natuurkunde – Pagina 5

Het prototype van de dynamak. Zou dit toestel het wereldenergieprobleem op kunnen lossen? bron: UW

‘Fusiestroom goedkoper dan steenkoolcentrale met revolutionair reactorontwerp’

3 reacties / Ideeën en techniek, natuurkunde, Wetenschap / Door Germen Roding / 8 oktober 2014 8 oktober 2014

Miljardenverslindende tokamaks, stellarators, Z-pinches en dergelijke, al deze monsterlijke machines wedijveren om de eerste technologie te worden die meer nuttige energie haalt uit kernfusie dan er in gestopt wordt. Kernfusie is big science, hobby-fusor enthousiastelingen daargelaten. Onzin, zeggen hoogleraar Jarboe en zijn student, ex-MIT’er Derek Sutherland van de universiteit van Washington. Met een verbluffend simpele vondst maakt hun dynomak een groot deel van een logge tokamak overbodig om een ultrasterk magneetveld op te wekken. Gaat dit werken?

Werkcollege
Jarboe en Sutherland bleven na een werkcollege nog even verder stoeien over de stof[2] en kwamen toen op het concept van de dynomak. Nu hebben ze een prototype gebouwd dat in staat is het plasma in de plasmaring voldoende lang op de voor kernfusie vereiste miljoenen graden te houden. Volgens hun schatting[1] is de dynomak voor ongeveer van een tiende van de kosten van een vergelijkbaar grote tokamak te bouwen en levert deze vijf keer zoveel energie. De bouwkosten zouden zelfs marginaal onder die van een kolencentrale met hetzelfde vermogen liggen.

Hoe werkt de dynomak?
De dynomak is een soort spheromak. Een spheromak kent net als een tokamak, zie toelichting, een donut van zeer heet plasma. Anders dan bij een tokamak worden de elektrische stromen in een spheromak opgewekt binnen het gloeiendhete plasma. Een bekend elektromagnetisch effect is dat elektrische stromen de neiging hebben samen te trekken. Waar bij een tokamak krachtige supergekoelde magneten de plasmaring in toom houden, trekt bij de dynomak de opgewekte stroom het plasma naar binnen. Het magnetische veld hoeft niet meer extern opgewekt te worden, wat de constructie veel lichter, simpeler en dus goedkoper maakt dan een tokamak. Door de kernfusie in de plasmaring blijft deze op temperatuur en komt er warmte vrij, die weer wordt gebruikt om, net als in een gas- of kolencentrale, water te verdampen dat een turbine aandrijft.

In theorie klinkt dit mooi, maar de technische realisatie bij eerdere spheromaks was zo lastig dat tokamaks populairder werden.

Het technische probleem bij kernfusie
In theorie is kernfusie een zeer overvloedige energiebron: een kilogram fusiebrandstof, zoals bijvoorbeeld het deuterium in zeewater, bevat evenveel energie als miljoenen liters fossiele brandstof. Kernfusie ontstaat, als twee lichte atoomkernen samensmelten om een zwaardere kern te vormen, bijvoorbeeld twee waterstof-2 kernen om een helium-4 kern te vormen. Hiervoor moeten deze kernen elkaar precies raken met de juiste energie, doorgaans enkele MeV.

Het grootste technische probleem is dat beide kernen positief geladen zijn en tot overmaat van ramp maar weinig “kleverig”. (Dat heeft te maken met het relatief kleine verschil tussen de sterkte van de sterke kernkracht en de elektromagnetische kracht). Is de snelheid ook maar iets te hoog, dan ketsen de kernen af zonder te fuseren; bij een te lage snelheid is er onvoldoende energie om de afstoting te overwinnen en ketsen ze af, waarbij de deeltjes hun moeizaam met hoogwaardige elektriciteit toegevoerde energie uitstralen als waardeloze, zelfs gevaarlijke bremsstrahlung, die uit rÃ¶ntgenstraling bestaat.

Tokamak als kunstzon en andere alternatieven
De dichtstbijzijnde werkende kernfusiecentrale is een grote gloeiende gasbol op zo’n slordige 150 miljoen kilometer afstand, beter bekend als de zon. De zon geeft licht, omdat in de kern van de zon de waterstof zeer heet is, rond de 14 miljoen graden en door de enorme massa van de zon ook zeer dicht opeengepakt zit, rond de 150 kilogram per liter. Hierdoor vinden er voldoende botsingen plaats voor een gestage fusie. Op aarde hebben wij uiteraard niet de apparatuur om deze drukken en temperaturen op te wekken, tenzij kortstondig in een atoombom, wat, zo kunnen de overlevenden in Hiroshima en Nagasaki u verzekeren, geen prettige ervaring is om mee te maken.

