Visionair

De draaiing van de Melkweg sleurt de ruimtetijd om zich heen mee.

‘Draaiing Melkweg veroorzaakt overmaat materie’

2 reacties / Wetenschap / Door Germen Roding / 14 juli 2011 14 juli 2011

Als materie uit energie ontstaat, ontstaat er altijd precies evenveel materie als antimaterie. Toch is er om ons heen alleen materie en vrijwel geen antimaterie. De vraag waarom, houdt de natuurkunde al sinds bijna een eeuw bezig. Maar misschien is er een onverwachte verklaring. Hebben astrologen misschien toch een beetje gelijk?

Het CP-mysterie
Materie en antimaterie zijn in vrijwel alle opzichten elkaars spiegelbeeld. In Feynmandiagrammen wordt een antimateriedeeltje dan ook voorgesteld als een materiedeeltje dat terug in de tijd reist. Helaas voor de natuurkundigen, gedragen de materie- en de antimaterieversies van kaons en B-mesons zich anders. Materie en antimaterie vallen anders uit elkaar. Deze “lading-pariteitsschending”, of CP-schending, brengt sommige fysici tot wanhoop, maar anderen zijn juist blij met deze ontdekking. Dit kan immers verklaren waarom meer materie dan antimaterie de geboorte van het universum heeft overleefd.

Frame dragging door de Melkweg

Dr Mark Hadley heeft misschien de verklaring. In een artikel suggereert hij dat onderzoekers geen rekening houden met invloed die de de draaiing van onze melkweg heeft op het uiteenvallen van kosmische deeltjes. Hadley’s theorie is testbaar. Er kan bij bestaande meetresultaten bij de deeltjesdetectoren van CERN en BaBar worden gekeken of de resultaten inderdaad een afwijking vertonen in de richting waarin de Melkweg roteert. Weliswaar is de invloed van de zwaartekracht van de aarde of de zon op ons veel groter dan die van de Melkweg als geheel, maar Hadley gelooft dat wat hier telt, een effect is dat wordt opgewekt door een draaiend zwaar lichaam: frame dragging. Een snel tollend zwaar voorwerp ‘sleept’ ruimtetijd om zich heen mee. De zwaartekrachtssatelliet Gravity Probe B heeft dit zogeheten Lense-Thirring effect, een voorspelling van de algemene relativiteitstheorie, pas kortgeleden aangetoond.

De draaiing van onze Melkweg vervormt onze lokale ruimte ongeveer een miljoen maal sterker dan de nauwelijks meetbare vervorming door de draaiing van de aarde. Het voornaamste verschil tussen de materie- en antimaterieversie van het B-meson is de variatie in de tijd dat de deeltjes uiteen vallen. Als alle bekende waarnemingen van deeltjes en antideeltjes bij elkaar worden opgeteld, blijkt er toch exact dezelfde snelheid van uiteenvallen uit te komen. Hadley denkt dat frame dragging deze effecten veroorzaakt. Als de aarde op het moment van het experiment tegen de draaiing van de Melkweg in beweegt tijdens de meting, heeft dat andere effecten dan als de aarde met het frame dragging effect meebeweegt. De tijd voor de deeltjes lijkt dan, afhankelijk van of het om materie of antimaterie gaat, langzamer of juist sneller te gaan, waardoor ze voor ons langzamer of juist sneller uiteen lijken te vallen.

Een heel wilde speculatie: misschien dat de snel draaiende zwarte gaten in het centrum van melkwegstelsels de ruimte om zich heen zo hebben verstoord, dat ze hebben geleid tot een overmaat aan materie om zich heen.

Eindelijk een testbare theorie
Het mooie aan deze theorie is dat deze vrij eenvoudig is te testen. De tijdstippen en geografische locaties van de labs waar de deeltjes zijn gemeten zijn exact bekend, dus ook hun beweging ten opzichte van de Melkweg. Klopt deze theorie, dan kan de enorme hoeveelheid data die al bekend is, opnieuw worden onderzocht. Er kan dan worden gekeken of de beweging van het lab ten opzichte van de rotatie van de Melkweg exact het voorspelde effect heeft.

Frame dragging van het hele heelal?
En dan is er nog een mogelijkheid. Al eerder beschreven we dat er in ieder geval op het noordelijk halfrond een overmaat aan melkwegstelsels bestaat die een bepaalde richting op tollen. Het zou dus wel eens zo kunnen zijn dat niet alleen ons melkwegstelsel, maar het hele heelal draait. Dat heeft natuurlijk een onvoorstelbaar veel groter frame dragging effect tot gevolg. Het is weer wennen. Eindelijk een natuurkundetheorie die weer heerlijk ouderwets te testen is zonder dat je een deeltjesversneller van hier tot de Kleine Magellaanse Wolk nodig hebt. De snaaraanbidders kunnen dit in hun zak steken.

