6 februari 2012

Waarom is er iets en niet niets?

Lawrence Krauss, auteur van A Universe from Nothing

Lawrence Krauss is iemand die van gepeperde uitspraken houdt. Wat dacht je van “Vergeet Jezus. Stérren stierven zodat jij kon leven”, handelend over de creatie van vrijwel alle chemische elementen binnenin sterren. Of deze: “Edward Hubble geeft me altijd vertrouwen in de mensheid. Hij begon als advocaat en werd sterrenkundige.” Krauss (57) is een beroemd natuurkundige, die vele populaire werken op z’n naam heeft staan. Onlangs verscheen een nieuw boek van hem, genaamd ‘A Universe from Nothing’, waarin hij betoogd dat het heelal uit het niets is ontstaan, dat datzelfde niets een onwaarschijnlijke hoeveelheid energie bevat en dat álle zichtbare materie (jij en ik, planeten, sterren, sterrenstelsels, etc..) “één procent vervuiling is in een heelal vol donkere materie en donkere energie.” Bij het boek is ook een trailer verschenen en die is hieronder te bekijken.

Krauss finds something in nothing from ASU News on Vimeo.

Eh… nou we het toch over een geheel universum hebben dat uit het niets kan verrijzen: in een onlangs verschenen wetenschappelijk artikel betogen twee natuurkundigen, het duo Adam Brown en Alex Dahlen (o.a. Physics Department, Princeton University), dat niets hetzelfde is als:

anti De Sitter space as the curvature length approaches zero

Die zogenaamde anti De Sitter metriek is genoemd naar onze landgenoot de natuurkundige Willem de Sitter. Het is een vacuüm oplossing van de veldvergelijkingen van Einstein met een negatieve Kosmologische Constante Λ. De oplossing leidt tot een krimp van de ruimte, ondanks het feit dat we met een leeg vacuüm te maken hebben. Zodra de kromming van de ruimte nul wordt krijg je niets, aldus Brown en Dahlen. Vervolgens proberen ze te construeren hoe je uit zo’n niets toch iets kan krijgen, d.w.z. een compleet universum, inclusief jij en ik, planeten, sterren, sterrenstelsels, etc.. Dat laatste levert niet meer dan enkele vage suggesties op, maar de kern daarvan is wel opmerkelijk:

One thing seems clear… to truly understand everything, we must first understand nothing.

:bron: Bron: NRC-Handelsblad, 1 februari 2012 + Universe Today.

En nog is niet bekend of de Fijn-Structuur Constante echt constant is

Zijn de natuurconstanten echt constant?

Zijn de natuurconstanten constant? Dat is een vraag die de natuurkundigen al tientallen jaren bezig houdt. De lichtsnelheid c bijvoorbeeld - 299 792 458 m/s volgens alle leerboekjes – heeft die altijd die waarde gehad of is er gedurende de evolutie van het heelal ook een veranderende waarde van c? Er zijn natuurkundigen die vermoeden dat de natuurconstanten héél geleidelijk veranderen en dat zou met name te meten zijn aan de zogenaamde Fijn-Structuur Constante α, welke de sterkte van de electromagnetische wisselwerking bepaalt, één van de vier natuurkrachten. Het is een dimensieloze constante die hier en nu op 1/137.035999074 wordt gesteld. Er zijn eerder al pogingen gedaan om de mogelijke verandering van α te meten, namelijk door onderzoek aan het licht van waterstofgas in ver weg gelegen quasars – actieve sterrenstelsels met een superzwaar zwart gat in hun kern – dat onderweg naar aarde deels wordt geabsorbeerd door tussenliggende gaswolken, hetgeen leidt tot donkere absorptielijnen in het spectrum. Onderzoek aan die lijnen geeft de onderzoekers een indruk van de sterkte van de electromagnetische kracht in die quasars. Echte duidelijkheid gaf dat echter niet en daarom heeft men nu de hoop gevestigd op een zelfde soort onderzoek, maar dan met hydroxyl moleculen in plaats van waterstofatomen. Die moleculen bestaan uit een combinatie van zuurstof- en waterstofatomen en de absorptie van dergelijke gaswolken tussen de quasar en de aarde zou een beter resultaat moeten geven. Maar een groep sterrenkundigen onder leiding van Nissim Kanekarat (National Centre for Radio Astrophysics in Pune, India) keek naar de 6,7 miljard lichtjaar ver weg gelegen quasar genaamd PMN J0134−0931 en de resultaatverwachting dat de absorptie van diens licht door tussenliggende hydroxylmoleculen iets kon laten zien van een veranderende constante α kon niet worden waargemaakt. Uit de metingen kan je zowel afleiden dat de constante varieert als dat de variatie nul is, dus dat schiet ook niet op. Boosdoener was waarschijnlijk een tweede tussenliggende hydroxylwolk, die de boel in de ar schopte. Het wachten is nu op de Square Kilometre Array (SKA), een reusachtige nog te bouwen radiotelescoop, die komt te bestaan uit duizenden kleine radioantennes, die verspreid op Aarde zullen staan. Die zal – hoopt men – in staat zijn de hydroxyl wolken gedetailleerd waar te nemen en wellicht de variabiliteit van α. :bron: Bron: New Scientist.

