Zo ziet de kaart van de natuurkunde er uit

kaart_natuurkunde

Credit: Dominic Walliman/YouTube

De natuurkunde is de tak van de exacte wetenschappen, die zich over tal van onderwerpen uitstrekt – volgens de beschrijving op Wikipedia is het ‘de tak van wetenschap die algemene eigenschappen van materie, straling en energie onderzoekt en beschrijft, zoals kracht, evenwicht en beweging, fasen en faseovergangen, straling, warmte, licht, geluid, magnetisme en elektriciteit, voor zover hierbij geen scheikundige veranderingen optreden’. Diezelfde Wikipedia-pagina laat 25 vakgebieden binnen de natuurkunde zien, een duidelijke maat voor de omvang en complexiteit van de hedendaagse natuurkunde. De natuurkundige Dominic Walliman heeft een dappere en volgens mij ook geslaagde poging gedaan om in een animatie van ruim acht minuten al die onderdelen van de natuurkunde te beschrijven en aan elkaar te koppelen. Kijk en oordeel zelf.

Bron: Gizmodo.

Nieuwe fase van materie ontdekt

Patronen die ontstaan als je een kwantumspinvloeistof met neutronen bombardeert.

Wetenschappers hebben een nieuwe fase van materie gevonden: de zogenaamde kwantumspinvloeistof. Het bestaan van die staat van materie is al tientallen jaren geleden voorspeld, maar het is een lastige zaak om die fase ook daadwerkelijk te produceren. Goed, maar wat is dan zo’n kwantumspinvloeistof? Het is feitelijk wat er zou gebeuren als elektronen uiteen zouden vallen. Maar wacht even: elektronen zijn toch fundamentele (ondeelbare) deeltjes? Dat zijn het inderdaad in drie dimensies, maar in twee dimensies vindt iets merkwaardigs plaats. De elektronen splitsen dan in drie of vijf kleinere deeltjes, die ieder een fractie van de totale lading van het elektron met zich meedragen. Het is alsof zich bellen vormen in een kwantumvloeistof, zoals onderstaande video laat zien:

Normaal gesproken is het zo, dat als je elektronen blootstelt aan een krachtig magnetisch veld

Een nieuwe manier van denken zet ons begrip van de ruimtetijd volledig op z’n kop

Eén van de vreemdste aspecten van de kwantummechanica is verstrengeling. Immers, als twee deeltjes elkaar op een gigantische afstand beïnvloeden, dan wordt een fundamenteel principe in de natuurkunde geschonden, namelijk lokaliteit: dingen die op een specifieke positie in de ruimte plaatsvinden, kunnen alleen nabije posities beïnvloeden. Maar wat als lokaliteit – en de ruimte zelf – helemaal niet fundamenteel zijn? De auteur George Musser verkent de implicaties in zijn nieuwe boek, Spooky Action At a Distance (“spookachtige werking op afstand”).

Credit: Steve Ball/Shutterstock.

Toen de filosoof Jenann Ismael tien jaar oud was, kocht haar vader (een Irakese professor die verbonden was aan de Universiteit van Calgary, Canada) een oude kist op een veiling. In die kist vond Ismael een oude kaleidoscoop en ze was direct verkocht. Ze heeft er urenlang mee geëxperimenteerd om te achterhalen hoe de kaleidoscoop werkte.

Als je in een kaleidoscoop kijkt en aan de buis draait, komen allerlei veelkleurige vormen in beeld, die ronddraaien, bloesemen en samensmelten. Het patroon verschuift constant en onvoorspelbaar, schijnbaar zonder rationele verklaring. Maar hoe langer je in een kaleidoscoop tuurt, hoe meer regelmaat je kunt aantreffen. Vormen die zich links en rechts in je beeldveld bevinden, veranderen op dezelfde manier en die symmetrie bevat aanwijzingen voor wat er werkelijk aan de hand is. Die vormen zijn helemaal geen fysieke objecten, maar weerkaatsingen van fysieke objecten – van glasscherven die rondschudden in een door spiegels bedekte buis, om precies te zijn.