Ook zullen astrologen in hun vuistje lachen als deze theorie inderdaad overeind blijft. Er is dan namelijk een kosmisch effect aangetoond op alledaagse natuurkunde (al gaan de woeste astrologische theorieën, waarin aangenomen wordt dat de stand van de sterren invloed heeft op ons karakter en onze levensloop, extreem en onverdedigbaar ver).

Maar toch.

Bronnen
1. M.J. Hadley, The asymmetric Kerr metric as a source of CP violation, Europhysics Letters, 95 (2011) 21003 doi:10.1209/0295-5075/95/21003
2. M.J. Hadley, The asymmetric Kerr metric as a source of CP violation, (draft) Arxiv.org (2011)
3. University of Warwick (2011)

Het mogelijke uitzicht vanaf een exoplaneet op een zwart gat in het centrum van melkwegstelsel NGC 4261. Bron: NASA

‘Zwarte gaten hebben grootte in vaste stappen’

1 reactie / Wetenschap / Door Germen Roding / 10 juli 2011 10 juli 2011

Uit een theoretische analyse blijkt, dat zwarte gaten een doorsnede hebben die uit veelvouden van de Plancklengte bestaat. Hier kunnen we sporen van zien in de LHC-botsingen. En over de LHC gesproken: is die wel veilig, of moeten we ons zorgen maken?

Massa zwarte gaten evenredig aan doorsnede
Zwarte gaten, restanten van ineengestorte sterren waar zelfs licht niet aan kan ontsnappen, hebben een merkwaardige eigenschap. Hun doorsnede is recht evenredig met hun massa. Een zwart gat van één zonsmassa heeft bijvoorbeeld een doorsnede van drie kilometer, van twee zonsmassa’s van zes kilometer enzovoort. Dus stop je twee keer zo veel massa in een zwart gat, dan wordt het volume acht keer zo groot. Zwarte gaten kunnen ook zeer klein zijn.

Zwarte gaten hebben discrete massa

Georgi Dvali en zijn collega’s van de Ludwig-Maximilians-UniversitÃ¤t in het Duitse München hebben nu nog een eigenschap ontdekt. Volgens deze mensen moeten zwarte gaten die zich op kwantumschaal vormen, ook gekwantificeerde massa’s hebben. Met andere woorden: een zwart gat kan alleen een veelvoud van een bepaalde elementaire massa bevatten. Hun redenering is opmerkelijk simpel. Als de massa van een zwart gat niet gekwantificeerd is, kan de massa werkelijk elke waarde aannemen. Als dat het geval zou zijn, zou de productiesnelheid van micro-zwarte gaten oneindig zijn. Ze kunnen zich bij elke botsing en bij elke energie vormen. Omdat dat duidelijk niet het geval is, moeten zwarte gaten gekwantificeerd zijn. Dvali en zijn mede-auteurs denken dat dit veelvouden van de Plancklengte moeten zijn. het is alleen niet duidelijk hoe dit zwarte gaten beïnvloedt die in en uit het bestaan springen.

LHC als bron voor zwarte gaten
Dvali en consorten denken dat micro-zwarte gaten het eerste op zullen duiken in hun laagste kwantumstaat (dus elementaire massa) in de enorme deeltjesversneller LHC in de vorm van een zogeheten kwantumresonantie, wat deeltjesfysici een bobbel in hun data noemen. Dit zou oorspronkelijk moeilijk te onderscheiden zijn van een ‘gewoon’ deeltje, maar hogere-energie experimenten moeten ook zwarte gaten in hogere energietoestanden (m.a.w. met meer massa) opleveren. Op dit moment is er nog geen manier om uit te werken bij welke energie we ze precies zullen waarnemen, aldus de auteurs. Ook blijkt de Plancklengte helemaal niet zo fundamenteel als hiervoor gedacht. Zolang nog niemand een zwart gat met eigen ogen waar heeft genomen, zullen de speculaties nog wel even blijven.

Is het LHC veilig?
Sommigen speculeren dat het LHC wel eens niet veilig zou kunnen zijn. Weliswaar voorspelde Hawking dat zwarte gaten uiteenvallen door het uitzenden van straling omdat ze een temperatuur hebben, maar experimenteel bewijs hiervoor ontbreekt vooralsnog. Sterker nog: we nemen raadselachtige kosmische straling waar die meer dan een miljoen maal zo krachtig is als zelfs de LHC kan produceren. Als iets een zwart gat is, dan zou dat het wel moeten zijn. Was er inderdaad wat gebeurd, dan hadden we dat ook snel gemerkt. Bijvoorbeeld omdat we op een dag wakker worden terwijl de aarde om ons heen verdwenen is…

Bronnen
1. Gia Dvali, Cesar Gomez, Slava Mukhanov, Black Hole Masses are Quantized, ArXiv, 2011
2. Black Hole Mass Must Be Quantized, Say Physicists, MIT Technology Review Arxiv Blog, 2011

Het yin-yangpatroon van de kosmische achtergrondstraling toont aan dat we ten opzichte van het heelal bewegen.