Vandaar dat uitvinders alternatieve strategieën hebben bedacht. De voornaamste zijn ten eerste de tokamak, waarbij atoomkernen met zeer hoge temperatuur (dus snelheid) opgesloten zijn in een soort magnetische donut. Relatief succesvol, de reden dat er door de grootmachten 25 miljard euro in ITER is gestopt, maar helaas zijn om deze deeltjes op te sluiten extreem krachtige magneetvelden nodig, die alleen met reusachtige heliumgekoelde supergeleidende magneten op zijn te wekken. Superheet plasma in combinatie met materiaal op het absolute nulpunt is uiteraard een forse technische uitdaging. Een variant op de tokamak is de stellarator, een monsterlijk verwrongen tokamakachtig ding dat niet erg succesvol bleek. Een andere techniek is kortstondig fusiebrandstof samen te persen met een extreem sterke laserpuls. Gedurende een kleine fractie van een seconde overtreft de (ook miljarden kostende) Z-machine, de succesvolste Z-pinch, met een petawatt met factor 60 het elektrische vermogen van de gehele aardbol. Er komt vele malen meer energie vrij dan er ingestopt is, zou blijken uit een dry-run simulatie. Of dit ook in de praktijk klopt moeten we, alle juichverhalen terzijde, uiteraard afwachten.

Bronnen
1. D.A. Sutherland, T.R. Jarboe, K.D. Morgan, M. Pfaff, E.S. Lavine, Y. Kamikawa, M. Hughes, P. Andrist, G. Marklin, B.A. Nelson. The dynomak: An advanced spheromak reactor concept with imposed-dynamo current drive and next-generation nuclear power technologies. Fusion Engineering and Design, 2014; 89 (4): 412 DOI: 10.1016/j.fusengdes.2014.03.072
2. UW fusion reactor concept could be cheaper than coal, Washington University News, 2014

Video: wat is realiteit?

7 reacties / Filosofie, Visionaire vragen, Wetenschap / Door Germen Roding / 22 april 2014 23 april 2014

Al zolang de mensheid bestaat, denken we na over de vraag wat de diepste laag van realiteit is. Is dat de wereld zoals we die waarnemen, of is er een diepere laag die we niet direct waar kunnen nemen? Wetenaschappelijk onderzoek uit de afgelopen eeuwen heeft opgeleverd dat ‘vaste’ voorwerpen, zoals massief lood, in feite grotendeels uit leegte bestaan. Ook hieronder houden zich diepere lagen van werkelijkheid schuil. En veel wijst erop dat ook onze laatste inzichten incompleet zijn. Zullen we ooit een definitief antwoord vinden op de vraag, wat realiteit is?

In deze video een kort overzicht van de nu heersende ideeën.

Werkt de grootste planeet van het zonnestelsel als een zwaartekrachtslens van donkere materie? bron: NASA

‘Donkere materie veroorzaakt elfjarige zonnecyclus’

21 reacties / natuurkunde, Universum, Wetenschap, Zonnestelsel / Door Germen Roding / 25 februari 2014 25 februari 2014

De zon kent meerdere cycli, waarvan de elfjarige zonnevlekkencyclus de belangrijkste is. Al eerder is astronomen opgevallen dat deze cyclus ongeveer in de maat loopt van de omloop van Jupiter, die enkele maanden langer, 11,8 jaar duurt. Is donkere materie de verklaring voor de cyclus? Ja, zegt een zeer speculatief artikel.

Het rÃ¶ntgenmysterie
De helderheid van de zon varieert in het zichtbare domein met enkele duizendsten in de loop van elf jaar. De variatie in rÃ¶ntgenstraling is veel groter: op sommige punten van de zonnecyclus is deze honderd maal zo sterk als op andere punten. Er moet een zeer energetisch krachtig proces zijn, dat deze geheimzinnige variatie veroorzaakt. Niemand weet wat deze variatie precies veroorzaakt, al zijn er vermoedens, zoals magnetische velden.

Jupiter als zwaartekrachtslens
Nu is een groep astronomen met een nieuwe verklaring gekomen. Volgens hen is donkere materie, die de zon treft, de verklaring voor de bizarre veranderingen. De reuzenplaneet Jupiter zou hier een cruciale rol in spelen: deze planeet, in samenwerking met de andere planeten, werkt volgens de onderzoekers als een zwaartekrachtslens, die een bundel donkere materie op de zon richt. Dit zou dan weer het periodieke gedrag veroorzaken. De sterkste asymmetrische factor buiten het zonnestelsel is uiteraard het Melkwegstelsel waar we deel van uitmaken. Een samenspel tussen Jupiter en de galactische donkere materiestromen zou dan de periodieke fluctuaties veroorzaken.

Barycentrum
Op de middelbare school heeft u geleerd dat de planeten om de zon draaien. Dit is in feite onjuist. Zon en planeten draaien om een gemeenschappelijk zwaartepunt, het barycentrum, dat in de praktijk neerkomt op een punt tussen de Zon en Jupiter dat vlak boven de ‘oppervlakte’ van de zon ligt. Een buitenaardse astronoom kan aan de schommelingen van de zon daarom zien dat de zon een zware reuzenplaneet heeft: in feite is dit een bekende manier om zware exoplaneten te vinden.