Een enkele glasscherf kan op verschillende plaatsen zichtbaar worden, alsof het zich in verschillende punten van de ruimte bevindt. Maar als je kijkt naar de grotere ruimte rondom de kaleidoscoop, dan kan de fysieke beschrijving van de driedimensionale kaleidoscoop resulteren in een vrij eenvoudige causale theorie. Je hebt een stukje glas dat door meerdere spiegels gereflecteerd wordt. Zodra je snapt hoe een kaleidoscoop werkt, is het plotseling niet mysterieus meer!

Toen Ismael tientallen jaren later een nieuwe kaleidoscoop kocht, besefte ze ineens iets bijzonders. Een kaleidoscoop is eigenlijk een metafoor voor het non-lokaliteitsprincipe in de natuurkunde! Kijk, normaal gesproken kunnen deeltjes elkaar alleen beïnvloeden als ze zich bij elkaar in de buurt bevinden. Sommige processen hebben hier echter lak aan, zoals het mysterieuze verschijnsel van kwantumverstrengeling, waarbij een deeltje op aarde en een deeltje aan de andere kant van het universum elkaar direct kunnen beïnvloeden. Stel dat deeltjes die met elkaar verstrengeld zijn eigenlijk projecties zijn, of “secundaire creaties”, van objecten die zich in een andere realiteit bevinden?

“In het geval van de kaleidoscoop, weten we wat ons te doen staat: we moeten het hele systeem bekijken – we moeten achterhalen hoe de ”beeldruimte’ gecreëerd wordt”, zegt Ismael. “Maar hoe maken we een analoog hiervan voor kwantumeffecten? Dat zou betekenen dat de ruimte zoals wij dat kennen, waarin gebeurtenissen op verschillende locaties plaatsvinden, een emergente structuur is. Oftewel, iets dat tevoorschijn komt vanuit iets fundamentelers. Als we twee gebeurtenissen bekijken, dan zien we wellicht één gebeurtenis die meerdere keren “weerkaatst” wordt in de ruimtetijd. We interacteren met hetzelfde stukje realiteit vanuit verschillende locaties in de ruimte”.

Ismael en andere natuurkundigen twijfelen aan de aanname dat de ruimte het diepste niveau van de realiteit is. We weten inmiddels dat het universum meer facetten bevat dan hetgeen zich binnen die ruimte bevindt. Nonlokale fenomenen, zoals verstrengeling, vinden deels buiten de traditionele ruimte plaats – immers, alleen op die manier kunnen deeltjes op grote afstand elkaar beïnvloeden alsof ze met elkaar in contact staan.

Dit suggereert dat er een diepere realiteit dan de ruimte moet bestaan, waarin het concept van afstand simpelweg niet bestaat. Dingen die op grote afstand van elkaar lijken te staan, zijn eigenlijk heel dichtbij, of misschien zelfs hetzelfde “ding” dat op meerdere plaatsen in de ruimte gemanifesteerd wordt. Ongeveer zoals de meerder beeldjes van een enkel stukje glas in een kaleidoscoop!

Als we op dat niveau gaan denken, dan worden veel mysteries ineens een stuk minder mysterieus. De connectie tussen twee deeltjes aan beide kanten van een laboratoriumopstelling, of de connectie tussen deeltjes binnen en buiten een zwart gat, is ineens niet meer zo “spookachtig”.

Als je accepteert dat het fundamentele niveau van natuurkunde non-lokaal is, dan worden “spookachtige gebeurtenissen op afstand” ineens heel logisch. Immers, twee deeltjes op grote afstand van elkaar, staan in verbinding met hetzelfde fundamentele nonlokale niveau. Voor hen bestaan ruimte en tijd simpelweg niet!

Het idee van een dieper niveau is voor natuurkundigen niet zo vreemd. Zodra we een aspect van onze wereld niet begrijpen, gaan natuurkundigen er vanuit dat we simpelweg niet diep genoeg gegraven hebben. In plaats daarvan zoomen we in, op zoek naar de werkelijke bouwstenen. Het is op het eerste gezicht, bijvoorbeeld, nogal mysterieus dat vloeibaar water kan koken (tot stoom) en kan bevriezen (tot ijs). Toch zijn deze transformaties volkomen logisch als je beseft dat water, stoom en ijs geen elementaire substanties zijn, maar afzonderlijke vormen van een enkele fundamentele substantie.