‘Universele tijd toch mogelijk’

2 reacties / Filosofie, Universum, Wetenschap / Door Germen Roding / 19 mei 2011 19 mei 2011

Het is wel degelijk mogelijk om onze absolute snelheid ten opzichte van de rest van het heelal vast te stellen, namelijk door het meten van de achtergrondstraling. Volgens Einsteins algemene relativiteitstheorie bestaat er geen absolute ruimte en tijd, slechts ruimtetijd, wiskundig beschreven als een vierdimensionale Minkowskiruimte.

Waar komt achtergrondstraling vandaan?
De materie in ons heelal maakt maar een minieme fractie uit van de totale energie-inhoud. De meeste materie is omgezet in straling vlak na de Big Bang, waarbij materie en antimaterie elkaar annihileerden. Een klein overblijfsel aan materie is uiteindelijk de materie geworden waaruit wij en alles om ons heen bestaan. De straling is echter niet verdwenen, alleen sterk uitgerekt door de uitzetting van het heelal. Waar de straling eerst extreem heet was, is de temperatuur nu gedaald tot drie graden boven het absolute nulpunt. Deze straling kan waargenomen worden met radiotelescopen.

Dopplereffect
Waarschijnlijk heb je wel eens gemerkt dat de toonhoogte van een sirene op een ambulance (of het lawaai van een voorbijrazende auto) daalt als de auto zich van je verwijdert. De oorzaak is het Dopplereffect. Als je naar een geluidsbron toebeweegt, kom je meer golftoppen per seconde tegen. Daardoor lijken geluiden hoger. Omgekeerd kom je minder golftoppen per seconde tegen als je je van de geluidsbron verwijdert. Daardoor klinkt het geluid lager.
Datzelfde effect treedt ook met elektromagnetische straling, zoals licht en radiogolven, op. Beweegt een ster naar ons toe, dan ziet hij er blauwer uit dan normaal: de blauwverschuiving. Beweegt een ster van ons af, dan lijkt hij roder dan normaal: de roodverschuiving. Op die manier kan je door licht te meten, exact berekenen hoe snel een bepaalde ster of sterrenstelsel zich van ons af beweegt.

Golven worden door het Dopplereffect uitgerekt of juist samengeperst.

Achtergrondstraling biedt universele meetlat voor snelheid en tijd

De kosmische achtergrondstraling komt om die reden van alle kanten tegelijk. Astronomen hebben ontdekt dat de temperatuur van de kosmische achtergrondstraling iets hoger is in de richting van de galactische coÃ¶rdinaten l = 276±3°, b = 30±3°. Onze lokale groep melkwegstelsels beweegt in deze richting met een snelheid van ongeveer 630 km per seconde.

Het universum heeft dus wel degelijk een universeel coÃ¶rdinatenstelsel en door metingen aan de kosmische achtergrondstraling is exact vast te stellen in welke richting je je ten opzichte van dit coÃ¶rdinatenstelsel beweegt. Ook is het mogelijk de dilatatie vast te stellen door de gemeten gemiddelde temperatuurwaarde van de kosmische achtergrondstraling te vergelijken met de standaardwaarde vanaf aarde. Als je je diep in de extreem diepe zwaartekrachtsput rond een zwart gat bevindt, zal de kosmische achtergrondstraling bijvoorbeeld veel heter lijken dan in de vrije ruimte.

Eindelijk zijn twee voorspellingen van Einstein nu nauwkeurig bevestigd: het frame dragging effect en het geodetische effect.

Twee voorspellingen Einstein eindelijk bevestigd

13 reacties / Universum, Wetenschap / Door Germen Roding / 5 mei 2011 5 mei 2011

De zwaartekrachtsatelliet Gravity Probe B heeft eindelijk twee belangrijke voorspellingen van Einstein bevestigd: frame dragging en het geodetische effect.

Volgens Einstein heeft ruimtetijd iets weg van stroop. Frame dragging, ook wel het Lense-Thirring effect genaamd, is het effect dat bij een roterend zwaar object (bijvoorbeeld de aarde) ruimtetijd een beetje mee wordt gesleurd met de draaiing. Het geodetische effect houdt de vervorming van ruimtetijd rond het zware voorwerp in, waardoor ook de rotatie wordt veranderd. Het geodetische effect was al eerder, in 2007, aangetoond.

Het heeft 52 jaar geduurd voordat deze effecten daadwerkelijk werden aangetoond, maar mei 2011 is het eindelijk zover.

