natuurkunde – Pagina 2

Sneller dan het licht is wél mogelijk

19 reacties / Ideeën, natuurkunde, Techniek, Visionaire projecten, Wetenschap / Door Gerald / 19 augustus 2016 21 augustus 2016

Vanaf onze vroege kinderjaren wordt ons al voorgehouden dat niets sneller dan het licht gaat. Mede omdat ik een provocerende persoonlijkheid bezit vind ik het leuk om dit soort onwaarheden aan de kaak te stellen. Een overzicht van dingen die sneller dan het licht gaan.

1: Tachyonen (hypothetisch),

Een tachyon (uit het Grieks: Ï„Î±Ï‡ÏÏ‚ (tachÃºs), ‘snel’) is een hypothetisch exotisch deeltje dat beweegt met een snelheid groter dan de lichtsnelheid.

De eerste beschrijving van tachyonen wordt toegeschreven aan de Duitse natuurkundige Arnold Sommerfeld, maar het waren George Sudershan^[1]^[2] en Gerald Feinberg^[3] (die de term bedacht) in de jaren zestig die een theoretisch model ontwikkelden voor onderzoek. Tachyonen worden in meerdere theorieën gebruikt, waaronder de snaartheorie. In termen van speciale relativiteit is een tachyon een deeltje dat zich op een ruimteachtige(in plaats van een tijdachtige) baan beweegt en een imaginaire eigentijd heeft.

2: Expansie van het heelal,

Hoe snel expandeert ons heelal? Is dit sneller dan het licht, of juist langzamer? Een van de mooiste antwoorden die ik ooit heb gehoord heb kwam van Prof. Christoffel Waelkens. We hebben geen snelheid die te meten is in aardse begrippen. De uitdijing volgt uit de wet van Hubble, die stelt dat de sterrenstelsels zich van elkaar verwijderen met een snelheid evenredig met hun onderlinge afstand. Twee maal zo ver betekent twee maal zo snel. Helaas gaat deze wet alleen maar op bij de erg grote afstanden. De wet werd geformuleerd door Edwin Hubble in 1929.

3: Verstrengelde deeltjes,

Observaties betreffende verstrengelde staten lijken in strijd te zijn met de eigenschap van de relativiteitstheorie dat informatie niet sneller kan reizen dan de lichtsnelheid. Hoewel twee verstrengelde systemen elkaar lijken te beïnvloeden over grote afstand in de ruimte, is de huidige opinie dat geen bruikbare informatie op deze wijze overgebracht kan worden, wat betekent dat de ‘oorzakelijke natuurkunde’ niet geschonden wordt door verstrengeling. Dit is de geen-communicatie-stelling (“no-communication theorem“).

4: Superman,

Superman werd geboren als Kal-El, zoon van de wetenschapper Jor-El en zijn vrouw Lara Lor-Van, op de planeet Krypton. Deze planeet stond op het punt te ontploffen, waardoor Supermans ouders besloten hem te evacueren met een ruimteschip. Dit schip werd naar de Aarde gestuurd, aangezien deze planeet eveneens een perfect leefklimaat had voor Kryptonianen. Op de Aarde landde het schip net buiten het kleine dorpje Smallville, waar de jonge Kal-El werd gevonden en geadopteerd door Jonathan en Martha Kent. Zij noemden hem Clark Kent. (PS: voor de lezers met een autisme spectrum stoornis: ja, dit is humor)

5: Vuurtoreneffect,

De bundels elektromagnetische straling die pulsars rond sproeien, lijken veel sneller dan het licht te reizen. Als er een groot kosmisch scherm zou bestaan, zou je op dit scherm de bundels van pulsars in seconden tijd vele lichtjaren af zien leggen. Dit is echter maar schijn. De bundel kan geen informatie sneller dan het licht laten gaan.

6: Evanescerende golven,

Er bestaat licht, dat sneller dan de lichtsnelheid gaat. Het gaat hier om zogenoemde evanescerende (‘verdwijnende’) golven. Deze ontstaan bij totale interne reflectie (alle licht in een optisch medium, zoals glas, wordt op het grensvlak teruggekaatst). Erg ver reizen evanescerende golven niet: hun intensiteit neemt in licht met een macht e af, elke 130 nanometer afstand. Dit is mogelijk, omdat evanescerende golven geen energie en informatie dragen. Wie niet bang is voor wat pittige optica, staat HIER hoe golven sneller dan het licht kan reizen.

Wiskundig is het al een aantal jaren mogelijk om sneller dan het licht te gaan. Trouwe Visionair-lezers wisten dit al in 2012 :

Al meer dan honderd jaar is het een dogma: niets kan sneller bewegen dan het licht, want in dat geval levert de speciale relativiteitstheorie onzin op. Maar klopt dat laatste wel? Wiskundigen zijn er nu in geslaagd een sneller-dan-licht beweging te beschrijven en zo Einsteins theorie voorbij de lichtsnelheid op te rekken.

Onze intergalactische ambities komen steeds dichterbij de realiteit, mede door visionairs als Alcubierre en Harold White. Deze mannen hebben de relativiteitstheorie goed begrepen. Alles is namelijk relatief.

Alchemisten geloofden dat ze atomen in andere atomen konden omzetten met alchemie. Nu weten we dat dit alleen met de energieiveaus in bliksems of kernreacties mogelijk is.

Transmutatie: hoe kan je een atoom in een ander atoom veranderen?

10 reacties / Analyses, Ideeën, natuurkunde, Techniek, Wetenschap / Door Germen Roding / 5 augustus 2016 6 augustus 2016

Naar aanleiding van een persconferentie van Russische onderzoekers in GenÃ¨ve stelden lezers Antares en Razor de vraag: hoe kunnen atomen in andere atomen omgezet worden, m.a.w. transmutatie bereiken? Is er een elegantere manier denkbaar dan de tamelijk vervuilende manier die we nu in kerncentrales en kernwapens toepassen?