Aristoteles beschouwde de verschillende fasen van water als diverse incarnaties van zogenaamde oermaterie en volgens de zogenaamde atomisten (een stroming binnen de Griekse wijsbegeerte) werden atomen bij faseveranderingen simpelweg opnieuw gerangschikt tot lossere of vastere structuren. Gezamenlijk nemen de bouwstenen van materie eigenschappen aan die ze individueel missen. Op vergelijkbare wijze zou de ruimte kunnen zijn opgebouwd uit onderdelen die zelf niet ruimtelijk zijn. Die onderdelen zouden misschien ook herschikt kunnen worden tot niet-ruimtelijke structuren zoals die wellicht bij zwarte gaten en de oerknal gevonden kunnen worden.

“De ruimtetijd kan onmogelijk fundamenteel zijn”, aldus de bekende fysicus Nima Arkani-Hamed. “Het moet tevoorschijn komen vanuit iets dat nog fundamenteler is”. Deze manier van denken zet de natuurkunde volledig op z”n kop. Non-lokaliteit is niet langer een mysterie, maar de manier waarop dingen werkelijk zijn. In plaats daarvan wordt lokaliteit ineens puzzelachtig. We kunnen de ruimte niet langer voor lief nemen – we moeten verklaren wat het is en hoe het tevoorschijn kan komen, met of zonder tijd.

Het bouwen van ruimtetijd zal, vanzelfsprekend, minder eenvoudig zijn dan het smelten van moleculen tot een vloeistof. Wat zouden in vredesnaam de bouwstenen kunnen zijn? Normaal gesproken mag aangenomen worden dat de bouwstenen van iets kleiner zijn dan hetgeen je ervan kunt bouwen. Als je de Eiffeltoren maakt van lucifers, dan zijn de lucifers kleiner dan de toren en dat is logisch, toch?

Nou, in het geval van de ruimte kan er geen sprake zijn van “kleiner”, omdat grootte op zich een ruimtelijk concept is. De bouwstenen van de ruimte kunnen zelf geen ruimte innemen, anders zouden ze (in deze context) niets verklaren. Dat betekent dat die bouwstenen geen grootte of locatie hebben: ze zijn overal en overspannen de gehele kosmos, maar zijn tegelijkertijd nergens en onmogelijk om aan te wijzen. Hoe zou het zijn om geen positie te hebben? Wat ben je dan eigenlijk? Ben je dan überhaupt wel iets?

Binnen de westerse filosofie wordt het gebied buiten de ruimte traditioneel gezien als het gebied voorbij de wetten van de natuurkunde – de woonplaats van God in de Christelijke theologie. In de vroege achttiende eeuw bevonden de zogenaamde “monaden” van Gottfried Leibniz, die volgens hem de primitieve elementen van het universum zouden zijn, zich eveneens buiten ruimte en tijd. Zijn theorie was een stap in de richting van emergente ruimtetijd, maar was nog altijd metafysisch van aard, met slechts een vage verbinding met de wereld van “echte dingen”. Als natuurkundigen ooit willen verklaren hoe de ruimtetijd emergent kan zijn, dan moeten zij het concept van “buiten de ruimte” binnen het domein van de wetenschap brengen – van de metafysica naar de fysica.

Einstein voorzag deze problemen al. “Misschien moeten we het begrip ruimtetijd-continuüm wel opgeven. Wellicht dat het menselijke vernuft ooit manieren zal vinden om zo’n pad te bewandelen, maar op dit moment lijkt zo”n programma op het proberen te ademen in de lege ruimte.”

John Wheeler, de vermaarde zwaartekrachttheorist, speculeert dat ruimtetijd is opgebouwd uit “pre-geometrie”, maar heeft toegegeven dat dit weinig meer is dan een “idee voor een idee”. Zelfs een grootheid als Arkani-Hamed heeft zo z’n twijfels. “Deze problemen zijn ontzettend moeilijk. Ze bevinden zich buiten de gebruikelijke taal om dingen te begrijpen”.

Wat Arkani-Hamed en de anderen op de been houdt, is dat zij manieren hebben gevonden om daadwerkelijk te doen wat ze volgens Einstein moesten doen – het omschrijven van natuurkunde zonder ruimte ….te ademen in een vacuüm. “Al duizenden jaren stellen mensen vragen over de diepere aard van ruimte en tijd, maar die vragen kwamen te vroeg. We zijn eindelijk in een tijdperk aanbeland waarin we niet alleen die vragen kunnen stellen, maar ook mogen hopen op een zinnig antwoord”.