De zwaartekrachtssatelliet Gravity Probe B bevatte twee gyroscopen (rondtollende objecten). Als frame dragging en het geodetische effect niet zouden bestaan, zouden ze allebei voor altijd dezelfde richting op draaien en dezelfde asrichting houden. Uit metingen blijkt nu dat er wel degelijk een afwijking is, precies zo groot als de algemene relativiteitstheorie voorspelt. Een juichstemming dus bij de experimentatoren.

Gravity Probe B werd in het verleden vaak geplaagd door problemen, waardoor dit resultaat zo lang op zich liet wachten. In 2005 kwam al een einde aan de missie, maar de onderzoekers moesten door de storingen manieren verzinnen om door de brij meetgegevens toch de effecten te kunnen aantonen. Nu lijkt dat eindelijk gelukt te zijn.

Wetenschappelijk is dit een belangrijk resultaat, maar dit betekent ook dat allerlei exotische dingen als zwaartekrachtstransformatoren mogelijk worden. Het wordt zo mogelijk om bijvoorbeeld ruimteschepen en dergelijke zeer sterk te versnellen zonder dat ze versnelling ondervinden. Wel zijn er voor een significant effect verpletterend grote machines nodig, met een massa zo groot als een ster.

Bronnen
Stanford University
NASA

Achilles en de schildpad als hoofdpersonen in Zeno's beroemde paradox.

‘Afschaffen tijd lost paradox Zeno op’

10 reacties / Universum, Wetenschap / Door Germen Roding / 28 april 2011 28 april 2011

Wat we waarnemen als tijd is een artefact en geeft in feite alleen de numerieke verandering van materie in de ruimte aan. Deze hallucinerende gedachte is afkomstig van Amrit Sorli, Davide Fiscaletti en Dusan Klinar van het Sloveense wetenschappelijk onderzoekscentrum Bistra in Ptuj. Volgens hen is alleen ruimte reëel.

Ruimtetijd bestaat volgens Einsteins algemene relativiteitstheorie uit drie ruimtedimensies en één tijddimensie. Om de positie van een punt precies te beschrijven moet je dus lengte(x), breedte(y), hoogte(z) en tijdstip(t) noemen. Wiskundig wordt ruimtetijd in Einsteins theorie beschreven als een Minkowski-ruimte met metriek (1,1,1,-1): hoe sneller je je in deze ruimte voortbeweegt, hoe langzamer de tijd verloopt. Vandaar de beroemde tweelingparadox en dergelijke.Beweeg je zo snel als het licht, dan staat de tijd stil.

Het drietal natuurkundigen stelt dat we tijd nooit rechtstreeks meten, dus dat het daarom zinloos is om over tijd als zodanig te spreken. We meten alleen trillingen, frequenties en dergelijke. Met andere woorden: veranderingen in materiële dingen. Klokken, bijvoorbeeld, berusten op trillingen in een kristal, een atoom of (oudere modellen) het zwaaien van een slinger of stromen van water of zand. Als we met behulp van deze klokken iets meten, vergelijken we alleen de veranderingen in de klok met de veranderingen in het materiële object. Tijd is, denken ze, slechts een vierde ruimtelijke dimensie, de (causale) volgorde waarin gebeurtenissen plaatsvinden. Op kwantumniveau zouden er dan alleen drie ruimtelijke dimensies bestaan. Daaruit komt onze illusie van drie ruimtelijke dimensies plus tijddimensie voort.

Achilles en de schildpad, de hoofdpersonen in Zeno's beroemde paradox.

Zeno’s paradox gekraakt

De Griekse filosoof Zeno van Elea bedacht zijn beroemde paradoxen duizenden jaren geleden.
Deze theorie maakt ook een einde aan een probleem dat de filosofie al langer dan twee millennia plaagt. In Zeno’s hardloopparadox kan de snelle klassiek-Griekse held Achilles de langzame schildpad nooit inhalen omdat de schildpad altijd een stukje vooruit is gegaan op het moment dat Achilles de vorige positie heeft bereikt. Dit proces kan met klassieke, oneindig deelbare ruimte en tijd oneindig doorgaan. Als tijd wordt gezien als de numerieke volgorde waarin gebeurtenissen zich voordoen, bestaat deze paradox niet meer. Veranderingen in materiële zaken als klokken, hazen en schildpadden zijn namelijk niet oneindig deelbaar. Als je het tijdinterval maar kort genoeg kiest, de Plancktijd bijvoorbeeld (de tijd waarin licht de Planckafstand aflegt), is er natuurkundig gezien geen verandering, dus heeft dit tijdsinterval (of korter) geen fysische betekenis (en bestaat het dus niet). Hierdoor bestaat er een minimaal effectief tijdinterval en kan Achilles de schildpad wel degelijk inhalen.

