snaartheorie – Visionair

De proefopstelling, zoals voorgesteld door Sarrazin en zijn collega's

Met neutronen een parallel universum detecteren

3 reacties / natuurkunde, Universum, Visionaire vragen, Wetenschap / Door Germen Roding / 21 februari 2015 21 februari 2015

Volgens meerdere kwantuminterpretaties en de snaartheorie bestaan er naast ons knusse universum meerdere parallelle universa. Ons heelal lijkt de sporen te tonen van de botsing met iets, zelfs voor astronomische begrippen, enorms. Nu komen Belgische natuurkundigen met een bruikbare methode om uit te vinden of er een parallel universum is naast dat van ons. En nog beter, een manier om naar een parallelle wereld te reizen…

De perfecte bankroof
Stel, je zou van dit heelal naar een parallel heelal kunnen reizen en weer terug. Dan zou je vrij gemakkelijk goudstaven kunnen roven uit de kluis van de Nederlandsche Bank. Eerst stap je in huis in een ruimtepak, want in een parallel universum is de kans aanwezig dat je in het luchtledig terecht komt. Immers, het universum, dus ook een parallel universum, waar de natuurwetten op die van ons lijken, bestaat vrijwel geheel uit leegte. Dan gebruik je je apparaat, gaat met je stuwraketjes naar de locatie waar de goudstaven liggen in dit heelal en keert terug. Je vult je grote plunjezak met vele kilo’s goud en volgt dezelfde route. Terwijl jij gniffelend je buit telt en toekomstplannen maakt, komt er een ingelast extra journaal op TV.

Ander heelal
Volgens sommige theorieën kunnen deeltjes uit andere universa naar dit universum reizen en andersom. Dit kan als twee zogeheten 3-branen, de term in de snaartheorie voor driedimensionale parallelle universa, elkaar dicht genoeg naderen. Volgens sommige varianten van deze theorie bestaan deeltjes in meerdere branen tegelijkertijd: een vorm van superpositie.

Botst één van deze deeltjes, bijvoorbeeld een neutron, met een ander deeltje, dan verdwijnt deze superpositie en “kiest” het deeltje tussen één van de universa waarin het voorkomt. Op dit manier kunnen neutronen van het ene 3-braan naar het andere lekken, aldus de onbewezen theorie althans. Stel, één van deze neutronen reist in het parallelle universum verder en wipt door een ander proces terug naar dit universum. Dan zullen barriÃ¨res in dit universum, zoals de mantel rond een kernreactor, de neutronen niet tegenhouden en zullen sommige van deze neutronen toch gedetecteerd kunnen worden.

Geen afwijkingen
We zien in het dagelijks leven nooit deeltjes uit het niets verschijnen of verdwijnen. Deze lekkage komt dus vrijwel nooit, tot nooit voor. Vinden we neutronen die wél in staat zijn om van de ene braan naar de andere te springen, dan hebben we een doorslaggevend bewijs voor het bestaan voor een heelal naast het onze.

De voornaamste technische uitdaging is uiteraard hoe we neutronen uit ons universum kunnen onderscheiden van neutronen uit een parallel universum. Sarrazin en zijn collega’s willen dit bereiken door een kernreactor waaruit grote hoeveelheden neutronen vrijkomen, zelf denken ze aan de zeer krachtige neutronenleverende reactor van Institute Laue Langevin (ILL) in het Franse Grenoble, goed af te schermen en hier in de buurt een neutronendetector te plaatsen. Langzame, “thermische”, neutronen worden weggevangen door een mantel met een boorrijke verbinding rond de detector te plaatsen. Neutronen die ze waarnemen, moeten dus binnen de detector zijn opgedoken. Een tweede methode is, het vergelijken van de hoeveelheid waargenomen neutronen als functie van de afstand van de kernreactor. Staat de detector twee keer zo ver weg, dan zou het aantal waargenomen neutronen moeten dalen tot een kwart. Een derde methode is het meten van seizoenseffecten. Volgens de braantheorie waar Sarrazin c.s. in geloven, leidt een veranderend zwaartekrachtsveld tot meer of juist minder braaninteractie. De baan van de aarde om de zon is een ellips, waardoor er een lichte verandering in de zwaartekracht optreedt in de loop van het jaar. Dit zou dus een seizoenseffect op moeten leveren.

Door een muur schijnen
Dit effect zou ook met andere deeltjes, zoals fotonen kunnen optreden. Eerdere soortgelijke experimenten, waarbij met een sterke laser op een muur werd geschenen, leverden echter niets op. Het aantal deeltjes in een laser is vele ordes van grootte groter dan de neutronenflux uit een kernreactor. Onze apparatuur om fotonen te meten is ook veel gevoeliger, vrijwel 100% van alle fotonen wordt gedetecteerd. Als een foton uit de laserstraal de binnendoorgang via een parallel braan had genomen, hadden deze onderzoekers dit gemeten. Of dit iets gaat opleveren is dan ook de vraag.
Aan de andere kant zijn de gevolgen van het ontdekken van een parallel universum waar we heen kunnen reizen, enorm. Mogelijk zelfs de grootste ontdekking ooit in de geschiedenis van de mensheid. Als onderzoeksonderwerp dus zeker meer dan de moeite waard.