Wat dacht je ervan binnen 28 jaar naar het Andromedastelsel te reizen?

Kan je in 28 jaren bij het Andromedastelsel (M31) komen?

Ik kwam vandaag de onderstaande video tegen, waarin Robert J. Nemiroff – sterrenkundige bij o.a. de Michigan Technological University en bij NASA Goddard en samen met Jerry T. Bonnell auteur van het boek  ’Astronomy: 365 Days’ - een presentatie houdt over de Speciale Relativiteitstheorie. Nemiroff’s opzienbarende stelling in deze presentatie is dat je op eenvoudige  wijze in staat bent om binnen 28 jaar naar het Andromedastelsel (M31) te reizen, het buursterrenstelsel van het Melkwegstelsel, 2,5 miljoen lichtjaar van ons vandaan. En binnen een mensenleven zou je zelfs het hele heelal kunnen doorkruisen. Moet je daarvoor niet sneller dan het licht en is dat allemaal wel toegestaan volgens de Speciale Relativiteitstheorie, die Albert Einstein in 1905 opstelde? Volgens Nemiroff hoef je niet sneller te reizen dan het licht (je hoeft dus geen superluminaal neutrino te zijn :-) ) en hij denkt dat het allemaal past binnen de kaders van Einstein’s SR! Afijn, kijk eerst maar even naar de video van bijna dertien minuten en daarna discussiëren we wel verder.

De presentatie van Nemiroff is hier te downloaden. Ik geloof zelf dat Nemiroff het bij het verkeerde eind heeft. Ergens in z’n presentatie heeft hij het op een gegeven moment over het volgende:

2. Yes, you do not need to travel faster than c.
A spaceship traveling at 1 g (comfortable!) can go anywhere in the visible universe in a normal human life span.  This is essentially the twin paradox, with you being the twin that leaves. As the ship accelerates, it approaches c in the “home twin”‘s reference frame.  The universe “contracts” as well.  You can go anywhere.  See:  http://math.ucr.edu/home/baez/physics/Relativity/SR/rocket.html

Met name die gecursiveerde zin is essentiëel, want dat is volgens mij z’n foute veronderstelling. Een ruimteschip met aan boord de helft van de tweeling uit de beroemde Tweelingparadox zal als het gaat reizen en versnellen niet vanzelf de lichtsnelheid benaderen, ook niet ten opzichte van het referentiekader van de aarde, waar zich de achtergebleven andere helft van de tweeling bevindt. De snelheid van het ruimteschip mag door allerlei gravitationele effecten van de Melkweg best wel wat toenemen, maar relativistische snelheden zal het nooit en te nimmer bereiken. En daarmee zal het m.i. niet mogelijk zijn om – gemeten met de klok van de reizende tweeling in het ruimteschip – in 28 jaar bij M31 te komen en in 45 jaar bijna tot ‘de rand van het heelal’, 11 miljard lichtjaar verderop. Ik wil de lezers van de Astroblogs graag oproepen om te reageren en te kijken of ze meegaan met de stelling van Nemiroff of dat zij er net als ik sceptisch tegenover staan. Wellicht dat ik een tunnelvisie heb of ergens een denkfout heb gemaakt, heel goed mogelijk. Dus kom maar met jullie ideeën hierover. De tip voor deze video kwam trouwens van Jan Heuser, die ik hiervoor wil bedanken.