In de negentiende eeuw slaagde de Ierse wis- en natuurkundige William Rowan Hamilton, erg geliefd onder natuurkundigen omdat hij de uiterst handige Hamiltoniaan bedacht waarmee ingewikkelde berekeningen veel makkelijker worden, er al in om beweging zonder tijd te beschrijven. Zo gek is de gedachte dus niet. Op dit moment proberen de onderzoekers kwantummechanica zo te herschrijven dat tijd geen rol meer speelt.

Hun theorie betekent ook dat tijdreizen niet mogelijk is. Immers, de onderlinge volgorde van gebeurtenissen blijft gelijk.

Bronnen
Physorg.com
Amrit Sorli, Davide Fiscaletti, and Dusan Klinar. â€œReplacing time with numerical order of material change resolves Zeno problems of motion.â€ Physics Essays, 24, 1 (2011)

Zouden de enorme bellen in ons universum veroorzaakt worden door antimaterie?

‘Antimaterie oefent antizwaartekracht uit’

1 reactie / Universum, Wetenschap / Door Germen Roding / 19 april 2011 19 april 2011

Materie kent een spiegelbeeldvorm: antimaterie. Tot nu toe werd gedacht dat er maar één soort zwaartekracht bestaat die altijd aantrekt. Volgens een nieuwe theorie van de Italiaan Villata oefent antimaterie een afstotende kracht uit op materie. Heeft de man gelijk en verklaart dit de uitzetting van het heelal? Of maakt hij een enorme denkfout?

Zware massa en trage massa
Massa heeft twee eigenschappen die op mysterieuze wijze met elkaar samenhangen: traagheid en zwaarte. Het kost tien keer zoveel energie om een tien keer zo zware massa in beweging te krijgen (de traagheid). Een tien keer zo zware massa oefent ook een tien keer zo sterke kracht uit op bijvoorbeeld een weegschaal (de zwaarte). Einstein maakte gebruik van deze eigenschap om het equivalentieprincipe te formuleren: trage massa=zware massa. Hieruit volgen weer de speciale en de algemene relativiteitstheorie.

Materie en antimaterie
Antimaterie werd ooit door kwantummechanica-grootheid Paul Dirac voorspeld als gaten in de Diraczee. Hoewel de Diraczee als concept nu minder populair geworden is, bleken het positron en andere antideeltje die hij voorspelde werkelijk te bestaan. In feite heeft elke deeltje zijn antideeltje en ook een positieve energie. Dus als materie en antimaterie elkaar ontmoeten ontstaat een felle ontploffing waarbij heel veel fotonen vrijkomen, niet een niets.

Zouden de enorme bellen in ons universum veroorzaakt worden door antimaterie?

“Antimaterie veroorzaakt uitzetting heelal”
Volgens het standaardmodel bestaat er een belangrijke symmetrie in de natuur: CPT-symmetrie. Dat houdt in dat als je de lading omkeert, de pariteit omkeert (m.a.w. spiegelt) en de tijd omkeert, er antideeltjes ontstaan. Dit gebeurt ook met antimaterie: deze gedraagt zich als materie die terug in de tijd reist.
In zijn artikel stelt Villata dat als de CPT-pariteit wordt gecombineerd met de algemene relativiteitstheorie, hieruit logisch volgt dat de richting van de zwaartekracht wordt omgedraaid als materie wordt veranderd in antimaterie. Met andere woorden: antimaterie trekt andere antimaterie aan (zoals materie andere materie aantrekt), maar materie en antimaterie stoten elkaar af. Villata maakt hiervan gebruik om de uitzetting van het heelal te verklaren en zo komaf te maken met de beruchte donkere energie.
In wat wij nu waarnemen als de lege zeepbelachtige ruimtes tussen melkwegclusters zouden zich grote ijle wolken antimaterie bevinden die de materie in de melkwegstelsels afstoten.

Waarom Villata vermoedelijk geen gelijk heeft
Villata’s theorie laat toe dat de voor natuurkundigen heilige wet van behoud van energie wordt geschonden en wel als volgt. Stel je hebt een hoeveelheid materie die als een schil om een bolvormige, gelijke hoeveelheid antimaterie heen zit. Per saldo moet volgens Villata het zwaartekrachtsveld hiervan nul zijn: de negatieve zwaartekracht van de antimaterie heft precies de positieve zwaartekracht van de materie op (een variant op de schilstelling). Stel, materie en antimaterie vernietigen elkaar vervolgens. Wat ontstaat is een positief zwaartekrachtsveld (volgens Einstein oefent ook energie zwaartekracht uit). Uit het niets.

Dit betekent een energieverlies voor deeltjes die zich plotseling in dit zwaartekrachtsveld bevinden (het kost immers energie om aan zwaartekracht te ontsnappen). Villata kan hier mogelijk tegenoverstellen dat het volgens zijn theorie energie kost om materie en antimaterie op elkaar te persen (zoals in de bol met schil gebeurt), maar dit maakt de zaak nog erger. Dit is immers positieve energie. Mocht uit het komende AEGIS experiment op het CERN, waarbij de zwaartekrachtseffecten op antimaterie worden gemeten, blijken dat Villata gelijk heeft en dat zwaartekracht inderdaad afstotend werkt op antimaterie, dan staat een groot deel van de natuurkunde op losse schroeven.