Atomen en isotopen
Atomen bestaan uit positief geladen protonen, neutrale neutronen (beide in de kern) en elektronen, die een wolk rondom de kern vormen. Als twee atomen hetzelfde aantal protonen, maar een verschillend aantal neutronen hebben in een kern, behoren ze tot hetzelfde chemische element, maar vormen ze verschillende isotopen.
Er komen in de natuur rond de negentig chemische elementen voor en honderden isotopen. De mens heeft ongeveer dertig chemische elementen gecreëerd, zoals bijvoorbeeld technetium, plutonium en meitnerium. Het gaat hier zonder uitzondering om vrij kortlevende, zeer radioactieve elementen.
Bij een elektrisch neutraal atoom zijn er evenveel protonen als elektronen. De chemische eigenschappen van atomen worden vrijwel geheel bepaald door het aantal elektronen. Vrijwel, want er zijn kleine verschillen in reactiviteit tussen bijvoorbeeld de waterstofisotopen deuterium en protium.

Hoe kunnen we zelf atomen maken?
Kerncentrale
Atomen bestaan, zoals gezegd, uit protonen, neutronen en elektronen. Breng het juiste aantal protonen en neutronen bij elkaar en maak het ontstane atoom neutraal met elektronen, en je hebt in principe je atoom. Althans: in theorie. In de praktijk is het voor ons zeer moeilijk om bijvoorbeeld lood in goud te veranderen.

In een kerncentrale ontstaan uit uranium andere elementen, maar wij kunnen dit proces niet precies sturen omdat kwantumprocessen niet exact voorspelbaar zijn. Wel is bekend in welke proporties de nieuwe elementen en isotopen voorkomen. Zo zit er in standaard kernafval per ton zo’n 1,9 kg ruthenium, 13,3 kg rhodium en 1 kg palladium. Rhodium en palladium zijn per kilogram kostbaarder dan goud, ruthenium, een onmisbare katalysator, zit op ongeveer 1,20 euro per gram. In principe maakt dit kernafval een waardevolle bron van kostbare metalen. De hoge radioactiviteit maakt zuivering een uitermate kostbaar proces, de reden dat het nog nauwelijks gebeurt.
Het is dan wel weer mogelijk de kernreactie zo te sturen dat het percentage gewenste elementen en isotopen zo hoog mogelijk is. Dit gebeurt bijvoorbeeld om plutonium te maken voor atoombommen of, een zinnige toepassing, medische isotopen of isotopen voor de ruimtevaart.

Kernfusie
De rond de dertig door de mens gecreëerde nieuwe elementen zijn bijna zonder uitzondering ontstaan door de fusie van lichtere elementen. Door bijvoorbeeld een uranium-238 kern met neon-22 te laten fuseren, levert dit het nieuwe element nobelium op. De zon ontleent zijn energie aan de fusie van waterstof tot helium.

Gammastraling
Al langer is bekend dat gammastraling een belangrijke rol speelt in supernova’s bij het ontstaan van bepaalde isotopen, de zogenoemde fotodisintegratie. De kernfysici Hiroyasu Ejiri en S. Date zijn er in 2011 in geslaagd om met behulp van gammastraling een niet-radioactieve isotoop in een radioactieve isotoop om te zetten (Tor browser link). Dit werkt ongeveer als volgt. Door aan een bepaalde atoomkern een precieze hoeveelheid energie toe te voeren, in de vorm van een foton gammastraling, komt er voldoende vrij voor een kwantumovergang waardoor bijvoorbeeld een neutron in een proton verandert. Dit werkt maar bij een paar procent van alle atoomkernen, maar in principe is uiteraard de toevoer van gammastraling onbeperkt, waardoor uiteindelijk alle atomen kunnen worden omgezet.

Koude kernfusie
Er doen in alternatieve kringen hardnekkige geruchten de ronde dat het mogelijk is om bij lage temperaturen kernfusie te bereiken, de zogenoemde LENR of low-energy nuclear fusion. Door bijvoorbeeld protonen te laten fuseren met een middelzware atoomkern zoals ijzer, zou er netto een behoorlijke hoeveelheid energie vrijkomen (de bindingsenergie per nucleon van de nieuwe, zwaardere kern is ongeveer gelijk aan die van ijzer. Die van een los proton is nul, waardoor er netto energie vrijkomt). Middelzware atoomkernen hebben een veel breder vang-energiespectrum en nucleaire doorsnede dan bijvoorbeeld een kleine deuteriumkern. Hiermee zijn ze veel gemakkelijker te raken dan deze: het energiespectrum van protonen kan in principe veel breder zijn. Daarom is het bijvoorbeeld veel gemakkelijker om boor te laten fuseren dan waterstof.

Wel blijft het centrale probleem. De afstoting tussen twee positief geladen atoomkernen is zeer sterk. Deze afstoting moet overwonnen worden, wat zeer lastig is bij lage temperaturen. De enige vorm van koude kernfusie die aantoonbaar werkt, is muon-gekatalyseerde fusie. Muonen zijn een instabiele, zwaardere variant van elektronen en bevinden zich door hun hoge massa veel dichter bij de atoomkern dan elektronen, waardoor ‘muon-atomen’ honderden malen kleiner zijn en fusie gemakkelijker is. Helaas is het produceren van voldoende muonen dat bepaald niet – muonen leven namelijk zeer kort, 2,2 miljoenste seconde.

De koude-kernfusie onderzoeksgemeenschap probeert na de fail van Fleischmann en Pons al sinds de jaren tachtig – onder grote persoonlijke opofferingen – dit doel te bereiken. Koude kernfusie zou, als het werkt, onze energieproblemen oplossen, in principe geen radioactief afval opleveren en het ook mogelijk maken nieuwe elementen te produceren. De mainstream wetenschap reageert met uitstoting, dit terwijl er bij LENR naast de nodige oplichters, ook honderden bona fide onderzoekers betrokken zijn die de wetenschappelijke methode nauwgezet en integer volgen. Hoewel er nog steeds geen harde bewijzen zijn voor LENR, bijvoorbeeld een pocket kerncentrale voor in je laptop, is het in principe een legitiem onderzoeksdoel, dat nagestreefd kan worden door middel van bona fide wetenschappelijk onderzoek.

