relativiteitstheorie

Video: de tweelingparadox

Als van een tweeling de ene helft op aarde blijft en de andere helft met bijna de lichtsnelheid rondreist, is er voor de ene helft misschien een jaar in het ruimteschip voorbijgegaan, terwijl de andere helft wellicht al tientallen jaren ouder is. Deze bizarre consequentie van Einsteins speciale relativiteitstheorie wordt geïllustreerd in deze video.

Energie uit het niets. Onmogelijk volgens de gevestigde natuurkunde. Maar...

Casimireffect als aandrijving voor ruimteschepen?

De Chinese fysici Tian-Ming Zhao en Rong-Xin Miao komen met een theorie die een westerse natuurkundige niet snel zou durven te publiceren. Volgens hen gaat de wet van behoud van energie niet op in bepaalde omstandigheden en kunnen we de nulpuntsenergie aftappen door middel van het Casimireffect. Hebben ze een punt?

Chinezen zetten vraagtekens bij wet van behoud van energie
Nu steeds meer wetenschappers uit een niet-westers land actief worden, zien we een sterke toevloed van nieuwe ideeën en paradigma’s. Een explosie van creativiteit waar een liefhebber van originele wetenschap zijn hart aan ophaalt. Een voorbeeld van echte grenswetenschap is een artikel van de Chinese natuurkundigen Zhao en Miao over het aftappen van de nulpuntsenergie met behulp van het Casimireffect. Veel Chinezen geloven in het bestaan van een universele levensenergie, qi, en zijn dus wat eerder bereid dan westerlingen om vraagtekens te stellen bij de wet van behoud van energie.

Energie uit het niets. Onmogelijk volgens de gevestigde natuurkunde. Maar...
Energie uit het niets. Onmogelijk volgens de gevestigde natuurkunde. Maar...

Ruimte wordt heet als je versnelt
In het kort komt hun idee hier op neer. Volgens de algemene relativiteitstheorie leven we in een ruimte, de Minkowskiruimte, waarin de natuurwetten altijd hetzelfde blijven, hoezeer je ook versnelt of vertraagt. Je neemt bij versnellen of vertragen alleen wel iets waar dat lijkt op zwaartekracht. De fysicus Bill Unruh toonde echter in de zeventiger jaren aan dat dit verhaal niet opgaat voor processen op kwantumniveau. Het vacuüm is namelijk niet leeg, maar gevuld met virtuele deeltjes met netto energie nul. Versnel je, dan krijgen die virtuele deeltjes energie en worden dus echt, bestaand. Volgens Unruh ziet een waarnemer die versnelt dus een soort gloed in zijn bewegingsrichting: het Unruh effect. Je moet overigens wel extreem veel versnellen om hier wat van te merken. Het effect heeft veel weg van Hawkingstraling (ongeveer op dezelfde tijd voorspeld door Stephen Hawking). Om dit effect te beschrijven gebruiken natuurkundigen een ander type ruimtetijd, de Rindler ruimte. Hierin verandert de temperatuur naarmate je versnelt. Zhao en Miao bestudeerden vervolgens het gedrag van de Casimirkracht in deze ruimte.

Casimireffect: leger dan vacuüm
In de lege ruimte vormen zich voortdurend deeltjesparen die zeer kort bestaan, waaronder fotonen. Hoe kleiner de ruimte tussen twee platen, hoe minder deeltjesparen zich kunnen vormen. De ruimte tussen de twee platen lijkt hierdoor leger te zijn dan vacuüm. Het gevolg is dat de platen op elkaar gezogen worden met een enorme kracht, althans op kleine afstanden. De kracht neemt toe met de vierde macht: een twee keer zo kleine afstand betekent dus een zestien keer zo sterke kracht. Als twee platen een atoomdikte (0,1 nanometer) van elkaar zweven, is de Casimirkracht verpletterend sterk: een miljard atmosfeer, niet veel zwakker dan de druk die bij een kernexplosie ontstaat. Als we deze kracht zouden kunnen oogsten, hebben we dus werkelijk onvoorstelbaar veel energie tot onze beschikking. Uiteraard precies wat je nodig hebt voor een beetje snelle interstellaire reis. Exoplaneten, here we come. Helaas is de wet tot behoud van energie onverbiddelijk.

Een uitweg?
Beide natuurkundigen sloegen aan het rekenen met het gedrag van het Casimireffect in de Rindlerruimte. Ze vonden een extreem grote Casimirenergie in een zeer kleine holte van 100 nanometer: rond de drie kilojoule, omgeveer de energie in een gram olie. Ze stellen nu voor een kunstmatige Rindler-ruimte te maken met een metamateriaal en daar proeven mee te doen. Een metamateriaal is een materiaal dat bestaat uit laagjes andere materialen waarmee vaak bijzondere effecten zijn te bereiken. Gezien de potentiële mogelijkheden, de auteurs noemen zwaartekrachtsonderzoek, nulpuntenergie en een mogelijke verklaring voor donkere energie, zeker een interessante optie.

Bron:
Huge Casimir effect at finite temperature in electromagnetic Rindler space

Een onderdeel van de detector van OPERA. Bron: OPERA

OPERA herbevestigt sneller-dan-licht neutrino’s, maakte dezelfde fout

Nieuwe tests van de onderzoeksgroep OPERA in Italië, deze keer uitgevoerd met een nog hogere precisie, bevestigen dat OPERA neutrino’s gedetecteerd heeft die sneller dan het licht reizen. Niet alle leden van de groep zijn het er echter mee eens en sommigen weigerden hun naam te zetten onder het artikel. Met reden.

Statistische onzekerheid zaaide twijfel
OPERA (Oscillation Project with Emulsion-Tracking Apparatus) meet de eigenschappen van neutrino’s die door de aarde reizen vanuit het CERN lab in Genève naar het neutrino-observatorium onder de Gran Sasso granietberg, niet ver van Rome. 22 september 2011 publiceerde de groep een rapport op ArXiv, waaruit bleek dat de neutrino’s ongeveer zestig nanoseconden eerder in Gran Sasso arriveerden dan de lichtsnelheid toelaat. De onderzoekers bereikten dit resultaat door de verdeling in de tijd van afgevuurde protonen in de pulsen van 10,5 microseconde, waarmee de neutrino’s worden geproduceerd, te vergelijken met de tijdstippen waarop neutrino’s in de detector werden gemeten. Statistiek is gebaseerd op waarschijnlijkheid en kansverdeling en is daarmee per definitie onnauwkeurig. Ter vergelijking: de puls duurde honderden keren zo lang als het gemeten verschil met de lichtsnelheid. Bedenk hierbij ook dat er maar enkele neutrino’s worden waargenomen. Dit was dan ook een belangrijk punt van kritiek.