Stromen van donkere materie
In veel modellen van donkere materie bewegen de donkere materiedeeltjes vrij langzaam, rond een duizendste van de lichtsnelheid. Zwaartekrachtsvelden worden bij deze lage snelheden belangrijk. De theorie van de auteurs, dat de zon geregeld een ‘douche’ van donkere materie te verwerken krijgt, die door de planeten de richting van de zon op wordt gebogen, is daarmee op zich aannemelijk. Het kan interessant zijn om na te gaan waar deze stroom donkere materie vandaan komt: hoe staan de planeten ten opzichte van de rest van de Melkweg uitgelijnd als de zonnevlekkenactiviteit maximaal, of juist minimaal is? De auteurs raden aan om rekening te houden met deze kosmische invloeden bij het opzetten van toekomstige donkere materie detectie-experimenten. Wellicht dat we dan twee hardnekkige raadsels in een keer kunnen oplossen, en misschien in de verdere toekomst een overvloedige bron van gratis energie af kunnen tappen.

Bron
Konstantin Zioutas et al., The 11-Years Solar Cycle As The Manifestation Of The Dark Universe, ArXiv preprint server, 2013

Video: wat is donkere materie?

8 reacties / natuurkunde, Universum, Wetenschap / Door Germen Roding / 12 februari 2014 12 februari 2014

Viervijfde van het universum zien we niet. Een onzichtbare wereld van donkere materie raast door ons heen zonder dat we er veel van merken. Maar wat is donkere materie? In deze korte video van een minuut leer je het grootste deel van wat we weten van dit spookachtige fenomeen. Niet erg veel dus.

Uit metingen door diverse deeltjesdetectoren in zoutmijnen of andere ondergrondse locaties zijn in 2013 en 2014 aanwijzingen opgedoken voor mysterieuze deeltjes die standaard kernreacties, en zelfs elektrische processen subtiel verstoren.

Deze supercluster toont mooi het effect van zwaartekrachtslenzen. Zonder neutrino's zouden er veel meer superclusters zijn geweest, aldus de berekeningen van twee Britse astronomen. bron: NASA

Massa neutrino’s voor eerste keer gemeten – met telescoop

5 reacties / natuurkunde, Universum, Wetenschap / Door Germen Roding / 11 februari 2014 11 februari 2014

Voor het eerst is er nu een realistische waarde vastgesteld voor de massa van een neutrino. Niet in een deeltjesdetector maar door astronomische waarnemingen door de Planck radioastronomische satelliet.

Erg populair zijn ze niet onder natuurkundigen – de spookachtige neutrino’s, die alleen door hun zwakke wisselwerking en zwaartekracht zijn te meten. Zelfs lichtjaren dik lood – ter vergelijking: de doorsnede van de aarde is plm 0,1 lichtseconde – kan neutrino’s slechts voor enkele tientallen procenten opvangen. Tot overmaat van ramp kunnen neutrino’s oscilleren tussen drie vormen – elektron-neutrino, muon-neutrino en tauon-neutrino, die zich verschillend gedragen bij zwakke-kernkracht interacties. Een detector die elektronneutrino’s kan detecteren, is dus waardeloos voor het detecteren van neutrino’s in de muon- of tauon-staat. Wel bewijzen deze oscillaties dat neutrino’s massa hebben en komen er steeds meer aanwijzingen dat neutrino’s een veel belangrijker rol in de evolutie van de kosmos spelen dan tot nu toe gedacht.

Het raadsel van de ontbrekende superclusters
Ongeveer 100.000 jaar na de Big Bang was de temperatuur zo sterk gedaald dat materie en antimaterie elkaar vernietigden en de materiedeeltjes die we nu kennen overbleven. Bij deze vernietiging kwam een zee van zeer energierijke, dus kortgolvige, fotonen vrij, die we nu waar kunnen nemen als (door de uitrekking van het heelal langgolvig geworden) radiostraling: de kosmische achtergrondstraling.

We kennen de sterkte en samenstelling van de kosmische achtergrondstraling precies. Hieruit kunnen we afleiden hoeveel massa het heelal moet hebben: immers: elk foton is ontstaan uit een materie- en antimateriedeeltje die elkaar vernietigden en we kennen vrij precies de mate waarin dat is gebeurd. Nu is er een probleem. Er moet, volgens de bekende hoeveelheid fotonen in de achtergrondstraling, veel meer massa zijn dan uit de aanwezige hoeveelheid galactische superclusters, de grootste structuren in het heelal, blijkt. Die massa moet zich ergens anders in schuilhouden.

Neutrino’s als de daders
Een duidelijke kandidaat zijn uiteraard neutrino’s. We weten nu, sinds 2013, dat ze massa hebben. Zouden neutrino’s, die zoals bekend overal ongehinderd doorheen vliegen, met hun nietige massa de vorming van superclusters gehinderd hebben?

Dr Adam Moss van de faculteit natuurkunde en astronomie van de universiteit van Nottingham en zijn collega Richard Batteye van de universiteit van Manchester, Engeland, denken van wel. Volgens hen ligt de massa van de elektron- muon- en tauon- staat van het neutrino bij elkaar opgeteld rond de 0,320 +/- 0,081 elektronvolt. Ter vergelijking: een elektron, tot nu toe het lichtst bekende deeltje met massa, is 510 999 eV, meer dan 1,5 miljoen maal zoveel dus. Alleen deze massa maakt neutrino’s zwaar genoeg om de clustervorming te verstoren en te verklaren waarom het heelal er zo uitziet als het nu doet.