Pseudomaterie
We zeiden het al: wat atomen hun chemische eigenschappen geeft is het aantal van hun elektronen. In natuurlijke atomen worden elektronen op hun plek gehouden door de positief geladen atoomkern. Je zou elektronen ook kunnen vasthouden in een quantum corral, een kwantumheining. Ze vormen dan ook dezelfde energieniveaus en kunnen ook chemische bindingen aan gaan. Voordeel aan deze programmeerbare materie is ook dat het ene atoom eenvoudig in het andere is om te zetten. De natte droom van veel chemici. Wel is het technisch uitdagend om dit te implementeren.

“Biochemische methode”
Een groep Russische onderzoekers beweert nu dat ze in staat zijn om elementen te transmuteren door gestimuleerde emissie van alfadeeltjes (heliumkernen). De aanleiding tot deze Lezersvraag. Kloppen de claims in deze video?

https://youtu.be/YG8XJVPmMrU

We hebben de bron er bij gezocht. Het gaat om een groep, die claimt dat ze een biochemische methode hebben ontwikkeld om elementen te transmuteren. Dit is in principe complete onzin en wel hierom. Chemische reacties hebben betrekking op elektronen, niet op protonen en neutronen. De energieniveaus bij kernreacties liggen drie ordes van grootte (duizenden malen) hoger dan bij zelfs de meest energetische chemische reacties. Om een proton in de buurt te krijgen van een ijzerkern is een energie van meer dan 2 MeV nodig. Dit vereist dat je tientallen ouderwetse beeldbuizen achter elkaar zet (of een spectaculair vonkencircus met 2 tot 3 miljoen volt). Dit is maar één orde van grootte minder dan de hoogste spanning ooit geproduceerd door de mens, 32 miljoen volt. Alleen bliksemschichten kunnen in de natuur deze enorme voltages opwekken en inderdaad, bliksemschichten produceren neutronen, wat wijst op kernreacties tijdens onweer.

Als ik een dergelijke methode kende en, zoals deze mensen, stinkend rijk wilde worden, zou ik mijn mond dichthouden en flink wat kilootjes kostbare metalen produceren en verkopen. Of voor tienduizenden put opties op goudaandelen kopen en dan de technologie openbaar maken. Kortom: deze claim kan je maar beter totaal niet serieus nemen, totdat de twee heren en dame met keihard, repliceerbaar experimenteel bewijs komen.

Artist impression van een zwart gat met accretieschijf. Bron: NASA

‘Tijd loopt achteruit in zwart gat’

3 reacties / Ideeën / Door Germen Roding / 17 april 2016 16 april 2016

De algemene relativiteitstheorie van Einstein wijst uit dat de tijd achteruit loopt in een zwart gat. Dat blijkt uit nieuw onderzoek, gepubliceerd in het gezaghebbende natuurkundevakblad Physical Review Letters.

Tijd gaat langzaam in de buurt van een zwart gat
Zwarte gaten, ineengestorte sterren die zo zwaar en dicht zijn dat je sneller dan het licht moet reizen om er aan te ontsnappen, zijn een van de spectaculairste voorspellingen van de algemene relativiteitstheorie. In een sterk zwaartekrachtsveld, zoals dat in de buurt van een zwart gat, gaat de tijd veel langzamer, vergeleken met een plaats ver weg van alle zwaartekrachtsbronnen. Op de waarnemingshorizon zelf staat de tijd (gezien vanuit het ruimtetijd-referentieframe) stil. Voor een waarnemer in de buurt van het zwarte gat is dit niet direct waar te nemen. Immers zijzelf, en alle processen in haar omgeving, dus ook klokken, lijken zich ‘normaal’ te gedragen. Wel ziet de waarnemer een enorme blauwverschuiving en lijken objecten buiten het zwaartekrachtsveld van het zwarte gat, bijvoorbeeld een ruimteschip op grote afstand van het zwarte gat, veel sneller te bewegen.

Gaat de tijd achteruit in een zwart gat?
Een belangrijk principe in de natuurkunde is continuïteit. Abrupte overgangen, bijvoorbeeld de scherpe grenzen van een wiskundig veelvlak als een kubus of tetraëder, komen alleen voor in de wiskunde, niet in natuurkunde. Voor een waarnemer die de waarnemingshorizon overschrijdt, de bolschil rond het zwarte gat van waar voorbij geen terugkeer mogelijk is, mag er dus geen duidelijk waarneembare abrupte verandering zijn. Als de tijd op de waarnemingshorizon stilstaat, moet de tijd binnen de waarnemingshorizon, het eigenlijke zwarte gat, achteruit lopen. Dit intuïtieve vermoeden wordt nu bevestigd door de wiskundige analyse van Raphael Bousso, docent aan de University of California, Berkeley en Lawrence Berkeley National Laboratory, en Netta Engelhardt, een masterstudent aan de University of California, Santa Barbara.

Weet een zwart gat wat er in de toekomst gebeurt?
In de klassieke manier om de waarnemingshorizon van een zwart gat te beschrijven, wordt aangenomen dat het zwarte gat alles weet wat er in de toekomst buiten het zwarte gat gebeurt. Deze aanname maakt het rekenwerk makkelijker, maar is nogal absurd. Geen wonder dat natuurkundigen nadenken over een meer elegante manier om een zwart gat te beschrijven. Dat lijkt het tweetal gelukt te zijn met hun holographic screens, ‘holografische schermen’. Holografische schermen die zich in de toekomst uitbreiden (dus: weg van het centrum van het zwarte gat) hangen samen met een ander zwaartekrachtsveld dan holografische schermen die zich terug in de tijd bewegen (richting het centrum van het zwarte gat). Deze uitleg is puur lokaal en kan een waarnemer op de waarnemingshorizon direct waarnemen. Wel betekent dit dus dat de tijd binnen de waarnemingshorizon terugloopt.

