natuurkunde

Dit nieuwe type maser werkt bij kamertemperatuur. Bron: CERN Courier.

Bizarre typen lasers

3 reacties / Ideeën, Ideeën en techniek / Door / 4 januari 2015

Lasers, voluit Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zijn niet meer weg te denken. Optische lasers zijn de bekendste vorm, maar in feite zijn er heel veel verschillende soorten lasers denkbaar. De laser lijkt een uitgekauwd onderwerp, maar niets is minder waar. Maak kennis met enkele ronduit bizarre soorten lasers.

Hoe werkt een laser?
Het principe dat achter de laser zit, gestimuleerde emissie, werd in 1917 ontdekt door Albert Einstein. Als een foton een aangeslagen atoom of molecuul met voldoende energie raakt, wordt het gekopieerd: er ontstaat een tweede foton, dat dezelfde golflengte, richting, fase  en polarisatie als het oorspronkelijke foton heeft. Kortom: identiek is. Aan de ene kant van een lasertoestel zit een spiegel, aan de andere kant een halfdoorlatende spiegel. Als er eenmaal een foton vrijkomt, kaatsen de fotonen voortdurend heen en weer tussen de twee spiegels, waarbij e steeds weer gekopieerd worden.  Er ontstaat zo een lawine van laserlicht.

De maser: een laser die radiogolven uitzendt

Dit nieuwe type maser werkt bij kamertemperatuur. Bron: CERN Courier.
Dit nieuwe type maser werkt bij kamertemperatuur. Bron: CERN Courier.

Radiostraling is net als licht, elektromagnetische straling. Het verschil is dat de radiofotonen veel langer en dus zwakker zijn dan lichtfotonen. Masers zenden microgolfstraling (kortgolvige radiostraling)  en langere golflengtes uit. De eerste laser was in feite een maser; in de begindagen werden lasers zelfs optische masers genoemd. Het kost niet veel energie om een radiofoton te produceren. Daarom kunnen masers gebruik maken van veel zwakkere aangeslagen toestanden dan lasers.  Veel moleculen, zoals ammonia, worden daarom toegepast in masers. Masers worden vaak gebruikt als signaalversterker in radartoestellen.

Natuurlijke masers in de kosmos
Overal waar een groot deel van de atomen of moleculen aangeslagen  is, kan gestimuleerde emissie optreden. Dit gebeurt vaak rond energierijke verschijnselen. Astronomen nemen al tientallen jaren maserstraling waar uit interstellaire gaswolken.  Ook uitgestoten gasschillen rond oude sterren gedragen zich vaak als maser. Waarschijnlijk de grootste lasers in het universum zijn de kerngebieden in actieve sterrenstelsels. Deze megamasers zijn lichtjaren groot.

Atoomlaser
Hoewel ook de atoomlaser gebruikt maakt van gestimuleerde emissie, is het in feite een heel ander apparaat. Reden voor enkelen om de naam ‘atoomlaser’  te verwerpen. In feite  bestaat de kern van de atoomlaser uit een extreem koud kluitje atomen (bekend als BEC of Bose-Einstein condensaat).  Bij deze temperaturen, denk aan nanokelvins,  is de energie van de atomen zeer nauwkeurig bekend, namelijk bijna nul, dus de plaats wordt zeer vaag bekend. Dus vervagen atomen tot wazige wolken die elkaar overlappen. Hebben deze atomen ook elk exact hetzelfde aantal protonen en neutronen in de kern, en is hun spin 0, dan verliezen ze hun identiteit en gedragen zich als één atoom: het BEC. Een atoomlaser produceert kluitjes atomen. Hierdoor raakt de ‘kamer’ met het BEC vanzelfsprekend leeg, waardoor de atoomlaser slechts kortdurende pulsen kan geven. Verwacht dus geen atoomlaserpistool.

