ruimte

Deze actiescene uit het computerspel Call of Duty: Infinite Warfare zou wel eens realiteit kunnen worden.

Videodocumentaire: ruimteoorlogen

Het is begin 22e eeuw. Wij mensen zijn weliswaar technisch ver geëvolueerd, maar nog steeds dezelfde nare, agressieve apensoort. Kortom: ook in de toekomst zullen we oorlog voeren. National Geographic maakte deze documentaire over de verschillen van een oorlog in de ruimte met een oorlog hier op aarde.

https://youtu.be/8WdozptfNu8

De  ruimte kent enkele grote voordelen, voor militaire planners aan de aanvalskant althans. Omdat er gewichtloosheid is, kunnen structuren in principe onbeperkt groot worden. Denk Death Star. Projectielen kunnen tot bijna de lichtsnelheid versneld worden. Hun relativistische massa is dan groter dan de yield in procenten bij een kernexplosie. M.a.w. projectielen hebben dezelfde verwoestende werking als atoombommen. Voor verdedigers ziet het er veel minder goed uit. Om überhaupt in leven te blijven in de ruimte, is life support essentieel. Dat maakt door mensen bewoonde objecten eenvoudige en voor de hand liggende doelwitten. Wegrennen of wegduiken kan niet meer, want tussen jou en de gapende, verstikkende ruimte zit alleen een paar decimeter metaal of polymeer. En zit je op tijd in je ruimtepak, dan is  het na enkele uren ook afgelopen met de voorraad zuurstof en energie. Eigenlijk ben je alleen in het binnenste van een uitgeholde asteroïde veilig. Tot een strijdende partij hier een andere asteroïde op laat ploffen.

Deze actiescene uit het computerspel Call of Duty: Infinite Warfare zou wel eens realiteit kunnen worden.
Deze actiescene uit het computerspel Call of Duty: Infinite Warfare zou wel eens realiteit kunnen worden.

Een tip: wil je echt veilig zijn, vlucht dan naar Jupiter. Een dodelijk sterke stralingsgordel beschermt je en de dichte atmosfeer laat projectielen opbranden. Wel zal je dan een oplossing moeten hebben om te blijven drijven in de waterstofatmosfeer van deze gasreus.

Science  fiction? Integendeel. Op dit moment maken de Amerikanen zich ernstig zorgen om Russische en Chinese plannen. Deze zouden, denkt het Pentagon, het Amerikaanse satellietnetwerk als achilleshiel van het Amerikaanse leger zien en nu werken aan antisatellietwapens. En ruimtestrijdkrachten…

Samenstelling van een komeet, vermoedelijk. Bron: CosmosUp via mining.com

Hoe nuttig is een komeet?

Al eeuwen kent de mensheid kometen als een van de meest spectaculaire astronomische verschijnselen. Maar… wat kan een ruimtevarende beschaving doen met kometen?

Wat zijn kometen?
Toen er nog geen telescopen bestonden, dacht men, dat kometen een soort vallende sterren waren. We weten nu beter. Kometen zijn in feite grote brokken bevroren gassen en vloeistoffen (waaronder water), doorspekt met andere materialen, zoals steen- en metaalgruis, met een doorsnede rond de tien kilometer.

Samenstelling van een komeet, vermoedelijk. Bron: CosmosUp via mining.com
Samenstelling van een komeet, vermoedelijk. Bron: CosmosUp via mining.com

Deze ijsbrokken zijn afkomstig uit de (nog niet definitief bevestigde, maar om zeer goede redenen veronderstelde) Oortgordel, een enorme wolk van ijsachtige objecten ver buiten de omloopbaan van Neptunus. Denk aan ongeveer 20.000 maal de afstand aarde-zon.
Wanneer een komeet de zon nadert, levert dit een spectaculair gezicht op. Rond de komeet hangt een lichtende wolk, de coma; de zonnewind blaast een staart van de komeet weg. De coma ontstaat, omdat de zonnestraling vluchtige stoffen uit het ijs van de komeet verdampt. Deze coma bevriest weer, als de komeet de koudere delen van het zonnestelsel in reist. Kometen houden deze instabiele omloopbanen doorgaans niet lang vol. Binnen ongeveer een miljoen jaar wordt de omloopbaan cirkelvormig of worden de kometen drooggekookt.

Watergebrek in binnenste deel zonnestelsel
Op aarde behoren water en gassen als stikstof tot de overvloedigste grondstoffen. Helaas is dat anders in de rest van het binnenste deel van het zonnestelsel. Mercurius en de maan zijn kurkdroog, met een paar flintertjes ijs in de bodem van kraters op de noord- en zuidpolen. Venus is omringd door een zeer dichte, verstikkende atmosfeer van kooldioxide, waar slechts spoortjes waterdamp in voorkomen. Ook Mars is vrij droog, al zit er onder het oppervlak vermoedelijk honderden meters dik waterrijk permafrost. Mars heeft echter net als de aarde het nadeel dat het een zwaartekrachtsput vormt. Het kost veel energie om water vanuit Mars de ruimte in te takelen.