Betekent dit dat je terug in de tijd kan reizen?
Vergeet niet dat een zwart gat, voor zover we dan weten, alleen via de waarnemingshorizon toegankelijk is. Je kan inderdaad terug in de tijd reizen, maar alleen terug in de lokale tijdpijl van het zwarte gat. Terwijl je in een sliert spaghetti wordt veranderd tijdens je reis, zal je niet in staat zijn terug te keren naar dit heelal. Tenzij een zwart gat ook een wormgat is – een ’tunnel’ langs ruimtetijd waarvan het bestaan ook wordt voorspeld door de Algemene Relativiteitstheorie. In dat geval zou je door het wormgat kunnen reizen richting een andere lokatie in het universum, een andere tijd of misschien zelfs wel naar een ander universum. Wel moet het zwarte gat dan een roterend Kerr-zwart gat zijn, anders eindig je in brokjes aan de andere kant.

Bron
Raphael Bousso and Netta Engelhardt. “A New Area Law in General Relativity.” Physical Review Letters. DOI: 10.1103/PhysRevLett.115.081301

Zwaartekrachtsgolven bestaan

5 reacties / Analyses, Ideeën, natuurkunde, Techniek, Universum, Wetenschap / Door Germen Roding / 11 februari 2016 11 februari 2016

Een groot moment voor de wetenschap. De laatste grote voorspelling van Einstein, het bestaan van zwaartekrachtsgolven, is nu experimenteel bevestigd door de zwaartekrachtsdetector LIGO.

Wat is een zwaartekrachtsgolf?
Net zoals watergolven als je roert in een stil wateroppervlak, of elektromagnetische golven als je een elektrische lading heen en weer beweegt, ontstaan er volgens de algemene relativiteitstheorie zwaartekrachtsgolven, als er een voorwerp met massa beweegt. Zwaartekrachtsgolven trekken ruimtetijd uit elkaar en/of persen deze samen, als de golf door een stuk ruimte trekt.

De zwaartekracht is de zwakste van de vier elementaire natuurkrachten. Ons lichaam, dat bijeengehouden wordt door de elektromagnetische kracht, kan daarom omhoog springen, tegen het enorme zwaartekrachtsveld van de aarde in. Dat kan, omdat de zwaartekracht van elektronen 10³⁹ maal zwakker is dan de elektromagnetische kracht tussen hen. Omdat positieve en negatieve ladingen elkaar opheffen, maar zwaartekracht alleen maar toeneemt, ligt dat op astronomische schaal totaal anders. Hier is de zwaartekracht veruit de belangrijkste kracht. Het is de zwaartekracht die de aarde en de zon (en het Melkwegstelsel) bij elkaar houdt.

Hoe werkt een zwaartekrachtsdetector?
Het voornaamste effect van een zwaartekrachtsgolf is dat materie beurtelings uit elkaar en in elkaar geduwd wordt. Kortom: afstanden veranderen tijdens een fractie van een seconde. En afstandsveranderingen kan je meten. Zeer nauwkeurig zelfs, met een laserinterferometer. LIGO is in feite een tweetal laserinterferometers, met laserstralen die loodrecht op elkaar staan. Als een trilling wel in de ene arm optreedt en niet in de andere, is het een zwaartekrachtsgolf geweest.

Wat voor object heeft de zwaartekrachtsdetector ontdekt?
De sterkste zwaartekrachtsgolven denkbaar worden opgewekt, als twee extreem zware objecten zeer dicht om elkaar draaien. De zwaarst denkbare objecten zijn zwarte gaten: astronomische objecten die zo zwaar en dicht zijn dat zelfs licht niet meer kan ontsnappen. De ontdekte bron van zwaartekrachtsgolven bestaat uit twee zwarte gaten die om elkaar heen draaien. Deze ontdekking is ook op zich groot astronomisch nieuws. De zwarte gaten in kwestie zijn namelijk met respectievelijk 29 en 36 zonsmassa’s middelzwaar, een type dat tot nu toe nog nooit is waargenomen.

De bron van de zwaartekrachtsgolven was een tweetal zwarte gaten dat op elkaar crashte. -NASA

De waargenomen zwaartekrachtsgolven vormen de doodskreet van deze zwarte gaten. De aarde draait altijd in dezelfde baan om de zon. Dat komt omdat de uitgestraalde zwaartekrachtsenergie van de aarde heel weinig is: het vermogen van een grote gloeilamp. Alleen al de lichtdruk van het zonlicht (die de aarde naar buiten duwt) is groter dan dit. Dat verandert bij heel snel ronddraaiende zware objecten, zoals deze zwarte gaten. Deze tollen duizenden malen per seconde om elkaar heen en stralen daardoor extreem veel zwaartekrachtsenergie uit: vlak voor de ineenstorting zelfs meer dan de straling van alle sterren in het zichtbare heelal.

Wat kan je met zwaartekrachtsgolven?
Op dit moment is de voornaamste toepassing: astronomische waarnemingen. Zoals al bleek uit deze eerste waarneming. Dit bleek meteen de ontdekking van middelgrote zwarte gaten, die tot nu toe nog nooit waargenomen zijn. Alleen kleine zwarte gaten van enkele zonsmassa’s en de reusachtige zwarte gaten van miljoenen zonsmassa’s in het centrum van sterrenstelsels.
Zwaartekrachtsgolven worden niet gehinderd door gas of stof.