Yep, OPERA ziet neutrino’s weer sneller gaan dan het licht

Afgelopen woensdag was het nog een gerucht dat rond zoemde op internet, nu is het een feit: het team natuurkundigen verbonden aan de OPERA detector in Italië heeft na verbeterde waarnemingen opnieuw neutrino’s gezien die sneller lijken te gaan dan het licht. Aldus het wetenschappelijk artikel dat het OPERA-team bekend heeft gemaakt en dat hier te downloaden is:

OPERA - neutrino's sneller dan het licht

Het artikel is ook ter publicatie aangeboden aan het Journal of High Energy Physics. Een artikel zetten op de arXiv is leuk, maar het echte werk begint uiteraard pas na officiële publicatie in een wetenschappelijk tijdschrift, het liefst eentje van naam. Twee maanden geleden was OPERA wereldnieuws, toen ze met het nieuws kwamen dat de muon-neutrino’s, die vanuit de 732 km verderop gelegen SPS-deeltjesversneller van CERN bij Genève naar de 1200 ton zware uit  loodplaten bestaande OPERA-detector onder het San Grasso gebergte in Italië worden geschoten, sneller lijken te gaan dan de lichtsnelheid. De ‘superluminale’ neutrino’s, ook wel FTL-neutrino’s genoemd – faster than light, yep – arriveerden 60 nanoseconden eerder bij OPERA dan volgens de verwachtte aankomsttijd, die op de lichtsnelheid c was gebaseerd. Er kwam veel kritiek op de waarnemingen en die sloeg onder andere op het feit dat de neutrino’s niet individueel worden geklokt tussen start (SPS) en finish (OPERA), maar groepsgewijs. Neutrino’s zijn ook zo ongrijpbaar, dat ze niet individueel te klokken zijn. Daarom keken de natuurkundigen naar de protonen, die in de SPS-versneller tegen elkaar botsten en zo de neutrino’s produceerden. Zou die start niet een fout bevatten, bijvoorbeeld dat de trefplaat waar de protonen tegenaan knalden iets opwarmde en zo méér neutrino’s produceerde, zodat het ‘peleton’ aan neutrino’s dat richting OPERA vertrok ongemerkt langer was dan men dacht. Om in ieder geval deze ene kritiek te pareren heeft het OPERA-team nieuwe waarnemingen gedaan en daarbij hebben ze zo’n lang peleton aan neutrino’s opgeknipt in uiterst korte pulsen (3 nanoseconde) met lange tussenpozen van 524 ns er tussen, zoals je ziet op de volgende afbeelding:


Wat blijkt nu uit de waarnemingen: dat de 20 neutrino’s die in de loodplaten van OPERA werden ‘gevangen’ opnieuw sneller ging dan het licht en opnieuw met een voorsprong van ongeveer 60 nanoseconde. Kijk maar naar de gemeten resultaten:

Zouden de neutrino’s met de lichtsnelheid gaan, dan zouden ze bij 0 op de horizontale as moeten zijn aangekomen. Maar waar kwamen ze aan? Bij 60 ns, merkwaardig genoeg in twee bupjes daaromheen. Twee keer heeft OPERA nu superluminale neutrino’s gezien. Het wordt tijd dat ook een andere detector de waarnemingen kan bevestigen. Vanaf maart volgend jaar hopen ze bij de MINOS-detector in de VS hetzelfde te kunnen doen. Wordt vervolgd. :bron: Bron: Starts with a bang + NRC-Handelsblad, 19 november 2011.
[update]: het verhaal van de sneller-dan-het-licht-neutrino’s begint enorm uit te dijen – goh, het lijkt het expanderende heelal wel – dus ik heb er vandaag een geheel eigen dossier aan gewijd.

Minute Physics: over de richting van de tijd en donkere energie


Er bestaat een leuke serie van korte, leerzame handgetekende filmpjes over natuurkundige onderwerpen: Minute Physics. Eén van de filmpjes is de volgende, waarin Sean Carroll (CalTech) ons verteld over de richting waarin de tijd beweegt, een onderwerp dat samenhangt met het begrip entropie.

