Niets is stroperig door spookdeeltjes

Share Button

Het Niets is minder leeg dan door Einstein werd gedacht. Een dichte zee virtuele deeltjes, een gevolg van de kwantumonzekerheid vult zelfs de leegste ruimte. En remt, zo leiden onderzoekers af, zelfs stofdeeltjes af. Newton zou zich in zijn graf omdraaien…

Virtuele deeltjes: spookmaterie
We kunnen niet precies weten of een stukje ruimte helemaal leeg is. Niet omdat onze meetinstrumenten niet goed zijn, maar door een fundamentele beperking, de kwantumonzekerheid. Hoe korter het tijdsinterval, hoe minder precies we de energie kunnen weten. Virtuele deeltjes, spookdeeltjes, ontstaan omdat we op grond van deze fundamentele onzekerheidsrelatie van Heisenberg niet kunnen uitsluiten dat ze gedurende een zeer korte tijd niet bestaan. De virtuele deeltjes worden in paren gevormd en vallen in een ontelbaar korte tijd weer uiteen.

Virtuele deeltjesparen bestaan uit een deeltje en een antideeltje, of deeltje dat terug in de tijd reist.

Virtuele deeltjesparen bestaan uit een deeltje en een antideeltje, of deeltje dat terug in de tijd reist.

Dat de deeltjes bestaan en niet alleen een theoretisch verzinsel zijn, weten we uit meerdere experimenten. Zo zouden bijvoorbeeld elektronen bij metingen een sterkere lading moeten hebben dan werkelijk wordt gemeten. De afwijking wordt veroorzaakt omdat spook-deeltjesparen van elektronen en anti-elektronen (positronen) zich zo draaien dat de spook-positronen richting het elektron gaan staan en het zo afschermen.

Ook het bizarre Casimir-effect kan door virtuele deeltjes worden verklaard. Twee platen die vlak bij elkaar staan (in de praktijk: enkele atoomdiktes), trekken elkaar aan. Omdat zich in de nauwe ruimte tussen twee platen minder virtuele deeltjes kunnen vormen dan in het “normale” vacuüm, oefent dit leger-dan-lege vacuüm minder druk uit dan normaal vacuüm. Het resultaat: de platen worden op elkaar geperst. Ook is het in 2010 gelukt om deeltjes (elektron-positron paren) uit het niets te scheppen met niets anders dan geconcentreerd laserlicht. De laser leverde de energie die nodig was om de virtuele elektronen en positronen reëel te maken.

De kwantummechanica stelt dat een voorwerp, ook al bevindt het zich in totaal vacuüm, in werkelijkheid voortdurend in contact staat met virtuele deeltjes. Virtuele deeltjes gedragen zich als een gas, dat wil zeggen dat onvoorspelbaar is welke richting ze bewegen. Het gevolg is dat als een voorwerp snel ronddraait, de virtuele deeltjes rond het voorwerp versneld worden in de draairichting. De Spaanse fysici Alejandro Manjavacas en F. Javier García de Abajo van het Optisch Instituut in Madrid voorspellen dat virtuele fotonen die een voorwerp tegen de draairichting in raken, meer impuls krijgen dan virtuele fotonen die met het voorwerp mee bewegen. Het gevolg: de fotonen met veel energie worden reëel en het voorwerp verliest draaiingsenergie. De energie moet immers ergens vandaan komen.

Zware deeltjes met een reflecterend oppervlak zoals gouddeeltjes zullen nauwelijks beïnvloed worden door dit effect. Het verhaal wordt anders voor roetdeeltjes waar kosmische stofwolken mee bezaaid zijn. Op kamertemperatuur kost het tien jaar voordat een stofdeeltje van 0,1 micrometer tweederde van zijn draaisnelheid heeft verloren. In de koude interstellaire ruimte (drie kelvin) duurt dit 2,7 miljoen jaar.  In hete gebieden van zevenhonderd graden duurt dit slechts drie maanden.

Het is dus mogelijk om zelfs in de absolute leegte te remmen.

Bronnen
Friction in a vacuum, Phys. Rev. A
Thermal and vacuum friction acting on rotating particles

Share Button

Germen

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

Dit vind je misschien ook interessant:

9 reacties

  1. haushofer schreef:

    “Hoe korter het tijdsinterval, hoe minder precies we de energie kunnen weten. Virtuele deeltjes, spookdeeltjes, ontstaan omdat we op grond van deze fundamentele onzekerheidsrelatie van Heisenberg niet kunnen uitsluiten dat ze gedurende een zeer korte tijd niet bestaan.”
     
    Germen, dit verhaal zie je in tekstboeken over natuurkunde en populaire literatuur, maar het is eigenlijk onzin. Virtuele deeltjes zijn “toestanden” die  voorkomen in kwantumveldentheorie omdat je perturbatieve berekeningen doet. Net zoals in een Taylorexpansie je bijvoorbeeld het getal 2 als een oneindige reeks kunt schrijven, schrijf je amplitudes in QFT als een oneindige reeks. In het geval van QFT is deze expansie echter broodnodig, omdat we simpelweg de wiskundige tools (nog) niet hebben om in interacterende theorieën de amplitudes analytisch exact op te lossen. Virtuele deeltjes komen zo voor als tussentoestanden in je Taylorexpansie. Ik schrijf “toestanden’ tussen haakjes omdat ze niet in je Hilbertruimte voorkomen, en dus niet direct meetbaar zijn. 
     
    In gewone QM is de onzekerheidsrelatie tussen tijd en energie al nogal dubieus; tijd is immers geen observabele, maar een parameter in je theorie! De precieze inhoud van deze relatie kun je bijvoorbeeld in Griffiths opzoeken (de delta tijd betreft hier bijvoorbeeld een standaarddeviatie), maar de relatie tussen dit en het concept van “virtuele deeltjes” is nogal ver te zoeken. 
     
    Waarom deze uitleg van virtuele deeltjes dan nog steeds voorkomt in literatuur is me een klein raadsel. Het is 1 van die uitleggen die nogal hardnekkig zijn, maar verkeerd, of op z’n minst erg slecht uitgelegd. Virtuele deeltjes worden zo ook veel mysterieuzer gemaakt. Mijn definitie van een virtueel deeltje zou zijn “wiskundige entiteiten die voorkomen omdat we in interacterende theorieën verstrooiïngsprocessen niet exact kunnen uitrekenen, maar moeten benaderen”. Daar komt geen onzekerheidsrelatie aan te pas.

    • Germen schreef:

      Waarom deze uitleg van virtuele deeltjes dan nog steeds voorkomt in literatuur is me een klein raadsel.

      Haushofer, ik denk dat een van de reden hiervoor is, dat virtuele deeltjes in bepaalde gevallen wel degelijk fysieke effecten hebben. Het mooiste voorbeeld is uiteraard het Unruh-effect, waarbij de ruimte vóór een versnellend voorwerp heter lijkt te zijn dan achter dit voorwerp. of denk aan vacuümpolarisatie.

  2. haushofer schreef:

    Dat zou overigens ook betekenen dat als we in staat zouden zijn verstrooiingsprocessen exact uit te rekenen (oftewel, dat we net als bij de reeks die uiteindelijk het getal 2 vormt de exacte uitkomst kennen) we helemaal geen virtuele deeltjes zullen tegenkomen in onze berekeningen.
     
    Dat betekent trouwens niet dat het artikel er naast zit; natuurlijk meten we zaken als b.v. het Casimir-effect, en die kunnen perturbatief verklaard worden met virtuele deeltjes. Maar in de (populaire) literatuur worden die virtuele deeltjes wel es mysterieuzer gemaakt dan ze eigenlijk zijn.
     
     

  3. haushofer schreef:

    Ook antideeltjes als zijnde “deeltjes die terug in de tijd reizen” maken het verhaal er niet bepaald duidelijker op. Dit statement wordt nogal es gemaakt omdat je in uitdrukkingen voor deeltjes de tijd t door -t kunt vervangen om zo uitdrukkingen voor antideeltjes te verkrijgen, maar dat betekent niet dat ze “terug in de tijd reizen”.
     
    Voor wie een goede achtergrond in QM heeft kan ik “quantum field theory in a nutshell” van Zee aanraden; hij gaat ook dieper in op dit soort populaire statements. Daarbij is het zover ik weet het enige boek over kwantumveldentheorie met de nodige humor :D

  4. haushofer schreef:

    Maar natuurlijk hebben virtuele deeltjes fysische effecten! In essentie zijn het elementen van de lusdiagrammen in je QFT, die bijvoorbeeld ook verantwoordelijk zijn voor vacuumpolarisatie. Het zijn dus de quantumeffecten in je theorie! Maar wat ik probeer duidelijk te maken is dat de link tussen virtuele deeltjes en de “energie-tijd” onzekerheidsrelatie helemaal niet zo duidelijk is als wat veel mensen, inclusief jij in jouw tekst, willen doen laten geloven. Die energie-tijd onzekerheidsrelatie is ook niet iets algemeens, want zoals ik zei geldt deze alleen voor observabelen. Tijd is geen observabele in de QM. 
     
    Het is die specifieke uitleg die ik nooit heb begrepen; natuurlijk onderken ik het belang en de fysische implicaties van het concept niet. Om virtuele deeltjes enigszins te begrijpen zul je echter naar kwantumveldentheorie moeten gaan. En zoals ik zei: mochten we ooit exacte oplossingen in reeële kwantumveldentheorieën kunnen vinden, dan verandert de uitkomst van een verstrooiïngsproces niet; je zult echter hoogstwaarschijnlijk de hele notie van “virtuele deeltjes” verliezen, want je doet geen perturbatietheorie meer. Echter, met jouw uitleg zou je nog steeds van virtuele deeltjes kunnen spreken, en dat klopt niet.

  1. 13 februari 2011

    […] zee van zeer kortlevende deeltjesparen. Kortgeleden berekenden onderzoekers dat deze spookdeeltjes een vorm van wrijving uitoefenen. Deze virtuele deeltjes hebben nog meer merkwaardige gevolgen. De Nederlandse […]

  2. 28 februari 2011

    […] bestaan er nog andere, interessanter methodes om een trekstraalachtig ding te bouwen. Zo is het vacuüm helemaal niet zo leeg als het lijkt. Zou je bijvoorbeeld de Casimir-kracht op een exotische wijze kunnen manipuleren, dan lacht […]

  3. 14 april 2011

    […] Wat op het eerste gezicht leeg lijkt, is in werkelijkheid gevuld met een ‘zee’  van virtuele spookdeeltjes die een fractie van een seconde bestaan en dan uiteenvallen. De effecten hiervan zijn al meer dan […]

  4. 26 mei 2011

    […] Het vacuüm is minder leeg dan het lijkt. Omdat kwantummechanisch gezien niet is uit te sluiten dat deeltjes gedurende een zeer korte tijd […]

Geef een reactie

Advertisment ad adsense adlogger