Stel, je hebt flink wat yottajoules energie beschikbaar en wat zwarte gaten bij de hand, dan zou je ook zwaartekrachtskogels, zwaartekrachtssolitonen, kunnen maken. Dat is een speciale golf die bij elkaar blijft. Op dit moment het domein van wiskundigen, maar in de verre toekomst praktisch haalbaar. Je zou hiermee zwaartekrachtspulsen kunnen geven. Deze uitspraak is onder voorbehoud: ik heb het boek in kwestie niet gelezen.

Bronnen
New Scientist

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

Tijdkristal gevonden?

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

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

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

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

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

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

Vormen zwarte gaten de poort naar een ander universum? Bron: NASA

Leven we in een zwart gat?

21 reacties / Ideeën, natuurkunde, Universum, Visionaire vragen, Wetenschap / Door Germen Roding / 29 december 2015 29 december 2015

Een zwart gat is een astronomisch object, waarvan voorbij de waarnemingshorizon de zwaartekracht zo sterk is dat zelfs licht niet meer kan ontsnappen. Het is een plaats, waar de natuurwetten zoals we die kennen ophouden te bestaan. Maar wat als we zelf in een zwart gat leven?

Big Bang en singulariteit
Wiskundigen noemen iets een singulariteit, als op dit punt een functie zich ‘raar’, discontinu, gaat gedragen. Bijvoorbeeld omdat er gedeeld wordt door nul. De natuurkunde hangt van wiskunde aan elkaar, waardoor ook natuurkundigen het begrip ‘singulariteit‘ zijn gaan gebruiken voor punten in natuurkundige theorieën waarop oneindigheden optreden. Een bekend voorbeeld is het punt in een zwart gat, waarbinnen zich alle materie ophoopt, dat de singulariteit wordt genoemd. Volgens Einsteins Algemene Relativiteitstheorie is dit een punt met een grootte nul en oneindige dichtheid (al kan je met een ander coÃ¶rdinatenstelsel dit probleempunt ontwijken). Ook het heelal is naar alle waarschijnlijkheid begonnen als een dergelijk punt: de Big Bang. Dit heeft sommige kosmologen geïnspireerd om de vraag te tellen: wat als het heelal zoals wij dat kennen, het binnenste van een zwart gat is?

Zou het heelal in een zwart gat kunnen liggen?
Opmerkelijk genoeg: ja. Hiervoor moet je bedenken dat de waarnemingshorizon van elk zwart gat een diameter heeft, die evenredig is met de massa. Een zwart gat van twee aardmassa’s heeft dus een doorsnede (34 mm) die twee keer zo groot is als die van een zwart gat met die van de aarde (ongeveer 17 mm, de grootte van een twee-eurocentstuk). Een zwart gat met een zonsmassa is ongeveer 6 km in doorsnede. Dat klopt precies: de zon is enkele honderdduizenden keer zwaarder dan de aarde. Uiteraard is de dichtheid van het zonne-zwarte gat veel kleiner dan dat van de aarde. We kunnen doorgaan: als alle massa van de Melkweg, rond de biljoen (1.000.000.000.000) maal die van de zon, in een zwart gat zou worden gepropt, ontstaat een zwart gat groter dan het zonnestelsel. Wordt alle massa van het waarneembare heelal in een zwart gat gestort, dan is de waarnemingshorizon van het zwarte gat zo groot als: inderdaad, de rand van het waarneembare heelal…

Omgekeerde Big Bang
Het idee lijkt absurd. Toch is de structuur van ruimtetijd binnen een zwart gat zo vreemd, dat het heelal een vorm hiervan zou kunnen zijn (al wijkt dit type dan wel sterk af van de bekende Schwarzschild- en Kerr-oplossingen). De tijdpijl zou dan andersom lopen. Ben je eenmaal binnen de waarnemingshorizon, dan word je onherroepelijk de singulariteit ingezogen. Als je tegenstribbelt nog sneller. Net zoals de tijd vertraagt, als je snelheid de lichtsnelheid nadert. Als het zwarte gat zo groot is als het waarneembare heelal, zou het er binnen wel eens uit kunnen zien als in ons heelal. Het Einde der Tijden zou dan optreden aan de waarnemingshorizon. Of, volgens een nieuwe theorie van Stephen Hawking, is deze waarnemingshorizon een poort naar een ander heelal. Dit zou goed nieuws zijn. We kunnen dan als ons heelal ten dode is opgeschreven, ontsnappen, naar een nieuw, jong universum.

Meer informatie
Is the Big Bang a black hole?, Philip Gibbs, 1997
Black holes are a passway to another universe, says Stephen Hawking – The Independent, 2015

Wat zou er gebeuren als de aarde tot een biljoen graden zou worden verhit?

Wat zou er gebeuren als de temperatuur van de aarde voor een nanoseconde tot een biljoen graden zou stijgen?

4 reacties / Analyses, Visionaire vragen / Door Germen Roding / 28 december 2015 28 december 2015

Vlak na de Big Bang was de temperatuur van het heelal zo hoog, dat zelfs atoomkernen uit elkaar zouden vallen. In de Large Hadron Collider van het CERN worden protonen en antiprotonen met een energie van rond 8 GeV/c² op elkaar geschoten. Dit komt overeen met een temperatuur van rond twee biljoen (een miljoen miljoen) graden Kelvin (of Celsius). Die 273 graden verschil tussen Kelvin en Celsius maakt bij deze getallen niets meer uit. Wat zou er gebeuren op aarde, als alle materie gedurende een nanoseconde deze temperatuur zou hebben?

Waarschijnlijk onzinnig scenario
Dit scenario is vanzelfsprekend totaal onwaarschijnlijk, tenzij je aanneemt dat er heel toevallig een botsing met een ander, parallel heelal of n-braan zou plaatsvinden, dat net in de Big Bang-fase verkeerde. Laten we aannemen dat het werkelijk gebeurt. Per slot van rekening zou een Kardashev-IV beschaving een erge hekel aan ons kunnen hebben en daarom besluiten onze planeet door middel van een onzachte fusie met een Big Bang-heelal in een enorme atoombom te veranderen. Dan is het vanzelfsprekend erg handig, om te begrijpen wat de gevolgen zijn.