Komeet als tankstation en watervoorraad
De zwaartekracht op een komeet is miniem: in principe kan een mens een komeet verlaten door een flinke sprong omhoog te maken. Dit maakt kometen, net als asteroïden overigens, erg geschikt voor mijnbouw. En dan wordt de samenstelling van kometen zeer interessant. Water is van levensbelang voor maankoloniën, ruimtekoloniën en zwevende kolonies in de atmosfeer van Venus, maar ook bijvoorbeeld als stuwstof voor raketten. Een nucleair ruimteschip kan water verdampen en in de kernreactor aan boord verhitten tot zeer hoge temperaturen. Deze sproeit naar buiten en stuwt zo het ruimteschip voort.
Op dit moment wordt elke kilogram raketbrandstof vanaf aarde meegenomen. Ook dit maakt ruimtevaart extreem duur: om een kilo raketbrandstof buiten het zwaartekrachtsveld van de aarde te brengen, is vijftig kilo of meer brandstof nodig, plus de omhullende wegwerpraket. Kunnen we deze raketbrandstof van een komeet of ander makkelijk bereikbare bron halen, dan wordt raketbrandstiof bijna gratis, waardoor het zonnestelsel openligt.

Rijke bron van chemicaliën
Ook zeer interessant zijn de vele organische stoffen en gasvormige verbindingen als ammoniak en methaan. De chemische industrie en ruimte-tuinbouw zitten werkelijk te springen om deze grondstoffen. Om een levensvatbare ruimte-economie op te zetten, waarbij ‘lokale’ grondstoffen kunnen worden benut, gaat er eigenlijk niets boven een makkelijk bereikbare komeet. Geen wonder dat heel veel mensen in de ruimteindustrie de resultaten van de Rosetta-missie watertandend volgen.

Komeet als bedreiging voor de aarde
Kometen volgen zeer elliptische banen. Vanuit de zeer ver weg gelegen Oortwolk duikt de komeet richting zon. Hier scheert de komeet rond de zon om weer de verre diepten van het zonnestelsel in te reizen. Er bestaat dan de kans, dat een komeet de aarde raakt. Hoewel deze kans zeer klein is, vermoedelijk slechts een maal per honderd miljoen jaar of minder, zijn de gevolgen van de inslag van een komeet catastrofaal. De laatste inslag van een asteroïde betekende het einde van de dinosauriërs.

Bronnen
1. Comets, the Jupiter Family, and the Need for Volatiles, John Szabo, 1994

 

Computerspelletjesmakers speculeren al decennia op de mogelijkheden voor handeldrijven met aliens.

Paypal Galactic: betalen in de ruimte

De ingewikkeldste maatschappij buiten de aardse dampkring bestaat uit zes astronauten op het ISS, die gedurende hun verblijf een soort communistische maatschappij vormen. Daar gaat, gezien de ambitieuze plannen van Paypal-grondlegger Elon Musk en andere ruimtevaartpioniers de komende jaren verandering in komen, wat betekent dat er economisch verkeer zal ontstaan. Paypal wil alvast als eerste betaalmaatschappij op de toekomst voorbereid zijn. Hoe ziet Paypal betalingen in outer space voor zich?

Betalen in de ruimte
Een eerste probleem waar je bijvoorbeeld aan kan denken is de vraag welke munteenheid je gebruikt. Dit kan een aardse munteenheid zijn, zoals de dollar of de euro, of wellicht een nieuwe muntsoort. Een veel lastiger probleem is synchroniciteit. Op aarde gebeurt verificatie van een betaling in een fractie van een seconde. Logisch ook: in een seconde kan licht rond de 7,5 maal rond de aarde reizen. In de ruimte wordt dat een ander verhaal. In het aarde-maan stelsel kan licht in principe binnen 1,5 seconden de maximale afstand overbruggen. Betalingen zullen vrijwel onmerkbaar vertraagd zijn.

Computerspelletjesmakers speculeren al decennia op de mogelijkheden voor handeldrijven met aliens.
Computerspelletjesmakers speculeren al decennia op de mogelijkheden voor handeldrijven met aliens.

Maar wat bij een ruimtehotel in het L2-Lagrangepunt (de positie achter de aarde waar de zwaartekracht van aarde en zon even sterk zijn op ongeveer 1,5 miljoen km afstand)? Of bij een transactie in de planetoïdengordel op vele lichtminuten afstand? Wat als er tussentijds een heftige schommeling heeft plaatsgevonden in de wisselkoers? Als asteroïdemijnbouw echt op gang gaat komen, waar enkele grote commerciële partijen nu voor tekenen, zullen er enorme transacties plaats gaan vinden. Of stel dat NASA er in slaagt een werkende warp drive te bouwen? Relativistische effecten gaan dan een grote rol spelen. Wat geldt als de tijd dat de transactie plaats heeft gevonden? Het licht doet er acht jaar over om van Aarde naar Alpha Centauri, de dichtstbijzijnde ster (in feite een samenstel van drie sterren), en weer terug te reizen.

Handeldrijven met aliens
In dit project werkt Payal samen met de non-profitorganisatie SETI Institute. SETI, voluit Search for Extra Terrestrial Intelligence (zoektocht naar buitenaardse intelligentie), Als er in de ruimte inderdaad buitenaardse beschavingen actief zijn, is SETI de meeest aangewezen partner om mee samen te werken. Vermoedelijk zal dit samenzweringstheoretici, die veronderstellen dat NASA contacten met buitenaardse wezens geheim houdt,  gaan inspireren. Er zijn verschillen in element- en isotoopsamenstelling tussen het zonnestelsel en andere sterren.