Een onderdeel van de detector van OPERA. Bron: OPERA
Een onderdeel van de detector van OPERA. Bron: OPERA

Nieuwe tests elimineerden statistische onzekerheid
De nieuwe tests, voltooid rond 6 november 2011, rekenden af met statistiek door de pulsen slechts 1 tot 2 nanoseconden, 10 000 maal zo kort dus, te laten duren. Elke neutrino die in Gran Sasso waar werd genomen kon zo exact worden vastgenageld aan een specifieke puls. De wetenschappers stelden nu opnieuw vast dat de neutrino’s 60 nanoseconden eerder arriveerden met een onzekerheidsmarge van 10 nanoseconden – vergelijkbaar met de eerste meetresultaten.  De tests werden gedurende tien dagen uitgevoerd. Hierbij werden twintig ‘events’ geproduceerd (vermoedelijk  wordt hiermee bedoeld: geslaagde neutrinodetecties). De onderzoeksgroep liep ook hun oorspronkelijke statistische analyse na.

Geen unanieme instemming
Dit is de eerste uitzondering op Einsteins regel dat niets sneller reist dan het licht. Geen wonder dat veel natuurkundigen uiterst sceptisch zijn over deze resultaten en alleen worden overtuigd door nieuwe experimenten in een andere setting. Van de 195 leden van de onderzoeksgroep weigerden daarom vijftien het artikel te ondertekenen. Vier eerdere dissidenten tekenden nu wel; er zijn ook vier nieuwe dissidenten bij gekomen.

Een belangrijk punt van kritiek onder de dissidenten is dat het tijdvenster waarin neutrino’s werden gedetecteerd door OPERA in deze nieuwe testen een breedte had van vijftig nanoseconden. Dit beïnvloedt het uiteindelijke resultaat niet, maar is volgens dissidenten een teken dat het experiment slordig is uitgevoerd.

Autiero controleerde zichzelf’
Andere onderzoekers zijn er ook zeer ongelukkig mee dat slechts een klein deel van de analyse, die uit werd gevoerd door Dario Autiero, de leider van de sneller-dan-licht analyse,  onafhankelijk gecontroleerd is door anderen binnen het samenwerkingsverband. Dit laat de mogelijkheid open dat geen rekening is gehouden met alle mogelijke fouten, of (niet met zoveel woorden gezegd), dat Autiero de zaak flest.  Pas als de resultaten van andere neutrinoexperimenten binnen zijn, zal er antwoord komen op de vraag of er sneller-dan-licht neutrino’s bestaan. Het maandenlange werken onder hoogspanning eist ondertussen zijn tol bij de uitgeputte OPERA onderzoeksgroep. Dat er nu nog steeds geen zekerheid is bij iedereen, wekt de nodige frustratie.

Persoonlijk denk ik dat de dissidenten gelijk hebben. Pas als de gehele, maar dan ook de gehele dataset plus alle berekeningen onafhankelijk door anderen zijn geverifieerd, weten we zeker dat deze groep geen fout heeft gemaakt. Een ander beruchte tegenwerping, dat de exacte afstand van het Gran Sasso observatorium tot Genève niet tot op de meter bekend is, wordt nu nagetrokken via het checken van de lengte van een glasvezelkabel waarmee de Gran Sasso data naar de oppervlakte worden gestuurd. Dat geldt ook voor de vernietigendste tegenwerping, van de Groningse natuurkundige Ronald van Elburg,  dat de onderzoekers geen rekening hielden met de relativistsiche effecten van de beweging van de GPS-satelliet die werd gebruikt om de atoomklokken van het CERN en Gran Sasso te synchroniseren. Het is dus wachten op de resultaten van andere onderzoeksgroepen.

UPDATE: volgens een nieuwe verklaring zou een meetfout aan een kabel de oorzaak zijn. Dit is inderdaad de meest logiche verklaring, maar voor een definitieve bevestiging zullen we de experimenten in mei 2012 moeten afwachten. CERN kan pas dan weer een nieuwe bundel neutrino’s richting Gran Sasso afvuren. Tot die tijd blijft het spannend.

UPDATE 2: Een controle-experiment, ICARUS, door hetzelfde lab wijst uit dat de neutrino’s toch niet sneller dan het licht gaan. Dit wijst erop dat inderdaad een meetfout gemaakt lijkt te zijn bij het lab onder de Gran Sasso en dat er – helaas – nog steeds geen inbreuk is aangetroffen op de onverbiddelijke limiet van de lichtsnelheid. Tegelijkertijd was deze episode een zeer leerzame instructie over hoe wetenschap werkt. Wetenschap is een proces van vallen en opstaan met vaak onverwachte experimenten. Dit maakt wetenschap ook zo boeiend.

Vervolg op:
Bewegen sommige neutrino’s sneller dan het licht?

Bronnen
More data shows neutrino’s still faster than light – New Scientist (2011)
Faster-Than-Light Neutrinos: OPERA Confirms and Submits Results, But Unease Remains, Science Magazine (2011)
Measurement of the neutrino velocity with the OPERA detector in the CNGS beam, ArXiv (2011)

‘Supergeleidende antenne kan zwaartekrachtsgolven waarnemen’

Zwaartekrachtsgolven zijn door Einstein voorspelde trillingen in ruimtetijd. Tot nu toe is er nog nooit direct bewijs gevonden voor zwaartekrachtsgolven. Het lijkt er nu op dat er eindelijk een methode is ontdekt om dit spookachtige verschijnsel te ontdekken: een supergeleider.