Hoe zou het verlopen?
Door een onbekende oorzaak, worden alle atomen van de aarde verhit tot twee biljoen kelvin.
Dit hoge energieniveau houdt aan voor een nanoseconde. Alle toegevoerde energie wordt onttrokken na deze nanoseconde.
Deeltjes met deze temperatuur bewegen vrijwel met de lichtsnelheid, c. De lichtnelheid is rond de 300.000 km per seconde, oftewel 30 cm per nanoseconde. De aarde zou in deze nanoseconde dus niet uit elkaar spatten. Daar is domweg niet genoeg tijd voor. De aarde zou veranderen in een extreem hete plasmawolk met een afmeting tot 30 cm boven het aardoppervlak. De aarde zal veranderen in een quark-gluon plasma en door de toegevoegde energie zal de aarde enkele tienden van procenten groter worden. Waarschijnlijk komen er kleine blobjes quark-gluon plasma verspreid over wat eens onze lieflijke planeet was.

De afkoeling
Na een nanoseconde wordt al deze energie onttrokken. Kluitjes quark-gluonplasma zijn instabiel bij relatief lage temperaturen zoal die van de aarde: het kost veel energie om ze te maken. Dat betekent dat de nieuwe toestand een energieschuld met zich meebrengt. Geen punt, de kluitjes zijn erg instabiel en vallen snel uit elkaar in stabiele atoomkernen (of radioactieve atoomkernen die vervallen). De meest stabiele atoomkernen (energiegunstigste dus) zijn die van ijzer en nikkel, althans kernen die hierbij in de buurt liggen qua samenstelling. Het is mogelijk dat er zich in deze omstandigheden een waterstof-heliumplasma vormt zoals na de Big Bang. Dit zou een enorme energieschuld met zich meebrengen, omdat de atomen van de aarde (voornamelijk zuurstof, silicium, ijzer en nikkel) minder potentiële energie bevatten dan waterstof en helium. Het is dus waarschijnlijker, dat de kluitjes quark-gluonplasma uiteenvallen tot ijzeratomen. Hierbij zou juist erg veel energie vrijkomen, want slechts een kleine fractie van alle atomen op aarde is een energie-optimaal ijzeratoom. De aarde zou dan veranderen in een verschroeiende, snel uitzettende bal ijzerplasma.

Deze vraag, met mijn antwoord, verscheen eerder in steenkolen-Engels op Quora.com en werd, met mijn antwoord, uitverkoren tot een plekje in de wekelijkse Quora-nieuwsbrief.

De stellarator Wendelstein 7-X, opengewerkt. Bron: Science.org ex. RD.

Stellarator blijkt te werken

7 reacties / Ideeën / Door Germen Roding / 20 december 2015 18 december 2015

De Duitse stellarator Wendelstein-7x heeft meer weg van een buitenaards relict dan van een nieuwe energiebron. Toch is er een goede kans dat de negentien jaar en miljoen gewerkte uren leiden tot een overvloedige energiebron: kernfusie.

Kernfusie: schone kernenergie
Kernfusie berust op het principe, dat het energie oplevert om lichte atoomkernen samen te smelten tot iets zwaardere atoomkernen. Dit proces laat de zon, en de overige zichtbare sterren in de Hoofdreeks, schijnen. Anders dan kernsplijting, levert kernfusie weinig tot geen gevaarlijke neutronen of radioactieve afvalproducten. Meer informatie over methoden voor kernfusie in ons overzichtsartikel.

Wat is een stellarator?
De stellarator houdt net zoals de bekendere tokamak het plasma gevangen in een soort ring. Alleen is de ring van de stellarator zo geconstrueerd, dat het plasma alleen al door de magnetische velden op zijn plaats wordt gehouden. Bij een tokamak, waar de ring een simpele donutvorm heeft, wordt het magnetische veld zwakker aan de randen (waardoor het plasma weglekt en de elektrische stroom nodig is), bij een stellarator zijn de spoelen onderling zo opgesteld, dat de magneetvelden aan de rand van de plasmabundel sterker zijn en de plasmadeeltjes minder snel weglekken. Er loopt geen elektrische stroom door het plasma. Dit maakt dat de stellarator compacter kan blijven dan een traditionele tokamak en, heel belangrijk, tot een half uur achter elkaar kan blijven werken. Erg handig als je stroom opwekt. De stellarator heeft ook enkele nadelen, zoals het veel sneller weglekken van plasma en het kronkelige pad, waardoor veel ‘Bremsstrahlung’ ontstaat: elk geladen deeltje dat van richting of snelheid verandert, geeft energie af in de vorm van elektromagnetische straling. Energie die je eerst moet toevoeren en de reden dat in het verleden de stellarator werd ingeruild voor de tokamak.

Wendelstein 7-X
De Duitse stellarator Wendelstein 7-x had eigenlijk al in 2006 operationeel moeten zijn, maar problemen met de spoelen stelden dit moment uit tot oktober 2015. De zeer complexe configuratie van stellarators – in dit ontwerp zijn er maar liefst vijftig magnetische spoelen – maken het lastig om problemen op te lossen, maar de sterk toegenomen rekenkracht van computers helpt. Na negentien jaar intensief ploeteren slaagde de eerste test: er ontstond heliumplasma, dat een half uur binnen de ring bleef. Begin 2016 starten de proeven met waterstof. Dan beginnen de eigenlijke fusie-experimenten pas.

