massa uit licht

Massa uit licht maken, hoe massaloos licht massa krijgt

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.

massa uit licht
Een van binnen volmaakt spiegelende bol kan massa uit licht maken. Bron: NARA, public domain

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…

26 reacties op “Massa uit licht maken, hoe massaloos licht massa krijgt”

  1. 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. 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?

      1. 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. 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. 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 :)

    1. @ bemoeier,

      je loopt een beetje achter de feiten aan (nou ja feiten, dat wat erik verlinde zegt, of ik, over zwaartekracht hoeft nog niet waar te zijn). Het bovenstaand artikel en de reacties erop gaan alleen maar over kwantummechanica.

  5. 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.

  6. Volgens Newton is massa de oorzaak van zwaartekracht en zwaartekracht de oorzaak van ruimtekromming.
    Maar volgens Einstein is massa de oorzaak van ruimtekromming en ruimtekromming de oorzaak van zwaartekracht (als een kielzog).
    Dus als Einstein gelijk heeft zal je nooit geen gravitonen vinden.
    En die spiegelende bol lijkt zwaar door het behoud van stralingsdruk.
    Misschien is de lege ruimte om ons heen een dikke zware substantie in vergelijking met wat er zich buiten het heelal bevind.
    En stralingsdruk bestaat omdat energie relativistische massa is.
    Dus als je massa in energie omzet veliest het schijnbaar niet zijn zwaarte en traagheid.

    1. Die stralingsdruk wordt wel steeds minder als het weerstand krijgt van je bewegingen waardoor de fotonen steeds langzamer gaan.
      Tot ze uiteindelijk stil staan en dan is het geen waarneembaar licht meer omdat het niet meer in je ogen komt.
      Dus misschien is massa stilstaande energie.

  7. laagopgeleid

    Bemoeier , dus de kracht van fotonen is onderhavig aan dezelfde wetten als op aarde bedoeld u ? tegelijk zijn de wetten van onze beroemdheden niet absoluut en wellicht slechts partieel geldig ?

  8. laagopgeleid

    Beste bemoeier , ik moet toegeven dat u mij confronteert met mijn eigen onwetendheid . Ik verdiep mij pas sinds vier dagen in deze complexe materie . Puur uit interesse . Beschouwt u mijn vragen als niet gesteld . Wel begrijp ik nu alvast dat een fotonenstraal afhankelijk is van elektronen , kwadratenwet en diafragma . Bij een volgende reactie weet ik er meer van :) .

  9. laagopgeleid

    Volgens het artikel zijn de fotonen die ( relatief ) gewicht zouden kunnen creëren afhankelijk van tijd . Dat betekend dat tijd niet in elke situatie dezelfde consistentie kan hebben . Immers de tijd die ons brein nodig heeft om het gewicht vast te stellen is veel langer dan de fotonen tijd nodig hebben om hun cyclus in de bol te voltooien . Daarom is het de vraag of tijd zelfstandig is . Misschien is tijd een eigenschap van fotonen . Stel dat dit zo is , dan is tijd niet meer aan te merken als dimensie . Tijd is dan een eigenschap van deeltjes .

  10. laagopgeleid

    De zon heeft een kern met aanwezigheid van elementen , hoofdzakelijk waterstof en helium . Door het gewicht van de omringende gassen ontstaat uiteindelijk kernfusie waardoor er straling aan de oppervlakte vrijkomt . Deze straling beinvloed bijvoorbeeld de groei van bomen en gewassen . Deze kunnen daardoor groeien en grote massa vormen . Kun je dus met licht massa maken ? in zekere zin wel . Zonder licht en bijbehorende deeltjes zou de aarde een stuk lichter zijn . Maar rechtstreeks massa uit licht ? nee .

  11. laagopgeleid

    Zonder fotosynthese ( zon en licht/straling ) groeien er geen planten . Het voedsel kan wel uit de grond en de lucht komen , maar de plant kan daar niets mee zonder licht . Dus geen licht , dan ook geen massa .

  12. Alles is eigenlijk een vorm van licht. Massa is dat ook. Licht heeft echter een bewegingsvorm buiten onze waarneming. Het is ook instaat zichzelf te encapsuleren. Afhankelijk van de kracht van de encapsulatie krijg je massa. We denken dus voornamelijk verkeerd om, er verkeerd niks in rust, maar alles wordt in rust gehouden. Dat krijg je ervan als je energie als iets rieeels gaat beschouwen, dan ga je er aan voorbij dat oneindige energie “het normaal is” en het gebrek daaraan een groot niets.

    1. Om het energie probleem in de natuurkunde op te lossen zijn de kortlevende krachtoverbrengers in het leven geroepen. Dat zijn deeltjes die heel kort leven en energie overbrengen zodat het ene deeltje kan veranderen in het andere deeltje. Dat is inweze een vuilkuil denk ik Er is een overkoepelend deeltje wat sterk op zichzelf inwerkt. Zo sterk dat zijn effecten zo overweldigend zijn dat het zichzelf op talloze manieren nullificeerd. Net zoals een soort holografisch universum. Het werk op zichzelf in om data te ordenen.

      1. Vermoedelijk doel je op bosonen en het Higgs deeltje in kwantumtoestanden . Het zou leuk zijn als die kwantumdeeltjes de baas zijn over een multi dimensionele matrix . Misschien lijkt dat wel een beetje op een holografisch heelal . Dus het zou mogelijk zijn dat er onbegrensde energie beschikbaar is in de vorm van kwantumdeeltjes die in een opgeroepen toestand aan het werk gaan en energie produceren . Dan hebben we als eerste grote bruikbare voorbeeld natuurlijk al kernfusie en supergeleiders .

        1. Ik denk dat alle elektromagnetische straling voorkomt uit een soort van foton achtig deeltte en alle andere deeltjes die bestaan inweze andere toestanden zijn van dit deeltje.

Laat een reactie achter