtige wijze. Dat wil zeggen: als een spin-meting aan het elektron werd uitgevoerd en dit blijkt omhoog te draaien, dan zal de atoomkern omlaag draaien (bij een omgekeerd meetresultaat uiteraard andersom). We kunnen niet voorspellen wat de uitkomst van de eerste meting is maar, zodra we die weten, wel wat de uitkomst is van de tweede meting. Kwantumsystemen zijn extreem gevoelig voor verstoringen – de reden dat kwantumverstrengeling gewoonlijk slechts miljardsten van secondes duurt. Daarom is het belangrijk een groot aantal deeltjes tegelijkertijd te kunnen kwantumverstrengelen, zodat geen fouten optreden bij berekeningen in een kwantumcomputer als er een kwantumverstrengeling wordt doorbroken.

Hoe werkt een kwantumcomputer?
Een “gewone” computer werkt met bits, nullen en enen. Schakelaars kunnen alleen op nul of een staan. Eén schakelaar vormt dus één bit. Kwantumcomputers zijn fundamenteel anders. Ze werken niet met bits, maar met qubits. Een qubit neemt door de kwantumonzekerheid alle mogelijke waarden tegelijkertijd aan.

Volgens kwantumcomputer-pionier David Deutsch werken ontelbare parallelle heelallen samen in een kwantumcomputer.
Volgens kwantumcomputer-pionier David Deutsch werken ontelbare parallelle heelallen samen in een kwantumcomputer.

Je weet niet of er nul of een uitkomt als je een qubit meet, alleen de kans dat de qubit nul of een wordt (bijvoorbeeld: driekwart kans op een nul).

Interessant aan kwantumcomputers is dat hun rekensnelheid (m.a.w. informatieinhoud) met elke extra qubit niet met één eenheid toeneemt, zoals bij een klassieke computer, maar exponentieel.

U leest het goed: een kwantumcomputer met acht qubits heeft niet twee keer zoveel, maar 24 is zestien maal zoveel rekencapaciteit als eentje met vier qubits. Probleem is wel dat de levensduur van de kwantumtoestand gedeeld wordt door het kwadraat van het aantal qubits. Tien verstrengelde qubits blijven dus honderd keer zo kort in de gewenste toestand als één qubit. Al rekent een quantumcomputer heel snel, je moet er dus wel heel snel mee klaar zijn.

David Deutsch, een pionier op het gebied van quantumcomputing en ook fervent aanhanger van de veel-werelden kwantuminterpretatie, denkt dat dit komt omdat er in parallelle heelallen kopieën van de kwantumcomputer staan die allen met elkaar samenwerken om tot de uitkomst te komen. Hoe meer qubits, hoe meer parallelle heelallen “af worden getapt”.

Massa-effecten van kwantumverstrengeling.
Op dit moment is er voor zover aan schrijver dezes bekend nog nooit theoretisch werk gedaan naar de statistische interpretatie van massale kwantumverstrengeling. Stel dat alle deeltjes in voorwerp A worden verstrengeld met alle deeltjes in voorwerp B. Beide voorwerpen zitten in een sterk magnetisch veld. Stel dat voorwerp A linksom gaat draaien. Dan zou de uitkomst van metingen aan de deeltjes in voorwerp B (in de praktijk: elke koppeling van de deeltjes aan de boze buitenwereld van voorwerp B) vaststaan en… beïnvloed worden. Op deze vraag zal in een vervolgartikel ingegaan worden. Misschien dat met kwantumverstrengeling namelijk één van de allergrootste raadsels in de natuurkunde opgelost kan worden…

Bronnen
Ultrafast Quantum Computer Closer: Ten Billion Bits of Entanglement Achieved in Silicon, Science Daily
Entanglement in a solid-state spin ensemble, Nature

Twee kwantumverstrengelde fotonen.