Bron
Probing braneworld hypothesis with a neutron-shining-through-a-wall experiment, ArXiv preprint server, 2015

Geliefden herenigd in zwart gat

6 reacties / Ideeën, Visionaire vragen / Door Germen Roding / 3 augustus 2013 2 augustus 2013

Kwantumverstrengeling maakt het mogelijk voor geliefden op vele lichtjaren afstand om elkaar toch te ontmoeten. Nadeel: om dit plannetje uit te voeren moet je wel wat zware sterren opstoken, maar dan heb je ook wat: enkele fracties van seconden tot enkele weken samen in een kwantumverstrengeld zwart gat.

Het recept gaat ongeveer zo.
Neem een enorme hoeveelheid kwantumverstrengeld licht, verdeel dit over beide geliefden (laten we ze Alice en Bob noemen) en fabriceer er twee zwarte gaten van. Spreek vervolgens een tijdstip af dat je er allebei tegelijk in springt. Als de zwarte gaten maar groot genoeg zijn, bijvoorbeeld omdat je een paar dwergsterrenstelsels opstookt, kan je tot enkele weken samen doorbrengen voor je in stukjes wordt vermalen.

Dan moet de nieuwe theorie van snaarbeoefenaars Juan Maldacena en Leo Susskind, volgens welke dit mogelijk is, natuurlijk wel kloppen. Hoewel kwantumverstrengeling overtuigend is aangetoond, geldt dit niet voor zwarte gaten. Hoewel we objecten kennen die alleen te verklaren zijn door aan te nemen dat het zwarte gaten zijn (bijvoorbeeld Sgr A in het centrum van de Melkweg), is niet bekend hoe zwarte gaten zich binnen de waarnemingshorizon gedragen. Wacht dus nog even met springen. Het is vermoedelijk slimmer om de kwantumfunctie van Alice of Bob te klonen (waarbij je het no-cloning theorem omzeilt door ‘slechte’ kopieën te maken) en die als laserbundel te versturen. Diot kost veel minder energie.

Bron
Leonard Susskind en Juan Maldacena, Cool horizons for entangled black holes, Arxiv preprint (2013)

Video: wat was er voor de Big Bang?

18 reacties / Filosofie, Universum, Wetenschap / Door Germen Roding / 21 februari 2012 21 februari 2012

De kosmologische theorieën van nu beginnen allen met de Big Bang: een punt van bijna oneindige dichtheid dat 13,7 miljard jaar in het verleden ligt. Adepten van de snaartheorie denken echter dat het heelal zoals we dat nu kennen het gevolg is van de botsing van twee n-branen, veeldimensionale vlakken. Ze denken ook dat er dus voor de Big Bang al tijd bestond. De BBC maakte deze mooie animatie van wat er gebeurt als twee n-branen elkaar raken. Zouden ze gelijk hebben? Oordeel zelf…

Ondanks alle borstklopperij van de snaaradepten is er voor de snaartheorie op dit moment nog geen experimenteel bewijs gevonden. Sterker nog: er is nog geen enkel uitvoerbaar experiment dat de waarheid of onwaarheid van de snaartheorie kan aantonen.

De fenomenologie van de schaarse verschijnselen die buiten het Standaardmodel of de algemene relativiteitstheorie liggen, is op dit moment nog te omstreden (ook qua experimentele betrouwbaarheid) om uitspraken te kunnen doen over de waarheid of onwaarheid van de snaartheorie.

Volgens de snaartheorie zijn er naast ons heelal, nog vele parallelle heelallen. Bron: Wikipedia/Silver Spoon

‘Neutronen kunnen naar ander universum ontsnappen’

3 reacties / Universum, Wetenschap / Door Germen Roding / 24 januari 2012 24 januari 2012

In theorie is het mogelijk dat deeltjes van ons universum naar een ander universum reizen, aldus enkele natuurkundigen. En nog meer goed nieuws: de technologie om dit idee uit te testen is nu al beschikbaar. Hoe groot zijn de kansen dat we een bezoek kunnen brengen aan een ander heelal?

Multiversum
Veel natuurkundigen nemen aan dat ons heelal deel uit maakt van een veel uitgebreidere multidimensionale ruimte. Een fascinerend idee. Hoe zou het leven zijn in een ander heelal, waar de natuurwetten waarschijnlijk anders zijn dan hier? Het idee is niet zuiver science fiction. In feite zijn er zelfs een aantal goede argumenten om aan te nemen dat ons heelal niet het enige is. Neem bijvoorbeeld de natuurconstanten die nauwkeurig af moeten zijn gesteld om leven mogelijk te maken. Ons heelal is dan een van de weinige ‘levende’ heelallen in het multiversum.

Snaartheoretici geloven in het bestaan van een meerdimensionale ruimte, waar ons driedimensionale (plus tijddimensie) heelal in ronddobbert, in snaarjargon braanwerelden. Ons heelal is dan een 3-braan. Een van de mogelijkheden die voortvloeien uit deze (overigens omstreden, want nog niet door experimenten getoetste) theorie is dat soms deeltjes uit ons universum naar een ander universum kunnen reizen. Dat zou letterlijk het best denkbare nieuws zijn. Immers: als wij mensen kunnen ontsnappen uit dit heelal, zouden we de dood van het heelal kunnen overleven.