Interstellaire handel
Voor interstellaire handel zal informatie echter veel interessanter zijn voor de handel dan welke stof ook. Gegeven voldoende energie en de juiste informatie, is ieder atoomelement te fabriceren door atoomkernen en/of subatomaire deeltjes te laten fuseren. Informatie, bijvoorbeeld het exacte DNA van bepaalde levensvormen of technieken en filosofische ideeën, is echter inherent waardevol en zeer licht in verhouding tot de waarde. In een kilogram materie met atomaire opslag is meer informatie op te slaan dan er nu op aarde voorhanden is.

Bron
Paypal-galactic.com

De manen van ons zonnestelsel

This collection of videos looks at five of the most intriguing worlds that we’ve managed to visit over the last fifty years, including The Moon, Europa, Phobos, Deimos and Titan.

From the first human footsteps on another world to the most distant spacecraft landing in history, our neighborhood of moons has always played a central role in our exploration of the planets.

Europa. The quest to find life elsewhere in the universe is biggest in modern science. An ice covered ocean on a small world orbiting Jupiter may hold the answers to this fundamental question.

Phobos and Deimos. Named after the Greek gods of fear and dread, Mars’s two moons remained undiscovered until the late 19th century. Since the start of the Space Race they’ve been minor supporting characters in our quest to understand the Red Planet, but an ambitious new mission may be about to move them center stage.

Titan. The landing of the Huygens probe in 2005 unveiled the surface of Saturn’s mysterious largest moon for the first time in history. Six years on, the data from the mission and its Cassini mother craft has revealed it to be a fascinating world of methane lakes, rainstorms and cryo-volcanoes. This film brings us the latest news from the orange world, including audacious plans for a return splashdown.

The Moon. When Apollo 17 lifted off from the lunar surface in 1972, it ended the greatest chapter of exploration in human history. For nearly 40 years the moon has remained abandoned and untouched. But the secrets locked up in the Apollo samples are continuing to change our view of our nearest neighbor.

het beerdiertje (tardigrade) is een van de taaiste organismen bekend., Tardigrades kunnen zelfs een ruimtereis naar Mars aan de buitenkant van een ruimteschip overleven.

Beerdiertjes overleven onbeschermd reis naar Mars

Naar nu blijkt, kunnen niet alleen bacteriën, maar ook beerdiertjes de reis naar een andere planeet overleven. Niet in een ruimteschip, maar als ei, in een stuk rots. Zou het dierlijke leven op aarde terecht zijn gekomen vanuit het heelal?

Het beerdiertje (tardigrade) is een van de taaiste organismen bekend. Beerdiertjes kunnen zelfs een ruimtereis naar Mars aan de buitenkant van een ruimteschip overleven.
Het beerdiertje (tardigrade) is een van de taaiste organismen bekend. Beerdiertjes kunnen zelfs een ruimtereis naar Mars aan de buitenkant van een ruimteschip overleven. Bron: Wikimedia Commons/Gąsiorek P, Vončina K (2019)

Beerdiertjes: onuitroeibaar en overal

Het Wereldnatuurfonds zal tardigraden, ook bekend als beerdiertjes, niet snel als mascotte kiezen. Het knuffelgehalte van deze kleine diertjes van 0,1 tot anderhalve millimeter groot is namelijk niet erg hoog. Dat is ook niet nodig. In tegenstelling tot de wegkwijnende panda’s, die leven op een eenzijdig dieet van bamboe, komen beerdiertjes overal op aarde in werkelijk enorme aantallen voor. Van zesduizend meter hoog in de Himalaya tot op de bodem van de diepzee, zeker tot onder de 4000 m diepte. Waarschijnlijk komen ze ook in de bijna 11 km diepe Marianentrog voor. Ze kunnen  namelijk vele malen de druk daar overleven.

Een liter voedselrijk zoet water bevat al gauw 25 000 van deze kleine achtpotige diertjes, die opvallend genoeg biologisch nog het meeste verwant zijn met (de ook op aarde massaal voorkomende) nematoden, rondwormen. Ze kunnen zowel blootstelling aan temperaturen tot 150 graden als aan het absolute nulpunt overleven. De diertjes bewegen zich waggelend als een soort beer voort (vandaar de naam). Kieskeurig zijn de diertjes ook al niet. Ze eten bacteriën en andere soorten eencelligen. Sommige soorten leven van mos.

Ruimtereizigers als ei

We kennen allemaal horrorfilms zoals de Alien serie, waar een buitenaardse levensvorm als verstekeling als ei meereist en zich op aarde ontpopt als een vraatzuchtige parasiet. De makers van deze film maken het wel heel erg bont. Toch zijn de heel wat onschuldiger beerdiertjes. inderdaad in staat een korte ruimtereis te overleven. In rusttoestand gebrachte tardigraden overleefden op het ISS tien dagen vacuüm, blootstelling aan de felle straling van de zon in de ruimte en de kosmische straling. Tardigraden in rusttoestand kunnen ongeveer duizend maal zoveel straling verdragen als mensen.