Steriele neutrino’s
Een tweede optie is dat er ook zogeheten steriele neutrino’s bestaan. Dit is een type neutrino, dat ook niet gevoelig is voor de zwakke kernkracht en dus alleen door onverklaarbaar massaverlies, of zwaartekrachteffecten aangetoond kan worden. In dit laatste geval zijn, aldus de berekeningen van het tweetal, neutrino’s zelfs zwaarder: âˆ‘mÎ½=0.06â€‰â€‰eV, effectieve steriele neutrinomassa =(0.450±0.124)â€‰â€‰eV and Î”Neff=0.45±0.23.

Bron

Richard A. Battye, Adam Moss, Evidence for Massive Neutrinos from Cosmic Microwave Background and Lensing Observations.” Phys. Rev. Lett. 112, 051303 (2014)

Boekrecensie: De Deeltjestheorie

23 reacties / Filosofie, Ideeën, natuurkunde, Wetenschap / Door Germen Roding / 5 februari 2014 7 februari 2014

In zijn boek De Deeltjestheorie zet chemisch technoloog Eit Gaastra zijn ideeën omtrent de relatie tussen deeltjes, ruimte en tijd uiteen. Naar zijn zeggen belandde de gevestigde natuurkunde door toedoen van Einstein en anderen ongeveer honderd jaar geleden op het verkeerde spoor. Het gevolg, aldus Gaastra: continue dwalingen. Inderdaad zit de natuurkunde anno nu, zo lijkt het, op een dood spoor. De relativiteitstheorie en de kwantummechanica, volgens Gaastra beide fout, verdragen elkaar niet. Heeft Gaastra gelijk?

Erudiet geschreven, bronvermelding karig
Gaastra gaat niet over een nacht ijs. In zijn boek komen een groot aantal natuurkundige en astronomische verschijnselen aan bod, zoals radioactiviteit, kwantumtunneling, de paradox van Olbers en roodverschuiving. Wat dat betreft is het boek een goede prikkel om natuurkundige kennis te verkennen en uit te diepen. Helaas ontbreken bronvermeldingen naar wetenschappelijke artikelen, zelfs ArXiv preprints en dergelijke, al wordt er wel verwezen naar boekwerken van collega-dwarsdenkers. Dit maakt het natrekken van sommige uitspraken onmogelijk. Vooral bij een speculatief natuurfilosofisch boek als dit is dat een stevig gemis. Gezien het speculatieve karakter van het boek, is het voor de lezer verstandig zaken niet zonder meer te geloven maar elke uitspraak na te trekken. De auteur is hier zelf overigens ook eerlijk over: hij ziet het boek meer als een vertrekpunt voor discussies dan als een absolute waarheid.

‘Oneindig kleine deeltjes’
Volgens Eit Gaastra nemen alle deeltjes een bepaald volume in, en hebben deze groottes variërend van galactische superclusters (die hij ook als deeltjes ziet) tot kleiner zelfs dan volgens het Standaardmodel elementaire deeltjes zoals quarks en leptonen. Deze deeltjes bewegen door een wat wiskundigen euclidische ruimte noemen: een ruimte dus waarin twee parallelle lijnen elkaar nooit raken. De ruimtetijdvervormingen die we waarnemen, worden volgens de theorie van Gaastra veroorzaakt, omdat de deeltjes in materie botsen met de deeltjes in deze ruimte. Alles beweegt volgens Gaastra in een zee van deeltjes, die zich in een oneindige cascade vertakken tot steeds kleinere deeltjes. Veel energetische omzettingen komen volgens Gaastra neer op het uiteenvallen van grote deeltjes in kleinere deeltjes. Dit maakt volgens hem ook de kwantummechanica zoals we die nu kennen, overbodig.

‘Big Bang onzin’
Ook de heersende kosmologische theorie dat materie, ruimte en tijd van het heelal voortkomen uit een oerexplosie van ongeveer 13,5 miljard jaar geleden, de Big Bang, klopt volgens Gaastra niet. Hij stelt dat de bekende verschijnselen die op een big bang wijzen, zoals de roodverschuiving bij van ons weg bewegende sterrenstelsels, veroorzaakt worden door interacties van fotonen, lichtdeeltjes, met deeltjes tijdens de lange reis en niet, zoals de meeste kosmologen en astronomen geloven, door de uitzetting van het heelal waardoor de fotonen uitgerekt worden.