Zwaartekrachtsgolven bieden kijkje in diepste geheimen van het heelal
Zwaartekrachtsgolven zijn zeer interessant, omdat ze opgewekt worden door buitenissige processen zoals botsende zwarte gaten of zelfs de Big Bang zelf. Ontdekken astronomen zwaartekrachtsgolven, dan biedt dit een rechtstreeks kijkje in de keukengeheimen van de kosmos, waaronder de nog steeds onbeantwoorde vraag wat zwaartekracht precies is. Ook voorspellen bepaalde kosmologische theorieën afwijkend gedrag van zwaartekrachtsgolven. Geen wonder, dat er enorme interesse bestaat in zwaartekrachtsgolven. Ook is het de enige voorspelling van Einsteins algemene relativiteitstheorie die nog niet direct is bevestigd.

Zwaartekrachtsgolven zeer lastig waar te nemen
Helaas is er een probleem. Weliswaar vervormen zwaartekrachtsgolven ruimtetijd waar ze doorheen reizen maar de gevolgen zijn miniem, denk aan de afmeting van de atoomkern van goud of uranium op een afstand van Amsterdam naar New York. In principe zijn de huidige generatie zwaartekrachtsdetectoren, monsterlijke apparaten tot vier kilometers lang, in staat dit minieme verschil te ‘spotten’. Deze apparaten lijken op een enorme L. Er kaatst voortdurend licht heen en weer dat met zichzelf interfereert. De theorie is dat als een zwaartekrachtsgolf passeert, de ene arm tijdelijk korter wordt dan de andere, dus dat dat het interferentiepatroon zal verstoren. Desondanks is er nog steeds geen zwaartekrachtsgolf rechtstreeks waargenomen.

Supergeleider als extreem gevoelige detector
Armen Gulian van de Chapman University in Maryland en enkele collega’s beschrijven nu een goedkoop, nieuw type detector dat veel compacter is dan dit soort reuzendetectoren. Uiteraard goed nieuws in een tijd van economische neergang. In plaats van op lengteverschillen te testen, maakt deze detector gebruik van een andere eigenschap.

De detector bestaat ui teen grote staaf supergeleidend metaal. Als een zwaartekrachtsgolf passeert, werkt deze in op alle massa in de staaf, dus zowel de supergeleidende elektronen als de metaalatomen.De grap is dat de atomen in de metalen staaf vastgenageld zitten op hun plaats, maar de elektronen niet. Deze zijn geheel vrij om te stromen. Het gevolg: de zwaartekrachtsgolf zal de elektronen heen en weer slingeren, stellen ze. Een tweede supergeleidende staaf wordt aan een hoekpunt van de eerste staaf gezet (ze vormen dus een L). Als een zwaartekrachtsgolf de eerste staaf samenperst, wordt de tweede staaf uitgerekt. De elektronen in deze staaf zullen nu ook gaan trillen, maar dan uit fase met de eerste staaf. Als beide staven worden verbonden met een ook supergeleidende stroomdraad, moet er een soort wisselstroom ontstaan.

In principe, stelt de groep, (met enkele verfijningen, die nodig zijn vanwege specifieke eigenschappen van supergeleiders) kunnen ze op deze manier met twee staven van ongeveer tien meter lang, zwaartekrachtgolven waarnemen.

Zwaartekrachtsgolf wekt stroom op
Op dit moment zijn er ampèremeters van Hewlett Packard op de markt die stroompjes tot een attoampère kunnen waarnemen. Dat is in principe voldoende om de opgewekte stroom te meten. Elektromagnetische ruis kan uit worden gefilterd door alleen de voorspelde golven uit te filteren. Ook kan de detector in een magnetische fles worden geplaatst om zo alle elektrische en magnetische velden uit te sluiten. NASA heeft nu al een aantal dure missies geschrapt. Zou deze technische vondst de lancering van een goedkope zwaartekrachtsgolfdetector toch mogelijk maken?

Bron:
Armen Gulian et al., Superconducting Antenna Concept for Gravitational Wave Radiation, ArXiv.org (2011)

Waarschijnlijkheidgolven in een kwantumomheining.

Kwantummechanica na tachtig jaar opgevolgd door nieuwe theorie?

Al tachtig jaar wordt kwantummechanica geplaagd door iets vreemds: een ‘waarnemer’ die een kwantumgolffunctie doet instorten en zo een wazig deeltje vastlegt op één plaats. Een nieuwe theorie slaagt er in om voor het eerst in tachtig jaar hier komaf mee te maken.

Waarschijnlijkheidgolven in een kwantumomheining.
Waarschijnlijkheidgolven in een kwantumomheining.

Gapend gat in de kwantummechanica
Al bijna een eeuw is kwantummechanica zowel de succesvolste als meest raadselachtige theorie van de moderne wetenschap. We kunnen door kwantummechanische formules te gebruiken een werkelijk ongeëvenaarde nauwkeurigheid bereiken bij het voorspellen van natuurkundige fenomenen. Kwantummechanica was verantwoordelijk voor de komst van moderne techniek zoals halfgeleiders (dus computers), lasers en nog veel meer. Kwantummechanica bevat echter een groot gat: het is onbekend door wat voor proces precies golffuncties ineenstorten. Om dit raadsel op te lossen zijn tientallen zogeheten ‘interpretaties’ van de kwantummechanica bedacht, die echter geen van allen op dit moment door experimenten bevestigd of verworpen kunnen worden. Weinig bevredigend uiteraard.

Tijd voor de kettingzaag in het oerwoud aan kwantuminterpretaties
Meerdere Nobelprijswinnaars hebben opgeroepen dit storende gat in kwantummechanica te dichten, in Nederland Gerardus ’t Hoofd en in de VS Steven Weinberg, die kort geleden een blauwdruk heeft gepubliceerd van hoe een dergelijke ‘verbeterde’ kwantummechanica er uit zal komen te zien.  Er zijn al eerder pogingen gedaan om kwantummechanica te verbeteren, maar een nieuwe theorie, mede ontwikkeld door Weinberg, krijgt veel belangstelling. De nieuwe theorie is namelijk naadloos verweven met Einsteins speciale relativiteitstheorie. Tot nu toe zijn kwantummechanica en de algemene relativiteitstheorie van elkaar losstaande theorieën. De algemene relativiteitstheorie levert de ‘achtergrond’ waarop de kwantummechanica zich afspeelt.