Naar nu uit nieuw onderzoek blijkt[1], zijn de eieren van tardigraden nog veel taaier dan de volwassen diertjes zelf. NASA en Japanse astrobiologen ontwierpen drie erg brute tests, die ze loslieten op de eieren van de soort Ramazzottius varieornatus. In een reeks testen, overleefden meer dan 70 procent van de eieren in anhydrobiotische (uitgedroogde, in een speciale slaaptoestand verkerende) eieren temperaturen tot 196 graden onder nul en vijftig graden boven nul. Eieren, blootgesteld aan vacuüm deden het net zo goed als niet-behandelde eieren. Tot slot overleefde meer dan de helft van alle droge eieren rond de 1700 Gray straling, honderd keer de acuut dodelijke dosis voor mensen. Dit gold echter alleen voor droge eieren, niet voor normale eieren. Deze overleefden bijna geen enkele test.

Koloniseerden aardse beerdiertjes Mars of Jupitermaan Europa?

Hoe tardigrade eieren in staat zijn deze extreme omstandigheden te overleven, was bij het uitvoeren van deze studie nog onbekend. In 2021 is er meer bekend. Zo speelt het eiwit Dsup de voornaamste rol, en kregen ook menselijke cellen “superkrachten” als ze van dit eiwit werden voorzien [2].

De auteurs van de studie denken dat de resultaten goed nieuws betekenen voor uitgedroogde beerdiertjes die -bijvoorbeeld na een inslag van een asteroïde- de ruimte in zijn geslingerd. Stel dat enkele heelhuids op de Jupitermaan Europa terechtkomen en dat de merkwaardige rode randen van de ijsplaten door bacteriën worden gevormd, dan kunnen ze daar zelfs uitkomen. Wie weet ontwikkelen zich daaruit wel achtpotige aliens, die zich vele honderden miljoenen jaren later afvragen waar ze vandaan zijn gekomen. Toch niet van die zwaar radioactieve verschroeide klont met die grote maan, waar gebutste satellieten omheen zwerven en alleen beerdiertjes nog kunnen overleven?

Beerdiertjes op aarde

Als we even verder doordenken, hetzelfde kan ook hier op aarde zijn gebeurd. Ongeveer zeshonderd miljoen jaar geleden vond op aarde namelijk de zogeheten Cambrische explosie plaats, waarna massaal fossielen van meercellige dieren opdoken. Van voor die tijd zijn, de raadselachtige Ediacara fossielen daargelaten, alleen eencelligen bekend. We weten dat de aarde al vanaf twee miljard jaar geleden een zuurstofatmosfeer had, dus in principe was er de mogelijkheid voor meercellig dierlijk leven. Waarom dook dat pas 600 miljoen jaar geleden op? Zou een meteoriet met tardigraden of een andere taaie diersoort zijn geland? Geheel uit te sluiten valt het niet. Wie weet stammen wij wel van dergelijke aliens af. Al is dit niet waarschijnlijk. Beerdiertjes lijken namelijk, op grond van hun DNA, op aarde te zijn ontstaan.

Bronnen
1. Daiki D. Horikawa et al., Tolerance of Anhydrobiotic Eggs of the Tardigrade Ramazzottius varieornatus to Extreme Environments, Astrobiology, 2012, DOI:10.1089/ast.2011.0669
2. T. Hashimoto et al., Extremotolerant tardigrade genome and improved radiotolerance of human cultured cells by tardigrade-unique protein, 2016

Video: de vierdimensionale wereld

Hoe zou de wereld er uit zien als het heelal een dimensie meer zou hebben dan de drie ruimtedimensies en tijddimensie die het volgens de relativiteitstheorie heeft? Volgens sommige theorieën zijn er in totaal vijf dimensies: vier ruimtedimensies en een tijddimensie. Deze korte video van iets meer dan zes minuten doet de voornaamste geheimen van de vierdimensionale ruimte uit de doeken.

Sommigen denken dat we door in een vierde ruimtedimensie te reizen, in een heel ander heelal terecht komen dat parallel aan het onze ligt, maar waar de natuurwetten en de geschiedenis anders zijn dan hier. Een mogelijkheid is dat het om een parallel heelal gaat, zoals voorspeld door de Veel Werelden Interpretatie van de kwantummechanica. In een buurheelal zijn dan bijvoorbeeld de Neanderthalers niet uitgestorven, maar de mens (dat scheelde overigens maar weinig). Het is ook  mogelijk dat de natuurconstanten heel iets afwijken van de waardes in dit heelal. Sterren zouden dan bijvoorbeeld veel kleiner of veel groter zijn, afhankelijk van de verhouding tussen de elektromagnetische kracht en de sterke kernkracht.

Meer informatie:
‘Heelal gaat over naar vierde dimensie’
Video: Hypercube

Kunnen we in een tijdkristal de ondergang van het heelal overleven?

Tijdkristal overleeft Einde der Tijden

Hawking’s zeventigste verjaardagsfeestje bracht opmerkelijke, zelfs bizarre ideeën voort. Zoals van natuurkundige Frank Wilczek. Op een dag zal dit heelal niet meer leefbaar zijn en alle energie vervlogen. Stel, onze verre nazaten ontdekken geen methode om te ontkomen aan dit heelal. Betekent dit ook het einde van intelligent leven? Nee, stelt Wilczek. Er is nog kans op redding, door middel van een kristal dat symmetrisch is in de tijd in plaats van in de ruimte.

