Massa maken uit licht

Share Button

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 maken uit het ‘niets’
Einstein voorspelde dat je massa kunt maken uit energie.

Stel, je propt onvoorstelbaar veel lichtenergie in een spiegelende bol, dan ontstaat massa... uit het niets...

Stel, je propt onvoorstelbaar veel lichtenergie in een volmaakt spiegelende, massaloze bol, dan ontstaat massa... uit het niets...

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.

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.

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…

Share Button

Germen

Hoofdredacteur en analist (Visionair.nl) Expertise: biologische productiesystemen (master), natuurkunde (gedeeltelijek bachelor), informatica

Dit vind je misschien ook interessant:

14 reacties

  1. Julie schreef:

    De kwestie van massa uit energie gaat eigenlijk ook over het deeltjes- of golfkarakter, en over de combinatie van kwantumtheorie en zwaartekrachttheorie.
    (en praktijk haha).De hypothese van De Broglie stelt dat alle materie het karakter heeft van een golf waarvan de golflengte afhangt van de massa en de snelheid van dat deeltje. Ondertussen ontstaat materie door atomen, waarin energie zit opgesloten. De atomen bestaan uit positieve ladingen van protonen, en daarom heen negatieve ladingen van electronen en in de kern nog neutraliserende neutronen. Een electron heeft een elementaire massa, dus het gewicht van het atoom verandert bij een electron minder of erbij. Volgens mij gaat het bij materie over aantrekking en afstoting door de ladingen. Als electronen met voldoende snelheid op een positieve lading botsen, door het spanningsverschil tussen + en -, wordt straling opgewekt met een bepaalde energie, de energie van de straling is voornamelijk afhankelijk van de spanning tussen + en -. Röntgenstraling ontstaat door botsing van snelle electronen op materie (remstraling).
    Een foton ontstaat in het algemeen als energie wordt afgestaan door een electron die terugvalt in een lagere energietoestand, of als een atoomkern desintegreert (gammastraling). Verder als een electromagnetisch veld in sterkte varieert, of bij annihilatie, als electron-positron paren worden gemaakt (laser).
    Een foton komt als energie vrij en heeft geen gewicht.
    Volgens de kwantumtheorie van Planck vindt electromagnetische straling plaats in de vorm van energiepakketjes, (quanten of fotonen).
    Omdat de fotonen het vermogen hebben electronen uit atomen te schieten, waardoor deze atomen een electrische lading krijgen, worden gamma- en röntgenstraling bestempeld als ioniserende straling.
    De lokale tijd van een foton staat stil. De ruimtelijke tijd is variabel. De ruimte/tijd op en om de aarde is dichter of fijnmaziger dan verder in het heelal; de tijd en ruimte is uitgestrekter, de mazen zijn groter. Met dezelfde snelheid legt het foton een grotere afstand in minder tijd af.
    P= E gedeeld door C. (relativistische impuls P)
    Hoe groter de mazen hoe minder er “getrokken” wordt aan het foton. Hoe kleiner de mazen hoe meer het licht wordt aangetrokken.
    Dus iets heeft massa als het energie heeft of opneemt.
    (extreem voorbeeld is zwarte gat). Dus een impuls aan fotonen maakt massa. De relativistische impuls P vergroten.
    Zwaartekracht is niet te onderscheiden van de versnelling zoals we die in een lift, bocht of raket ondervinden.
    Dit is geheel analoog aan het vervallen van het onderscheid tussen magnetische en electrische krachten.
    En het standaardmodel is nog niet verenigd met de algemene relativiteitstheorie, in een enkele consistente theorie.
    Maar ladingen zijn ook krachten; afstotende en aantrekkende krachten.

  2. Barry schreef:

    Wat mij betreft zijn er nog wel meer puzzelstukjes die ontbreken.

    De woorden:Stel, je propt onvoorstelbaar veel lichtenergie in een volmaakt spiegelende, massaloze bol, dan ontstaat massa… uit het niets…
    Klinken wel leuk maar zijn niet logisch.