“Zoals veel fysici heb ik gedurende mijn gehele carrière kwantummechanica gebruikt en luchtig de fundamentele vragen over haar betekenis genegeerd. Dit wel met een knagend gevoel dat er iets is dat ik zou moeten begrijpen,” aldus Weinberg.  “Als deze verfijning blijkt te kloppen, zou veel van de spookachtigheid die nog steeds kwantummechanica omringt wegsmelten.”

Als subatomaire deeltjes (en wat dat betreft: soms zelfs moleculen) niet worden gemeten, gedragen ze zich als een waarschijnlijkheidwolk. Ze zijn dan tegelijkertijd op alle  plaatsen in deze wolk. Deze wolk wordt weergegeven door een golffunctie, die zich uitbreidt in de ruimte. Als er een meting wordt uitgevoerd, klapt de waarschijnlijkheidsfunctie echter ineen en zien we alleen het deeltje op een precieze plaats, nooit de wazige golf zelf. De hamvraag is natuurlijk:  hoe kan een deeltje weten of het al dan niet in de gaten wordt gehouden? En waarom verandert het waarnemen van het deeltje zijn gedrag? Onzinnige vragen, zegt de Kopenhaagse interpretatie en de meeste fysici. Weinberg en de zijnen (en ondergetekende) zijn het hier hartgrondig mee oneens.

Ze stellen dat het inklappen van de golffunctie een toevalsproces is en dat deze domweg waarschijnlijker is als een meting wordt uitgevoerd. Tot nu toe slaagden ze er echter niet in hun theorie in overeenstemming te brengen met de speciale relativiteitstheorie. Dit jaar is Daniel Bedingham (die naast zijn baan in de financiële sector bijklust als natuurkundige aan het Imperial College van Londen, een manier op het spoor gekomen om dat voor elkaar te krijgen. Zijn theorie is een afgeleide van GRW, een theorie die genoemd is naar de mensen die deze in 1986 ontwikkeld hebben, GianCarlo Ghirardi, Alberto Rimini en Tullio Weber.

Wat houdt GRW in?
GRW zegt dat een kwantumcollaps extreem zeldzaam is voor een individueel deeltje, maar dat een actuele meting uitvoeren op een deeltje het deeltje dwingt een wisselwerking aan de gaan met de meetapparatuur. Het deeltje raakt zo verstrengeld (entangled). Omdat er zoveel atomen in de meetapparatuur voorkomen – een gram waterstof bevat bijvoorbeeld een onvoorstelbare 6,02 * 1023 atomen – is de kans vrijwel 1 dat er tijdens de meting een kwantumfunctie implodeert. Er is zo geen spookachtig effect nodig om het kwantumdeeltje in elkaar te laten storten.

In 1989 verfijnde Philip Pearle van het Hamilton College in Clinton, New York, GRW tot een andere theorie: continuous spontaneous localisation (CSL)[1]. CSL stelt dat de toevallige fluctuaties die bij toeval de golffuncties in laten storten, horen bij een soort veld dat het hele heelal vult en varieert over de ruimte en tijd. Helaas lukte het maar niet om CSL in overeenstemming te brengen met de speciale relativiteitstheorie. Slecht nieuws, uiteraard, want ook voor de speciale relativiteitstheorie zijn er geen uitzonderingen bekend. Vreemde knikpunten in de golffuncties zouden een oneindige hoeveelheid energie in het universum dumpen. We weten dat golffuncties dat niet doen (anders was het heelal allang ingestort tot een zwart gat).

Bedingham is er nu in geslaagd om CSL relativistisch te maken, wat de oneindigheden elimineert. Het fluctuerende veld werkt niet direct op de golffuncties, maar op een ‘tussenliggend’ veld dat de effecten gladstrijkt en zo de scherpe fluctuaties stopt. Bedingham’s idee beschrijft nu niet alleen de deeltjes zelf, maar ook de krachten tussen de deeltjes – een must voor elke theorie die kwantummechanica wil vervangen. Ghirardi is een van de mensen die nu met Bedingham het relativistische collapsmodel verder onderzoekt.

Theorie kan nu worden getest
Stefan Nimmrichter van de vooraanstaande onderzoeksgroep kwantumfysica van de universiteit van Wenen (zij zijn de groep die kwantumverstrengeling voor het eerst over grote afstanden hebben aangetoond) stelt nu een experiment voor om te toetsen of de theorie klopt. Als twee golffuncties met elkaar in contact komen, kunnen ze met elkaar interfereren – elkaar uitdoven of juist versterken. Tot dusver ouwe koek, dit is al begin negentiende eeuw door Young aangetoond. Nimmrichter stelt nu echter voor om te onderzoeken wat voor interferentiepatronen worden geproduceerd als twee wolkjes atomen met elkaar interfereren. Details in [2].

Bronnen:
1. Philip Pearle, Combining stochastic dynamical state-vector reduction with spontaneous localization. Physical Review A (1986) (paywall)
2. Stefan Nimmrichter et al., Testing spontaneous localization theories with matter-wave interferometry, Physical Review A (2011) (gratis toegankelijk)

Sterk overdreven tekening van de proefopstelling. De neutrinobundel raast door meer dan 700 km massieve rots richting Gran Sasso.

Bewegen sommige neutrino’s sneller dan het licht?

Metingen van het CERN lijken er op te wijzen dat een bundel neutrino’s ongeveer een veertigduizendste deel sneller dan het licht beweegt. Klopt deze meting? En stel dat deze meting klopt, wat zijn dan de gevolgen voor de natuurkunde (en dus de wereld) die we kennen?

Sterk overdreven tekening van de proefopstelling. De neutrinobundel raast door meer dan 700 km massieve rots richting Gran Sasso.
Sterk overdreven tekening van de proefopstelling. De neutrinobundel raast door meer dan 700 km massieve rots richting Gran Sasso.