Een geluidslaser. Bron: Wikimedia Commons/S. Grubudin
Een geluidslaser. Bron: Wikimedia Commons/S. Grubudin

Saser: de geluidslaser
Geluiden (en overigens ook warmte) in vaste materialen bestaan uit fononen, elementaire trillingen. Dit zijn quasideeltjes: ze bestaan niet werkelijk, maar zijn het resultaat van vibrerende atomen. Fononen zijn kwantummechanisch van aard en vertonen ook gestimuleerde emissie. En inderdaad, de eerste sasers, geluidslasers, zijn in 2010 gebouwd. Sasers werken vergelijkbaar met lasers: het brongebied wordt met bijvoorbeeld licht aangeslagen. De fononen weerkaatsen en er ontstaat een lawine van fononen. Deze leveren een coherente geluidsbundel. Sasers bestaan nog maar kort, dus echt toepassingen zijn er nog niet. Onderzoekers denken aan verbeterde echo’s en het manipuleren van materie op nanoschaal. Hebben jullie betere ideeën, deel ze dan met ons.

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

‘Half-materie, half-licht deeltje ontdekt’

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

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

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

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

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

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

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

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

‘Neutrino’s hebben imaginaire massa’

5 reacties / natuurkunde, Universum, Wetenschap / Door / 27 december 2014

Robert Ehrlich van de George Mason University in Virginia heeft zes waarnemingen beschreven die er op lijken te wijzen dat neutrino’s een imaginaire massa hebben, dus sneller dan het licht bewegen. Wat betekent dit precies?

Neutrino’s zijn vermoedelijk de raadselachtigste waargenomen deeltjes die we kennen. Deze ‘kleine neutraaltjes’ komen voor in drie ‘smaken’, elektron- , mu- en tauon-neutrino, waartussen ze oscilleren. Neutrino’s waarnemen is uiterst  moeilijk, omdat ze alleen via de zogeheten zwakke wisselwerking met andere deeltjes wisselwerken. Pas in de eenentwintigste eeuw is bevestigd dat ze inderdaad massa hebben, al is niet bekend welke massa. Paul Ehrlich denkt hierop een antwoord te hebben. Neutrino’s beschikken over imaginaire massa, en moeten dus tachyonen zijn, dat wil zeggen: deeltjes die alleen sneller dan de lichtsnelheid kunnen bewegen.

Imaginaire getallen
Op de middelbare school krijg je ze helaas niet, maar ze duiken op in het eerste jaar van meer exacte studies, omdat ze zo handig zijn: imaginaire getallen. Het imaginaire eenheidsgetal i is gedefinieerd als de wortel uit -1. i vermenigvuldigd met i levert dus -1 op. Herhaal je dat, dan krijg je -i. Vermenigvuldig je dit weer met i, dan kom je uit op de welbekende 1. Je hebt als het ware een rondje gemaakt rond het nulpunt van een assenstelsel, warbij de i-getallen op de y-as liggen. En inderdaad blijken imaginaire getallen alles te maken te hebben met periodieke verschijnselen.imaginary-numbers


Waarom kan je niet sneller dan het licht?
Hoe dichter je de lichtsnelheid benadert, hoe groter de totale massa wordt ten opzichte van het punt van waar je meet. De totale massa (M) is [latex]M = m/\sqrt{1 – v^2/c^2}[/latex]. Let op dat wortelteken. Als v, je snelheid, bijna even groot i als c, de lichtsnelheid, nadert v^2/c^2 1, dus de uitdrukking onder het wortelteken 1-1=0. Daardoor wordt de relativistische massa enorm. je kan dus beter snel maken dat je uit de buurt komt, als iets met relativistische snelheid op je afkomt, want al die massa wordt dan omgezet in energie. Precies de lichtsnelheid mag niet, want dan deel je door nul en zou je een oneindige massa hebben. Maar wat gebeurt er als je sneller gaat dan het licht? Dan wordt het getal onder het wortelteken negatief. Er ontstaat dan imaginaire massa. Dit, stelt Ehrlich, is er aan de hand met neutrino’s.

Zes waarnemingen
Ehrlich analyseerde de resultaten van zes eerder door anderen gedane onderzoeken en kwam tot de conclusie dat deze het beste overeenkwamen met het aannemen van een imaginaire massa. Deze onderzoeken bestudeerden CMB fluctuaties, gravitational lensing, spectra van kosmische straling, neutrino oscillaties, en neutrino dubbele beta verval. Deze middelde hij en kwam voor de rustmssa uit op een waarde van ongeveer een miljoenste van die van een elektron. Omdat in zijn theorie neutrino’s sneller dan het licht bewegen, verandert dit dus in een imaginaire massa. Hij beschrijft drie manieren hoe zijn hypothese kan worden getest: op zoek gaan naar een piek van 4.5 PeV in kosmische straling, de energieverdeling van de vrijkomende deeltjes bij het verval van de radioactieve waterstofisotoop tritium bestuderen, of afwijkingen in de neutrinoverdeling waarnemen als er in de galactische buurt een supernova met volledige instorting van de sterkern plaatsvindt. Zou zijn hypothese kloppen, en vinden we een praktische manier om met neutrino’s te communiceren op interstellaire afstanden, dan zijn de gevolgen uiteraard spectaculair. We zouden dan sneller dan licht boodschappen kunnen uitwisselen. Dat maakt een interstellaire kardashev-III beschaving veel haalbaarder.


Bron
R. Ehrlich, Six observations consistent with the electron neutrino being a tachyon with mass: m2νe = −0.11 ± 0.016eV2, Arxiv preprint server, 2014 (geaccepteerd voor publicatie door Astroparticle Physics)

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

Kwantummechanica simpeler dan gedacht

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

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

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

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

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

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

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

Komen de "greys", een steeds terugkerend onderdeel van UFO legenden, in werkelijkheid uit de toekomst?

‘Aliens zijn tijdreizigers’

4 reacties / Analyses, Filosofie, Ideeën, Mensheid, Misvattingen, Universum, Visionaire projecten, Wetenschap / Door / 19 december 2014

Al tientallen jaren heerst er een epidemie van ontvoeringen door buitenaardsen. Althans, van getuigen die beweren ontvoerd te zijn door ongure humanoïde wezens. Bruce Goldberg, een Amerikaanse voormalige tandarts, nu hypnotherapeut, komt nu met een nieuwe theorie om de herkomst van de veronderstelde aliens te verklaren. Zijn de in ufo-getuigenverslagen geregeld figurerende “greys” onze verre nakomelingen?

Hoe zou de mens er in de verre toekomst uitzien?
Vergeleken met onze voorouders Australopithecus, Homo ergaster en Homo erectus, is de “wijze, wijze” mens anatomisch behoorlijk verschillend. Onze hersenmassa is groter, we zijn minder gespierd, hebben kleinere kaken, fijnere handen. Dit stelt ons in staat meer na te denken (waarmee niet gezegd is dat we dat ook doen) en beter gereedschappen te hanteren, dan onze eerdere uitvoeringen. Hiermee namen we de wereld over. Uiteraard stopt de evolutie niet; sterker nog: het lijkt erop dat de laatste tienduizend jaar de menselijke evolutie zelfs sneller gaat. Als de menselijke biologische evolutie doorzet, zouden we minder gespierd zijn, grotere ogen hebben en een groter hoofd. Kortom: meer weg hebben van de roemruchte “greys” dan nu. Vanzelfsprekend is het de vraag of dit gaat gebeuren. Op dit moment is de meest logische uitkomst, dat de mens als soort overstapt op een niet-biologische drager. Biologische lichamen zijn onpraktisch. Ze zijn ziekte- en storingsgevoelig, zwak, lastig te repareren en vrijwel niet te upgraden.

Komen de "greys", een steeds terugkerend onderdeel van UFO-legenden, in werkelijkheid uit de toekomst?
Komen de “greys”, een steeds terugkerend onderdeel van UFO-legenden, in werkelijkheid uit de toekomst?

Wat zijn de mogelijkheden voor tijdreizen?
Op kwantumniveau is tijd volledig omkeerbaar. Materie die terug in de tijd reist, is, stelt het standaardmodel, antimaterie. Positronen zijn in wezen elektronen die terugreizen in de tijd. Alle natuurwetten zijn volledig omkeerbaar in de tijd, met twee uitzonderingen. De Tweede Hoofdwet van de thermodynamica stelt dat de entropie in de tijd altijd toeneemt en in 1964 is CP-schending ontdekt. Dat wil zeggen dat je van een deeltje niet tegelijkertijd lading en bewegingsrichting om kan keren zonder dat het zich anders gaat gedragen. CP-schending treedt alleen op bij de alleen bij radioactiviteit relevante zwakke wisselwerking, niet bij de elektromagnetische kracht en de sterke kernkracht, die in het dagelijks leven verreweg het belangrijkst zijn. In theorie is het denkbaar om met extreem grote hoeveelheden, denk aan de energieproductie van de complete zon gedurende een microseconde, absurd zorgvuldig gemikte elektromagnetische straling een menselijk lichaam te fabriceren, dat een spiegelbeeld in antimaterie bezit. Beide kopieën zouden dan vooruitreizen in de tijd, vanuit onze waarneming. Vanuit de waarneming van de antimaterie-persoon zou deze mogelijk terugreizen in de tijd. Mogelijk, omdat we niet weten niet hoe antimaterie zich macroscopisch gedraagt. De tijd waarop de antimaterie-kopie terugkeert, is echter de tijd van nu. Terugreizen naar het verre verleden vanaf nu, of vanuit de verre toekomst naar een meer primitief tijdperk, is volgens deze methode onmogelijk. Maar mogelijk zijn er andere methoden, die we nog niet kennen. Een plausibeler variatie zou zijn: een mens uit een parallel universum waarin de tijd sneller gaat dan hier.