Onlangs werd de Nobelprijs voor de Natuurkunde verleent aan drie sterrenkundigen, die in 1998 aan de hand van supernovae ontdekten dat het heelal versnelt uitdijt, hetgeen veroorzaakt wordt door de mysterieuze donkere energie. Over die donkere energie gaat de volgende video uit Minute Physics, wederom verteld door Sean Carroll.

:bron: Bron: Cosmic Variance.

Hubble neemt direct de accretieschijf rondom een zwart gat waar


Met de Hubble ruimtetelescoop is men er in geslaagd om gebruikmakend van de techniek van de zwaartekrachtslenzen voor het eerst de accretieschijf rondom een superzwaar zwart gat in een ver verwijderde quasar waar te nemen. Men heeft zelfs het temperatuursverloop in die schijf kunnen meten. De quasar waar het om draait is HE 1104-1805, die zich miljarden lichtjaren van de aarde af bevindt. Normaal gesproken zou zo’n superhete accretieschijf rondom het zwarte gat, waar het invallende materiaal roteert om de waarneemhorizon van dat zwarte gat, door de enorme afstand niet zichtbaar zijn, zelfs niet voor de Hubble telescoop. Maar gelukkig voor de waarnemers staat er precies tussen de quasar en de aarde een tussenliggend sterrenstelsel in, genaamd [WKK93] G. Dát sterrenstelsel zorgt er voor dat door haar gravitatiekracht het licht van de erachter liggende objecten – in dit geval die quasar – wordt verbogen én in lichtkracht wordt versterkt. Met name dat laatste aspect heeft er voor gezorgd dat de sterrenkundigen, onder leiding van Jose Muñoz (Universiteit van Valencia, Spanje), de quasar veel gedetailleerder konden zien dan zonder het gravitatielens-effect het geval zou zijn, een effect dat al door Einstein werd voorspeld. Sterrenstelsels die werken als gravitatielenzen is al meer dan tien jaar een onderzocht fenomeen, maar hetgeen Muñoz’ team deed ging een stap verder: zij waren in staat de gravitatielenzen van de afzonderlijke sterren in [WKK93] G te volgen, op het moment dat deze gezien vanaf de aarde voorbij het licht schoven van de accretieschijf rondom het zwarte gat in HE 1104-1805. Yep, je leest het goed, kleine onderdelen van het sterrenstelsel, die schuiven voor kleine onderdelen van de quasar – hoe nauwkeurig wil je het hebben. De accretieschijf blijkt tussen de 4 en 11 lichtdagen groot te zijn, dat is 100 tot 300 miljard km. Het waarnemen van dergelijk kleine objecten op deze afstanden staat gelijk aan het waarnemen van zandkorrels op de maan! Een knap staaltje waarneemtechniek, nietwaar? Hieronder een video over deze bijzondere waarneming.

Loading player…


:bron: Bron: Hubble.

Electromagnetische kracht varieert wellicht in het heelal

Voorbeeld van een spectrum van een ver verwijderde quasar

Van de natuurconstanten wordt verondersteld dat ze – zoals de naam al doet vermoeden – constant zijn, dus altijd en overal in het heelal onveranderlijk. De lichtsnelheid c zou dus hier op aarde 299 792 458 m/s zijn, maar ook in een ver verwijderd sterrenstelsel en ook lang lang geleden. En toch heeft een team van Engelse en Australische onderzoekers aanwijzingen gevonden dat één natuurconstante wellicht varieert: het gaat om α, de fijn-structuurconstante, welke de sterkte van de electromagnetische wisselwerking bepaalt, één van de vier natuurkrachten. Er was eerder al een vermoeden dat deze constante helemaal niet zo constant is, een vermoeden dat gebaseerd was op onderzoek aan het licht van de quasars – actieve sterrenstelsels met een superzwaar zwart gat in hun kern – dat onderweg naar aarde deels wordt geabsorbeerd door tussenliggende gaswolken, hetgeen leidt tot donkere absorptielijnen in het spectrum. Onderzoek aan die lijnen geeft de onderzoekers een indruk van de sterkte van de electromagnetische kracht in die quasars. Het aantal onderzochte quasars heeft men verdubbeld, van 150 naar 300 waargenomen quasars, en daaruit werd bevestigd wat men eerder al vermoedde:  de metingen gedaan met de Keck-telescopen op Hawaï geven aan dat α vroeger een fractie kleiner was, terwijl de metingen gedaan met de VLT in Chili zeggen dat α juist groter was! In de richting waarheen de VLT kijkt is de electromagnetische kracht dus een fractie groter dan waarheen Keck kijkt. Bij Keck kijken ze naar de noordelijke sterrenhemel en bij VLT naar de zuidelijke hemel, dus de conclusie ligt voor de hand dat er niet alleen sprake is van een variatie van α in tijd maar óók in ruimte. De variabiliteit van α is koren op de molen van sommige Theorieën van Alles, die voorspellen dat in andere gedeelten van dit heelal – of zelfs in andere heelallen – andere natuurconstanten mogelijk zijn. Meer info over de waarnemingen aan de 300 quasars zijn te vinden in dit wetenschappelijke artikel. :bron: Bron: Swinburne Universiteit.