Wat zijn  neutrino’s?
Neutrino’s zijn spookachtige deeltjes die al tachtig jaar bekend zijn, maar deeltjesfysici nog steeds tot wanhoop brengen. Geen wonder. Ze zijn zeer lastig waar te nemen omdat ze nauwelijks met andere materie reageren. Ze kunnen alleen via de ‘zwakke’ wisselwerking (wij nemen die vooral waar als radioactiviteit) invloed uitoefenen op andere materie. Dit is ook de manier waarop neutrinodetectoren functioneren. Ze stellen vast of er spontane kernreacties van een bepaalde, met het neutrino in kwestie samenhangende soort optreden.

Kloppen de waarnemingen?
De onderzoekers van het CERN, misschien wel het grootste natuurkundelab ter wereld, en hun collega’s van het neutrinolab LNGS, meer dan 1300 meter onder de granietberg Gran Sasso op 120 km afstand van Rome, zijn niet over één nacht ijs gegaan. Gedurende meer dan een jaar hebben ze de uiterste moeite genomen de onverwachte resultaten van hun experiment keer na keer na te lopen. Geen wonder. LNGS kwam al eerder met controversieel nieuws, de mogelijke ontdekking van donkere materie, dus ligt stevig onder vuur van concullega’s uit andere delen van de wereld die graag systematische fouten aantonen. Die andere ontdekking, gedaan in een ander Gran Sasso experiment (DAMA/LIBRA), is overigens bevestigd door de Amerikaanse neutrinodetector CoGENT in de Soudan zoutmijn in Minnesota. Kortom: de waarnemingen kloppen waarschijnlijk. Als er al een fout is, dan zal deze dus onverwacht zijn of een subtiel karakter hebben.

OPERA
De waarnemingen werden verricht in de detector OPERA, een 1300 ton wegende verzameling van rond de 150 000  ‘bakstenen’ bestaande uit laagjes lood, afgewisseld met een fotografische emulsie, die geregeld worden gecontroleerd op deeltjessporen. In OPERA is ook foton-detectieapparatuur aanwezig. OPERA is speciaal geconfigureerd om tau-neutrino’s op te sporen. Dit zijn neutrino’s die vrijkomen als bij een kernreactie een tauon vrijkomt of uit elkaar valt. Het tauon is een zeer zwaar en zeer instabiel ‘neefje’ van het elektron dat alleen in uiterst zeldzame kernreacties wordt geproduceerd. Tau-neutrino’s zijn daarom veel zeldzamer dan elektron- of muon neutrino’s. (Het muon is een minder instabiel en minder zwaar deeltje dan het tauon en neemt dus een soort tussenpositie in.) Neutrino’s vertonen echter een merkwaardige eigenschap. Ze ‘oscilleren’ tussen de elektrontoestand, muontoestand- en tauontoestand. Hoe precies, wordt op dit moment nog onderzocht. Dit is de reden dat het OPERA experiment loopt.

Sneller dan het licht
In de loop van drie jaar werden ongeveer 16 000 muon-neutrino’s, afkomstig van het CERN, waargenomen. In het CERN worden protonen met iets minder dan de lichtsnelheid op een blok grafiet afgevuurd. De proefopstelling is zo gekozen dat de botsingsproducten, pionen en kaonen, naar het zuiden reizen. Als deze uiteenvallen komen de gewenste neutrino’s vrij. Op het moment dat de neutrino’s werden geproduceerd in het CERN, reizen ze met ongeveer de lichtsnelheid richting Gran Sasso. Enkele van deze neutrino’s komen in de neutrino deeltjesdetector onder de Gran Sasso terecht. Door middel van atoomklokken zijn de tijden in het Gran Sasso lab en het CERN exact op elkaar afgestemd, dus kan de verstreken tijd tot op tien nanoseconden precies worden vastgesteld. Hierbij werd geconstateerd dat de neutrino’s zestig nanoseconden eerder arriveerden dan als ze met de lichtsnelheid waren gereisd. Dit is ongeveer een veertigduizendste maal sneller dan het licht. Dit is de eerste keer in de geschiedenis van  de natuurkunde dat er iets sneller dan het licht is gemeten. Helaas ligt ArXiv er op dit moment uit (overbelasting) dus kan ik het exacte artikel niet downloaden. Afgaande op indirecte informatie is een oordeel lastig, maar ik ben geneigd deze waarnemingen te geloven en als voorlopig eerste conclusie te trekken, dat neutrino’s, het “deeltje waar niemand om gevraagd heeft”, wel eens iets te maken zouden kunnen hebben met het causale weefsel van ruimtetijd zelf. Met andere woorden: onder meer betrokken zijn bij het produceren van de lichtsnelheid als fysische beperking.

Kloppen de waarnemingen wel?
Volgens een Groningse onderzoeker hebben de onderzoekers in het CERN een cruciale fout gemaakt. Bij het experiment wordt een atoomklok aan boord van een GPS-satelliet gebruikt om de tijd exact te meten.
Ze hielden volgens Ronald van Elburg echter geen rekening met de eigenbeweging van de GPS-satelliet waarmee de tijdmetingen werden gesynchroniseerd. De satelliet beweegt van noordwest naar zuidoost in een hoek van 55 graden met de evenaar, ongeveer het traject dat ook de neutrino’s volgen. Hierdoor lijkt voor de satelliet de afstand tussen beide laboratoria iets korter: de welbekende Lorentzcontractie. Door deze eigenbeweging ontstaat precies het tijdverschil van zestig nanoseconden dat wetenschappers hoofdbrekens bezorgt, aldus van Elburg.

Zijn punt is overtuigend. Aan de andere kant ligt dit wel erg voor de hand. Zouden ze hier geen rekening mee hebben gehouden? Wordt vervolgd.

Een wiskundige ontdekte dat gekromde impulsruimte qua eigenschappen erg kwantummechanisch aandoet.

Voorbij Einstein: experimenteel bewijs

Een revolutionair nieuwe theorie belooft ruimtetijd en de kwantumwereld met elkaar in verbinding te brengen. Hierbij wordt uitgegaan van impulsruimte. Zijn de eerste bewijzen al gevonden? En, nog veel hallucinerender: nemen verschillende waarnemers een verschillende geschiedenis waar?