Waarom zou een wezen uit de toekomst mensen willen ontvoeren?
De verhalen over buitenaardse fokprogramma’s worden inderdaad iets plausibeler, als de “aliens” onze verre nakomelingen zouden zijn. Hiermee delen we immers de biologische basis en zijn we nauw verwant. Wie weet beschikken wij nog over bepaalde resistenties, of een puurder biologisch grondpatroon, waar zij niet meer over beschikken. Zoals plantenveredelaars graag Vavilovcentra van cultuurgewassen afkammen naar wilde varianten, zou iemand die aan menselijke genetica wil knutselen, dat ook willen doen met de menselijke soort. Wellicht vinden ze het seksueel opwindend om de liefde te bedrijven met een verre voorouder. Maar ook hier blijkt bij nadere beschouwing de onzinnigheid. Een soort die een complete zon kan aftappen en kan tijdreizen, is zeker in staat om met supercomputers zelf dit soort probleempjes op te lossen. Onze biologen doen dat nu al. Conclusie: ook dit amusante verhaal komt waarschijnlijk uit de koker van iemand, die op een makkelijke manier veel geld wil verdienen aan goedgelovige, wanhopige mensen.

Het Meissnereffect in actie. Supergeleidend materiaal blijft zweven boven een magneet. bron: Cambriodge University, UK

“Onmogelijke” supergeleider ontdekt

2 reacties / Techniek / Door / 9 december 2014

Enkele dagen geleden beschreven we supergeleiding op kamertemperatuur. Nu is er weer een doorbraak gerapporteerd. Zwavelhydride blijkt onder hoge druk supergeleiding te vertonen bij 180 kelvin, dus 93 graden onder nul. Het gaat hier om ‘klassieke’ supergeleiding, wat volgens het boekje alleen vlak boven het absolute nulpunt kan optreden.

Supergeleiding is een bizar verschijnsel waarbij alle elektrische weerstand verdwijnt. Je kan in principe van een supergeleidende spoel, een permanente magneet kunnen maken door er even een keer met een magneet langs te rissen. Dit soort experimentjes ligt ver buiten bereik van de gemiddelde hobbyist, want supergeleiding treedt alleen op bij extreem lage temperaturen. Klassieke (buik-) supergeleiding, waarbij het hele materiaal supergeleidend is, zelfs alleen tot maximaal 35 kelvin (-248 graden C).

Nu is een team onderzoekers er in geslaagd om supergeleiding op te wekken in zwavel(II)hydride, een zout waarbij waterstof zich niet als zuur gedraagt (H+) maar juist als een negatief ion (H–). Hiervoor brachten ze een enorme druk aan: 150 gigapascal, rond de 18.000 atmosfeer. Deze druk is alleen op te wekken met een diamantpers. Bij rond de 190 kelvin, (-87 graden Celsius) daalde de weerstand plotseling sterk.

Bulk-supergeleiding
Bulk-supergeleiding is erg populair onder technici. Bulk-supergeleiders kunnen enorme stroomsterktes verwerken, zonder dat het materiaal gaat haperen. De reden dat bijvoorbeeld de supergeleidende elektromagneten bij het CERN uit een bulk-supergeleidende niobium legering bestaan, die extreem gekoeld moet worden. Een zeer sterk magnetisch veld van zeven tesla kon de supergeleiding niet stoppen. Volgens de onderzoekers zou hiervoor een tien keer zo sterk veld nodig zijn, wat er sterk op wijst dat ook dit een bulk supergeleider is, maar dan een die maar liefst 150 graden minder gekoeld hoeft te worden. De meer delicate hoge-temperatuur supergeleiders, waar supergeleiding alleen in dunne atoomdikke laagjes optreedt, kunnen al door een wak magnetisch veld uitgeschakeld worden.