De hittedood van het heelal
Ons heelal is al 13,7 miljard jaar lang aan het sterven. Elke seconde zetten sterren als de zon ontelbare exajoules aan vrije energie om in straling die de wereldruimte ingepompt wordt. Vijf miljard jaar na nu zal de zon opzwellen als rode reus en achterblijven als witgloeiende, langzaam uitdovende witte dwerg. Duizend miljard jaar na nu zullen zelfs de kleinste rode dwergsterretjes, die het meest zuinig met energie omspringen, uitdoven. De eeuwige duisternis zal dan invallen en de Melkweg veranderen in een uitgedoofd spookstelsel, af en toe opgeschrikt door kadavers van sterren die op elkaar botsen en een korte, heftige explosie opwekken. 

 

Kunnen we voor eeuwig voortleven in een tijdkristal? Volgens Wilczek wel, al wordt het saai.
Kunnen we voor eeuwig voortleven in een tijdkristal? Volgens Wilczek wel, al wordt het saai.

 

 

Warmtedood: entropie neemt toe tot maximum
Nog verder in de toekomst. De temperatuur van de achtergrondstraling zal dan gedaald zijn tot miljardsten kelvin – dichter bij het absolute nulpunt dan we nu in zelfs de beste laboratoria kunnen bereiken. Wellicht zullen er dan bizarre levensvormen bestaan op basis van zogeheten Efimovringen, waarvoor zelfs vier graden boven het absolute nulpunt even dodelijk is als een verblijf in de vuurbal van een waterstofbom voor ons.
Nog ontelbaar veel noniljarden jaren verder. Zelfs de grootste zwarte gaten zijn nu verdampt door Hawkingstraling.
De entropie heeft haar maximum bereikt, er is geen vrije energie meer over om van te leven. Het heelal is de warmtedood gestorven, een paradoxale term, die in feite betekent dat alle vrije energie afvalwarmte is geworden waar je niets mee kunt. Wat nu? Hoe kan een levensvorm in of na die tijd nog overleven?

Tijdkristal als perpetuum mobile
Nobelprijswinnaar Frank Wilczek, theoretisch natuurkundige aan de Massachusetts Institute of Technology, heeft een overlevingsplan bedacht. Zijn recept: een hypothetisch apparaat, een tijdkristal, kan een computer aandrijven die kan blijven werken lang nadat alle andere krakend tot stilstand is gekomen. Een computer kan een virtuele wereld simuleren waarin bewuste wezens kunnen leven.

Wilczek kwam op dit opmerkelijke idee toen hij vaste kristallen (de kristallen in het dagelijks taalgebruik) bestudeerde. Een kristal is stabiel, omdat de atomen in het kristal op de energetisch gunstigste plekken zitten. Bekend van de middelbare school. Maar wat als een kristal niet symmetrisch is in de ruimte maar in de tijd? Een vierdimensionaal kristal dus. Elk object dat in een cirkel beweegt en na verloop van tijd terugkeert op zijn plaats, bijvoorbeeld een planeet, is symmetrisch in de tijd. Toch is de aarde geen tijdkristal. Immers: de aarde bevindt zich niet in het laagst denkbare energieniveau. Dat wordt bereikt als de aarde in de zon valt.

Supergeleider als tijdkristal
Wilczek vond iets beters: een supergeleider. In een supergeleider is er geen weerstand, dus blijven de elektronen in de supergeleider voor eeuwig bewegen omdat ze dezelfde kwantumstaat delen. In een tijdkristal moeten elektronen in een bepaald patroon bewegen, ‘dansen’ in plaats van in een rechte lijn bewegen zoals in een normale supergeleider. Ze moeten als het ware kluitjes vormen. Dit om zeker te stellen dat er een regelmatige, periodieke beweging ontstaat, ongeveer zoals de structuur van een kristal zich herhaalt. Wilczek toonde wiskundig aan dat het werkt.

Eeuwige cyclus
In een tijdkristal wordt hetzelfde patroon ad infinitum herhaald. Er is dus geen communicatie met de buitenwereld mogelijk, slechts dezelfde informatie -of ervaring – die eindeloos wordt herhaald. Sommige collega’s van Wilczek vinden het idee daarom zinloos, anderen zien er wel wat in.

Persoonlijk? Gezien de enorme rijkdom aan bizarre kwantumprocessen op miljardsten graden boven het absolute nulpunt, waar we pas nu inzicht in krijgen, denk ik dat ook met minuscule hoeveelheden energie – en wie weet zelfs met vibraties in de nulpuntsenergie – heel wat meer mogelijk is dan we nu kunnen overzien. En wie weet, ontdekken we toch nog een toegang tot een ander heelal. We hebben immers letterlijk alle tijd van de wereld….

Bronnen
State of The Universe Symposium
Death-defying time crystal could outlast the universe, New Scientist

In de ruimte zijn sporen ontdekt van dit soort ingewikkelde moleculen, die zich eigenlijk helemaal niet zouden moeten kunnen vormen.