‘Materie springt naar ander heelal’
Een aantal jaren geleden toonde Michael Sarrazin van de Belgische universiteit van Namen met een aantal anderen aan hoe materie deze sprong naar een ander heelal kon maken als er een sterk magnetisch potentieel aanwezig is. Althans: als de snaartheorie juist is. Nu gaat Sarrazin verder. Hij stelt dat het Melkwegstelsel een voldoend groot magnetisch potentieel opwekt om dit ook echt plaats te laten vinden. We bevinden ons in het Melkwegstelsel, dus als dat zo is, moeten we in staat zijn materie op heterdaad te betrappen in een lab. Sterker nog: misschien hebben andere onderzoekers deze spookachtige gebeurtenissen al waargenomen zonder dat ze dat doorhadden.

IJskoude verdwijntruc van neutronen
De experimenten in kwestie zijn experimenten met ultrakoude neutronen: bij hogere energie treedt het effect nauwelijks op. Neutronen vormen samen met protonen atoomkernen. Zonder protonen vallen neutronen na gemiddeld iets minder dan vijftien minuten radioactief uiteen in een proton, elektron (+ elektron-antineutrino): bÃ¨ta-emissie. Alle radioactieve processen waarbij elektronen vrijkomen heten bÃ¨ta-emissie; alfastraling bestaat uit heliumkernen en gammastraling uit extreem krachtige lichtdeeltjes (fotonen)). Neutronen bewegen bij zeer lage temperaturen zo langzaam, dat het mogelijk is ze te vangen in een ‘fles’ van magnetische velden, normale materie of zelfs de zwaartekracht. Deze experimenten vinden onder meer plaats in het Institut Laue Langevin in Grenoble, Frankrijk, en het St. Petersburg Institute of Nuclear Physics in Rusland, bijvoorbeeld om de bÃ¨ta-emissie te bestuderen. Fysici meten hoe vaak de neutronen de wanden van de flessen raken en hoe snel de vervalsnelheid terugloopt.

Ander universum
Voor deze afname in vervalsnelheid zijn twee processen verantwoordelijk. De (bekende) snelheid waarmee neutronen uiteen vallen en de snelheid waarmee neutronen ontsnappen aan de fles. In het geval van de ideale, volmaakt afgesloten fles moet de vervalsnelheid gelijk zijn aan de bekende bÃ¨ta-vervalsnelheid. De flessen zijn niet ideaal dus is de vervalsnelheid altijd groter dan de bÃ¨tavervalsnelheid. Er is echter nog een derde proces denkbaar dat leidt tot het verdwijnen van neutronen, aldus Sarrazin. Het weglekken van neutronen naar een ander universum. Sarrazin en zijn groep hebben nu de meetresultaten van verschillende experimenten doorgespit om een bovenlimiet op dit proces vast te stellen. Deze ligt onder één op de miljoen. Erg vaak komt het weglekken van materie dus niet voor. Als het al voorkomt.

Een jaar neutronen vangen
De groep-Sarrazin geeft echter niet op en denkt dat de grens zelfs nog strikter gesteld kan worden. Een verandering in de zwaartekrachtspotentieel zou, stellen ze, ook de snelheid van materieverval moeten beïnvloeden. Hun voorstel: gedurende een jaar neutronen vangen en gevangen houden, zodat de aarde tijdens het experiment één omloop rond de zon afgelegd heeft. Als een seizoenseffect wordt aangetoond, zou dit een sterke aanwijzing zijn dat inderdaad neutronen geregeld een ommetje maken naar een ander heelal. Er zijn ook andere verklaringen denkbaar, interactie met donkere materie bijvoorbeeld, maar hoe dan ook: als dit seizoenseffect wordt aangetoond, zou dit betekenen dat onze bestaande natuurkunde incompleet is. En het mooie is: dit kan eenvoudig met de technieken die we nu hebben. Ik zeg: gewoon doen. Dan maar een “humanitaire” oorlog minder. Voor wat we daarmee besparen kunnen we honderden van dit soort grensverleggende experimenten doen.

Bron
Sarrazin et al., Experimental Limits On Neutron Disappearance Into Another Braneworld, ArXiv (2012)

Volgens de algemene relativiteitstheorie zit er in elk stilstaand zwart gat een punt met oneindige dichtheid, de singulariteit. maar... zouden er ook naakte singulariteiten zijn?

‘Naakte singulariteit in vijfde dimensie mogelijk’

54 reacties / Universum, Wetenschap / Door Germen Roding / 16 januari 2012 16 januari 2012

Kosmoloog Lehner koos een wel heel ongelukkig moment om Hawking te vertellen dat hij weer een weddenschap verloren heeft: diens zeventigste verjaardag. Als de snaartheorie klopt, bestaan er namelijk punten waar alle natuurwetten op tilt gaan in de vijfde dimensie.