Komt er nu overvloedige energie?
Ja, dat in ieder geval. De meest veelbelovende ontwikkeling, waar we ook zeker op kunnen rekenen is zonne-energie. In de tropen en subtropen is de zon nu al voordeliger dan fossiel. In de gematigde breedtegraden, zoals Noord-West Europa en het noordelijke deel van Noord-Amerika ligt de zaak complexer, maar ook hier wordt de zon steeds interessanter. Een werkende fusiereactor zou in het noordelijk deel van de wereld de energieproblemen overtuigend oplossen en onze afhankelijkheid van dictaturen als Saoedi-Arabië en Qatar drastisch verminderen. Immers, een fusiereactor werkt dag en nacht. Reden om ontwikkelingen als de stellarator goed in de gaten te houden. Wat hier op Visionair ook zal gebeuren.

Meer informatie
Feature: Germany fires up bizarre new fusion reactor – Science.org
Wendelstein 7-x – Max Planck Institut für Plasmaphysik

Nieuwe, goedkopere ontwerpen voor tokamaks, zoals deze ARC-2 reactor, beloven betaalbare fusie-energie binnen bereik te brengen. Bron: MIT

Welke methoden voor kernfusie zijn er?

Laat een reactie achter / Ideeën, natuurkunde, Techniek, Visionaire projecten, Wetenschap / Door Germen Roding / 18 december 2015 18 december 2015

Kernfusie, het proces dat de zon haar energie geeft, is de overvloedigste energiebron die we kennen. Helaas is er nog steeds geen kernfusiereactor die meer nuttige energie levert dan er in gaat, maar het over-unity punt komt in zicht.

Wat is kernfusie?
De energiegunstigste atoomkernen zijn stabiele ijzer- en nikkelkernen met rond de 50-60 deeltjes in de kern. Recordhouder is de atoomkern ijzer-56 met 26 protonen en 30 neutronen. Hieromheen hangen dan weer 26 elektronen, die de positieve lading van de protonen neutraliseren.
Er zijn twee manieren om energie uit atoomkernen te halen: kernsplitsing en kernfusie. Het resultaat van beide is dat de nieuw ontstane atoomkernen qua grootte meer op die van ijzer en nikkel gaan lijken. Kernsplitsing, waarbij zware atoomkernen zoals die van uranium uiteenvallen in lichtere, levert in kerncentrales nu al veel energie. Nadeel van kernsplitsing is dat er meestal instabiele, radioactieve atoomkernen ontstaan.

Kernfusie, waarbij lichte atoomkernen (denk aan waterstof-2, helium-3 en lithium-6) samensmelten tot zwaardere, lukt op dit moment alleen op kleine schaal in fusors (waar het veel meer benutbare energie kost dan er vrijkomt) en natuurlijk in waterstofbommen. Omdat er veel meer lichte atomen zijn dan zware, en de opbrengst per kerndeeltje veel groter is (en er nauwelijks gevaarlijke instabiele isotopen ontstaan), is kernfusie een erg interessant proces om de steeds energiehongeriger wereld van voldoende energie te voorzien.

Hoe laat je atoomkernen op elkaar botsen?
Atoomkernen bestaan uit positief geladen deeltjes, de protonen, en neutrale neutronen. De neutronen vormen de lijm, die met hun sterke kernkracht-interactie de protonen bij elkaar houden. De protonen stabiliseren weer de neutronen, omdat ze het voor de neutronen erg energie-ongunstig maken om uiteen te vallen in een proton met elektron. HET technische probleem bij kernfusie is, de atoomkernen die je wil laten fuseren elkaar te laten raken. Immers, ze stoten elkaar af door hun positieve lading. Schiet je maar een fractie te hard, dan kaatsen de kernen weg voordat ze kunnen fuseren.

Samenpersen en koude kernfusie
Hier kan je verschillende strategieën voor volgen. In een waterstofbom en de Amerikaanse Z-pinch Z Machine worden de atoomkernen zeer sterk op elkaar geperst (door een splijtingsbom resp. lasers). Waterstofbommen werken, helaas. De Z Machine wekt fusie op, maar te weinig om te benutten voor stroomproductie.

In een fusor worden kernen afgeschoten op de doelwit-kernen, wat een (lage) hoeveelheid kernfusie oplevert. Met muonfusie worden elektronen vervangen door de zware muonen, waardoor de kernen veel dichter op elkaar komen te zitten, met een veel grotere kans op fusie, zelfs bij kamertemperatuur. Helaas zijn muonen zeer instabiel en kost het veel meer energie om de muonen te maken, dan de fusie oplevert. Muonfusie is de enige bekende werkende methode voor LENR, een verzamelterm voor lage-temperatuur kernfusie. LENR is in de wetenschappelijke wereld zeer omstreden. Op dit moment is er geen fusie aangetoond in een LENR-reactor. Althans: niet door publicatie in een peer-reviewed mainstream wetenschappelijk tijdschrift. Enkele honderden gedreven onderzoekers trotseren de banvloek van de mainstream wetenschap met hun LENR-onderzoek. Zij geloven wel kernfusie te stellarator hebben gerealiseerd, zij het nog te weinig om als energiebron te dienen.

De tokamak
Dan komen we bij de derde voornaamste techniek om kernfusie te realiseren. Schep een gas (bij deze temperaturen: een plasma) van vele miljoenen graden heet. Binnen dit plasma vinden zoveel botsingen plaats, dat er altijd enkele botsingen precies de juiste snelheid hebben voor kernfusie. Als je voorkomt dat het plasma te snel weglekt en energie verliest, heb je een reactor. De succesvolste reactor van dit type is de tokamak, uitgevonden in de toenmalige Sovjet-Unie. De tokamak is een donutvormige ring van plasma, die op zijn plaats wordt gehouden met enorme elektromagneten en een sterke ringvorminge elektrische stroom door het plasma. Dit plasma is namelijk zo heet, dat geen enkel bekend materiaal er tegen bestand is. ITER, de onderzoeksreactor in het Franse Cadarache, is van dit type. Een andere, na een lange tijd weer populairder wordend model is de stellarator.