Lees ook Voorbij Einsteins ruimtetijd: de theorie

Verleden ligt niet vast
Relatieve lokaliteit heeft de nodige voordelen. Zo kan een lastige puzzel, de informatieparadox van een zwart gat, worden opgelost. Deze komt  in het kort hierop neer. Stephen Hawking berekende in de jaren zeventig dat zwarte gaten langzaam ‘verdampen’ en uiteindelijk in het niets oplossen. Hierbij is er geen spoor te vinden van de dingen die ooit door het zwarte gat opgeslokt zijn.  Dit is in strijd met wat kwantummechanica hierover zegt. Informatie kan niet verdwijnen in het niets.

Volgens Smolin verklaart relatieve lokaliteit hoe deze informatie verloren gaat. Zwarte gaten van enkel zonsmassa’s verdampen in een extreem lange tijd. Als je in deze extreem lange tijd terugkijkt, merk je dat de locaties in dit extreem verre verleden zo wazig en onzeker zijn geworden dat er geen manier is om te vertellen of een voorwerp werkelijk in het zwarte gat is gevallen of het net gemist heeft.

Een wiskundige ontdekte dat gekromde impulsruimte qua eigenschappen erg kwantummechanisch aandoet.
Wiskundige Shahn Majid ontdekte dat gekromde impulsruimte qua eigenschappen erg kwantummechanisch aandoet.

Aanwijzingen ontdekt die de theorie bevestigen
Er blijven de nodige vragen open. Hoe weten we of de impulsruimte werkelijk gekromd is? Om het antwoord te vinden heeft het team verschillende experimenten voorgesteld. Een voorbeeld: het waarnemen van extreem ver verwijderde gammaflitsen. Als de impulsruimte op een niet-metrische manier gekromd is, komt een foton met een grotere impuls (dus meer energie) later aan dan een minder energierijk foton. Dit effect is inderdaad in 2005 waargenomen met een gammatelescoop op de Canarische Eilanden en is in 2008 bevestigd door NASA’s Fermi gammatelescoop. Het is alleen nog niet duidelijk of dit effect het gevolg is van gekromde impulsruimte of onbekende eigenschappen van de explosies zelf. Misschien dat de energie-arme straling een paar seconden voor de energierijke straling wordt uitgezonden.

Gelukkig is er een goede manier om hier snel achter te komen. Het recept gaat ongeveer als volgt. Verzamel een enorme hoeveelheid gammaflitswaarnemingen. Als de vertraging van energierijke straling bij elke gammaflits even groot is, ligt de oorzaak in het proces zelf. Als het een gevolg is van het bestaan van relatieve lokaliteit, betekent een kleinere afstand een kleiner tijdsverschil. Het team wacht daarom in spanning op meer waarnemingen van Fermi.

Wat laat de impulsruimte krommen?
In de algemene relativiteitstheorie laat impuls en energie in de vorm van massa ruimtetijd vervormen. Maar stel dat je uitgaat van impulsruimte. Kunnen ruimte en tijd op een bepaalde manier de impulsruimte laten krommen? Misschien dat het werk van Shahn Majid, wiskundig fysicus aan de Queen Mary University van Londen, wat aanwijzingen heeft. Hij toonde in de negentiger jaren aan dat gekromde impulsruimte equivalent is aan ruimtetijd, maar met een bijzondere eigenschap. Het is namelijk een ruimte waarin je op een andere plek uitkomt als je vijf stappen vooruit en twee naar links doet, dan als je twee stappen naar links doet en dan pas vijf naar voren. Wiskundigen noemen dit een niet-commutatieve ruimte. Hierdoor ontstaat een bepaalde onzekerheid. En laat onzekerheid nu net een fundamenteel onderdeel van kwantummechanica zijn.

‘Impulsruimte is kwantummechanische ruimte’
Kwantummechanica verschilt van klassieke natuurkunde door het onzekerheidsprincipe van Heisenberg. Leg je de impuls van een deeltje vast door het te meten, dan maak je hiermee zijn positie compleet onzeker en andersom. De volgorde waarmee je positie en moment meet, doet hier ter zake. Je krijgt een andere uitkomst als je de twee metingen omdraait. Volgens Majid volgt hieruit dat ‘gekromde impulsruimte’ niets anders dan kwantummechanische ruimtetijd is.

Majid gaat verder. Hij denkt dat er ook een omgekeerd verband is. De kromming van ruimtetijd – waar volgens Einstein zwaartekracht op neerkomt – zou volgens hem wel eens als gevolg kunnen hebben dat de impulsruimte ook kwantum is. Het model van Smolin en zijn team bevat nog geen zwaartekracht, maar is deze eenmaal toegevoegd, dan voorspelt Majid dat waarnemers het ook niet eens zullen worden op waarnemingen in impulsruimte. Maar welke  ruimte is nu werkelijk? Ruimtetijd of impulsruimte?

Ruimtetijd en kwantumruimte vormen achtdimensionale faseruimte
Smolin denkt dat we in een achtdimensionale faseruimte leven die alle mogelijke waardes van positie, tijd, energie en moment omvat. In de relativiteitstheorie is wat één waarnemer als ruimte ziet, voor de andere waarnemer tijd en andersom, want beide maken deel uit van de universele ruimtetijd. In Smolins beeld van kwantumzwaartekracht ziet de ene waarnemer als ruimtetijd wat de andere waarnemer als impulsruimte waarneemt en maken beide onderdeel uit van de acht-dimensionale onveranderlijke ruimte. Maar hoe zouden de puzzelstukken van ruimtetijd en impulsruimte in elkaar kunnen passen?

Hierover meer in het derde en laatste deel.

Bron
Beyond space-time: Welcome to phase space, Newscientist.com (2011)

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

Voorbij Einsteins ruimtetijd: de theorie

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Wie zou niet net als de Enterprise sneller dan het licht willen kunnen reizen om verre werelden en vreemde verschijnselen te ontdekken?

‘Alcubierre warp drive kan sneller dan het licht’

De speciale en algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein verbieden reizen sneller dan het licht. Dat is heel vervelend, want zo duurt een reisje naar hartje Melkweg 26 000 jaar en naar onze buur, het Andromedastelsel, zelfs twee miljoen jaar. Minimaal. Zo wordt het natuurlijk nooit wat met ruimtecruises naar Sirius B of de Pleiaden. Maar misschien heeft de Mexicaan Miguel Alcubierre de oplossing.