Punt met oneindige dichtheid
Een beetje spijt had Luis Lehner van het Perimeter Institute in Ontario, Canada, wel, maar hij deed het toch. De weddenschap in kwestie ging over de vraag of een singulariteit, een punt met oneindige dichtheid en dus kromming van ruimtetijd, ook buiten de waarnemingshorizon van een zwart gat kan bestaan. Bij een stilstaand zwart gat voorspelt de algemene relativiteitstheorie namelijk dat ruimtetijd instort tot een punt, waar alle natuurkundige wetten die we kennen, niet meer voor gelden. Om een singulariteit wordt de wereld compleet onvoorspelbaar.

Bestaat er een naakte singulariteit?
Om dat punt ligt de waarnemingshorizon van een zwart gat, het grensvlak waarbinnen alles onherroepelijk wordt opgeslokt door het zwarte gat.
Dat scheelt natuurkundigen veel hoofdbrekens, want de waarnemingshorizon beschermt zo de rest van het heelal tegen de singulariteit. Reden voor Hawking om in 1991 met collega’s Kip Thorne en John Preskill de weddenschap aan te gaan, dat dit voor iedere singulariteit geldt. Met andere woorden: naakte singulariteiten bestaan niet. Het heelal zoals we dat kennen blijft altijd netjes voorspelbaar.
Zes jaar later verloor Hawking de weddenschap. Er bleken situaties te bestaan waarin naakte singulariteiten konden bestaan. Wel bleken deze uiterst instabiel: bij de geringste verstoring vormden ze een waarnemingshorizon.

Snaartheorie voorspelt naakte singulariteiten in vijfde dimensie
Lehner heeft nu een nieuwe situatie bedacht waarin naakte singulariteiten kunnen bestaan: in de extra dimensies die ons heelal volgens de snaartheorie heeft. Niet als afwijking,maar als regel.

“Zwarte snaren”
De singulariteit in een zwart gat is te zien als een punt in een vierdimensionale ruimte: drie ruimtedimensies plus de tijd. Als hieraan een vijfde dimensie wordt toegevoegd, verandert de singulariteit in een snaar – de zogenoemde zwarte snaar. Zwarte snaren zijn instabiel en breken uiteen in kleinere zwarte gaten, ongeveer zoals een waterstraal in druppels uiteenvalt. In zijn wiskundige afleiding toonde Lehner aan dat op het moment dat een kleiner zwart gat van de stroom afbreekt, de doorsnede nul is en de dichtheid dus oneindig – met andere woorden, een naakte singulariteit.

Heeft het heelal wel vijf dimensies?
De snaartheorie is nog nooit experimenteel getoetst en hiermee nog steeds omstreden. Fervente snaarhaters (waaronder ikzelf) vragen zich daarom af of er wel iets als snaren bestaan en of het heelal inderdaad meer dan vier dimensies heeft. In feite is er zelfs een theorie (het holografische principe) die stelt dat het heelal maar twee ruimtedimensies heeft, waaruit de derde dimensie als emergente eigenschap tevoorschijn komt. Kortom: Hawking en de andere natuurkundigen hoeven zich voorlopig nog geen zorgen te maken over hoe ze het gedrag van een naakte singulariteit moeten beschrijven…

Bron
‘Naked black hole hearts live at the fifth dimension’- New Scientist (2012)

Een wormtunnel ziet er ongeveer zo uit. Zou dit de verklaring zijn voor de snelle neutrino's?

‘Neutrino’s sneller dan licht vanwege sprong door andere dimensie’

41 reacties / Wetenschap / Door Germen Roding / 24 september 2011 24 september 2011

Terwijl experimenteel fysici op enkele plaatsen in de wereld koortsachtig proberen de sneller-dan-licht meting van neutrino’s te herhalen – wat vereist is om het experiment te erkennen als valide – zijn theoretici druk bezig om dit voor de meesten totaal onverwachte resultaat te verklaren. Een meer buitenissige theorie: de neutrino’s reisden sneller dan het licht omdat ze afsneden door een andere dimensie.

De regel in de speciale en algemene relativiteitstheorie, dat niets sneller beweegt dan de lichtsnelheid, c, is onverbiddelijk. Tot voor kort is er geen enkel verschijnsel waargenomen dat zich sneller voortplant dan het licht. Weliswaar is een sneller-dan-licht golf na te bootsen, maar dit gebeurt dan door elektrische schakelaars sneller dan het licht tussen de schakelaars kan reizen, af te vuren. Er is dan geen causale verbinding tussen deze schakelaars: die zijn domweg zo ingesteld dat ze sneller dan het licht achter elkaar vuren.

Wat gebeurt er als iets sneller dan het licht gaat?
Zodra iets werkelijk sneller dan het licht beweegt, gebeuren er heel enge dingen met de Lorentz-vergelijking die de tijddilatatie (tijdvertraging) beschrijft. Voor een fysicus althans. In de Lorentz-transformatie, die de tijdvertraging beschrijft, zie hieronder, staat er in de noemer een wortel:

[latex]\gamma = \frac{1}{\sqrt{1-v^2/c^2}} [/latex]

Let op wat onder dat wortelteken staat (1-v²/c²). Als de snelheid (v) groter wordt dan de lichtsnelheid (c), wordt v²/c² groter dan 1, dus 1-v²/c² wordt kleiner dan nul. Met andere woorden: er komt onder de wortel een negatief getal te staan. Dit mag niet volgens de wiskundeleraar van de middelbare school, maar lees even verder. Nu wordt het pas echt interessant.