Bron: Gizmodo

Het boek Spooky Action at a Distance is hier en hier te bestellen.

“Parallelle universa bestaan echt en zijn binnenkort toetsbaar”

Credit: physics-astronomy.com/

Is het mogelijk dat op dit exacte moment een kopie van jou dit artikel aan het lezen is in een parallel universum? Dat lijkt nogal science fiction, maar sommige wetenschappers houden daar serieus rekening mee. Groot voorstander van dit idee is de bekende natuurkundige Brian Greene, die meerdere boeken over dit onderwerp heeft geschreven. Zo’n parallel universum zou heel dichtbij kunnen zijn – misschien slechts een millimeter van ons vandaan, maar toch kunnen we het niet zien of voelen.

Het krachtigste apparaat om de geheimen van het universum bloot te leggen is de Large Hadron Collider in Zwitersland. Deze deeltjesversneller heeft een paar jaar stilgelegen voor een upgrade, maar binnenkort zal de LHC weer van start gaan met een maximale energie van 13 TeV en da’s twee keer meer dan voorheen! Sommige wetenschappers verwachten dat de LHC tijdens z’n tweede ‘run’ bewijs zal leveren voor ‘nieuwe natuurkunde’ voorbij de horizon van het Standaard Model. Een voorbeeld van die nieuwe natuurkunde is het bestaan van parallelle universa! Ook zal de Alpha Magnetic Spectrometer-2, aan boord van het ISS, mogelijk aanwijzingen kunnen vinden voor het bestaan van parallelle universa ;)Maar stel dat parallelle universa daadwerkelijk bestaan, waarom kunnen we ze dan niet zien? Dat komt doordat ons universum en een parallel universum van elkaar gescheiden worden door een extra dimensie die wij niet kunnen waarnemen. Kijk, wij worden door de natuurkrachten aan dit ene universum verbonden – het is niet toegestaan om ons driedimensionale universum te verlaten. De enige toegestane richtingen zijn “omhoog/omlaag”, “links/rechts” en “naar voren/naar achteren” – maar om een parallel universum te bereiken (of alleen maar te zien) heb je een nieuwe manier van ‘opzij gaan’ nodig – een manier die wij ons niet kunnen voorstellen.

Toch zijn er aanwijzingen dat de zwaartekracht zich niets aantrekt van deze barriére. Natuurkundigen stellen dat de reden dat zwaartekracht een relatief zwakke kracht is, te maken heeft met het feit dat de zwaartekracht (als enige fundamentele natuurkracht) weglekt naar andere dimensies. Het is zelfs mogelijk dat twee van elkaar gescheiden universums toch invloed op elkaar kunnen uitoefenen, omdat ze elkaars zwaartekracht kunnen voelen!Hoe zo’n parallel universum eruit ziet blijft koffiedik kijken. Mogelijk is het een bijna exacte kopie van ons eigen universum, waarin ook een AstroBlogs bestaat, en waarin een kopie van jou dit aan het lezen is. Het is ook mogelijk dat zo’n ander heelal zo verschillend is van het onze, dat we het nauwelijks als een universum zouden herkennen. De mogelijkheden zijn eindeloos – en het aantal parallelle universa misschien ook.Goed, maar het blijft voorlopig bij fantaseren en veronderstellen, toch? Nou, niet persé: volgens Max Tegmark van het MIT zou het multiversummodel van ‘oneindige universa’ binnenkort toetsbaar, voorspellend en/of weerlegbaar kunnen zijn. Maar of we ooit zo’n ander universum zullen bezoeken? Dat lijkt me zeer onwaarschijnlijk, maar je weet nooit – misschien blijken de gebeurtenissen in de sciencefictionserie Fringe wel tot de mogelijkheden te behoren! Bron: Physics Astronomy.

De natuurkunde van ruimtegevechten

Credit: Calamity Si


Er wordt daarboven heel wat afgeknald, gelaserd, gezapt, gebeamd, gelightsabered, complete planeten vernietigd door Death Stars… tenminste in de science fictionfilms. Joe Hanson van It’s Okay to be Smart heeft z’n helm opgezet en is in een ruimte-gevechtsvliegtuig gestapt om daar samen met Obi-Wan Newton te ontdekken welke wetten van de natuurkunde een rol spelen bij gevechten in de ruimte. Kijken!

