31 mei 2020

Zou de lichtsnelheid (soms) lager kunnen zijn dan gedacht?

Credit: NASA, ESA, P. Challis, and R. Kirshner (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics)

Op de vroege morgen van 27 februari 1987 werd in een neutrinodetector onder de Mont Blanc een plotselinge piek gemeten in het aantal neutrino’s. Drie uur later werd door twee andere detectoren een vergelijkbare uitbarsting van neutrino’s waargenomen.Ongeveer 4,7 uur later zagen sterrenkundigen die de Grote Magelhaanse Wolk aan het bestuderen waren iets merkwaardigs: de blauwe superreus Sanduleak -69 202 nam gigantisch in helderheid toe. Niet veel later is de ster supernova gegaan, een gebeurtenis die de boeken is ingegaan als SN 1987A.Deze supernova is nog altijd het best bestudeerde exemplaar ooit, maar is ook door een mysterie omgeven die sterrenkundigen getracht hebben om onder het tapijt te schuiven. De supernova bestond namelijk uit drie gebeurtenissen: een neutrinoflits, nog een neutrinoflits (drie uur later) en nog eens 4,7 uur later pas het optische signaal. Neutrino’s en fotonen (lichtdeeltjes) bewegen beide met de lichtsnelheid en zouden dus tegelijkertijd moeten zijn gearriveerd. Vanwaar de vertraging van 7,7 uur tussen de eerste gedetecteerde neutrino’s en de aankomst van de optische fotonen? De natuurkundige James Franson van de Universiteit van Baltimore is met een mogelijke oplossing gekomen.

Credit: James Franson at the University of Maryland.

Volgens hem zal de lichtsnelheid in een gebied met een hoog zwaartekrachtpotentiaal gaan fluctueren als gevolg van kwantumeffecten. Bij alle eerdere berekeningen van de lichtsnelheid is alleen rekening gehouden met de relativiteitstheorie, maar dat is volgens Franson dus een grote fout. Het is inderdaad zo dat het effect van kwantummechanica op de lichtsnelheid op korte afstand (binnen ons melkwegstelsel) verwaarloosbaar is, maar op voldoende grote afstand wordt dit effect plotseling significant genoeg.Even wat achtergrondinformatie. Een supernova begint als de kern van een zware ster onder z’n eigen gewicht ineenstort, waarbij zowel neutrino’s als fotonen ontstaan. De neutrino’s vliegen ongehinderd naar buiten, terwijl de fotonen door de kern moeten ploegen[1]. Hierbij ontstaat een vertraging van circa drie uur.Volgens vele sterrenkundigen kan tijdens de supernova een tweede ineenstorting plaatsvinden, waarbij opnieuw neutrino’s geproduceerd worden. Daarom werden op aarde twee neutrinoflitsen waargenomen. Maar de optische fotonen zouden drie uur later gearriveerd moeten zijn en niet 4,7 uur later!Bij gebrek aan een betere verklaring heeft de astronomische gemeenschap het op stom toeval gehouden. Schijnbaar kwam toevallig uit exact dezelfde richting als de supernova, op vrijwel hetzelfde moment, een lichtflits aan, van een geheel andere bron. De kans hierop is 1 op 10.000! Dat lijkt me dus een onwaarschijnlijke verklaring :(Fransen heeft getracht dit probleem vanuit een ander oogpunt te bekijken. Als expert op het gebied van kwantummechanica en interferometrie weet hij als geen ander dat de invloed van de zwaartekracht op atomen bij interferometrische experimenten niet verwaarloosbaar is. Het is dus niet zo’n grote stap om te veronderstellen dat dit óók zal gelden voor fotonen.Franson’s redenering gaat als volgt: als een foton door het heelal reist, bestaat er een (eindige) kans dat deze zal opsplitsen in een elektron en een positron. Dit paar bestaat maar heel even, waarna ze weer samenvoegen tot een foton, die gewoon z’n weg vervolgt. Dit proces wordt vacuümpolarisatie genoemd.

Credit: James Franson at the University of Maryland.

Volgens Franson zal zwaartekrachtpotentiaal van invloed zijn op dit proces, aangezien zowel elektronen als (hun antideeltjes) positronen massa hebben. Grof gezegd zal het zwaartekrachtpotentiaal een verandering aanbrengen in de energie van het elektron-positronpaar. Dit resulteert dan weer in een verandering van de energie van het foton. Hierbij wordt de hoekfrequentie van het foton aangepast, en dus diens snelheid.Neutrino’s hebben dit probleem niet. Hun interactie met virtuele deeltjes verloopt uitsluitend via de zwakke kernkracht en die is, in vergelijking, verwaarloosbaar. Franson is vervolgens gaan berekenen hoe groot het effect van vacuümpolarisatie is op de snelheid van fotonen binnen de intergalactische afstand tussen ons en SN1987A. Hiertoe heeft hij een nieuwe term moeten bedenken, namelijk het zwaartekrachtpotentiaal in de kwantum-elektrodynamische omschrijving van fotonen, een proces waarbij kwantummechanica gecombineerd wordt met de relativiteitstheorie.De resultaten zijn opzienbarend te noemen. De berekeningen suggereren dat fotonen vertraagd worden met een factor die proportioneel is tot de fijnstructuurconstante. Volgens Franson is zijn model in staat om de vertraging van 4,7 uur te verklaren. Allemaal leuk en aardig natuurlijk, maar wat zorgt ervoor dat we hier niet met HTK-kosmologie te maken hebben? Oftewel: hoe zit het met de testbare voorspellingen?Nou, die zijn er. Als het idee van Franson klopt, dan zou dit gevolgen moeten hebben voor het magnetische moment van het elektron en op de vervalsnelheid van orthopositronium (een elektron en een positron die om elkaar heendraaien). Helaas zijn deze correcties nog niet meetbaar – het effect is namelijk twee orders van grootte kleiner dan het kleinste dat momenteel meetbaar is. Nog even geduld dus 🙂 Bron: The Physics Archive Blog