De wortel uit een negatief getal is imaginair: het imaginaire basisgetal i is gedefinieerd als de wortel van -1. Iets dat sneller beweegt dan het licht, gesteld dat het kan, krijgt dus een imaginaire tijdlijn (en een imaginaire lengte). De reactie van de meeste fysici hierop is: dit kan niet, dit betekent niets. Een weinig visionaire opvatting. We weten immers uit andere terreinen in de natuurkunde dat imaginaire getallen hierin wel degelijk een zeer belangrijke rol spelen en ook fysisch relevante verschijnselen beschrijven. Denk bijvoorbeeld aan de (kwantum) SchrÃ¶dingervergelijking, het fundament van bijna de hele natuurkunde, waar ook die ‘vermaledijde’ i in voorkomt:

[latex]i\hbar\frac{\partial}{\partial t} \Psi = \hat H \Psi[/latex]

Kortom: waarschijnlijk missen we veel interessante verschijnselen door dit soort fantasieloosheid. Wie weet zijn er “onverklaarbare” verschijnselen die verklaard kunnen worden door aan te nemen dat een deeltje sneller dan het licht bewoog. Kortom: denk imaginair.

Een wormtunnel ziet er ongeveer zo uit. Zou dit de verklaring zijn voor de snelle neutrino's?

‘Neutrino’s bewegen exact met de lichtsnelheid‘
Het raadsel wordt nog groter door waarnemingen aan een hypernova in de Grote Magelhaense Wolk, SN 1987-a. Drie uur voor de eerste tekens van deze supernova op 168.000 lichtjaar afstand zichtbaar werden, begonnen neutrino-detectoren over de hele wereld als razenden signalen door te geven. Inderdaad wordt volgens de gangbare modellen voor sterevolutie bij een hypernova een belangrijk deel van de massa van de ster omgezet in een stortvloed van neutrino’s. Neutrino’s razen overal doorheen zonder gehinderd te worden, in tegensteling tot lichtdeeltjes. Dit gedrag was dan ook keurig volgens de standaard astrofysische modellen. De snelheid van neutrino’s, zo werd hiermee aangetoond, is vrijwel exact gelijk aan de lichtsnelheid. Was hun snelheid inderdaad een veertigduizendste hoger dan de lichtsnelheid geweest, zoals in het CERN experiment, dan waren de neutrino’s vijf jaar eerder al aangekomen en waargenomen.

Fout in de afstandsmeting?
Volgens veel theoretici is dit het bewijs dat er iets aan het experiment niet klopt. Misschien dat het Italiaanse lab dichter bij het CERN ligt dan eerder aangenomen. Om het verschil van een veertigduizendste te verklaren, zou Gran Sasso dan hemelsbreed 18 m dichter bij Zwitserland moeten liggen dan tot nu toe aangenomen. De afstand is, volgens CERN en OPERA onderzoekers althans, echter tot op twintig centimeter nauwkeurig bekend. We kunnen er van uitgaan dat ook deze mogelijkheid de komende weken grondig nagelopen zal worden.

Reizen neutrino’s door andere dimensies?
Uiteraard doen ook aanhangers van de snaartheorie een duit in het zakje. Zo ziet zij hierin een bewijs dat de neutrino’s door een andere dimensie heen reizen, waardoor ze als het ware ‘afsnijden’. Dit zou een spectaculaire ontdekking zijn. Als we dit effect kunnen manipuleren, zouden we sneller dan het licht kunnen reizen of communiceren, of misschien zelfs naar een ander heelal reizen. N-branen, stukken ruimte met één of meer dimensies, maken een belangrijk deel uit van snaartheorie. Volgens de theoretici zou in een sterk vervormd braan de speciale relativiteitstheorie niet meer opgaan en zullen er afwijkingen ontstaan.

Bron:
onder meer New Scientist

Pulsars zijn de extreem snel ronddraaiende overblijfselen van uitgebrande zware sterren. We nemen ze waar als de bundel van straling over de aarde 'zwiept'.

Heeft het heelal extra dimensies? Snaartheorie getest

8 reacties / Universum, Wetenschap / Door Germen Roding / 22 augustus 2011 22 augustus 2011

Ontsnappen aan een zwart gat is uitermate ingewikkeld, om maar een stevig understatement te gebruiken. Toch is er misschien een mogelijkheid. Als het universum extra dimensies heeft, zou dat moeten blijken uit het gedrag van pulsars, rondtollende neutronensterren.

Volgens de snaartheorie, omstreden maar erg populair onder veel natuurkundigen, zijn er extra ruimtelijke dimensies naast de drie die we in ons dagelijks leven kunnen waarnemen. De snaartheorie is in tegenstelling tot de nu gesneuvelde loop quantum gravity echter tot nu toe onmogelijk te testen, reden voor o.m. fysicus Lee Smolin de snaartheorie als onwetenschappelijk af te doen, ‘not even wrong’.