Entropie
Een begrip dat in het boek van Gaastra ontbreekt, is entropie, wat ruwweg overeenkomt met wanorde. De Tweede Hoofdwet van de thermodynamica stelt, dat in een afgesloten systeem, bijvoorbeeld een volmaakt geïsoleerde kist met een gas er in, de wanorde altijd toeneemt tot het maximum (de gaswolk vult de gehele kist). Juist dit begrip, dat Gaastra als chemisch technoloog uitstekend kent, is de nekslag voor zijn deeltjestheorie. Als het heelal geen begin kent, zoals Gaastra stelt, moet het oneindig oud zijn. In een afgesloten systeem in evenwicht verandert de temperatuur niet. Echter: de systemen van Gaastra zijn nooit afgesloten. Er zijn altijd kleinere deeltjes waarin deeltjes uiteen kunnen vallen. Dit betekent dat bewegingsenergie, zoals die van trillende moleculen in een warm voorwerp, volgens zijn theorie verdeeld zal worden over kleinere deeltjes, die weer in nog kleinere deeltjes uiteenvallen etc. Op een gegeven moment zal alle bewegingsenergie van het afgesloten systeem in de kleinere deeltjes zitten, ad infinitum. Het heelal zoals we dat nu kennen en ver uit thermodynamisch evenwicht is, zal dan ook niet mogelijk zijn. Ook Gaastra’s stelling dat bij reacties tussen kleinere deeltjes veel meer energie vrijkomt dan bij grote, baat hem niet. Immers, zo ontstaat een cascade van zeer energierijke kernreacties die elkaar eindeloos versterken waardoor uiteindelijk het heelal zou ontploffen.

Geen verklaring voor ruimtetijd
Een ander bezwaar is dat Gaastra’s theorie, overigens net zoals het Standaardmodel, “achtergrondsafhankelijk” is. Het Standaardmodel heeft de algemene relativiteitstheorie nodig om de ruimte en tijd, de ‘achtergrond’, te beschrijven waarin de formules van het Standaardmodel werken en de deeltjes van het Standaardmodel zich bewegen. Gaastra verwerpt de algemene relativiteitstheorie, en komt in plaats hiervan met een oneindig kluwen deeltjes die dan wel weer over volume beschikken. Hij geeft wel aan dat volgens hem ruimtetijd uit een zee van deeltjes bestaat, maar maakt niet duidelijk hoe deze het volume uit het niets creëren.

Zou een deeltjestheorie kunnen werken?
Het Higgsmechanisme, waarvan nu is aangetoond dat het werkt zoals voorspeld, is in feite een deeltjestheorie. Higgsdeeltjes vormen door hun voortdurende reacties met andere deeltjes een ‘stroop’ die alle deeltjes met massa, zoals quarks en leptonen, door deze kleverigheid massa geeft. De zee van Higgsdeeltjes, het Higgsveld, is een scalair veld, in normale mensentaal: een veld dat op elk punt in de ruimtetijd alleen een getalswaarde heeft (een scalair), niet een richting (vector). Wellicht vormen deze Higgsdeeltjes de fundamentele bouwsteen van ruimtetijd. Dit zou ook de algemene relativiteitstheorie overbodig maken, althans: reduceren tot een beschrijving van het macroscopische gedrag van Higgsdeeltjes. Inderdaad zijn enkele natuurkundigen er in geslaagd een kwantumbeschrijving van een zwart gat te maken. Wellicht zijn de ‘gravitonen’ waar ze het over hebben in dit artikel, in werkelijkheid een bepaalde configuratie van Higgsdeeltjes en geeft de scalair van het Higgsveld dan de lokale zwaartekrachtsdichtheid aan.

Bibliografische gegevens
Eit Gaastra, De deeltjestheorie (245 pagina’s)
Jaar van uitgifte: 2013 (eerste druk)
Verkoopprijs: â‚¬ 17,95

ISBN: 9789048431403
NUR: 730
Uitgeverij Free Musketeers, Zoetermeer

Te bestellen bij onder meer:
Free Musketeers webshop of een lokale boekhandel

Dit metamateriaal vervangt een zware berekening, zoals het vaststellen van de randen in een foto. Bron: Wikimedia Commons.

Rekenen met glas en licht

3 reacties / Ideeën, Ideeën en techniek, natuurkunde, Wetenschap / Door Germen Roding / 14 januari 2014 14 januari 2014

Digitale computers zijn alomtegenwoordig, maar dat was niet altijd zo. Analoge computers kennen een aantal sterke punten en versloegen tot ver na de Tweede Wereldoorlog hun digitale evenknieën bij natuurkundige simulaties met stukken. Deze nieuwe analoge computer kan letterlijk rekenen met de snelheid van het licht. Heeft de Turing-model computer zijn langste tijd gehad en zullen we een uitwaaiering van computertechnologie zien?

Het verschil tussen analoge en digitale computers
Digitale computers zijn de computers die we allen kennen uit het dagelijkse leven (en waar dit artikel ook op geschreven wordt). Digitale computers werken op basaal niveau met nul- en één toestanden, in de informatietechnologie aangeduid als bits. Acht bits vormen een byte. Digitale computers zijn gebaseerd op het manipuleren van deze elementaire aan- en uittoestanden met bijvoorbeeld AND, OR of XOR operaties.

De functie links wordt door het metamateriaal omgezet in een afgeleide functie. Bron: publicatie

Analoge computers werken fundamenteel anders. In een analoge computer wordt het wiskundige systeem waaraan berekeningen worden uitgevoerd, letterlijk nagebootst. Simpele analoge computers, zoals een rekenliniaal en het mysterieuze antieke Griekse Antikythera mechanisme vormden buiten het menselijk brein voor duizenden jaren de krachtigste computers die we kenden.