First-principles denken gaat uit van de bekende natuurwetten. Alles wat natuurkundig gezien mogelijk is, is mogelijk en haalbaar.

First principles-denken: de sleutel tot rijkdom

17 reacties / Analyses, Europa, Geopolitiek, Ideeën, Ideeën en techniek, Maatschappij, Mensheid, Misvattingen, natuurkunde, Nederland, Techniek, Visionaire projecten, Visionaire vragen, Wereld / Door Germen Roding / 9 december 2015 31 december 2020

Sloppenwijken en villawijken bestaan uit dezelfde atomen. Het verschil is de manier waarop de atomen zijn gerangschikt. Als je uitgaat van first principles, leer je hoe armoede te veranderen is in rijkdom.

First principles

De first-principles methode komt er op neer dat je teruggaat naar die dingen waarvan je absoluut zeker weet dat ze waar zijn, en vanaf dat punt verder redeneert of ontwerpt.

It’s physics, stupid

Sinds ongeveer een eeuw of twee weten we dat de wereld waarin we leven, beheerst wordt door onveranderlijke natuurwetten. Waar op aarde, of de rest van het bekende heelal we ook komen, er gelden dezelfde natuurkundige wetten. De natuurkundige wetten vormen de basis van alle andere natuurwetten. Als het Belgische of Nederlandse parlement een wet uitvaardigt dat het verboden is om te vallen, val je nog even hard. Kortom: als iets volgens de natuurkundige wetten kan, en je de rest in de hand hebt, kan het in alle gevallen. Deze natuurkundige wetten vormen hiermee de first principles.

Natuurkundige wetten zijn universeel, dus first principles ook

Als je een mep geeft tegen een tennisbal, vliegt deze bal vanaf de Ka’aba in Mekka even hard weg als in de Gouden Tempel van Amritsar. Of op Mars, wat dat betreft. Of Pluto. OK, skip dat laatste, want de bal (en racket) zullen vermoedelijk verpulveren bij de temperaturen vlak boven het absolute nulpunt.

Natuurwetten hebben als prettige bijkomstigheid dat techniek, die gebaseerd is op deze natuurwetten, overal blijft werken. Je horloge loopt op Gliese 674-b, de dichtstbijzijnde bekende exoplaneet, even snel als hier op aarde. Een baksteen die deel uitmaakt van de villa van filmster Leonardo di Caprio, gedraagt zich precies hetzelfde als een baksteen van hetzelfde type in een Mexicaanse krottenwijk.

Een tweede prettige bijkomstigheid is dat in principe alles mogelijk is dat volgens de natuurwetten toegestaan is. Wil je een mooie stikstofgeiser, model-Triton, in je achtertuin? Geen punt. Regel even een supergeleidende kabel, een privé-energiecentrale, een plek waar je de enorme hoeveelheid afvalwarmte kan dumpen en je bent de man. Of vrouw, alhoewel die vermoedelijk zinniger dingen bedenken.

Problemen terugbrengen tot natuurkunde

De natuurkundige beperkingen zijn streng, maar ruim. Zo is het niet mogelijk sneller te gaan dan het licht. Het is -in theorie- wel mogelijk, om de ruimtetijd waarin je je bevindt zo te vervormen dat je via een wormgat of in een warpbubble sneller dan de rechtstreekse route reist. Op andere terreinen zijn er minder problemen. Zo kan je in principe alles maken wat je maar wilt, door de juiste atomen bij elkaar te zoeken en aan elkaar te plakken. Als je maar voldoende vrije energie hebt, een ander belangrijk natuurkundig concept. En, die is er. Zonlicht. Wel ben je gebonden aan de materiaaleigenschappen, maar door atomen en verschijnselen als plasmonen, fononen en kwantumvelden creatief toe te passen, zijn er meestal kleine wonderen mogelijk.

“Onoplosbare” wereldproblemen door een natuurkundige bril, met first principles

Ieder probleem is in principe door het inzetten van de first principles methodiek op te lossen. Als voorbeeld, het wereldarmoedeprobleem.

Het wereldarmoedeprobleem is in drie stappen op te lossen. Ten eerste moet je er voor zorgen dat er heel veel vrije energie beschikbaar komt. Daar hebben we een goede techniek voor: zonnepanelen. Als we iedere wereldbewoner het West-Europese energieverbruik gunnen, dat wil zeggen: rond de 150 kilowattuur (500 MJ) per persoon per dag, hebben we rond de 50.000 Wp per persoon zonnepanelen nodig, bij de gemiddelde zonneschijn in de wereld (164 Wp per vierkante meter) dus 25 vierkante meter zonnepaneel of, anders uitgedrukt, 25 000 euro. Dit zal dalen als zonnepanelen efficiënter worden. Er zijn prototypes in labs die tot 60% efficiëntie halen, dat is drie maal die van nu. Dit zou de benodigde oppervlakte laten dalen tot acht a negen vierkante meter. Hier meer, in woestijngebieden en de tropen minder.

Ten tweede moet je iedere wereldbewoner voorzien van voldoende atomen van de juiste soort. De atomen die we het meeste gebruiken, zoals koolstof, zuurstof, waterstof, silicium en ijzer, zijn in werkelijk onvoorstelbare hoeveelheden aanwezig in de aardkorst, water en lucht. Kortom: als er voldoende energie is, is het verkrijgen van deze atomen triviaal.

Ten derde moeten de atomen op de juiste manier aan elkaar geplakt worden. Hiervoor moeten wij mensen processen ontwikkelen. Dit lukt al vrij aardig. Het enige wat we moeten doen is deze processen energiezuiniger maken, krachtiger maken en verspreiden over de hele wereld. En er voor zorgen dat de vrije energie, atomen en denkkracht waarover we nu beschikken, niet worden verkwist aan bijvoorbeeld oorlogen, patentstrijd en bureaucratie, maar doelmatig worden besteed aan zonnepanelen en innovatie.