Kwantumeffecten verklaren geheimzinnige reacties in diepe ruimte

Sommige chemische reacties verlopen razendsnel vlak boven het absolute nulpunt. Kwantumeigenaardigheden kunnen verklaren, hoe er ondanks de extreem lage temperaturen in de interstellaire ruimte er toch zo ingewikkeld organische moleculen voorkomen. En mogelijk ook, waarom het leven op aarde zich pas zo laat vormde.

Het raadsel van ingewikkelde moleculen in de diepe ruimte
De ruimte is koud. Extreem koud. Ver van een ster daalt de temperatuur tot drie kelvin, dat is drie graden boven het absolute nulpunt. Dit is zo koud, dat zelfs helium vloeibaar wordt. Water en alle andere stoffen zijn bij deze temperatuur zo hard als graniet. Toch vinden er in deze extreem koude omstandigheden veel chemische reacties plaats. De stralingssignalen van moleculen als aminozuren, buckyballs en ingewikkelde koolwaterstoffen duiken keer op keer op op onverwachte plaatsen. Tijd dus om de omstandigheden van de extreem koude ruimte na te bootsen in een experiment, vond Wade Rellergert van de University of California, Los Angeles. Dit bleek een eye-opener.

In de ruimte zijn sporen ontdekt van dit soort ingewikkelde moleculen, die zich eigenlijk helemaal niet zouden moeten kunnen vormen.
In de ruimte zijn sporen ontdekt van dit soort ingewikkelde moleculen, die zich eigenlijk helemaal niet zouden moeten kunnen vormen.

Raadselachtige felle reactie
Bij zeer lage temperaturen blijkt de chemie zich totaal anders te gedragen dan bij kamertemperatuur. In theorie zou zich bij deze extreem lage temperaturen geen enkele chemische reactie moeten voordoen. Immers, gewoonlijk stoten atomen elkaar af. Om twee atomen te laten reageren, moeten ze vlak bij elkaar komen en moeten de vrije elektronen gedeeld kunnen worden. Dat kost energie en de energie vlak bij het absolute nulpunt is vrijwel nul. Toch gebeurde er iets heel vreemds. Het mengsel van calcium en ytterbium dat Rellergert onderzocht, leek het ytterbium op te slokken. Bij kamertemperatuur reageren beide atoomsoorten nauwelijks met elkaar. Rubidium, een uiterst reactief zacht metaal bij kamertemperatuur (het goedje ontbrandt spontaan), reageerde in een eerder experiment tienduizend keer langzamer met ytterbium. Dit was heel anders dan deze metalen zich volgens de tekstboekjes moeten gedragen. Rubidium heeft namelijk één los elektron dat heel snel reageert met een ander los elektron. Calcium heeft alleen elektronparen, die veel minder reactief zijn.

Wazige atomen reageren fel met elkaar
De stomverbaasde Rellergert en de rest van het team beseften uiteindelijk dat kwantummechanica verantwoordelijk was en vroegen raad aan collega’s van de universiteit van Philadelphia. De oorzaak bleek als volgt. Hoe minder energie een atoom of molecuul heeft, hoe waziger de plaats wordt. Vlak bij het absolute nulpunt is de energie per molecuul vrijwel nul, dus breidt de waarschijnlijkheidswolk zich enorm uit en beginnen de atomen elkaar te overlappen. Elektronen van calciumatomen bevinden zich tegelijkertijd in het ytterbium. Door dit kwantumeffect vormden de atomen in feite al een soort molecuul. In vaktaal: er bestond een superpositie van het molecuul en de losse atomen. Een molecuul in een hogere energietoestand. Dit molecuul zond een foton uit en viel zo terug in de gunstiger energietoestand van atomen die een verbinding waren aangegaan. Er had dus een chemische reactie plaatsgevonden die helemaal niet plaats had kúnnen vinden en, ook zeer absurd, sneller plaatsvindt naarmate de temperatuur meer daalt.

Kwantummechanica verklaart ook waarom het anders zo reactieve rubidium tienduizend keer langzamer reageerde. Door het ene ongepaarde elektron is rubidium een deeltje met oneven spin, een fermion. Fermionen stoten elkaar af. De gebruikte calciumisotoop (calcium-40) heeft een even spin omdat alle elektronen gepaard zijn. Het is daarmee een boson. Hierdoor konden het ytterbium-ion (een fermion) en calcium elkaar overlappen.  Dit werkte niet bij rubidium.

Kwantumproces ook verantwoordelijk voor de ingewikkelde organische verbindingen in de ruimte?
De omstandigheden in deep space lijken erg op die in het experiment. In onze melkweg bevinden zich in een kubieke centimeter ongeveer een miljoen deeltjes, een vacuüm dat op aarde met moeite kan worden bereikt. Atomen ontmoeten elkaar zelden. Met drie kelvin veranderen deze atomen ook in wazige vlekken. Als bijvoorbeeld een koolstofatoom en een waterstofatoom elkaar ontmoeten, overlappen de wolken elkaar, vormen weer een superpositie, zenden energie uit, waarna zich een molecuul CH vormt. Dit molecuul kan weer nieuwe koolstof-, waterstof- of zuurstofatomen ontmoeten en zo voort. Dit proces verklaart de zeer ingewikkelde verbindingen die zich uiteindelijk kunnen vormen. Sommige astrofysici denken dat dit proces de bouwblokken van leven heeft opgeleverd. Anderen houden nog een slag om de arm. Immers, dit proces is nog nooit bij koolstof vastgesteld. In feite staat de hele cryochemie nog in de kinderschoenen. Stellige uitspraken doen is dus in dit stadium erg gevaarlijk.