ICARUS: neutrino’s gaan NIET sneller dan het licht

Het energiespectrum van neutrino's, gemeten met ICARUS

Met dezelfde – superluminale, woehahaha – snelheid als waarmee het OPERA-experiment neutrino’s een snelheid toekende die hoger lijkt te liggen dan de lichtsnelheid lijkt het ICARUS-experiment (Imaging Cosmic And Rare Underground Signal) de neutrino’s weer terug te bonjouren tot de normale wereld, waar de lichtsnelheid de allerhoogste snelheid is en waar Einstein’s Speciale Relativiteitstheorie gewoon nog geldig is. En het mooie is dat beíde experimenten diep onder de grond worden uitgevoerd onder dezelfde massieve rotsen van het San Grasso gebergte in Italië. Net als bij OPERA wordt de ICARUS-detector bestookt met neutrino’s die afkomstig zijn van de 730 km verder gelegen SPS deeltjesversneller van CERN bij Genève. Een paar weken geleden werd een artikel op het wetenschapsarchief arXiv gepubliceerd van het duo Andrew Cohen en nobelprijswinnaar Sheldon Glashow, waarin betoogd wordt dat neutrino’s die sneller gaan dan het licht een karakteristiek energiespectrum moeten hebben, dat eenvoudig te meten moet zijn. En wat blijkt: op grond van het gemeten energiespectrum bij aankomst van 100 muon-neutrino’s in de ICARUS-detector – zie de afbeelding ervan hiernaast – blijkt dat de neutrino’s NIET sneller gaan dan de lichtsnelheid. Kans dat ze er naast zitten: 4 op 10 miljard. Kans bij OPERA dat ze er naast zitten: 1 op 50 miljoen. Kortom, exit superluminale neutrino’s. :bron: Bron: Quantum Diaries Survivor.

Is het raadsel van de sneller-dan-het-licht-neutrino’s opgelost?