Het probleem
Niets ter wereld kan voor zover we weten sneller bewegen dan het licht. In een vernuftig experiment is zelfs aangetoond dat ook door kwantumeffecten individuele lichtdeeltjes nooit sneller kunnen bewegen dan c, de lichtsnelheid. Kortom: het is natuurkundig gezien onmogelijk om te ontsnappen aan de greep van de relativiteitstheorie. Zodra een ruimtereiziger de lichtsnelheid nadert, kost het steeds meer energie om de snelheid ook maar iets te verhogen. Op een gegeven moment zit er zelfs vele malen meer bewegingsenergie in de reiziger dan in zijn massa, als deze in energie wordt omgezet. Kortom: zo snel willen reizen als het licht vereist bovenmenselijke hoeveelheden energie. Ook veranderen zelfs onschuldige atomaire deeltjes als waterstofatomen bij die snelheid in verwoestende projectielen.

Wie zou niet net als de Enterprise sneller dan het licht willen kunnen reizen om verre werelden en vreemde verschijnselen te ontdekken?
Wie zou niet net als de Enterprise sneller dan het licht willen kunnen reizen om verre werelden en vreemde verschijnselen te ontdekken?

Ruimtetijd als rubber
Miguel Alcubierre bedacht een oplossing, een bijzondere ruimtetijdmetriek die consistent is met Einsteins theorie. Wat als we niet alleen het ruimteschip zelf, maar ook de omringende ruimte versnellen? De ruimte voor het schip wordt ingekort, terwijl de ruimte achter het schip wordt uitgerekt. Alsof je vooruitkomt, door het tapijt voor je samen te laten trekken en achter je uit te laten zetten (het werkelijke plaatje is iets ingewikkelder dan dit). Voor de inzittenden van het schip verandert er niets. Hun eilandje ruimtetijd blijft intact. Om het schip heen zijn echter titanenkrachten aan het werk. Terwijl ze stil lijken te staan, bevinden ze zich plotseling bij Alfa Centauri.

Hoe werkt de Alcubierre drive?
Het klinkt te mooi om waar te zijn en dat is het dan ook. Miguel Alcubierre deed een aantal gewaagde veronderstellingen. Zo veronderstelde hij dat er zoiets als negatieve energie bestaat. Energie dus die als deze in aanraking komt met ‘normale’ energie, oplost in het niets. De natuurkundige bewijzen voor deze gewaagde stelling zijn, voorzichtig uitgedrukt, flinterdun. Ook is er exotische materie nodig: materie met negatieve massa.
Dan zijn er nog een aantal probleempjes. Zo is er volgens sommige berekeningen meer energie nodig dan er zich in het hele heelal bevindt voor een klein tripje naar de andere kant van de Melkweg. Toch jammer als je aankomt en het heelal bestaat niet meer. De meeste natuurkundigen achten daarom de kans klein dat de Alcubierre drive ooit in de praktijk zal worden gebracht.

Maar wie weet vergissen ze zich. Dat deden ze namelijk al vaker…

Bronnen
Alcubierre space drive (Wikipedia)

De Pioneers 10 en 11 gaven niet alleen heel veel informatie over de gasreuzen Jupiter en Saturnus. Ze lieten ook zien dat de heliopauze heel chaotisch is en blijken onderhevig aan een raadselachtige kracht.

Raadselachtige Tajmar effect verklaard?

Als een draaiende lasergyroscoop in de buurt van een supergekoelde draaiende ring wordt geplaatst, gaat de gyroscoop een beetje in dezelfde richting als de ring versnellen. Wetenschappers weten niet waarom. Dat wil zeggen: tot nu. Met ingrijpende gevolgen. Als McCulloch gelijk heeft, is het mogelijk massa minder traag te maken en zat Einstein er naast. En hebben we mogelijk een manier gevonden om naar de sterren te reizen.

Raadselachtige ontdekking

Het Tajmar-effect. Een gyroscoop 'sleept' een supergeleidende schijf mee
Het Tajmar-effect. Een gyroscoop 'sleept' een supergeleidende schijf mee

De onverklaarbare versnelling werd in 2007 ontdekt door Martin Tajmar, die op dat moment werkte aan de vakgroep Ruimtevaarttechnologie van het Oostenrijkse Technisch Instituut in Seibersdorf. Tot dusver is het Tajmar effect alleen in dit ene laboratorium geobserveerd, wat het wetenschappelijk gezien verdacht maakt. Maar toch. Sommige wetenschappers zijn sindsdien druk op zoek naar een verklaring voor dit raadselachtige effect.

Hoe werkt een lasergyroscoop?
In een recente studie heeft Michael McCulloch van de Engelse universiteit van Plymouth een mogelijke verklaring gevonden. Hiervoor nam hij een diepe duik in de rijkgevulde natuurkundige schatkist van contra-intuïtieve verschijnselen.

Hij begint met een gedetailleerde analyse van wat een lasergyroscoop eigenlijk precies doet.  Lasergyroscopen sturen licht in twee richtingen door een ring. Als de ring sneller of langzamer gaat draaien, veranderen de interferentiepatronen van het licht in de ring. Daarvoor hoeft er maar een verschuiving van enkele nanometers – dat is misschien vijftig atoombreedtes – op te treden. Daardoor zijn lasergyroscopen extreem nauwkeurig.

Trage massa vliegwiel vermindert
McCulloch denkt dat de gyroscoop lijkt te versnellen omdat de traagheid van de gyroscoop verandert. Als er iets een heilig principe is in de natuurkunde is dat wel het behoud van impuls of het draaiende zusje daarvan, draaimoment. Dus als de traagheid vermindert, betekent dat dat de snelheid hoger moet worden om zo de  impuls gelijk te houden. Dit zou volgens McCulloch de verandering in snelheid verklaren.

Unruh-effect
Het uitwerken van kwantummechanica  voorspelt vaak merkwaardige verschijnselen. Zo is er het Unruh effect. Als een voorwerp versnelt, lijkt het heelal voor warmer te zijn dan achter. Dat heeft te maken met de virtuele deeltjes waarmee de leegte gevuld is. Gewoonlijk hebben deze energie nul, maar deze krijgen energie ten opzichte van het voorwerp als dit op ze af vliegt. Als je heel hard (brom)fietst, doen de regendruppels pijn in je gezicht. Ze lijken heel veel energie te hebben, terwijl ze eigenlijk stilstaan. Deeltjes met energie nul lijken daardoor een positieve energie, dus een netto warmte-effect, te hebben.