Dankzij uitzetting van het heelal de achtergrondtemperatuur eindelijk laag genoeg?
Uiteraard is de verleiding erg groot verder te speculeren en op Visionair kan dat ook. Onderzoekers zijn het er over eens dat het leven op de een of andere manier moet zijn ontstaan uit deze organische stof in de ruimte, hetzij op aarde zelf, hetzij via panspermie op een andere plek in het heelal. Als extreem lage temperaturen inderdaad de ’trigger’ waren voor deze kwantumreacties en dus voor de vorming van organische stof, verklaart dit misschien waarom zich nu pas leven ontwikkelt in het heelal.

Miljarden jaren geleden was het domweg te heet voor deze subtiele kwantumeffecten. De achtergrondstraling, een overblijfsel van de oerknal, was toen nog domweg te energierijk. Deze hypothese is te toetsen door te zoeken naar sporen van ingewikkelde organische stoffen in licht van sterrenstelsels op bijvoorbeeld tien miljard lichtjaar afstand. Worden die sporen gevonden, dan klopt deze hypothese niet.

Bron
Measurement of a large chemical reaction rate between ultracold closed-shell 40Ca atoms and open-shell 174Yb+ ions held in a hybrid atom-ion trap, Physical Review Letters, 2011

 

Tachyonen zijn hypothetische deeltjes die alleen sneller dan het licht kunnen reizen.

Wat gebeurt als de tijd stopt?

Wat zou er gebeuren als van het ene op het andere moment de tijd plotseling stil zou komen te staan? Tot nu toe was dat metafysische speculatie, maar natuurkundige Igor Smolyaninov is er in geslaagd het Einde van de Tijd na te bootsen. In een onverwacht alledaags materiaal. Wat gebeurt er als de tijd letterlijk opraakt?

Universum nabootsen in grafeen
Natuurkundigen vinden steeds meer fysische systemen die gebruikt kunnen worden als model van ruimtetijd. Zo kunnen ze spelen met de algemene relativiteitstheorie in een systeem dat wiskundig gezien erg lijkt op ruimtetijd. Een paar voorbeelden: elektronen in grafeen, het kippengaas van koolstofatomen dat de ontdekkers een Nobelprijs opleverde, gedragen zich bij afkoelen ongeveer zo als het universum vlak na de Big Bang waardoor natuurkundigen in staat zijn, door grafeen te koelen meer te weten te komen van het vroege heelal.

Elektromagnetische ruimte

Het Einde der Tijden - wat zou er gebeuren? - Bron: Flickr
Het Einde der Tijden – wat zou er gebeuren? – Bron: Flickr

Een ander voorbeeld is de wiskundige gelijkenis tussen licht in een elektromagnetische ruimte (doorzichtig medium) en in ruimtetijd. Fysici hebben kort geleden ontdekt hoe ze in deze elektromagnetische ruimte dingen kunnen aanleggen als kwantumschuim, de Big Bang, zwarte gaten en zelfs het hele multiversum. Moeilijk te overtreffen, maar Igor Smolyanov is er nu toch in geslaagd. Hij heeft in zijn nieuwste experiment het einde van de tijd gemodelleerd.

Experimenteren met het einde van de tijd
Smolyaninov’s techniek maakt gebruik van metamaterialen. Metamaterialen kunnen zo worden samengesteld dat ze zich gedragen als een tweedimensionale ruimte met een tijddimensie. Overigens kan andersom ook: twee tijddimensies en één ruimtedimensie, bijvoorbeeld. Metamaterialen zijn veelzijdig.
Volgens Smolyaninov ontstaat een interessante situatie als de twee materialen tegen elkaar worden gezet. Als de tijddimensie loodrecht op de ruimtedimensie staat, eindigt de tijd domweg plotseling, aldus Smolyaninov. Hij noemt deze situatie het Einde der Tijden.

In hun experiment lieten de experimentatoren ruimtetijd overgaan  in een Euclidische ruimte (dus zonder tijd). Ze bouwden dit scenario na in metamaterialen met optische eigenschappen die lijken op de eigenschappen van ruimtetijd. Hiervoor gebruikten ze de plasticsoort polymethyl methacrylaat (PMMA), beter bekend als perspex of plexiglas. Dit materiaal werd in stroken op een goudlaagje aangebracht. Het licht beweegt zich in de vorm van plasmons (een soort energievibraties die langs een oppervlak reizen) langs dit oppervlak. Er werden twee kosmologische situaties nagebootst: het einde van de ruimte en het einde van de tijd.
Het einde van de ruimte leidt tot een Rindler-horizon, iets dat veel weg heeft van een waarnemingshorizon,  en liet de door Hawking al voorspelde Hawkingstraling zien.