    Je zou in theorie een bol kunnen maken van een magnetisch veld maar om die bol te kunnen laten spiegelen heb je gewoon onvermijdelijk massa nodig. Als je het woordje spiegelen zou vervangen voor het woord weerkaatsen dan kan ik me er meer bij voorstellen.

    Julie, hoe passen verstrengelde paren in de theorie van De Broglie?

    • Julie schreef:

      De verborgen variabele in de interpretatie van Bohm past daar wel bij.

      • Barry schreef:

        Julie,

        ja dat weet ik, maar ja, een verborgen variabele die niet nader te omschrijven is is net zo goed een flut interpretatie. Zowel Bohm als De Broglie hebben dus allebei geen goede verklaring of theorie over hoe massa uit licht gemaakt kan worden. Ik denk zelf dat massa uit licht gemaakt kan worden dmv verstrengelde paren. Ik weet alleen nog niet precies hoe ik het zou moeten omschrijven. (daar schiet je dus ook niet veel mee op).

  3. Barry schreef:

    Aangezien licht geen massa heeft denk ik dat ik wel een oplossing weet voor het bovenstaand probleem, er bestaan 3 soorten neutrino´s, neutrino´s hebben massa en dus ook gewicht. Aangezien neutrino´s kunnen veranderen in een ander soort neutrino´s omdat de massa van elk soort neutrino anders is veranderd het gewicht in deze zogenaamde bol langzaam maar zeker in 40 gram. Neutrinos ondervinden nauwelijks weerstand van andere massa en dus reizen ze overal doorheen, als neutrino´s zich onder het reizen gaan verstrengelen dan betekent het dus dat deze neutrinos niet weerkaatst worden maar dat 1 deel van de streng in de bol blijft, ik denk dat het verstrengelen van neutrino´s een kettingreactie oproept waardoor er zich steeds meer neutrino´s gaan verstrengelen binnen die bol en zodoende het gewicht veroorzaken.

  4. Barry schreef:

    hmmm…als ik even de speculatieve semiwetenschap in mag duiken.. :) als je massa zou kunnen creeeren uit licht zou je dus ook holografische beeldschermen kunnen maken met tiptoetsbediening :)

  5. Bemoeier schreef:

    Volgens natuurkundige Erik Verlinde is zwaartekracht het gevolg van een kwantummechanisch effect, zie Wikipedia.

  6. bas gerressen schreef:

    Is er al eens gemeten wat er gebeurd als de neutrino’s je netvlies raken. Ik vraag me namelijk af of licht en kleur en alles wat wij zien er wel zoals wij denken aangezien alles wat wordt verklaard pas verklaard word als het ons brein is gepasseerd ik bedoel eigenlijk als licht massa zou hebben en we kijken in dat licht gaan onze ogen dan niet kapot (gezien de snelheid) .
    Gezien onze staafjes en kegeltjes dat licht opvangt en deze interpreteert als zijnde een object WAT ONDERVINDEN DE STAAFJES EN KEGELTJES DAN???
    Gaan ze trillen (massa of frequentie) of gebeurt er iets anders.
    Ik denk dat als we bestuderen wat het netvlies met licht doet we ook kunnen ondervinden wat we moeten doen om massa te maken in licht. Ik ben geen natuurkundige of geleerde maar dit zijn vragen die wel bij mij opkomen wellicht zijn dit soort dingen al lang achterhaald maar toch stel ik ze.

  1. 13 april 2011

    […] überhaupt massa hebben. De intrigerende omstreden Heim theorie doet dit overigens wel. Er zijn ook alternatieve verklaringen denkbaar. Om het massaprobleem op te lossen (en af te rekenen met de vele oneindigheden) greep men […]

  2. 19 april 2011

    […] 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 […]

  3. 19 april 2011

    […] 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 […]

  4. 21 mei 2011

    […] Licht is pure energie. Er is verder geen drager meer nodig, dus met relatief weinig gewicht (in zichzelf opgesloten licht heeft een impliciete massa) kan een enorme hoeveelheid energie worden opgeslagen. Nadelen zijn er ook. Licht beweegt met […]

Geef een reactie

Advertisment ad adsense adlogger