Snaargoeroe John Simonetti van Virginia Tech in Blacksburg en zijn collega’s zeggen nu echter dat zwarte gaten waar neutronensterren omheen draaien precies dat kunnen doen – als we tenminste een dergelijk bizar paar vinden. Volgens Simonetti produceert het heelal proefopstellingen die we op aarde onmogelijk kunnen realiseren. Zwarte gaten verdampen volgens Stephen Hawking langzaam. Zonder extra dimensies moet dit proces extreem langzaam verlopen voor grote zwarte gaten van enkele zonsmassa’s of meer.

Extra dimensies zouden de deeltjes echter meer manieren moeten geven om te ontsnappen, wat het verdampingsproces zou versnellen. Het effect hiervan is dat zwarte gaten snel gewicht verliezen en neutronenstrerren elk jaar enkele meters van het centrale zwarte gat verwijderd raken. Dat is te meten. Rondtollende neutronensterren, pulsars, zijn namelijk extreem nauwkeurige ‘klokken’. De vuurtorenachtige pulsen van neutronensterren variëren namelijk een beetje, afhankelijk van de grootte van de baan van de neutronenster.

Bron
The Astrophysical Journal, DOI: 10.1088/2041-8205/737/2/l28

Luskwantumzwaartekracht sneuvelt

5 reacties / Universum, Wetenschap / Door Germen Roding / 1 juli 2011 18 december 2021

Volgens sommige natuurkundige theorieën, zoals luskwantumzwaartekracht en sommige varianten van de snaartheorie, is ruimte en tijd op de extreem kleine afstand van Planck korrelig. Dat zou moeten blijken uit verschillen tussen gammastraling met hoge en lage energie die miljarden jaren heeft gereisd. European Space Agency’s Integral gamma-ray observatory toont echter geen verschillen. Er zijn dus helemaal geen korrels, of ze zijn veel en veel kleiner dan tot nu toe gedacht. Dus exit luskwantumzwaartekracht. Ruimtetijd is duidelijk nog veel vreemder dan we ons tot nu toe voor konden stellen…

De koude oorlog tussen kwantummechanica en de algemene relativiteitstheorie

Alle natuurkunde zoals we die op dit moment kennen, berust op twee grote theorieën. De algemene relativiteitstheorie van Einstein, die de zwaartekracht beschrijft en de kwantummechanica, die in drie (of twee) versies voorkomt: QED (voor elektromagnetisme) en QCD, voor de sterke kernkracht. De zwakke kernkracht is samengevoegd met de elektromagnetische kracht in de zogeheten elektrozwakke wisselwerking. Deze kwantumtheorieën samen heten het Standaardmodel.
Het goede nieuws is dat alle tot nu toe bekende natuurkundige verschijnselen met deze twee theorieën zeer nauwkeurig beschreven kunnen worden. Wel moeten er heel wat natuurconstanten kunstmatig ingevoerd worden. Denk aan dingen als de massa van een elektron of de sterkteverhouding tussen krachten. Iets wat natuurkundigen een gruwel is. Dat riekt immers naar knoeien. Het slechte nieuws is dat de algemene relativiteitstheorie en kwantummechanica, voorzichtig uitgedrukt, niet dol op elkaar zijn. Elke poging deze twee samen te voegen leidt tot wiskundige nachtmerries. Einstein stierf terwijl hij tevergeefs probeerde de Theorie van Alles te vinden.

De Theorie van Alles
Er zijn twee scholen in de kwantumzwaartekracht: natuurkundigen die uitgaan van Einsteins algemene relativiteitstheorie en van daaruit de kwantummechanica proberen te verklaren en natuurkundigen die uitgaan van kwantummechanica en daaruit de relativistische theorie proberen te verklaren. De voornaamste ‘contenders’ in de strijd om de Theorie van Alles zijn de snaartheorie (waar er overigens zeer veel van zijn) en de luskwantumzwaartekracht. De snaartheorie komt van oorsprong uit de deeltjesfysicahoek en gaat dus uit van het Standaardmodel, de luskwantumzwaartekrachtstheorie gaat uit van de algemene relativiteitstheorie.

Voorspelling luskwantumzwaartekracht komt niet uit
Luskwantumzwaartekracht voorspelt dat de ruimte op zeer kleine schaal uit ondeelbare korrels bestaat: ‘atomen’ dus van ruimtetijd. Deze ‘korrels’ zijn zo groot als de Plancklengte: een onvoorstelbaar kleine 1,6 * 10^-35 meter. Ter vergelijking: als een proton zo groot zou zijn als de aarde, zou deze lengte ongeveer honderd protonen achter elkaar zijn. Deze atomen verstoren extreem energierijke deeltjes. Hoe energierijker een deeltje, des te korter de golf die er bij hoort en hoe groter de effecten van de ruimtetijdkorrels worden. Het gevolg is dat zeer energierijke gammastraling meer verstoord wordt door de ruimtetijdatomen dan weinig energierijke gammastraling. Door gammaflitsen waar te nemen van miljarden lichtjaren afstand, worden de effecten van de ruimteatomen sterk vergroot.