Maar wat gebeurt er aan het einde van de tijd?
Volgens Smolyaninov divergeert het elektromagnetische veld aan het einde van de tijd (m.a.w. waaiert uit). Volgens het Physics Blog van MIT Technology Review een vrij saaie ontwikkeling, maar wie weet is dat precies wat er nu gebeurt. Immers, er lijkt een geheimzinnige invloed, de donkere energie, het heelal steeds sneller uiteen te rukken. Zou het einde der tijden steeds sneller naderen? Kunnen we op tijd uit dit heelal ontsnappen? De zaak blijft interessant.

Bron
Igor I. Smolyaninov et al., Hyperbolic Metamaterial Interfaces: Hawking Radiation From Rindler Horizons And The “End Of Time”, 2011

Hoe zou onze ruimte er uit zien als we een gebroken aantal dimensies hebben? Bron: visualparadox.com

Gebroken dimensies kunnen experimenteel aangetoond worden

Hoe zou het leven zijn in een wereld waarin er geen drie dimensies bestaan, maar 2,9 of 3,4? Daar kunnen we nu eindelijk achter komen, zegt een natuurkundige.

Hoe zou onze ruimte er uit zien als we een gebroken aantal dimensies hebben? Bron: visualparadox.com
Hoe zou onze ruimte er uit zien als we een gebroken aantal dimensies hebben? Bron: visualparadox.com

In de jaren twintig ontwikkelden de natuurkundigen Theodor Kaluza and Oskar Klein een theorie die Maxwell’s theorie van elektromagnetisme en Einsteins relativiteitstheorie met elkaar in overeensteming bracht. Een indrukwekkende prestatie met één nadeel: in hun model had ruimtetijd vijf dimensies. Kaluza en Klein bedachten hier echter een oplossing voor. Ze veronderstelden dat de vijfde dimensie zeer klein is opgerold en een afmeting heeft ter grootte van de Plancklengte, 10-35 m. Stel dat je in een ruimte zou leven waarin één dimensie tien meter lang is (bijvoorbeeld recht vooruit). Dan zou je na tien meter vooruit gelopen te hebben, weer op de plaats zijn waar je begonnen bent. Je zou ook de achterkant van jezelf zien. Extra dimensies zijn wiskundig gezien erg handig. Geen wonder dat andere natuurkundigen die ook extra dimensies nodig hadden voor hun theorie, graag van deze methode gebruik maakten.

Een recenter idee is dat de extra dimensie onderdeel is van het ‘kwantumschuim’ omdat alles op die extreem kleine schaal onderhevig is aan kwantumonzekerheid. Een andere manier om dit wiskundig te omschrijven is als ‘gebroken’, of fractal, dimensie: een dimensie die tegelijkertijd bestaat en niet bestaat. Zo is bijvoorbeeld een kustlijn een fractal: de dimensie ligt tussen 1 en 2. Weliswaar is de kustlijn een lijn, maar de lengte hiervan neemt toe tot (in theorie) oneindig als je de kustlijn gedetailleerder beschrijft.

Tot nu toe werd gedacht dat er geen manieren bestonden om het idee van fractale dimensies te bevestigen of verwerpen. De Plancklengte is zo absurd klein dat er geen experiment denkbaar is om hun bestaan aan te tonen. Nu is daar verandering in gekomen.  Hongbo Chen van de East China University of Science and Technology in Shanghai zegt dat het mogelijk is toch het verschil te zien. Hij heeft namelijk berekend hoe extra, fractale, dimensies het Casimireffect zouden beïnvloeden. Het Casimireffect zorgt er voor dat twee platen die op zeer korte afstand van elkaar staan, elkaar zeer sterk aantrekken. De oorzaak: de ruimte tussen twee platen is als het ware leger dan normaal, omdat bepaalde virtuele deeltjes zich door de beperkte ruimte niet kunnen vormen. De virtuele deeltjes aan de andere kant van de platen persen de platen op elkaar, ongeveer zoals de luchtdruk een zuignap vastdrukt.

Volgens Cheng geldt, dat als de afstand tussen de platen even grot is als de afmeting van de extra dimensie,die ook de Casimirkracht moet beïnvloeden. In feite zegt hij zelfs dat deze kracht sterker zal zijn als de extra dimensie een geheel getal is, dan als de extra dimensie een fractal is. Het exacte verschil is vanzelfsprekend afhankelijk van de exacte grootte van de breuk, zo zal 3,01 uiteraard minder afwijken dan 3,5.

De hamvraag is natuurlijk of het verschil ondubbelzinnig kan worden gemeten. Als dat kan, hebben we een behoorlijk interessante test van de aard van ruimte-tijd. Er is echter een probleem. De Casimirkracht meten is extreem moeilijk. De Casimirkracht is zo klein dat het pas in 1997 gelukt is deze te meten. Geen fysicus, Cheng incluis, durft het aan een voorspelling te doen over de grootte van de nieuwe kracht. Als deze dimensies inderdaad zo klein zijn als de Planckschaal, zal het extreem moeilijk zijn de effecten te meten. Ook wordt de Casimirkracht op een dergelijke kleine schaal extreem groot, deze neemt namelijk toe met de omgekeerd vierde macht van de afstand. Hier zal dus een indirecte methode moeten worden gebruikt.

Bron:
The Casimir Effect For Parallel Plates In The Spacetime With A Fractal Extra Compactified Dimension