Het Meissnereffect in actie. Supergeleidend materiaal blijft zweven boven een magneet. bron: Cambriodge University, UK
Het Meissnereffect in actie. Supergeleidend materiaal blijft zweven boven een magneet. bron: Cambriodge University, UK

Hoe nu verder?
Ten eerst zal deze ontdekking grondig moeten worden geverifieerd. Zo zal moeten worden getest of het Meissner effect optreedt; geen eenvoudige zaak als het monster in een diamantpers geklemd is. Zolang dat niet het geval is, is nog nioet zeker of hier daadwerkelijk sprake is van bonafide supergeleiding.
Uiteraard is een supergeleider waarvoor je een diamantpers nodig hebt, niet erg praktisch. Wel zet deze onverwachte ontdekking de supergeleidingsonderzoekers op het spoor van een beter begrip van supergeleiding. Klaarblijkelijk is er een onbekend effect, waardoor bulksupergeleiding ook bij hogere temperaturen op kan treden. Dit effect boven water krijgen zou de weg kunnen openen naar echte kamertemperatuur supergeleiders die ook onder normale druk kunnen functioneren.

MIkhail Eremets et al., Conventional superconductivity at 190 K at high pressures, ArXiv preprint server, 2014

Vogels, zoals deze kraai, vliegen fundamenteel anders, en veel zuiniger, dan verkeersvliegtuigen. Bron: ornithopter.org

Vliegen als een vogel: de ornithopter

5 reacties / Ideeën, Techniek, Visionaire projecten, Visionaire vragen / Door / 6 december 2014

In het dierenrijk kunnen we verschillende varianten vinden van menselijke vliegtuigen. De condor als zweefvliegtuig en de kolibri als helikopter. Parachutisten doen niet anders dan paardebloemzaadjes. Maar waarom zijn er geen vliegtuigen die vliegen als een vogel?

In een gesprek met mijn lief stelde zij een vraag waar ik over bleef doordenken. Wij mensen hebben een groot aantal typen vliegtuigen ontwikkeld. De bekendste, en meest praktische, zijn het propellor- en straalvliegtuig (die afgezien van de motor niet verschillen), het zweefvliegtuig en de helicopter.

Vogels, zoals deze kraai, vliegen fundamenteel anders, en veel zuiniger, dan verkeersvliegtuigen. Bron: ornithopter.org
Vogels, zoals deze kraai, vliegen fundamenteel anders, en veel zuiniger, dan verkeersvliegtuigen. Bron: ornithopter.org

In het dierenrijk bestaat er geen equivalent van de ballon, vermoedelijk omdat een ballonwezen kansloos is tegen roofvogels en een speelbal is van de wind. Inderdaad is nu ook bij de mens de ballonvaart alleen voor hobbyisten of voor zeer zware vracht nog interessant.
Interessant is de vraag, waarom er in de natuur geen dieren zijn met statische vleugels, zoals vliegtuigen, maar wél met beweegbare vleugels. Het antwoord: deze zijn energiezuiniger dan die van vliegtuigen en voor een dier is energiozuinigheid van levensbelang. Kortom: het zou wel eens slim kunnen zijn, ook onze vliegtuigen te laten vliegen als een vogel.

Hoe functioneert een ornithopter?
Een ornithopter beweegt zich niet voort door een propellor of straalmotor, maar door klapwiekende vleugels.
De droom te vliegen als een vogel is al duizenden jaren oud. Denk aan de Griekse legende van de uitvinder Ikaros, die te dicht bij de zon kwam waardoor de was van zijn vleugels smolt.

De veelzijdige Leonardo da Vinci dacht al na over ornithopters. Bron: Leonardo da Vinci
De veelzijdige Leonardo da Vinci dacht al na over ornithopters. Bron: Leonardo da Vinci

Leonardo da Vinci dacht al na over een ornithopter, maar stelde terecht vast dat een mens te zwaar is om als een vogel te vliegen. Ook de Duitse luchtvaartpionier Otto Lilienthal probeerde als een vogel te vliegen, maar viel na enige geslaagde zweefvluchten te pletter.
Een andere Duitser, Schmidt, slaagde er in 1942 als eerste mens in om een werkende ornithopter te bouwen.
Nu weten we dat een getrainde atleet in staat is met een vliegfiets het Kanaal over te vliegen, een afstand van ongeveer dertig kilometer.

Real life ornithopters
Nu zijn de technische mogelijkheden veel groter dan twee eeuwen terug, in de tijd van de ongelukkige Lilienthal. Sterke elektromotoren van rond een kilogram kunnen rond de 8400 watt leveren, meer dan twintig maal het vermogen dat een mens gedurende langere tijd kan leveren en veel sterker (max. 800 watt per kg, gedurende korte tijd[1]; zie diagrammen) dan de sterkste vliegende vogel. Met wat hulpmotoren is het dus zeer goed mogelijk dat een mens kan vliegen ale een vogel. Om een zwaar batterijenpak te voorkomen, zou je dan de klapvleugels moeten voorzien van membraan zonnepanelen. Als een mens een vleugeloppervlak van ongeveer 10 vierkante meter zou hebben, wat overigens ook nodig is om in de lucht te blijven, zou dit bij Nederlandse zonlichtintensiteiten een vermogen van rond de 500 watt leveren. Dit vermogen komt dan in enkele krachtsexplosies vrij, of, misschien, door beurtelings paren vleugels aan te drijven. Ongeveer zoals een borstelworm zwemt. Wellicht zou je dit kunnen oplossen met een vliegwiel, dat door de motoren opgeladen wordt en dat in zeer korte tijd de opgeslagen energie vrijgeeft aan de vleugels. Of, zoals in de natuur, dat kunstmatige spieren langzaam worden aangespannen. Zoals in de animatie te zien is, beweegt het lichaam van de vogel nauwelijks, terwijl de vleugels flink wapperen. Een vogelvlucht als mens, of tochtje met een ornithopter-verkeersvliegtuig zou dus vermoedelijk redelijk comfortabel zijn.

Bestaande prototypes van ornithopters werken op standaard fossiele brandstofmotoren.

Bronnen
1. G.N Askew en D.J Ellerby, The mechanical power requirements of avian flight, Royal; Society Biology Letters, DOI: 10.1098/rsbl.2007.0182, 2007

Video: quantum discord

1 reactie / Ideeën, natuurkunde, Visionaire vragen, Wetenschap / Door / 1 december 2014

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

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

Kunnen we van ons heelal naar een parallel universum reizen? Ja, zegt een nieuwe theorie.

‘Parallelle universums verklaren kwantummechanica’

11 reacties / Ideeën, natuurkunde, Universum, Wetenschap / Door / 6 november 2014

Bekende kwantummechanische raadsels zoals de onzekerheidsrelatie kunnen opgelost worden, als parallelle werelden geïntroduceerd worden. Deze parallelle werelden, die met elkaar wisselwerken, zijn dan volstrekt klassiek en deterministisch. Dit stelt professor  Howard M. Wiseman van de Australische Griffiths Universiteit. Kunnen we naar een parallelle wereld reizen?

In een paper gepubliceerd in het prestigieuze tijdschrift Physical Review X, plaatsen professor Howard Wiseman en Dr Michael Hall van  Griffith’s Centre of Quantum Dynamics, en Dr. Dirk-Andre Deckert van de University of California, parallelle werelden uit het rijk van de science fiction en in dat van harde wetenschap.

Het team stelt voor dat parallelle universa echt bestaan, en dat ze op elkaar inwerken. Dat wil zeggen, in plaats van onafhankelijk te evolueren, beïnvloeden nabijgelegen werelden elkaar  door een subtiele kracht van afstoting. Ze tonen aan dat dergelijke interacties alles wat bizar is aan kwantummechanica kunnen verklaren.

Kunnen we van ons heelal naar een parallel universum reizen? Ja, zegt een nieuwe theorie.
Kunnen we van ons heelal naar een parallel universum reizen? Ja, zegt een nieuwe theorie.