Verwerping luskwantumzwaartekracht bewijst dat het hier om een volwaardige natuurkundige theorie ging
Helaas voor de aanhangers van de luskwantumzwaartekracht: er blijken geen verschillen te zijn. Zowel energierijke als energiearme gammastraling blijken even sterk verstrooid te worden. Er is zelfs een nieuwe bovenlimiet voor de grootte van ruimteatomen: 10^-48 m. Dat is tien biljoen maal kleiner dan de “limiet” van de Plancklengte. Kortom: exit loop quantum gravity. Een bittere pil voor LQG-grootheden als Smolin en de zijnen. Toch kunnen deze mensen op één ding terecht trots zijn. Hun theorie was in tegenstelling tot de snaartheorie, experimenteel te verwerpen. Dat is nu ook gebeurd. Zoals een echte wetenschappelijke theorie betaamt.

Er is helaas geen fysisch experiment te bedenken waarmee de snaartheorie is te verwerpen. Lees deze interessante column: string theory: not even wrong. De snaartheorie is maar op één manier om zeep te helpen: Occams Scheermes.

Bron:
Quantum ‘Graininess’ of Space at Smaller Scales? Gamma-Ray Observatory Challenges Physics Beyond Einstein (Science Daily, 2011)

Tijdreizen. Zal het ooit lukken? Volgens twee snaartheoretici doen we het al...

‘LHC is eerste tijdmachine’

6 reacties / Wetenschap / Door Germen Roding / 16 maart 2011 17 maart 2011

Toegegeven: je moet er voor in de snaartheorie en Higgsdeeltjs geloven, maar de theorie van fysici Tom Weiler en Choi Man Ho is, als deze klopt, baanbrekend: de enorme versneller LHC zou de eerste tijdmachine ter wereld zijn. Voor steriele neutrino’s, althans.

Treurig snarenspel
Het gaat niet echt goed met de snaartheorie. Ooit bejubeld als de theorie van alles, heeft de theorie in de veertig jaar dat deze bestaat, een indrukwekkende brij aan wiskundige formules opgeleverd, maar weinig concrete, toetsbare resultaten. Ook met het vinden van het Higgsdeeltje, met de bombastische bijnaam The God Particle, wil het niet vlotten. Zelfs het gecombineerde geweld van het Tevatron en de Large Hadron Collider, de twee grootste versnellers ter wereld, heeft nog geen levensteken van het Higgsdeeltje opgeleverd.

Tijdreizen
De theorieën uit het snaarkamp blijven niettemin nog steeds even woest.

Het nieuwste bedenksel, uit de koker van neutrino-onderzoekers en snaartheoretici Tom Weiler en Chiu Man Ho, is, moet eerlijk toegegeven worden, spectaculair en visionair wat betreft de reikwijdte. Een groot deel van de tijd is de LHC bezig protonen zo hard tegen elkaar te beuken dat er biljoenen elektronvolt aan energie vrijkomt. Dat levert een ware regen aan deeltjes op, waartussen, hopen de LHC-experimentatoren, het langverwachte Higgsdeeltje zit (volgens de laatste schattingen moet de massa van het Higgsdeeltje rond de 0,1-0,2 TeV liggen, dat is een paar procent van wat de LHC maximaal aan energie op kan wekken). Het Higgsdeeltje kan verklaren waarom deeltjes massa hebben, vinden de Higgs-gelovigen, doordat het zou kleven aan alle deeltjes waarvan de massa is gemeten.

Je grootvader vermoorden kan niet, een boodschap sturen wel
Volgens sommige varianten van de snaartheorie komt er bij de botsingen zoals in het LHC, naast het hypothetische Higgsdeeltje, ook een Higgs singlet vrij. Volgens Weiler en Ho kunnen deze singlets zowel terug als vooruit in de tijd reizen via een vijfde dimensie. Het Higgs singlet zou alleen op de zwaartekracht reageren. Daarom is het onmogelijk om met dit Higgsdeeltje terug te reizen in de tijd en, bijvoorbeeld, je grootvader te vermoorden (of een overleden popster, als je je doodergert aan zijn muziek), stelt Weiler. Wel kunnen volgens hem wetenschappers boodschappen naar het verleden sturen (wat uiteraard ook moordinstructies op je grootvader kunnen zijn. Foutje, bedankt).

Neutrino’s sneller dan het licht
Weiler begon zich in tijdreizende deeltjes te verdiepen toen hij op bepaalde neutrino-anomalieën stuitte. Hij kon die, stelt hij, verklaren door aan te nemen dat er steriele neutrino’s door een extra vijfde dimensie sneller dan het licht bewogen. Als je je referentieframes slim kiest, betekent sneller dan het licht reizen in bepaalde gevallen: terug in de tijd reizen. Neutrino’s zijn als uiterst ongrijpbaar sowieso al berucht onder experimentatoren: neutrinotelescopen zijn extreem grote bassins waar uiterst gevoelige detectoren signalen in proberen te vinden. Steriele neutrino’s zijn hypothetische neutrino’s die alleen door hun zwaartekrachtsinvloed te detecteren zijn. Kortom: het zou nog wel eens heel lang kunnen duren voor de mooie theoretische bedenksels van beide heren dor middel van een experiment kunnen worden getoetst…

Bronnen
Science Daily
Arxiv.org

Singulariteiten, punten waar natuurwetten onzinnige waarden opleveren, worden daarom intens gehaat door natuurkundigen.