  1. aangezien fotonen geen massa hebben, en neutrino’s nauwelijks – maar fotonen reageren via de elektromagnetische kracht op andere materie, terwijl neutrino’s dat niet doen. zij reageren slechts via de zwakke kernkracht en die wordt niet voor niets zo genoemd []

Comments

  1. Wybren de Jong zegt

    Wat hij dus eigenlijk zegt, is dat de lichtsnelheid niet constant is, maar afhankelijk van de sterkte van het zwaartekrachtsveld langs het pad van het foton.
    Maar had men dat dan niet al veel eerder moeten merken bij het testen van de speciale en algemene relativiteitstheorie? Die theorie gaat er immers vanuit dat de lichtsnelheid wel een constante is.

  2. Noot 1: ???? Fotonen hebben geen massa.

    Fotonen kunnen nu eenmaal niet dwars door materie verplaatsen, dus is het een moeizame strijd om zich naar buiten te vechten. De fotonen in onze zon doen er duizenden jaren over om zich een weg te banen vanuit de kern naar de oppervlakte…sommigen hebben het zelfs over een miljoen jaar. Het hele proces heet niets te maken met massa van fotonen, of de zwaartekracht van de zon.

  3. Over die eerste emissie van neutrino’s, waargenomen door de detector onder de Mont Blanc wordt op de genoemde Wikipedia-pagina over SN1987A gezegd: “Approximately three hours earlier, the Mont Blanc liquid scintillator detected a five-neutrino burst, but this is generally not believed to be associated with SN 1987A.” Dus feitelijk was er maar één uitbarsting van neutrino’s. En dan wordt het weer een heel ander verhaal, want dan klopt het tijdsverschil weer wel.

  4. http://home.versatel.nl/edhoeven/gravity_and_redshift.html

    En dus is mijn theorie zo gek nog niet 🙂

  5. Monique Monique zegt

    Olaf, ik had in de Astrocorner een filmpje gelinkt waar ze de supernova 1987A als voorbeeld gebruiken 😉 Ook best leuk om te bekijken.
    https://www.youtube.com/watch?v=nRmJbP25m-Y

  6. rudiev zegt

    Er wordt hier vertelt dat neutrino’s en fotonen met de lichtsnelheid bewegen. Maar neutrino hebben nog een klein beetje massa waardoor ze toch net niet de lichtsnelheid gaan.

    Verder vind ik het interessant om te lezen dat de snelheid van fotonen beïnvloed kan worden door quantum fluctuaties in het vacuum. Dat ze eventjes een elektron-positron paar kunnen vormen om daarna weer verder te gaan als het orginele foton.
    Tijdje terug kwam ik met het Scharnhorst effect welke beschrijft dat een foton in een casimir-vacuum sneller zou kunnen reizen als in een normaal vacuum omdat het in het casimir-vacuum minder last heeft van virtuele deeltjes.
    http://en.wikipedia.org/wiki/Scharnhorst_effect

    Zou het verder niet kunnen dat er voorafgaand aan de supernova niet bepaalde processen hebben plaatsgevonden die veel neutrino’s produceerde welke als een soort van voorbode zijn voor de supernova?
    En zijn er vergelijkende metingen aan andere en/of soortgelijke supernova’s?

    • Anoniem zegt

      “Zou het verder niet kunnen dat er voorafgaand aan de supernova niet bepaalde processen hebben plaatsgevonden die veel neutrino’s produceerde welke als een soort van voorbode zijn voor de supernova?”

      Daar had ik ook al aan gedacht, toen ik bovenstaand artikel gelezen had… Schijnbaar had u hetzelfde idee!
      Ik ben maar een leek op dit gebied.
      Ik zou zeggen als er in de kern genoeg deeltjes verpulverd zijn, en als neutrino’s verder leven… zal na een tijd de kern instabiel worden..

  7. rudiev zegt

    Speciaal voor onze HTK-astronoom Wimpie:
    [quote]
    Franson’s redenering gaat als volgt: als een foton door het heelal reist, bestaat er een (eindige) kans dat deze zal opsplitsen in een elektron en een positron. Dit paar bestaat maar heel even, waarna ze weer samenvoegen tot een foton, die gewoon z’n weg vervolgt. Dit proces wordt vacuümpolarisatie genoemd.
    [/quote]
    Als het foton zich heel eventjes splitst in het elektron-positron paar kan je deze met een magneet beinvloeden en daarmee het pad dat de foton volgt. Maar dit is nog altijd indirect. Maar ssst.. niet doorvertellen 😉
    http://en.wikipedia.org/wiki/Delbr%C3%BCck_scattering

Speak Your Mind

*

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.

%d bloggers liken dit: