Kwantumschuim aangetoond op een bureautafel?

Share Button

Vergeet miljarden euro’s verslindende mega-detectoren als de zwaartekrachtsgolfdetector LIGO en reusachtige ondergrondse versnellers. Volgens Jacob Bekenstein, een van de grondleggers van de entropische benadering van zwarte gaten, kan een van de allergrootste vragen van de moderne natuurkunde, of ruimtetijd op zeer klein niveau uit kwantumschuim bestaat, worden beantwoord met een verbluffend eenvoudig experiment.

Grootschalige experimenten steeds meer de regel
Allemaal dromen we van de tijd, nog niet eens zo heel lang geleden, dat het mogelijk was wereldschokkende ontdekkingen te doen met alleen wat vrij eenvoudige laboratoriumapparatuur, fantasie en wetenschappelijke zorgvuldigheid. Experimenten als de Slinger van Foucault, de interferometer van Michelson en Morley (die de ethertheorie naar de prullenbak verwees) en het spletenexperiment van Young, herhaald met elektronen (waarmee bewezen is dat elektronen zowel een deeltjes- als een golfkarakter hebben), bewezen alle met vrij weinig middelen nieuwe, gedurfde hypotheses. Die tijd lijkt voorbij met de komst van monsterversnellers als het LHC en de enorme experimentele fusiereactor ITER, maar schijn bedriegt. Ook nu nog zijn er natuurkundigen die hun verbeelding durven te gebruiken en zelfs een zeer diepgravende onderzoeksvraag kunnen vertalen in een eenvoudig realiseerbaar experiment.

De kwantumschuimdetector maakt gebruik van een slim idee: de verplaatsing van een blok glas door een foton is kleiner dan de Plancklengte.

De kwantumschuimdetector maakt gebruik van een slim idee: de verplaatsing van een blok glas door een foton is kleiner dan de Plancklengte.

Is het heelal op zeer kleine schaal korrelig?
Waaronder Jacob Bekenstein. De onderzoeksvraag die voorligt is of het heelal waarin we leven op zeer kleine schaal nog steeds glad is, zoals in onze dagelijkse leefwereld, of korrelig wordt. Deze schaal is echt extreem klein: de Plancklengte, de lengte waaronder ruimtetijd volgens velen korrelig wordt, is 1.616199 × 10-35 meter. Deze korreligheid heeft te maken met het onzekerheidsprincipe van Heisenberg. Dit stelt onder meer dat hoe kleiner de afstand, hoe onzekerder het is dat de massa van het vacuüm in dit gebiedje inderdaad nul is. 1.616199 × 10-35 meter is erg klein, zelfs 1020 maal kleiner dan de diameter van een proton. Bij deze schaal wordt de onzekerheid over de massa zo groot dat er zich zeer kortdurende zwarte gaten en wormtunnels vormen. Hierdoor is ruimtetijd niet meer vlak, maar krijgt de aard van een soort schuim: het kwantumschuim. In theorie, uiteraard. Fysici wanhopen of deze schaal ooit bereikt kan worden, zelfs in de verre toekomst.

Het plan van Bekenstein
Bekenstein wil een blok glas een Plancklengte laten bewegen door er een foton doorheen te laten bewegen. Licht (een foton is een elementair lichtdeeltje) heeft weliswaar geen massa, maar wel impuls. Om die impuls gaat het. Als het licht door het blok glas valt, draagt het impuls over aan het blok. Als het foton het blok glas verlaat, krijgt het die impuls weer terug, waardoor het blok weer tot stilstand komt. Het gevolg is dat het blok een elementaire, korte afstand beweegt. Bekenstein stelt dat als deze afstand kleiner is dan de Plancklengte, het blok niet kan bewegen en het foton er niet doorheen kan bewegen. Het experiment komt neer op het meten van het percentage fotonen dat door het blok kan bewegen. Is dit aantal kleiner dan de klassieke optica voorspelt, dan hebben we het kwantumschuim aangetoond. Sterker nog: natuurkundigen kunnen hierdoor nauwkeurig bepalen waar precies de Planck-grens ligt. De impuls per foton is namelijk nauwkeurig in te stellen door de golflengte van het foton anders te kiezen.