Elektrische analoge computers konden veel sneller dan digitale computers differentiaalvergelijkingen oplossen, die zo ongeveer in elke exacte natuurwetenschap het werkpaard vormen om processen te beschrijven. Een functie werd ingevoerd als een in de tijd variërende elektrische spanning, waarbij elke variabele werd ingevoerd met een eigen ingang. Het resultaat was de oplossing van de differentiaalvergelijking, in de vorm van een uitgangsspanning, die met bijvoorbeeld een oscilloscoop op een scherm werd geprojecteerd. Pas in de zestiger jaren verdwenen de elektrische analoge computers uit de onderzoekslaboratoria. De explosieve toename van de rekencapaciteit van digitale computers maakte ze overbodig: digitale computers zijn veel makkelijker te bedienen en te programmeren.

Rekenen met metamaterialen
Metamaterialen zijn materialen die opgebouwd zijn uit verschillende andere materialen en daardoor anders onmogelijke eigenschappen krijgen. Zo kan je met metamaterialen lenzen met een negatieve brekingsindex bouwen, wat met normale materialen onmogelijk is. Onderzoekers zijn er nu in geslaagd een metamateriaal te ontwikkelen, althans: theoretisch te simuleren, dat een invallende lichtgolf automatisch diffetrentieert, dat wil zeggen omrekent in zijn afgeleide. Een uitgaande lichtgolf dus, die de veranderingssnelheid van de ingaande lichtgolf voorstelt. Erg handig: dit materiaal rekent vrijwel zonder energieverbruik en letterlijk met de snelheid van het licht, zonder dat (zoals in een digitale computer) de processor roodgloeiend wordt.

Blokje materiaal vervangt zware computer
Ook andere differentiaalberekeningen die nu enorm veel rekencapaciteit kosten, zoals het berekenen van de primitieve functie (omgekeerde differentiëring) of een convolutie kunnen zo werkelijk in een fractie van een nanoseconde verricht worden. Omdat dit materiaal ook zeer klein en compact vormgegeven kan worden, betekent dat dat in enkele millimeters materiaal het rekenwerk van een zware pc overgenomen kan worden. Dit betekent weer dat er zeer kleine besturingssystemen voor zeer kleine sensoren, apparaatjes of insectachtige minirobotjes, die reageren op simpele zintuiglijke invoer, gebouwd kunnen worden. Je hoeft dan alleen deze lichtbundels te combineren en wat simpele lichtcellen op de plekken te plaatsen waar ze de stroomvoorziening voor de motoren kunnen regelen.

Bronnen
A. Silva et al., Performing Mathematical Operations with Metamaterials, Science (2014)

Tijd, het eeuwige raadsel. Zou kwantumverstrengeling de oorzaak ervan zijn?

Tijd veroorzaakt door kwantumverstrengeling

6 reacties / Wetenschap / Door Germen Roding / 4 januari 2014 4 januari 2014

Waar komt tijd vandaan? Het raadsel is al zo oud als de mensheid. Het lijkt erop dat er nu voor het eerst een tipje van de sluier wordt opgelicht. Wat, als tijd eigenlijk helemaal niet bestaat, maar voortkomt uit de kwantummechanica?

Oorlog tussen Einstein en Bohr eindelijk bijgelegd?
De twee grote theorieën uit natuurkunde, kwantummechanica en de algemene relativiteitstheorie zijn nauwelijks te combineren. Er zijn heel veel pogingen gedaan, maar er resulteerden in dat geval oneindigheden en paradoxen. In de jaren zestig ontdekten de natuurkundigen Archibald Wheeler en Bryce DeWitt de Wheeler-DeWitt vergelijking, die kwantummechanica en de relativiteitstheorie samenbracht en afrekenden met de oneindigheden. Er was alleen een probleempje. De tijd was plotseling uit de vergelijking verdwenen. Natuurkundigen negeerden dit massaal. Het is duidelijk, dat er wat mis was. Mogelijk weten we nu, waarom. De vergelijking klopt. Tijd bestaat, zo lijkt het, op kwantumschaal helemaal niet, maar is een ‘emergent’ fenomeen, dat ontstaat uit kwantumverstrengeling.

Wat is kwantumverstrengeling?
Kwantumverstrengeling treedt op tussen twee of meer deeltjes, die onderhevig zijn aan kwantumeffecten. In de praktijk zijn dit erg kleine deeltjes zoals elektronen, atomen en moleculen. Door bepaalde processen, zoals botsingen of tegelijkertijd ontstaan, kunnen twee deeltjes met elkaar verstrengeld raken. Ze gaan zich daarna in zekere zin gedragen als één deeltje: een meting aan het ene deeltje betekent dat de volgens de Heisenbergrelatie gekoppelde eigenschappen van het andere deeltje exact vastliggen. Bijvoorbeeld: plaats en impuls of tijd en massa. De deeltjes verliezen hun afzonderlijke identiteit en gaan zich gedragen als een en hetzelfde deeltje voor zolang de kwantumverstrengeling voortduurt.

Kwantumverstrengeling ‘redt’ Wheeler-DeWitt vegelijking
In 1983 vonden theoretisch natuurkundigen Don Page en William Wootters een uitweg uit dit dilemma. Ze suggereerden dat kwantumverstrengeling een oplossing kon bieden voor het problem of time” probleem met de Wheeler-DeWitt vergelijking. Ze tonden wiskundig aan dat een klok, die kwantumverstrengeld is met de rest van het universum, lijkt te tikken als een waarnemer binnen dat universum de klok waarneemt. Zou de waarnemer niet kwantumverstrengeld zijn met de klok, dan zou deze klok, met de rest van het universum, stil lijken te staan. Op zich ook logisch: tijd en causaliteit, oorzaak en gevolg, zijn nauw met elkaar verbonden. Om iets waar te nemen moet je een prikkel van de omgeving verwerken, waaruit je conclusies trekt.

Experiment met fotonklok
Marco Genovese en zijn groep hebben voor de eerste keer dit effect gedemonstreerd in een fysisch systeem, een ‘speelgoeduniversum’ dat slechts uit twee fotonen (elementaire deeltjes waaruit licht en andere elektromagnetiasche straling bestaat) bestaat. Het team begon het werk door een tweetal met elkaar verstrengelde fotonen elk een andere route te laten volgen. Fotonen, die bestaan uit een elkaar beurtelings opwekkend magnetisch en elektrisch veld, trillen in een bepaalde richting, de polarisatierichting. Deze richting was in dit geval horizontaal of verticaal en deze roteerde terwijl beide fotonen hun parcours aflegden door een kwartsplaat en een serie detectors. Optisch actieve materialen, zoals dat in deze kwartsplaat, laten de polarisatierichting van licht met de klok mee of juist tegen de klok in roteren.

De verstrengelde fotonen bestaan in een zogeheten superpositie van zowel horizontale als verticale polarisatierichtingen totdat er één van gemeten wordt. Hoe dikker de plaat, hoe langer het foton in de plaat verblijft, hoe sterker de rotatie, m.a.w. de rotatie kan gebruikt worden als een soort klok. Dit foton aflezen betekent dat ook de ‘klok’ wordt afgelezen en tegelijkertijd, dat de waarnemer ‘inbreekt’ in het universum van de twee fotonen en er deel van wordt. De waarnemer kan vervolgens de polarisatie van het andere foton vasststellen op basis van kwantumwaarschijnlijkheden. In een andere experimentopzet meet de waarnemer de fotonen tegelijkertijd, m.a.w. het systeem als geheel. Hier doet de dikte van de plaat niet meer terzake, m.a.w. het fotonuniversum lijkt statisch: de waarnemer ‘staat buiten de tijd’.

Nog steeds niet beslist
Het experiment bewijst nog steeds niet dat de Wheeler-DeWitt benadering de juiste is. Theoretisch natuurkundige Lee Smolin, de plaaggeest van de snaartheoretici, noemt het een ‘bewijs dat kwantummechanica in laboratoriumcontext werkt’. Hij denkt persoonlijk niet dat de Wheeler-DeWitt vergelijking de werkelijkheid weerspiegelt. Volgens Smolin is alleen een beschrijving van het heelal waarin tijd een rol speelt, de juiste. Genovese erkent dat het experiment in deze vorm te beperkt is. Wel stelt hij dat het experiment hoop biedt dat kwantummechanica en de algemene relativiteitstheorie samen kunnen werken en hoop bieden op een verenigde theorie. De volgende stap is volgens hem dan ook een grootschaliger experiment op te zetten dan deze eenvoudige labopstelling. Wellicht, als suggestie van schrijver dezes, door de polarisatie van het licht van Einsteinringen door sterrennevels te onderzoeken? Persoonlijk spreekt deze benadering me erg aan, omdat het nauw aansluit bij de eerder door mij beschreven theorie dat kwantumverstrengeling de oorzaak zou kunnen zijn van zwaartekracht.

Bron
Marco Genovese et al., Time from quantum entanglement: an experimental illustration, ArXiv preprint server (2013)

Video: The Universe in a Nutshell

1 reactie / Ideeën en techniek, natuurkunde, Universum, Visionair leven, Visionaire vragen, Wetenschap / Door Berny / 26 november 2013 25 november 2013

In onderstaande video legt de bekende theoretisch natuurkundige Michio Kaku op persoonlijke wijze het fundamentele belang van de natuurkunde uit. Dit doet hij door te laten zien wat de ontdekkingen binnen natuurkunde voor ons dagelijks leven hebben betekend en een korte geschiedenis te geven van belangrijkste ontwikkelingen binnen dit wetenschappelijk vakgebied. Hierbij geeft Kaku inzicht in de ontdekkingen van de 4 fundamentele natuurkrachten en het belang ervan. Ook behandelt hij zijn specialisatie de snaartheorie en geeft Kaku aan waarom volgens hem het verstandig is om natuurkunde te gaan studeren. In de video doet Kaku ook een interessante (vrij vertaalde) uitspraak: “Om de toekomst te kunnen begrijpen, moet je de natuurkunde kunnen begrijpen. Natuurkunde is de basis van technologie.”