Bronnen
Physorg
Arxiv
IOPScience

Ruimtetijd rond massa, zoals de zon, krimpt in, wat zich in dit plaatje uit als grotere rastervakken.

Ruimtetijd en vrijheidsgraden

7 reacties / Wetenschap / Door Germen Roding / 11 maart 2011 11 maart 2011

Volgens Einsteins algemene relativiteitstheorie laat massa ruimtetijd als het ware inkrimpen. In de buurt van massa verloopt de tijd langzamer en zijn afstanden kleiner dan ver verwijderd van massa. Op de een of andere manier perkt massa dus de bewegingsvrijheid om zich heen. Waarom? Mogelijk geeft de wiskunde antwoord.

Wat is ruimte?
Ruimte is een ander woord voor aanwezige vrijheidsgraden, denk aan de betekenis van het woord in begrippen die helemaal niets met ruimte zols wij die kennen te maken hebben, zoals ‘onderhandelingsruimte’ of ‘oplossingsruimte’. De wiskunde maakt geen onderscheid tussen fysieke en virtuele ruimtes. Als je wilt weten wat de oppervlakte is van een tweedimensionale figuur op een vel papier, of als je wil weten wat de integraal is van, zeg, de groeisnelheid van een gewas op het veld, dingen die op het eerste gezicht helemaal niets met elkaar te maken hebben, gebruik je dezelfde wiskundige techniek: integraalrekening. Het enige wat hier ter zake doet is de wiskundige structuur die op elkaar lijkt. Zo is er wiskundig gezien ook geen verschil tussen de (bij benadering, als we relativistische effecten even buiten beschouwing laten) Euclidische ruimte (x-, y- en z-as) waarin we leven en een natuurkundig systeem waarbij er drie totaal los van elkaar staande meetgrootheden zijn, bijvoorbeeld temperatuur, draaisnelheid en draairichting.

Waarom is de ruimte rond massa kleiner?
Einstein beschreef met zijn algemene relativiteitstheorie de effecten van massa. Hij ging hierbij uit van het equivalentieprincipe: massa is zowel traag als zwaar. De algemene relativiteitstheorie beschrijft slechts het effect van massa en wat dat betreft van impuls op ruimtetijd door middel van tensoren (wiskundige objecten die de vervorming van ruimtetijd beschrijven). De theorie geeft geen mechanica (mechanisme) waardoor de effecten van massa op de omringende ruimte ontstaan.
Wel weten we nu uit de wiskundige analogieën van Euclidische ruimte dat het iets te maken moet hebben met het inperken van mogelijkheden. Klaarblijkelijk zorgt massa er op een of andere geheimzinnige manier voor dat de bewegingsruimte van alles er om heen kleiner wordt. De magische verdwijntruc van massa dus. Het ophelderen van dit mechanisme betekent de aard en de bron van zwaartekracht blootleggen.

Gravitonverklaring schiet hopeloos tekort
Gravitonen zijn hypothetische deeltjes, die massa onderling zou uitwisselen. Omdat gravitonen alleen maar aantrekken en niet afstoten, betekent de uitwisseling van gravitonen dat massa naar andere massa wordt toegetrokken. Op magische wijze zorgen gravitonen er ook voor dat de tijd trager gaat en afstanden kleiner worden. Gravitonen worden eveneens geacht ruimte en tijd te verklaren. Echter: als je aanneemt dat gravitonen bestaan, moet dat juist het aantal mogelijkheden flink doen toenemen. Al die gravitonische interacties maken namelijk de wereld veel ingewikkelder dan deze zonder gravitonen is.

Een toenemende ingewikkeldheid zie je meteen in je wiskunde terug. Zo is de warmtecapaciteit van water veel groter dan die van bijvoorbeeld waterstof of zuurstof, omdat een watermolecuul op heel veel verschillende manieren kan bewegen. Elk waterstofatoom kan vibreren ten opzichte van het zuurstofatoom, het kan om zijn as tollen, in drie richtingen vliegen en, last but not least, bestaan er ook waterstofbruggen tussen het zuurstofatoom en twee naburige waterstofatomen van buurmoleculen. Het gevolg: water kan veel meer warmte opslaan dan waterstof omdat er veel meer trillingsmogelijkheden zijn. De thermische ruimte binnen het molecuul en dus de thermische traagheid van water is daardoor veel groter dan die in het eenvoudige waterstofmolecuul, dat alleen kan rondtollen, vibreren en bewegen in x, y en z-richting.