Eenvoudige labapparatuur voldoende
Er is maar één eis. Het blok glas moet, stelt Bekenstein in zijn artikel, tot onder de vier kelvin, minder dan vier graden boven het absolute nulpunt dus, worden afgekoeld om alle thermische trillingen (fononen) in het glas te voorkomen. Met vloeibaar helium is het vrij eenvoudig om deze temperatuur te bereiken, zelfs op een werktafel. Wel moet die werktafel dan op de maan of een andere omgeving met extreem diep vacuüm, zoals een vacuümkamer, staan.

Dit concept voor een experiment is revolutionair, maar mogelijk heeft Bekenstein een nu nog onbekende denkfout gemaakt. Collega’s zullen dus dit concept uitgebreid analyseren en zwakke punten op proberen te sporen. Blijkt het experiment foolproof en wordt het uitgevoerd, dan zullen de uitkomsten natuurkundig wereldnieuws zijn. Wordt het kwantumschuim inderdaad ontdekt, dan is dit een stevig duwtje in de rug voor theorieën die dit kwantumschuim veronderstellen, zoals loop quantum gravity en (mogelijk) de snaartheorie. Blijkt het kwantumschuim een mythe, dan is zwaartekracht iets heel anders dan de meeste natuurkundigen denken. Het is dan mogelijk dat zwaartekracht een entropisch fenomeen is (zoals Verlinde veronderstelt) of dat zwaartekracht het gevolg is van kwantumverstrengelingen. Kortom: ook dit zou de natuurkunde zoals we die kennen behoorlijk op zijn kop zetten en dit experiment in het hiervoor genoemde illustere rijtje van legendarische natuurkundeexperimenten plaatsen.

Bron
J. Bekenstein,  Is A Tabletop Search For Planck Scale Signals Feasible?, ArXiv (2012)

Share Button

Germen

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

Dit vind je misschien ook interessant:

16 reacties

  1. Ruud Harmsen schreef:

    Interessant verhaal! Ik hoop dat het experiment klopt en ze het uit gaan voeren.
    Die zwaartekrachttheorie van http://nl.wikipedia.org/wiki/Erik_Verlinde is ook fascinerend, het is spannend om te zien of die met zo’n experiment gefalsifieerd kan worden of juist niet.

  2. Julie schreef:

    Een trillingsvrije tafel kan ook zonder maan gemaakt worden, bijv. in laboratoria/bij het maken van hologrammen.

    De trillingsvrije tafel moet op een betonnen ondergrond in een te verduisteren ruimte geplaatst worden. De kelder is uitermate geschikt hiervoor omdat deze aan alle eigenschappen voldoet.
    Om de tafel zo stabiel mogelijk te maken, moet deze zo zwaar mogelijk zijn.  Tussen de twee houten T-balken bakstenen plaatsen (gelijkmatig verdelen). Bovenop de balk ronde gewichten verdelen.
    Onder de T-balk half opgeblazen binnenbandjes leggen om trillingen te dempen.

    Holografie opstelling

     

    t balk opstelling 1t balk opsteling 2trillingsvrije tafel

     

    Als extra controle of de tafel stabiel is, een opstelling van Michelson en Morley op de tafel plaatsen. Je ziet een rood puntje van de laser op het plafond. Als deze helemaal stil staat dan zijn er (nagenoeg) geen trillingen meer in de ruimte.

     

     
  3. Jorgo schreef:

    Geen probleem dat er text en afbeeldingen van mijn site geplaatst worden. Alleen graag volgende keer url erbij zetten :-)
    http://www.joda-entertainment.nl
    kijk onder het tabje “onderwijs” voor deze en andere tips

  4. Julie schreef:

    De verschillen en overeenkomsten tussen thermische en akoestische trillingen vind ik ook interessant.