Hubble-schaal Casimir effect
Volgens McCullochs voorstel wordt de traagheid van de gyroscoop bepaald door de omringende Unruh straling die wordt gemodificeerd door een Hubble-schaal (dus kosmisch) Casimir-effect. In dit model wordt de Unruh straling opgewekt door de draaiende schijf. Ter informatie: elke richtingsverandering (zoals van een deeltje op een draaiende schijf) is fysisch gezien een versnelling. De schijf versnelt dus ten opzichte van de rest van het heelal, zoals de aarde, sterren in de hemel en de koude draaiende ringen. Het Hubble-schaal Casimir-effect is een effect in de kwantumtheorie dat in dit geval de vorming van langere Unruh-golven verhindert en zo indirect de trage massa van de gyroscoop beïnvloedt. McCulloch noemt dit model “modified inertia due to a Hubble-scale Casimir effect” (MiHsC) of kortweg “quantized inertia.”

Als de gyroscoop op kamertemperatuur is, wordt deze omringd door kortegolf Unruh straling. Korte elektromagnetische golven zijn energierijker dan lange golven (een lichtdeeltje is kortgolviger en dus energierijker dan een radiofoton). Als de omgeving wordt afgekoeld tot ongeveer het absolute nulpunt, wordt de golflengte van de Unruh straling langer, waardoor ze niet meer in de ruimte ‘passen’: het Hubble-schaal Casimireffect. Als de supergekoelde ring begint te draaien, zorgt de versnelling van de ring voor kortere Unruh-golven, die makkelijker in de ruimte passen. De traagheid van de gyroscoop neemt toe, waardoor hij langzamer draait.

De Pioneers 10 en 11 gaven niet alleen heel veel informatie over de gasreuzen Jupiter en Saturnus. Ze lieten ook zien dat de heliopauze heel chaotisch is en blijken onderhevig aan een raadselachtige kracht.
De Pioneers 10 en 11 gaven niet alleen heel veel informatie over de gasreuzen Jupiter en Saturnus. Ze lieten ook zien dat de heliopauze heel chaotisch is en blijken onderhevig aan een raadselachtige kracht.

Behoud van impuls leidt tot versnelling
Volgens het model probeert de gyroscoop met de ring mee te bewegen om zo zijn impuls te behouden. Voor een rotatie met de klok mee moet de gyroscoop met een snelheid van 2,67 x 10-8 maal de versnelling van de ring gaan roteren. Tegen de klok in wordt deze snelheid gehalveerd.

Opmerkelijk is dat dit model Tajmar’s waarnemingen nauwkeurig verklaart. Tajmar nam waar dat de versnelling van de  gyroscoop ongeveer 3 x 10-8 maal die van de ring bij rotatie met de klok mee en de helft daarvan voor rotaties tegen de klok in. Met MiHsC kan en hoeft niet geknoeid te worden met natuurconstanten, dus de theorie stemt overeen met de observaties zonder numeriek afgesteld te worden.

McCullochs model kan ook verklaren waarom de versnelling tegen de klok in kleiner is dan met de klok mee. Als de gyroscoop met de ring mee begint te draaien, verandert de beweging ten opzichte van de vaste sterren. Op het noordelijk halfrond zorgt dit effect voor een grotere versnelling met de klok mee. Dit heeft te maken met de draaiing van de aarde. Volgens de theorie is het gedrag op het zuidelijk halfrond daarom precies tegenover gesteld.

Einstein heeft niet meer het laatste woord
Hoeksteen van Einsteins relativiteitstheorie is het equivalentieprincipe: trage massa = zware massa. Daarom vallen lichte en zware voorwerpen even snel. Als MiHcS inderdaad waar is, betekent dat volgens McCulloch dat trage massa helemaal niet altijd precies gelijk is aan zware massa. In zijn artikel legt hij uit waarom in extreem gevoelige torsie-experimenten toch geen verschil is aangetoond. Ook heeft zijn theorie gevolgen voor het gedrag van sterren aan de rand van de Melkweg. Als hun traagheid kleiner is dan hun massa, moeten ze sneller bewegen om niet naar binnen te vallen. Donkere materie?

Tajmar effect verklaart raadselachtige versnelling ruimtevaartuigen
Doorgaans worden ruimtevaartuigen langs planeten gestuurd om ze op kosten van Moeder Natuur nog een flinke zet mee te geven. Heel vreemd is dat sommige ruimtevaartuigen dan een merkwaardige sprong in hun snelheid vertonen. In een eerder artikel liet McCulloch zien dat zijn theorie MiHsC redelijk goed deze flyby anomalieën beschrijft.

HIj heeft ook laten zien dat dit de Pioneer anomalie verklaart. Om raadselachtige redenen blijken de Pioneer satellieten afgeremd te worden nu ze het zonnestelsel verlaten. De verklaring volgens McCulloch is dat hun traagheid vermindert, waardoor de zwaartekracht van de zon meer invloed krijgt en ze meer afremt. McCulloch voorspelt dat als de ronddraaiende ring 10.000 keer lichter wordt uitgevoerd, het effect afneemt met de afstand. Hij hoopt dat Tajmar’s groep dit uittest. Overigens denken andere natuurkundigen dat dit effect wordt veroorzaakt door een warmtelek in de kernreactor van de Pioneers.

Nut van deze ontdekking
Het is uiteraard bijzonder handig om een techniek te hebben om de traagheid van een voorwerp te verminderen. Zo kan je met weinig energie enorme snelheden bereiken. Uiteraard ideaal als je snelheden in de buurt van de lichtsnelheid wilt bereiken. Zou je Unruh straling kunnen genereren om zo de trage massa van een voorwerp te kunnen veranderen en het zo te verplaatsen? In een eerder artikel besprak McCullough deze mogelijkheid.

Bronnen:
M. E. McCulloch. “The Tajmar effect from quantised inertia.” EPL, 95 (2011) 39002
.