Bron: Artikel ‘The Universe in a Nutshell’, website BigThink.com

Pulserende lichtknopen behouden hun vorm terwijl ze zich voortbewegen.

Lichtknopen kunnen bestaan

2 reacties / natuurkunde, Wetenschap / Door Germen Roding / 22 oktober 2013 7 januari 2015

We voorspelden het al in een van onze eerste artikelen. Wellicht is het mogelijk van licht structuren te bouwen. Nu zijn theoretici er inderdaad in geslaagd om in de theorie van Maxwell lichtknopen te introduceren. Hoe werkt dat, en wat zijn de mogelijkheden?

Wat zijn de vergelijkingen van Maxwell?
Rond 1870 vatte de Schotse natuurkundige James Clerk Maxwell de elektromagnetische kennis die in de 19e eeuw bijeengegaard was samen in vier differentiaalvergelijkingen. Deze beschrijven elektriciteit, magnetisme en de relatie tussen elektriciteit en magnetisme. Althans: de eisen waaraan een geldige beschrijving van een elektromagnetisch systeem moet voldoen. Elk verschijnsel dat aan deze eisen voldoet, kan in de natuur bestaan.

Zo voorspelde Maxwell dat er een verschijnsel zou bestaan dat bestond uit elektrische velden, die magneetvelden opwekken, die op hun beurt omgekeerde elektrische velden opwekken enzovoort. Aangezien dit verschijnsel zich voortplantte met exact de lichtsnelheid, vermoedde Maxwell dat het onbekende verschijnsel licht was. Dit klopt, werd later aangetoond. We weten nu dat licht maar één vorm is van elektromagnetische straling.

Er zijn heel veel verschillende oplossingen voor de vergelijkingen van Maxwell, die elk een bestaand, of potentieel bestaand, elektromagnetisch verschijnsel vormen.

Waarom zijn de vergelijkingen van Maxwell zo belangrijk?
Onder natuurkundigen zijn de vier differentiaalvergelijkingen van Maxwell wereldberoemd. Dat is niet voor niets. Met behulp van de kwantumversie van deze vier vergelijkingen, de kwantumelektrodynamica, kan letterlijk alles worden beschreven dat met elektriciteit en magnetisme te maken heeft. En dat is nogal wat, onder meer alle door ons waarneembare materie en licht (atoomkernen uitgezonderd, en zelfs die voor een deel).
Deze vergelijkingen zijn al anderhalve eeuw oud. Maar naar nu blijkt, hebben deze nog lang niet al hun geheimen prijsgegeven.

Knopen met licht
Met een wiskundig huzarenstukje zijn vijf natuurkundigen erin geslaagd om een knoopstructuur te creëren, die punten verbindt waar de elektromagnetische potentiaal gelijk is. Dat wil zeggen, dat een elektrische lading zonder energie op te nemen of af te geven over deze lijn kan worden verplaatst. Deze knoop structuren bestaan uit torussen (donutachtige ringen) die in elkaar vervlochten zijn. Bijzonder is, dat deze knopen hun vorm en afmetingen behouden als ze door de ruimte reizen. Tot nu toe kenden we maar één dergelijke structuur: het soliton. Met knopen van licht zijn leuke dingen te doen. Zo zou je er antimaterie in gevangen kunnen houden. Als je in staat zou zijn de knopen op dezelfde plaats te houden, zou je op die manier ook elektromagnetische energie in het vacuüm kunnen opslaan. Deze ‘puur-lichtbatterij’ zal de energiedichtheid van elke denkbare batterij, uitgezonderd antimaterie, met stukken slaan. De onderzoekers noemen verder het creëren van soortgelijke knopen in plasma’s of kwantumvloeistoffen.

Hoe kan licht in knopen gelegd worden?
De onderzoekers vermoeden dat deze knopen kunnen worden gemaakt met behulp van geconcentreerde Laguerreâ€“Gaussiaanse bundels. Er wordt veel gewerkt met deze bundels omdat ze, anders dan de meeste types lichtbundels, draaimoment met zich mee voeren (m.a.w. ze kunnen voorwerpen waar ze op schijnen, aan het draaien brengen). Zou dit lukken, dan krijgt het wetenschappelijk onderzoek, en uiteraard niet lang daarna technici, er een zeer krachtig middel bij.

Update: 7-1-2015: bij toeval stuitte ik op dit artikel in Nature. Onderzoekers zijn er daadwerkelijk in geslaagd om “lichtmoleculen” te vormen. Hiervoor stuurden ze licht door een Bose-Einstein condensaat van extreem koude rubidiumatomen. Deze fotonen vormden -met rubidiumatomen als intermediair- een binding, die behouden bleef toen de fotonen het BEC verlieten.

Lees ook
Licht als bouwmateriaal

Bronnen
Hridesh Kedia et al., Tying Knots in Light Fields, Physical Review Letters (2013) gratis versie 1 gratis versie 2