De afstand tussen SPS en OPERA, welke de neutrino's hebben afgelegd

Sinds vorige maand bekend werd gemaakt dat men bij het OPERA-experiment onder het Italiaanse San Grasso gebergte muon-neutrino’s heeft gezien die een tikkeltje sneller gaan dan het licht is een enorme hoos verschenen aan mogelijke verklaringen. Strekking van die verklaringen: ergens is in de waarnemingen een fout gemaakt en gaan de neutrino’s helemaal niet sneller dan het licht óf de waarnemingen kloppen en de relativiteitstheorie moet worden herzien. Er zijn inmiddels al meer dan 80 wetenschappelijke artikelen over de ‘superluminale’ neutrino’s – ook wel de FTL-neutrino’s genoemd, de Faster than light neutrino’s – verschenen op het arXiv, het archief van e-Prints, waar wetenschappers hun artikelen plaatsen vóór de officiële publicaties. Eén van die publicaties is het artikel genaamd “Times Of Flight Between A Source And A Detector Observed From A GPS Satellite“ van de Nederlandse natuurkundige Ronald van Elburg en als ik de diverse blogs goed begrepen heb is zijn verklaring erg plausibel. Van Elburg stelt – net als vele anderen – dat een fout is gemaakt bij het OPERA-experiment. Nog even in kort bestek dat experiment: een bundel neutrino’s werd in de SPS deeltjesversneller van CERN bij Genève bij protonenbotsingen geproduceerd en ‘afgeschoten’, dwars door de aarde heen naar het OPERA-experiment, 732 km verderop in Italië. Een deel van de neutrino’s kwam 60 nanoseconde te vroeg aan, daarmee sneller gaand dan het licht. Van Elburg betoogt dat het met die afstand wel goed zit, met GPS-methodes kon men die tot op 20 cm nauwkeurig bepalen en dat is prima gedaan. Maar wat volgens hem niet goed is gegaan dat is de synchronisatie van de klokken bij CERN en OPERA. De daarvoor benodigde GPS-satellieten bewegen 20.000 km boven de aarde van west naar oost in een baan die een inclinatie van 55° met de evenaar heeft.  Ongeveer in dezelfde richting als de neutrino’s bewogen. Bezien vanuit het perspectief van de GPS-satellieten beweegt de uit loodplaten bestaande detector van het OPERA-experiment zich naar de bron van de SPS versneller bij CERN. De weg tussen start en finish is daarom voor de GPS-satellieten korter, conform de referentiekaders uit de speciale relativiteitstheorie van Einstein. Bij de start in Genève levert dat 34 nanoseconden verschil op en bij het einde onder het San Grasso gebergte ook, dus in totaal 64 nanoseconden. Van Elburg denkt rekening houdend met deze relativistische beweging van de GPS-satellieten het waargenomen verschil van 60 nanoseconden verklaard te hebben. Ergo: de speciale relativiteitstheorie staat nog fier overeind en hoeft niet in de prullebak. :bron: Bron: Technology Review.

Gedoe bij OPERA over de sneller-dan-het-licht-neutrino’s

De kolossale uit loodplaten bestaande OPERA-detecor onder het San Grasso gebergte in Italië

Je kon het zien aankomen: er is ‘gedoe’ rondom waarnemingen van het OPERA-experiment aan de superluminale neutrino’s, dat wil zeggen neutrino’s die sneller dan het licht zouden gaan. Vanaf de allereerste geruchten1 en de officiële bekendmaking op 23 september j.l. is er veel discussie gaande rondom de metingen en de algemene tendens is dat er wel ergens een fout in de metingen zal zijn gemaakt. Afgelopen week was er een leuke discussie in Amsterdam tussen de hoogleraar hoge energie astrofysica Ralph Wijers, hoogleraar experimentele hoge energie fysica Stan Bentvelsen en wetenschapsjournalist van de Volkskrant Martijn van Calmthout, die ging over de vraag of het nou wel verstandig was van het OPERA-team om hun resultaten op het arXiv te publiceren, terwijl er nog zoveel onzekerheden over de waarnemingen zijn. Lees het verslag op Folioweb over de levendige discussie er maar over. Nu blijkt dat er ook in het OPERA-team zelf spanningen zijn: van de 170 betrokken natuurkundigen waren er tien die het vanaf het begin niet goed vonden dat de publicatie op het arXiv plaatsvond. Onder hen enkele ‘groepsleiders’ – het team telt er dertig. Sinds de 23e september is de groep die eigenlijk niet wilde publiceren gegroeid. Het artikel is nog niet officieel in een wetenschappelijk vakblad gepubliceerd en die stap gaat velen te ver. Eigenlijk wil men de eigen resultaten – die gebaseerd waren op 16000 ‘gebeurtenissen’ van muon-neutrino’s tussen 2009 en 2011 – geverifieerd zien met andere experimenten. Daarbij wordt met name gekeken naar het Amerikaanse MINOS-experiment, dat nog minstens een half jaar bezig is om hun eigen gebeurtenissen te analyseren. Wordt gevolgd. :bron: Bron: Physics World.

Noot:
  1. Op de viXra blog hebben ze een tijdlijn van de geruchten gemaakt: zo waren er 16 september anonieme commentaren op Resonaances en viXra, waarin gewezen werd op de superluminale neutrino’s. Op 19 september schreef Tomasso Dorigo er een blog op z’n Quantum Diaries Survivor over. Dezelfde dag berichtte ik er op de Astroblogs over – Adrianus, goed gedaan jochie. Op 23 september was het wereldnieuws. []

Switch to our mobile site