Kwantumtheorie is nodig om uit te leggen hoe het universum werkt op de microscopische schaal, en wordt beschouwd als van toepassing op alle materie. Maar het is erg moeilijk te doorgronden, vertoont rare verschijnselen  de wetten van oorzaak en gevolg lijken te schenden.

Zoals de Amerikaanse theoretisch natuurkundige Richard Feynman zei ooit: “Ik denk dat ik gerust zeggen kan dat niemand kwantummechanica begrijpt .”

Echter, de “Veel-Interactie Werelden” benadering ontwikkeld aan Griffith University biedt een nieuwe en gedurfde visie op dit verbijsterende veld.

“Het idee van parallelle universa in de kwantummechanica is er al sinds 1957”, zegt professor Wiseman. “In de bekende Veel-werelden-interpretatie, vertakt elk universum zich  in een woud van nieuwe universa, elke keer dat een kwantummeting wordt uitgevoerd. Alle mogelijkheden worden dan ook gerealiseerd – in sommige universa miste de dinosaurusdodende asteroïde de aarde. In andere universa, werd Australië gekoloniseerd door de Portugezen.

“Maar critici twijfelen aan de realiteit van die andere universa, omdat ze ons universum niet beïnvloeden. Op dit punt is onze “Veel-Interactie Werelden” benadering totaal anders, zoals de naam al aangeeft. ”

Professor Wiseman en zijn collega’s stellen dat:

. Het universum dat we ervaren slechts een is van een gigantisch aantal werelden. Sommige zijn bijna identiek aan de onze, terwijl de meeste  zeer verschillend zijn;

. Al deze werelden even reëel zijn, continu bestaan door de tijd, en beschikken over nauwkeurig omschreven eigenschappen;

. Alle kwantumverschijnselen voortkomen uit een universele kracht van afstoting tussen ‘dichtbije’ (dat wil zeggen soortgelijke) werelden, die de neiging heeft om ze meer ongelijksoortig te maken.

Dr Hall zegt dat de “Veel-Interactie Werelden” theorie zelfs de mogelijkheid biedt, om het bestaan van andere werelden naast de onze te toetsen.

“Het mooie van onze aanpak is dat als er slechts één wereld is, onze theorie deze reduceert tot de mechanica van Newton, terwijl als er een gigantisch aantal werelden is, de theorie de kwantummechanica reproduceert,” zegt hij.

“Daar tussenin beschrijft de theorie verschijnselen, die noch Newtons theorie, noch kwantumtheorie voorspelt.”

“Wij geloven ook, dat naast het verstrekken van een nieuwe mentaal beeld van kwantumeffecten, nieuwe kwantumverschijnselen kunnen worden getest. ” Dit, tussen haakjes, maakt deze nieuwe “interpretatie” uitermate interessant. Anders dan andere interpretaties, is deze wél door experimenten te testen.

Andere toepassingsgebieden van het gebruik van een eindig aantal werelden liggen volgens de auteurs in de moleculaire dynamica, nuttig voor bijvoorbeeld het begrijpen van chemische reacties en het gedrag van medicijnen.

Professor Bill Poirier, Distinguished Professor in de chemie aan de technische universiteit van Texas, stelt: “Dit zijn goede ideeën, niet alleen conceptueel, maar ook omdat hiermee berekeningen mogelijk makkelijker worden.”

Bronnen
1. Michael J.W. Hall et al. 2014. Quantum Phenomena Modeled by Interactions between Many Classical Worlds. Physical Review X, 4, 041013; doi: 10.1103/PhysRevX.4.041013
2. New quantum theory is out of this parallel world, Griffiths University News (2014)

Als materie met strange quarks stabieler is dan normale materie, zou deze normale materie moeten opslokken. Een geliefd scenario voor doemdenkers.

Wat als ‘donkere materie’ gewoon uit standaardmaterie bestaat?

2 reacties / Ideeën, natuurkunde, Wetenschap / Door / 5 november 2014

Onderzoekers denken een verklaring voor donkere materie gewonden te hebben die geen nieuwe natuurkunde vereist, slechts grote brokken materie. Hoe sterk is hun ‘case’ voor zogeheten macro’s, die net zoals normale materie gewoon uit quarks en leptonen bestaat ?