Kwantumverstrengeling: poort naar een onbekende wereld

19 reacties / Wetenschap / Door / 21 januari 2011

Einstein dacht met zijn EPR-gedachtenexperiment een vernietigende slag aan de kwantummechanica te hebben toegebracht. In plaats daarvan opende hij een natuurkundige doos van Pandora. Als twee kwantumdeeltjes met elkaar verstrengeld zijn, beïnvloedt een meting van het ene deeltje de uitkomst van een meting van het andere deeltje. Spookachtige werking op afstand dus. Ook al bevindt het ene deeltje zich in een ander melkwegstelsel of zelfs in de toekomst, de meting blijft altijd het andere deeltje beïnvloeden.

Onverklaarbaar en ten diepste verbonden met kwantumonzekerheid

Nog steeds is er geen goede verklaring voor dit fenomeen. Het is – met het meetprobleem, de vraag waarom de exacte uitkomst van  een meting aan een kwantumdeeltje onvoorspelbaar is – de twee redenen dat er meerdere interpretaties van kwantummechanica bestaan.

Twee kwantumverstrengelde fotonen.
Twee kwantumverstrengelde fotonen.

Een beschrijving bestaat al wel. Deeltjes – of groepen deeltjes – kunnen nul tot honderd procent met elkaar verstrengeld zijn. Hoe sterker de verstrengeling, hoe groter de overeenstemming als metingen op de deeltjes worden uitgevoerd.

In experimenten bleek tot nu toe dat de meetresultaten niet afwijken van de theoretisch voorspelde eigenschappen van kwantumverstrengelde systemen. De beschrijving klopt dus, maar de beschrijving is, vermoeden veel onderzoekers, verre van compleet. Wat is het dat de mate van verstrengeling bepaalt?

Ondertussen is al wel bekend dat op de een of andere manier kwantumverstrengeling en kwantumonzekerheid ten diepste met elkaar verbonden zijn: het blijkt namelijk dat kwantumonzekerheid een limiet stelt aan de maximale kwantumverstrengeling.

Onopgeloste kwestie: kwantumdecoherentie

Kwantumcoherentie, de staat dat alle deeltjes in een systeem met elkaar verstrengeld zijn, is zeer uitzonderlijk. We kennen maar enkele macroscopische systemen die volledig  kwantumverstrengeld zijn, bijvoorbeeld supervloeistoffen. In een supervloeistof (we kennen er maar twee: helium-4 en helium-3, enkele graden boven het absolute nulpunt) overlappen de waarschijnlijkheidsgolven van deeltjes (heliumatomen in dit geval) elkaar waardoor ze hun individuele identiteit verliezen en zich als één geheel gaan gedragen, ook op kwantumniveau. In alle andere systemen bestaat er geen massale kwantumverstrengeling.

Er moet dus een reden zijn dat deeltjes kwantummechanisch van elkaar gescheiden raken: kwantumdecoherentie. We weten dat het iets met entropie, wanorde dus, te maken moet hebben want grootschalige kwantumverstrengeling komt alleen voor in systemen vlak boven het absolute nulpunt en een meting betekent in feite dat een deeltje ‘entangled’ wordt met iets dat enorm groot is, m.a.w. iets dat een temperatuur kan hebben.

De meest logische interpretatie lijkt me persoonlijk dat de grote massa (in de betekenis van: het onzaglijk aantal deeltjes en dus kwantumtoestanden) van het kwantumsysteem van de waarnemer, zo geconfigureerd dat een exacte meting afgedwongen wordt, deze oplegt aan het fragiele kwantumsysteem dat gemeten wordt. Omdat het exacte aantal deeltjes in de waarnemer en de manier waarop ze kwantumverstrengeld zijn, uiteraard onbekend is (denk aan de vraag of het aantal moleculen in een liter water even of oneven is), is de uiteindelijke uitkomst van de meting dat ook en kan deze alleen als kans beschreven worden. Net zoals het aantal moleculen in een liter water 50% kans heeft even of oneven te zijn elke keer als je een nieuwe liter water pakt.