    • antares schreef:

      Eerlijk gezegd, de invulling van jouw reactie (21 nov 1823 ) vond ik zo waanzinnig mooi opgezet, dat ik er geen woorden voor had Julie. Dit heb ik echt nog nooit iemand zien doen hier, heb wel een kwartier mijn hoofd zitten krabben van verbazing en bewondering. :) Om het gepast bescheiden te zeggen; akoestische trillingen hebben een contactmedium nodig, thermische worden overgebracht door radiatie (infrarood bijvoorbeeld). We mogen ons wat dat betreft gelukkig prijzen, het lawaai in het universum boven ons zou anders oorverdovend zijn. ;)

  5. Julie schreef:

    Douwe zet ook wel eens zulke reacties neer, maar volgens mij kun je afbeeldingen alleen plaatsen als je ingelogd bent. Tekst kun je wel kopiëren en plakken, bewerken en posten.
    In het heelal is inderdaad wel thermische achtergrondstraling, maar in het vacuüm van de ruimte kun je geen geluiden horen. Maar schokgolven zouden wel omgezet worden in geluid, zoals bij de oerknal. Op mars is geluid beperkt mogelijk door de lage luchtdruk, ook ergens anders op deze site te lezen.
    Sly & Robbie bedachten dat het hart van de melkweg zou kunnen kloppen ;) :
    http://www.youtube.com/watch?v=-wqvdaI-TjE  ,maar we dwalen nu te ver af :).

  6. Ben schreef:

    Deze korreligheid heeft te maken met het onzekerheidsprincipe van Heisenberg. Dit stelt onder meer dat hoe kleiner de afstand, hoe onzekerder het is dat de massa van het vacuüm in dit gebiedje inderdaad nul is. 1.616199 × 10-35 meter is erg klein, zelfs 1020 maal kleiner dan de diameter van een proton. Bij deze schaal wordt de onzekerheid over de massa zo groot dat er zich zeer kortdurende zwarte gaten en wormtunnels vormen. Hierdoor is ruimtetijd niet meer vlak, maar krijgt de aard van een soort schuim: het kwantumschuim. In theorie, uiteraard.””
     
    Even voor de duidelijkheid
     
    Dus omdat een iemand een wiskundige formulering met een deel random omzekerheidscomponent heeft bedacht waarbij random op ergens tussen nul en niétnul uitgekomen wordt zitten we opgescheept met nulpuntenergie(want dat zal er vast en zeker ook van af stammen) met quantumschuim en vast ook die higgsvelden en allerlei?
    Én om dat een formule gebaseerd op een idee of theorie dat zegt is het dan maar gelijk een natuurkundig feit en fenomeen?   Sighhhhh
     
    Dus als er geen onzekerheidsprincipe toegepast wordt bestaan die theorien en verwachtingen ook gelijk niet meer?  Deze zaken bestaan omdat die formule bestaat en niet omdat er ook maar dé minste spoor van feitelijke waarneming of meting aan ten grondslag ligt of voor af ging?
     
     

  7. jan schreef:

    speelt de massa van het stuk glas ook een rol ?
    moet het stuk glas dus een bepaalde massa hebben of maakt dat niet uit voor dit experiment ?
    Waarschijnlijk niet omdat het in een vacuum wordt uitgevoerd ?

  8. jan schreef:

    wat ik niet helemaal begrijp is de tafel. die geeft toch wrijving ten op zichte van het glas.
    Hoe moet dit glas dat tot beweging komen middels de impuls van een foton ?

  9. Jorgo schreef:

    Er is een aanpassing gedaan aan onze trillingvrije tafel. Een versie 2.0 zeg maar. Deze is nog stabieler en goedkoper om te maken (als je de tweedehands verkoopsites raadpleegt). Hij maakt namelijk gebruikt van een oud aanrechtblad (natuursteen) als werkblad.
    Meer details en tekeningen staan hier: http://www.joda-entertainment.nl/?page_id=24

Geef een reactie

Advertisment ad adsense adlogger