Je zou dit hetzelfde effect verwachten als gevolg van gravitonen. Meer ingewikkeldheid betekent meer bewegingsruimte en dus niet een verkleining, maar juist een vergroting van ruimtetijd. Kortom: gravitonen kunnen als verklaring voor zwaartekracht worden afgevoerd.

Massa uit licht maken, hoe massaloos licht massa krijgt

26 reacties / Wetenschap / Door Germen Roding / 6 maart 2011 31 augustus 2021

Massa uit licht maken is makkelijker dan het lijkt. Het is dus wellicht niet een zo groot raadsel als veel natuurkundigen denken, war massa vandaan komt. Met behulp van de reactiewetten van Newton en de relativiteitstheorie (speciaal en algemeen) kom je een heel eind.

Het is nog steeds een onopgelost raadsel dat deeltjesfysici over de hele wereld tot wanhoop brengt: waar komt massa vandaan? Einstein boekte weliswaar een fundamentele doorbraak met zijn beroemde formule energie is massa maal de lichtsnelheid in het kwadraat, maar toch is nog steeds niet verklaard waar massa vandaan komt. Fotonen, bijvoorbeeld, bezitten wel energie maar geen massa. Het graviton, wat het ook is, is nog steeds compleet spoorloos. Maar misschien is er een oplossing…

Eigenschappen van massa

Massa heeft twee eigenschappen, die voor zover we weten in principe los van elkaar staan: het is traag en het is zwaar. De traagheid van massa uit zich in de moeite die je moet doen om een brok massa in beweging te krijgen. Een rotsblok van twee kilo is twee keer zo moeilijk in beweging te krijgen (bijvoorbeeld met een snelheid van een meter per seconde omhoog te gooien) als een rotsblok van één kilo.

Als je niet op tijd maakt dat je weg komt, kom je op onzachte wijze in aanraking met een tweede eigenschap van massa: het is zwaar. Hoe meer massa, hoe sterker de zwaartekracht op het blok werkt (en hoe sterkere zwaartekracht het blok uitoefent). Op dit principe bewust de weegschaal. Een weegschaal meet niet je massa maar je gewicht: de kracht die massa uitoefent. Als je massa verdubbelt, verdubbelt je gewicht ook. Eigenlijk is dit merkwaardig. Op het eerste gezicht lijken traagheid en zwaartekracht niets met elkaar te maken te hebben. Ook Einstein waagde zich niet aan de oplossing van dit raadsel: de algemene relativiteitstheorie beschrijft slechts wat massa doet met de ruimte er omheen (en zo zwaartekracht opwekt), niet waarom massa traag is en waarom massa überhaupt de ruimte om zich heen vervormt.

Massa uit licht maken

Einstein voorspelde dat je massa kunt maken uit energie.

Kort geleden is die voorspelling ook waargemaakt, met een extreem krachtige laser waarmee elektron- positronparen zijn gemaakt. Een kilowattuur (3,6 MJ) energie staat bijvoorbeeld gelijk aan veertig miljardste gram. Een bekende techniek in deeltjesversnellers is deeltjes versnellen tot vlak bij de lichtsnelheid waardoor ze veel meer (relativistische) massa krijgen. Op die manier is er veel energie beschikbaar om bij de botsing allerlei (hopen de onderzoekers) nog onontdekte deeltjes te produceren.
Door dit te doen weten we echter nog steeds niet wat massa eigenlijk is: immers ook elektronen en positronen hebben een elementaire massa. Wat we eigenlijk willen bereiken is een systeem zonder massa, op een kunstmatige manier massa geven, m.a.w. zowel traag maken als zwaar.

Een bol gevuld met licht krijgt massa

Het meest voorkomende massaloze deeltje dat we kennen is het foton, het lichtdeeltje. Stel je laat een wolk fotonen met samen een hoeveelheid energie van duizend miljard (10¹⁵) kilowattuur in een massaloze, volmaakt spiegelende bol heen en weer kaatsen. Wat voor proefje je ook verzint, bij elke meting lijkt het alsof de inhoud van de volmaakt spiegelende bol een massa heeft van ongeveer veertig gram.

Licht wordt traag

Wil je de bol bijvoorbeeld van je af verplaatsen, dan krijgen de fotonen die op het moment dat je tegen de bol duwt tegen de wand in je richting botsen, een extra impuls en worden daardoor energierijker. Je neemt dat waar als traagheid. Als je de bol weer afremt tot stilstand, staan de fotonen hun extra energie weer af. Het is iets lastiger om rotatie-inertie in te bouwen, maar als de spiegelende bol binnen een oneffen oppervlakte heeft is ook dit mogelijk. Door de bol te laten draaien worden fotonen zo gedwongen in een bepaalde richting (bijvoorbeeld met de klok mee of tegen de klok in) te bewegen. Dit voelt ook als traagheid. Deze energie is ook weer uit de bol te halen door hem tot stilstand te brengen. Trage massa uit licht, dus.