Donkere materie
Uit astronomische waarnemingen blijkt dat op er grote schaal de zwaartekracht zich niet precies gedraagt zoals de zwaartekrachtswet van Newton en de algemene relativiteitstheorie voorspellen. Zo draaien  de buitenste delen van sterrenstelsels veel sneller om de kern, dan ze op basis van klassieke zwaartekrachtstheorie zouden moeten doen. Er van uitgaande dat exotische zwaartekrachtstheorieën als MOND onzin zijn, moet iets onzichtbaars voor extra zwaartekracht zorgen. De meerderheid van de astronomen denkt dat dat ‘iets’ bestaat uit exotische deeltjes, bijvoorbeeld WIMPs of axionen, die niet in het Standaardmodel voorkomen. Helaas wil het niet echt opschieten met het ontdekken van deze spookdeeltjes. Vreemd natuurlijk, als ze verantwoordelijk zijn voor plm 80% van alle materie.

Als materie met strange quarks stabieler is dan normale materie, zou deze normale materie moeten opslokken. Een geliefd scenario voor doemdenkers.
Als materie met strange quarks stabieler is dan normale materie, zou deze normale materie moeten opslokken. Een geliefd scenario voor doemdenkers.

Donkere neutronium?
David M. Jacobs en Glenn D. Starkman, onderzoekers van de Case Western Reserve University  in de Amerikaanse deelstaat Ohio denken dat de verklaring hiervoor simpel is. De spookdeeltjes bestaan niet; de “donkere materie” is normale materie, maar opgesloten in macroscopische objecten, die we gewoon met het blote oog kunnen zien. Zij het dat ze wel een extreem hoge dichtheid hebben, in de orde van grootte van een neutronenster. Neutronium is extreem compact. Een neutroniumobject met de massa van de aarde is ongeveer zo groot als een eengezinswoning en dus van een verre afstand erg moeilijk waar te nemen. Er is alleen een probleempje met deze materie. Ongebonden neutronen vallen in gemiddeld een kwartier uit elkaar tot waterstofatomen. Neutronium is, voor zover we weten, alleen bij de extreme drukken zoals in de kern van een ineengestorte ster heersen, stabiel. Er zal dus een nog dichter, stabiel materiaal moeten worden gevonden. Sommige theoretici veronderstellen dt er zogeheten ‘strange matter’, vreemde materie, die is gegroepeerd in strangelets, moet bestaan. Strangelets zijn in feite enorme baryonen (atoomkerndeeltjes), die naast de gebruikelijke up- en downquarks, ook bestaan uit zwaardere strange quarks. Op dit moment is er geen empirisch bewijs aangetroffen voor het bestaan van strangelets. Dat is maar goed ook, want als een strangelet de aarde zou raken, zou een kettingreactie op kunnen treden, die alle materie op aarde in een strangelet verandert. De auteurs denken dan ook dat kleine strangelets niet bestaan: immers de zon schijnt nog steeds. Zij geloven in objecten tussen 1018 gram en 1023 gram. Om een indruk te geven: dat zijn objecten met een massa tussen ruwweg die van een grote asteroïde en de planeet Mars. Deze objecten zijn inderdaad zo klein dat ze optisch alleen binnen ons zonnestelsel waargenomen kunnen worden. Ook kunnen ze zo zeldzaam zijn dat ze niet vaak met normale materie botsen. Volgens de onder- en bovengrenzen die de auteurs noemen, kunnen er zich tussen de 0,1 en 1014 macro’s in de bol tussen de zon en de omloopbaan van de aarde bevinden [1].

Empirisch bewijs
De empirische bewijzen voor deze objecten blijken echter afwezig. Zware macro’s van een planeetmassa zijn uitgesloten, gezien de zeer nauwkeurige zwaartekrachtsmetingen op aarde die geen afwijkingen geven. Zeer lichte macro’s met de massa van enkele kilo’s zouden misschien kunnen bestaan. Deze zouden kleiner zijn dan een atoom. Hiervoor gelden de gebruikelijke issues met strangelets: het zijn er erg veel, dus zouden ze massaal met bestaande materie in aanraking moeten komen en deze omzetten in strangelets. Persoonlijk geef ik daarom niet veel voor deze theorie.

Bronnen
1. David M. Jacobs en Glenn D. Starkman, Macro dark matter, Arxiv prepublish server, 2014