Bron: It’s Okay to be Smart.

Elektrische lading van antiwaterstof gemeten

Credit: Max Ppanxk Institute.

Natuurkundigen hebben de elektrische lading gemeten van antiwaterstofatomen. Deze blijkt nul te bedragen, met een nauwkeurigheid van acht cijfers achter de komma. Dat is natuurlijk niet verrassend, aangezien waterstofatomen elektrisch neutraal zijn. Het is wel de eerste keer dat de lading van een anti-atoom met grote zekerheid is vastgesteld.Antideeltjes worden geacht identiek te zijn aan materiedeeltjes, met uitzondering van de (omgekeerde) elektrische lading. Dus waar een waterstofatoom is opgebouwd uit een proton (met lading +1) en een elektron (met lading -1), bestaat uit antiwaterstofatoom uit een antiproton (negaton) met lading -1 en een anti-elektron (positron) met lading +1.We weten echter dat beide niet exact aan elkaar gelijk staan. De natuur lijkt een kleine voorkeur te hebben voor materie boven antimaterie. Dit verschil is superklein (een op 10 miljard) maar groot genoeg om een groot effect te hebben. Zonder dit effect zou geen materie bestaan, aangezien alle materie en antimaterie elkaar geannihileerd zouden hebben tot zuivere energie. Het is trouwens een hele kluif om antimaterie lang genoeg op te slaan om metingen te kunnen verrichten. Zoals gezegd wordt antimaterie omgezet tot zuivere energie zodra het in contact komt met normale materie. Dat betekent dat met allerlei ingewikkelde deeltjesvallen en magnetische velden het antimaterie uit de buurt moet worden gehouden van normale materie. Hoe dan ook, de uitkomst van het onderzoek is belangrijk voor de natuurkunde. Antimaterie blijkt zich (elektromagnetisch gezien) inderdaad hetzelfde te gedragen als gewone materie. De onderzoekers zullen overigens niet op hun lauweren gaan rusten. Nu gaan ze kijken hoe antimaterie reageert op zwaartekracht, om te zien of dáár misschien verschil in zit.Het volledige onderzoek kan hier gelezen worden. Bron: CERN

Simulaties ondersteunen theorie dat heelal slechts een hologram is

Credit: Melmak / Pixabay.

Een team van wetenschappers is met bewijs gekomen dat ons universum slechts een hologram is. In 1997 kwam de theoretische natuurkundige Juan Maldacena met het idee dat het model waarin zwaartekracht het gevolg is van onvoorstelbare kleine en vibrerende snaren eigenlijk gelijk staat aan een simpeler model dat verklaard kan worden met de gevestigde natuurkunde. De wiskundig ingewikkelde wereld van snaren, die bestaan in negen ruimtedimensies plus een tijddimensie, is slechts een hologram – we leven eigenlijk in een simpeler en platter universum zonder zwaartekracht. Het idee van Maldacena werd met open armen ontvangen, aangezien de nog onbewezen snarentheorie hierbij voet aan de grond krijgt. Daarnaast zou het idee de schijnbare inconsistentie tussen kwantummechanica en Einstein’s relativiteitstheorie plotsklaps kunnen oplossen. Het zou de natuurkunde een wiskundige Steen van Rosetta geven, een dualiteit, waarmee beide talen in elkaar vertaald kunnen worden. Dat betekent dat problemen die in het ene model onoplosbaar zijn, dat in het andere model wél zijn. Helaas is sindsdien geen enkel bewijs geleverd voor het model van Maldacena. Nu is een team van vooral Japanse wetenschappers (onder leiding van Yoshifumi Hyakutake) met twee wetenschappelijk artikelen gekomen, waarin sterke aanwijzingen worden geleverd voor het model van Maldacena – de auteurs spreken zelfs voorzichtig van “bewijs”!In het ene artikel heeft Hyakutake de inwendige energie berekend van een zwart gat, evenals de positie van diens gebeurtenishorizon (de grens tussen het zwarte gat en de rest van het universum), diens entropie en allerlei andere eigenschappen die gebaseerd zijn op de voorspellingen van de snarentheorie, evenals de effecten van zogenaamde virtuele deeltjes die voortdurend ontstaan en vrijwel direct weer vernietigd worden.