Leven na de dood in zwarte gat

14 reacties / Filosofie, Universum, Wetenschap / Door Germen Roding / 25 december 2010 26 december 2010

Volgens een nieuwe theorie leef je voort als je in een zwart gat valt. Als geest, elders in het heelal.

Toegegeven: je moet er wel voor in de snaartheorie geloven en het experimentele bewijs daarvoor (niets, zelfs het Higgsdeeltje is nog niet gevonden) vinden we niet echt overtuigend. Daartegenover staat dat bijna alle theoretisch natuurkundigen fervente aanhangers van de snaartheorie zijn. En laten we eerlijk zijn, het idee dat we hierna bespreken is erg interessant voor visionair denkenden.

Zwarte gaten slokken alles op, zelfs licht. Niets kan ontsnappen volgens Einstein en Hawking. Informatie misschien wel, volgens twee fysici.

De gevreesde singulariteiten
Het verhaal begint bij zwarte gaten: objecten, meestal uitgeputte zware sterren, zo zwaar dat ruimtetijd eromheen zich opkrult en de ster afsluit van de rest van het heelal. Naar binnen gaan kan wel, naar buiten nooit meer. Na vele miljarden jaren (de precieze tijd hangt af van de massa, hoe groter hoe langzamer) verdampen de zwarte gaten door middel van Hawkingstraling, een soort warmtestraling.
Volgens Einsteins relativiteitstheorie gaat de ineenstorting door tot alle materie is samengeperst in een wiskundig punt, de singulariteit, waar onze natuurwetten niet meer opgaan. Singulariteiten zijn daarom gevreesde ondingen.

Geen wonder dat theoretisch natuurkundigen er alles aan doen om van singulariteiten af te komen. Een reden dat de snaartheorie zo populair is, is dat singulariteiten niet voorkomen in de snaartheorie: ruimtetijd bestaat volgens die theorie uit elementaire snaren.

Informatie die verdwijnt in het niets?
Een tweede vervelend probleem met zwarte gaten is de informatieparadox. Stel, je kiepert al je reclamedrukwerk (of aanmaningen van de deurwaarder, dat foeilelijke beeldje van je schoonmoeder of slechte rapportcijfers) in een zwart gat. Dan verdwijnen die voorgoed. Er is geen enkele manier waarop deze informatie terug te halen is.

Dat is in strijd met de kwantummechanica. Deze zegt dat in een waarschijnlijkheidsgolffunctie informatie altijd behouden blijft (in wiskundige termen voor de liefhebber: de SchrÃ¶dingervergelijking is een unitaire operator die altijd ondubbelzinnige uitkomsten geeft). En met kwantummechanica wil je als natuurkundige geen ruzie hebben, tenzij je Albert Einstein heet: QED, kwantumelektrodynamica, is namelijk verreweg de nauwkeurigste natuurkundige theorie die er bestaat. We kunnen soms tot op veertien decimalen, dat is één op honderd biljoen, nauwkeurig voorspellen hoe een door QED beschreven verschijnsel (het grootste deel van de natuurkunde, de complete scheikunde en daarvan afgeleide wetenschappen bijvoorbeeld) zich gedraagt. Ter vergelijking: G, de zwaartekrachtsconstante die zegt hoe sterk twee kilo’s op een meter afstand elkaar aantrekken, kennen we slechts met een miezerige vier decimalen precies.

Geest ontsnapt uit zwart gat
Weliswaar kan de materie waaruit we bestaan niet ontkomen aan het zwarte gat – Einsteins algemene relativiteitstheorie en ook de snaartheorie zijn daar onverbiddelijk over – er blijkt toch een escape te zijn.

Leven na de dood? Als de theorie van Frolov en Mukohyama klopt, kan informatie door een braantunnel ontsnappen uit een zwart gat.

Volgens de snaartheorie zijn er namelijk meer dimensies dan vier (lengte, breedte, hoogte, tijd) en sloopt een zwart gat ruimtetijd zo grondig dat de anders verborgen zeven dimensies (hemelen voor de mystici onder u) zichtbaar worden. De theoretisch fysici Valeri Frolov van de universiteit van Alberta in Canada en Shinji Mukohyama van de universiteit van Tokyo denken dat ons heelal in een meerdimensionaal multiversum zweeft en dat het goed mogelijk is dat de meetkunde in het multiversum heel anders is dan die van ons. Met andere woorden: punten die in onze wereld niet met elkaar verbonden zijn, zijn dat in het multiversum misschien wel. De informatie, de geest, van de ongelukkige die in een zwart gat valt, duikt zo misschien op in een heel ander deel van het heelal. Als die informatie bij elkaar blijft, tenminste.

Frolov en Mukohyama noemen dit een braangat (braan is een snaartheorieterm voor een n-dimensionaal vlak, een plat vlak is bijvoorbeeld een 2-braan en een lijn een 1-braan).
Braangaten hebben het nadeel (of voordeel) van alle wormgaten. Je kan er namelijk in principe sneller dan het licht of zelfs door de tijd mee reizen. Je zou dus jezelf in het verleden de winnende combinatie van de lotto kunnen toefluisteren. Of kunnen waarschuwen dat je vooral niet in het zwarte gat moet springen…