Licht wordt zwaar

De bol lijkt ook zwaar te zijn: tegen je hand te duwen als hij in je hand ligt. De reden is dat licht een roodverschuiving krijgt als het in een zwaartekrachtsveld naar buiten beweegt. De tijd gaat heel iets langzamer naar de aarde toe dan van de aarde af, waardoor fotonen die aan de onderkant van de bol zijn, energierijker lijken dan aan de bovenkant. Door deze (overigens minuscule) blauwverschuiving ontstaat een kracht naar beneden. De bol lijkt (en is dus, natuurkundig gezien) zwaar. Dus we hebben hier niet alleen trage, maar ook zware massa uit licht gemaakt.

Het ontbrekende stukje aan de zwaartekrachtspuzzel

Er ontbreekt nog één stukje aan de puzzel. Hoe oefent de bol zwaartekrachtswerking uit op andere objecten, met andere woorden: hoe vervormt een biljoen kilowattuur aan weerkaatsende lichtenergie binnen een bol ruimtetijd om zich heen, zoals veertig gram materie dat ook doet? Wat denken jullie? Een ding is duidelijk. Hiervoor moeten we echt diep de speculatieve wetenschap induiken…

Ruis en slecht zicht is een enorm probleem op een slagveld. Amerikanen denken dit met kwantumverstrengeling op te kunnen lossen.

Wormtunnel in de zon?

1 reactie / Geopolitiek, Maatschappij, Wetenschap / Door Germen Roding / 25 februari 2011 25 februari 2011

Volgens Einsteins algemene relativiteitstheorie kunnen ze bestaan: wormtunnels. Verbindingen die twee ver van elkaar gelegen plekken in het ruimte-tijd weefsel met elkaar in contact brengen. In theorie zou je door een wormgat sneller kunnen reizen dan het licht. Nu denken een aantal fysici dat er mogelijk wormtunnels in de kernen van sterren zoals onze zon kunnen zitten – en dat we hiervan tekenen kunnen waarnemen.

Een eerdere voorspelling op basis van de algemene relativiteitstheorie – zwarte gaten – bleek uitgekomen te zijn. Alleen door aan te nemen dat het om zwarte gaten gaat, kunnen verschijnselen als de geheimzinnige radiobron in het centrum van de Melkweg Sagittarius A* en sterke rÃ¶ntgenbronnen als Cygnus X-1 worden verklaard. Deze objecten vertonen ook veel andere eigenschappen die aan zwarte gaten worden toegerekend. Vandaar dat natuurkundigen ook andere voorspellingen van de algemene relativiteitstheorie serieus nemen – waaronder dus het bestaan van wormgaten.

Volle wormgaten
Tot nu toe werd er in berekeningen van uitgegaan dat wormgaten leeg zijn. Lege wormgaten zijn instabiel en moeten me behulp van exotische materie (zo mag je een materiaal met negatieve energie wel noemen) opengehouden worden. E

Wormtunnels maken sneller dan licht reizen mogelijk. Maar... bestaan ze wel?

igenlijk is dit niet logisch. Wormgaten worden gevormd in een omgeving waar de massa zeer geconcentreerd is dus zullen waarschijnlijk vol materie zitten. Vladimir Dzhunushaliev van de Euraziatische universiteit in Kazachstan en enkele anderen hebben dit idee verder uitgewerkt. Met materie gevulde wormgaten zijn zwaar, dus gaan zitten waar zware objecten meestal uiteindelijk in terecht komen: het inwendige van sterren of neutronensterren. De zon, om maar een voorbeeld te noemen, bevat meer dan negenennegentig procent van alle massa in het zonnestelsel. Een dergelijke ster lijkt op het eerste gezicht erg op een “normale” ster. Toch zijn er volgens de onderzoekers een aantal opvallende verschillen.

Ster communiceert sneller-dan-licht met zusterster
Via het wormgat stroomt materie heen en weer tot de sterren evenveel massa hebben: het principe van de communicerende vaten. Deze twee sterren vormen vervolgens een soort Siamese tweeling die op een bizarre manier met elkaar communiceert – door het voortdurend heen en weer stromen van materie van en naar de andere ster ontstaan trillingen. Het gevolg: energieuitbarstingen die zeer sterke kosmische straling moet opleveren. Het betekent dus ook dat er een manier moet zijn om deze sterren op te sporen. Er is echter een maar. De berekeningen houden singulariteiten in – plaatsen waar de algemene relativiteitstheorie ophoudt te functioneren – en hiermee rekenen is uiterst lastig. Een wat te pittige uitdaging voor Dzhunushaliev en zijn team. Hopelijk zal het lukken om alsnog een geschikt theoretisch model op te stellen, zodat we op zoek kunnen naar “wormgat-sterren”.

Bronnen
ArXiv blog
ArXiv