Onopgeloste kwestie: exacte mechanisme (mechanica) van kwantumverstrengeling

We kunnen exact beschrijven hoe deeltjes met elkaar verstrengeld zijn en hoe verstrengelde deeltjes zich gedragen. We weten echter niet, wat hetgeen is dat verstrengelde deeltjes met elkaar verstrengeld laat zijn, m.a.w. hun identiteit laat delen. Is identiteit iets dat ruimte en tijd overstijgt? Nieuwe experimenten en theoretische modellen wijzen hier op, nu zelfs deeltjes op lichtjaren afstand en gescheiden door de tijd met elkaar verstrengeld kunnen zijn.

Fysici over de hele wereld houden zich nu voornamelijk bezig met esoterische domeinen als de snaartheorie, waar enkele experimenteel niet aangetoonde veronderstellingen aan ten grondslag liggen. Dit terwijl een voor de hand liggend onderdeel van een natuurkundige basistheorie nog steeds niet ontraadseld is. Niet erg verstandig.

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

Natuurwetten niet scherpgesteld voor leven

6 reacties / Universum, Wetenschap / Door / 18 januari 2011

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

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

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

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

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

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

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

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

Bron

Zouden we onszelf naar de toekomst kunnen sturen via kwantumteleportatie?

Teleportatie door de tijd

6 reacties / Wetenschap / Door / 18 januari 2011

Recent theoretisch onderzoek wijst er op dat het mogelijk is kwantumtoestanden door de tijd te transporteren. Is tijdreizen een stuk dichterbij gekomen? Vast staat in ieder geval dat op kwantumschaal ruimte en tijd minder absoluut zijn dan tot nu toe gedacht.

Kwantumverstrengeling
Kwantumverstrengeling (quantum entanglement) is het raadselachtigste kwantumverschijnsel. Het blijkt namelijk mogelijk twee of meer kwantumdeeltjes met elkaar te verstrengelen. Het gevolg: bij een meting gedragen ze zich alsof het om hetzelfde deeltje gaat. Dat wil zeggen: wordt van het ene deeltje bijvoorbeeld de spin (draairichting) gemeten, dan ligt die van het andere deeltje ook plotseling vast. Ook al bevindt zich dat deeltje aan de andere kant van het heelal. Wat de oorzaak is van het verschijnsel, weten natuurkundigen na tachtig jaar nog steeds niet. Wel is ondertussen na diverse experimenten komen vast te staan dat kwantumverstrengeling zoals voorspeld door de kwantummechanica inderdaad bestaat en zich precies zo gedraagt als voorspeld.

Kwantumverstrengeling tussen deeltjes gescheiden door afstand is reeds aangetoond en ook wiskundig goed beschreven. In een groot aantal proeven met fotonen en andere deeltjes is aangetoond dat metingen aan verstrengelde deeltjes inderdaad statistisch correleren, zelfs bij afstanden van honderden kilometers.

Met een nieuwe ontdekking door de fysisch theoretici S. Jay Olson en zijn collega Timothy C. Ralph van de universiteit van Queensland in Australië  blijkt niet alleen kwantumteleportatie door de ruimte, maar ook door de tijd mogelijk.

Zouden we onszelf naar de toekomst kunnen sturen via kwantumteleportatie?
Zouden we onszelf naar de toekomst kunnen sturen via kwantumteleportatie?

Met kwantumteleportatie bedoelen fysici dat ze de kwantumtoestand van het ene deeltje overbrengen, ’teleporteren’ naar een ander deeltje. Het gevolg is dat het andere deeltje de identiteit overneemt van het ene deeltje. Als deeltje A verstrengeld is met deeltje B, en de kwantumtoestand van deeltje A wordt overgebracht op deeltje C, dan is plotseling niet meer deeltje A, maar deeltje C verstrengeld met B. M.a.w. als iets aan deeltje C gemeten wordt, verandert er iets aan deeltje B (waar dat eerst niet zo was).

Tot nu toe is dat alleen gelukt door de ruimte. Olsen en Ralph hebben nu aangetoond dat het ook door de tijd kan, met andere woorden een kwantumtoestand kan van het verleden naar de toekomst worden geteleporteerd. Dit moet op een exact tijdstip, bijvoorbeeld het deeltje kwart voor twaalf en het geteleporteerde deeltje kwart over twaalf. De geteleporteerde informatie reist op klassieke wijze met bijvoorbeeld een foton naar het deeltje in de toekomst, waarop de kwantumtoestand wordt overgebracht.

Praktische toepassingen

Als de overbrengende deeltjes stilgezet kunnen worden of gekloond, komt de fameuze Star Trek replicator (producten met een druk op de knop maken) binnen bereik. Je hoeft alleen maar een kwantumkopie op te slaan van he object dat je wilt klonen. Wel moeten er uiteraard host-deeltjes beschikbaar zijn om de kwantumtoestanden op over te brengen. Je kan op die manier ook kwantummechanisch gesproken exacte kopieën maken van objecten (gesteld dat je hun kwantumtoestand exact deeltje voor deeltje zou kunnen aftappen en opslaan).

ArXivBlog is voorzichtiger en veronderstelt dat misschien het langer bewaren van instabiele deeltjes op die manier mogelijk is. Inderdaad is uit eerder onderzoek bekend dat door voortdurende metingen zeer snel uiteenvallende deeltjes langer in leven blijven. Voorlopig zal het hier ook wel bij blijven. De techniek om de afgrijselijk grote hoeveelheid informatie die alle kwantumtoestanden van zelfs een klein voorwerp voorstellen op te slaan is er nog lang niet.

Bron

Door de extreem hoge snelheid worden afdalende ruimteschepen omringd door plasma.

Plasmawolk als antenne

2 reacties / Ideeën en techniek, Wetenschap, Zonnestelsel / Door / 6 januari 2011

Met een opmerkelijk slim idee hebben Russische ontwerpers een netelig probleem opgelost voor in de atmosfeer terugkerende extreem snelle ruimteschepen. Gebruik het lastige plasma dat ontstaat als de extreem snelle ruimteschepen de atmosfeer binnen zeilen zelf als radio-antenne.

Verstikkende plasmadeken smoort radioverkeer
Bij zeer hoge snelheden ontstaan door de wrijving in de luchtlaag rond het ruimteschip enorm hoge temperaturen. Temperaturen waarbij materie uit elkaar valt in plasma: een mengsel van atoomkernen, ionen en elektronen.

Door de extreem hoge snelheid worden afdalende ruimteschepen omringd door plasma.
Door de extreem hoge snelheid worden afdalende ruimteschepen omringd door plasma.

Slecht nieuws voor radiocommunicatie, want dit mengsel geleidt stroom, waardoor het werkt als een zogeheten Kooi van Faraday die radioverkeer van en naar het ruimteschip blokkeert. Als gevolg hiervan is er geen radiocontact tijdens de gevaarlijke afdaling van een ruimteschip in de atmosfeer. Gaat er wat mis tijdens de afdaling, dan kunnen hulpverleners en dergelijke niet op tijd gewaarschuwd worden.Er zijn twee methodes geprobeerd om de smorende plasmadeken te ontwijken. Zeer lage-frequentie radiogolven (ELF) werken in principe, maar er kan door de lage frequentie maar weinig informatie verstuurd worden. Een tweede oplossing is een antenne tot buiten het gloeiende plasma steken, maar ook hier blijft door de wrijving al snel weinig van over. Kortom: weinig visionaire lapmiddelen.

Vijand wordt vriend
Aleksandr Korotkevich aan het Landau Instituut voor theoretische natuurkunde in Moskou en zijn team hebben nu een slimmere oplossing gevonden. Plasma’s absorberen namelijk bepaalde radiofrequenties, afhankelijk van de dichtheid van het plasma. Door het absorberen ontstaat er een resonerend veld in het plasma. Helaas geldt ook voor dit resonerende veld dat de signalen niet tot het ruimteschip zelf kunnen reizen. De slimme vondst van Korotkevich en zijn team bestaat uit het uitzenden van golven door het ruimteschip zelf. Deze worden teruggekaatst door het plasma, gemoduleerd (beïnvloed) door het resonerende veld. Omgekeerd kan ook: een zendsignaal vanuit het schip wordt als echo uitgezonden door het resonerende plasmaveld. Weliswaar zijn deze signalen veel zwakker dan het oorspronkelijke signaal, maar dat is volgens Korotkevich niet zo erg: de ontvangers op de grond kunnen veel gevoeliger worden gemaakt dan nu.

Dit idee in de praktijk brengen kent nog heel wat haken en ogen. Ook zijn sommige onderzoekers bang dat het door het manipuleren van het plasma bijvoorbeeld een explosie ontstaat waardoor het ruimteschip in de problemen kan komen. Een wat pessimistische kijk, misschien zou je door radiogolven op slimme manieren te sturen, zelfs het plasma de gewenste vorm kunnen geven zodat de afdaling gunstiger (met meer energieverlies) verloopt.

Vitaly Efimov werd uitgelachen maar kreeg veertig jaar na de publicatie van zijn voorspelling door een experiment gelijk.

Efimov-ringen: nieuwe vorm van materie gevonden

4 reacties / Universum, Wetenschap / Door / 18 december 2010

Het periodiek systeem van scheikundeles uit de middelbare school krijgt concurrentie.

Borromeaanse ringen. Het weghalen van één ring betekent dat de twee andere ringen uiteen vallen.
Borromeaanse ringen. Het weghalen van één ring betekent dat de twee andere ringen uiteen vallen.

Bosonen, een bepaalde groep elementaire deeltjes, blijken weliswaar niet in paren, maar wel in drietallen een stabiele binding te kunnen aangaan. Dit opent een venster op totaal nieuwe materialen. En kunnen we eindelijk het raadsel van kwantumverstrengeling oplossen?

De Russische, later naar de VS geëmigreerde natuurkundige Vitaly Efimov voorspelde in 1970 dat bepaalde kwantumdeeltjes die geen paren kunnen vormen, onder bepaalde omstandigheden wel drietallen kunnen vormen. Deze drietallen hebben iets weg van Boromiaanse ringen: haal er eentje weg en de twee andere ringen laten los.

Vitaly Efimov werd uitgelachen maar kreeg veertig jaar na de publicatie van zijn voorspelling door een experiment gelijk.
Vitaly Efimov werd uitgelachen maar kreeg veertig jaar na de publicatie van zijn voorspelling door een experiment gelijk.

Bosonen en fermionen: een kwestie van spin
Spin is een bizarre kwantumeigenschap die je kan opvatten als de draairichting en -snelheid van een deeltje. Een bal kan je in allerlei richtingen, snelheden en linksom of rechtsom laten tollen. Een kwantumdeeltje kan alleen linksom of rechtsom tollen met hele of halve eenheden. Een spin van bijvoorbeeld 0,33 kan dus niet.

In kwantumtermen kunnen alle deeltjes in twee groepen worden verdeeld: bosonen met een heeltallige spin en fermionen (die een halftallige spin hebben).  Bosonen, bijvoorbeeld lichtdeeltjes en helium-4 atomen, zijn de spreekwoordelijke makke schapen. Het is vrij makkelijk om ze bij elkaar in de buurt te brengen. In kwantumtermen: hun golffuncties overlappen elkaar.

Dat is bij fermionen (bijvoorbeeld elektronen en helium-3 atomen) heel anders: de kans dat ze bij elkaar in de buurt komen is nul (het Pauliverbod). Twee fermionen (denk aan elektronen in een supergeleider) kunnen wel een Cooperpaar vormen dat bosoneigenschappen heeft: de spin van beide deeltjes samen wordt een geheel getal. Zo bestaat supervloeibaar helium-3 uit Cooperparen helium-3 atomen.

Efimov-trio’s
Efimov voorspelde in 1970 dat deeltjes met een heeltallige spin, bosonen dus, onder bepaalde omstandigheden een stabiel drietal konden vormen. De interacties gaan resoneren en houden elkaar dan precies in evenwicht. Het effect is bij ‘gewone’ atomen extreem zwak, de reden dat pas in 2006 Efimov-trio’s zijn aangetroffen in cesiumdamp. Pas toen was er de techniek om atomen tot onder een miljoenste graad boven het absolute nulpunt te koelen.

Wat is het praktisch nut?
Op dit moment, 13,5 miljard jaar na de Big Bang: nul. Zelfs in de ijskoude ruimte tussen de sterren is de temperatuur nog drie kelvin, miljoenen malen te hoog. Misschien dat we er een nieuw type quantumcomputer mee zouden kunnen bouwen of een ultragevoelige detector, bijvoorbeeld van zwaartekrachtsgolven.

Voorbeelden van ingewikkelder Efimov-structuren, 'atomen'. Klik voor een vergroting. Bron: Arxiv/Nils Baas
Voorbeelden van ingewikkelder Efimov-structuren, 'atomen'. Klik voor een vergroting. Bron: Arxiv/Nils Baas

Interessanter is dat we materie kunnen scheppen die niet is beperkt tot onze drie dimensies. Topologisch wiskundige Nils Baas heeft  nog veel ingewikkelder structuren dan de simpele Boromiaanse ringen berekend. Waar uiteraard nog veel extremere koeling voor nodig is. Baas denkt ook dat deze ingewikkelde structuren wel eens kwantumverstrengeling, wat de wetenschap al tachtig jaar hoofdpijn bezorgt, zouden kunnen verklaren.

Zeer verre toekomst
Op dit moment gaan kosmologen er van uit dat de uitzetting van het heelal steeds sneller zal gaan door een op hol geslagen kosmologische constante en dat we uiteindelijk tot atomen uit elkaar zullen worden gerukt. Klopt die theorie niet, en dat zal niet voor de eerste keer zijn in de geschiedenis van de wetenschap, dan is er een goede kans dat ons heelal in de verre toekomst afkoelt tot miljoenste graden boven het absolute nulpunt.

In deze verre toekomst zijn sterren volkomen uitgebrand. De “behaaglijke” drie kelvin van de achtergrondstraling is dan zo laag geworden dat Efimovstaten de regel worden. Wie weet vormt zich dan een nieuwe ijle vorm van materie, die zeer traag zal reageren. Een nieuwe Efimov-chemie. En nieuw intelligent leven, een soort gaswolk, dat onze wereld misschien wel ziet als een vernietigende Big Bang…

femtotechnologie

Femtotechniek: zijn machines zo groot als een atoom mogelijk?

4 reacties / Universum, Wereld, Wetenschap / Door / 25 november 2022

Atomen zijn bijna helemaal leeg. Sommige visionaire natuurkundigen durven dus al na te denken over een techniek die nu nog extreem ver buiten ons bereik ligt: femtotechniek.

Nanotechniek: atomenlego
De tijd dat atomen voor het eerst zichtbaar werden gemaakt met een elektronenmicroscoop ligt nog maar pas achter ons. Steeds meer onderzoekers stellen zich niet meer tevreden met een hele massa atomen tegelijk te manipuleren – scheikunde – maar willen apparaatjes en materialen atoom voor atoom samenstellen.

Atoom bestaat uit leegte
Een nanometer is een miljoenste millimeter. Atomen bevinden zich op nanoschaal – zo is een waterstofatoom 0,05 nanometer groot. Het grootste atoom, cesium, is zes keer zo groot.

femtotechniek

Er passen dus twintig miljoen waterstofatomen of drie miljoen cesiumatomen op een millimeter. Klein, dat zeker. Maar de atoomkern is nog honderdduizend maal kleiner. Zou een atoom zo groot worden als heel Nederland, dan zou de atoomkern drie meter groot zijn. Of voor de echte visionairen: als een atoom zo groot zou zijn als de aarde, past de kern nog net in de Kuip.

Femtotechniek
Een femtometer, de grootte van een kleine atoomkern, is een miljoen maal kleiner dan een nanometer. De hoeveelheid lege ruimte in een atoom is werkelijk immens. Als je nullen en enen uit protonen en neutronen zouden bestaan, zou je in theorie in een enkel atoom meer informatie kunnen proppen dan op duizend complete ultramoderne harde schijven. Volgens sommigen is dat meer dan de informatie in een menselijk brein. Je zou dan alle herinneringen van de complete wereldbevolking kunnen plaatsen in een kleine bacterie. Wel zou die bacterie ongeveer een ton wegen.

De femtowereld: extreem energierijk en snel
Er zijn maar drie stabiele subatomaire bouwstenen: protonen, neutronen en elektronen. Zelfs losse neutronen vallen in gemiddeld tien minuten uit elkaar. Op atoomkernschaal zijn er maar twee krachten echt relevant: de nucleaire kracht, die protonen en neutronen aan elkaar laat kleven (een overblijfsel van de extreem sterke kernkrachten die quarks op elkaar uitoefenen binnen protonen en neutronen) en de elektromagnetische kracht. De zwakke kernkracht, die bijvoorbeeld protonen in neutronen kan omzetten, is extreem veel zwakker dan deze twee titanenkrachten.

De aantrekkingskracht tussen quarks is heel erg sterk: voldoende om een massa van duizend kilo op te tillen. Het restje hiervan is net voldoende om de ook extreem sterke elektromagnetische kracht die de protonen uit elkaar probeert te rukken, te overwinnen.

femtotechniek, maar dan fout
Voorlopig dieptepunt van femtotechniek: de atoombom.

De neutronen werken als lijm om de protonen bij elkaar te houden, terwijl protonen voorkomen dat neutronen uit elkaar vallen. Er zijn in zware atoomkernen daarom veel meer neutronen dan protonen.

Al deze processen vinden extreem snel plaats, denk aan femtoseconden (een femtoseconde staat tot een seconde als een seconde is tot dertig miljoen jaar). Een miljoen maal sneller dan elektronica.

Worden atoomkernen te groot, de grens ligt achter het (zeer zwak radioactieve) halfmetaal bismuth, dan is er voor zover we weten geen enkele combinatie van protonen en neutronen meer die de kern stabiel houdt. Alle elementen zwaarder dan bismuth, de metalen uranium en plutonium bijvoorbeeld,  zijn daarom radioactief: ze vallen spontaan uit elkaar als je maar lang genoeg wacht.

Glimpen van toekomstige techniek?
Omdat de femtowereld maar drie bouwstenen kent en geen deeltje waarmee de positief geladen protonen zijn te neutraliseren – elektronen nemen door hun lage massa  te veel ruimte in – wordt het construeren van machines op femtoschaal erg lastig.

Misschien dat we zeer zware atomen kunnen maken als we de kerndeeltjes op een slimme manier kunnen herschikken. Zo zijn er lichte en instabiele atoomkernen ontdekt waar andere atoomkernen als satelliet omheen draaien.

Omdat de femtowereld extreem snel en energierijk is, weten we nog vrij weinig wat er zich op zeer kleine schaal afspeelt. Wel duiken er steeds meer fascinerende aanwijzingen op van structuren op femtoschaal. Naast de satelliet-atoomkernen blijken ook zogeheten magische getallen een belangrijke rol te spelen. Atoomkernen waarin veelvouden van deze magische getallen aan kerndeeltjes voorkomen, zijn veel stabieler. Kerndeeltjes lijken ook paren te vormen. Atoomkernen met een oneven aantal deeltjes zijn vaak radioactiever zijn dan atoomkernen met een even aantal deeltjes.

Op dit moment ligt verfijnde femtotechniek duidelijk ver buiten ons bereik. Verder dan de meest ruwe vormen van  kernsplijting komen we nog niet. Picotechniek, een factor duizend groter, is voorlopig interessanter. Al zijn ook hier lastige hordes…