In het andere artikel hebben ze dezelfde eigenschappen berekend binnen een lagerdimensionale kosmos zonder zwaartekracht. De twee berekeningen komen exact overeen!Maldacena is alvast enthousiast: “de wiskunde erachter lijkt correct te zijn”. Volgens hem leveren de bevindingen een “interessante manier om vele ideeën van kwantumzwaartekracht en snarentheorie te testen”. Maldacena, die zelf niet bij dit onderzoek betrokken is geweest, zegt verder dat “het gehele onderzoek opwindend is, aangezien het de duale aard van het universum kan testen in regimes waarin geen analytische tests bestaan”. Geen van de twee modellen die door de Japanners verkend zijn komt overeen met het onze, zo waarschuwt Maldacena. De kosmos met het zwarte gat heeft tien dimensies, waarvan acht een achtdimensionale bol vormen. De lagerdimensionale, zwaartekrachtloze versie heeft slechts een enkele dimensie en is een bonte verzameling van kwantumdeeltjes die doen denken aan een groep van ideale snaren, of harmonische oscillators, die met elkaar verbonden zijn. Dat betekent dat de resultaten van het onderzoek géén verklaring vormen voor het universum waarin wij leven. Het laat wél zien dat twee verschillende werelden op numerieke wijze met elkaar verbonden kunnen worden. Het versterkt dus de hoop dat de gravitationele eigenschappen van het universum ooit verklaard kunnen worden door een simpeler universum, dat puur in termen van de kwantumtheorie beschreven kan worden. Bron: Nature.

Zijn verstrengelde deeltjes verbonden via wormgaten?

Credit: Alan Stonebraker/American Physical Society

Kwantumverstrengeling, het merkwaardige kwantummechanische fenomeen dat door Einstein werd omschreven als “spookachtige actie op een afstand”, zou nog spookachtiger kunnen zijn dan gedacht. Volgens twee Amerikaanse natuurkundigen zou het fenomeen verband kunnen houden met wormgaten, hypothetische tunnels door de ruimtetijd die twee plaatsen in het universum met elkaar kunnen verbinden. In tegenstelling tot de science fiction, zouden deze kwantumwormgaten niet gebruikt kunnen worden voor om doorheen te reizen – zelfs het versturen van informatie is niet mogelijk.

Okee, even om onze kennis op te frissen: kwantumverstrengeling is een fenomeen waarbij twee deeltjes op schijnbaar magische wijze met elkaar verbonden zijn. Als je de eigenschappen van het ene deeltje veranderd, zal het andere deeltje direct de tegenovergestelde eigenschappen krijgen. Lichtsnelheid? Daar hebben verstrengelde deeltjes schijt aan. Einstein kan de pot op!

Je snap waarom Einstein niets moest hebben van kwantummechanica. Het maakte namelijk niet uit wat de afstand tussen beide deeltjes is. Al staan ze ieder aan de andere kant van het universum, ze reageren direct op elkaar. Okee, maar wat heeft dit met wormgaten te maken? Wel, hoewel het allemaal theorie is, zou het mogelijk zijn dat zwarte gaten eigenlijk de uiteindes vormen van wormgaten. Nu hebben de natuurkundigen berekend dat een wormgat tussen twee zwarte gaten eigenlijk hetzelfde is als een verstrengeling. In dit geval zijn niet twee deeltjes met elkaar verstrengeld, maar twee zwarte gaten!

Handig dus, maar: zwarte gaten hebben zo’n hoge zwaartekracht dat het licht niet aan ze kan ontsnappen. Je kunt er dus niets doorheen sturen 🙁

Bron: Phys.org

Massaverhouding tussen protonen en elektronen al 7,5 miljard jaar constant

FOM onderzoekers op bezoek bij ALMA. Credit: FOM.

Een onderzoeksteam onder leiding van de Nederlandse Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM) heeft opnieuw bewezen dat de massaverhouding tussen elektronen en protonen de afgelopen 7,5 miljard jaar gelijk is gebleven. De groep heeft hiertoe een groot aantal metingen verricht, die het resultaat van eerdere onderzoeken lijkt te bevestigen.

De massa van een proton is 1836,152672 keer zo groot als de massa van een elektron. Die verhouding, en daarmee de structuur van alle moleculaire materie, is 7,5 miljard jaar lang precies hetzelfde geweest – althans binnen een marge van een honderdduizendste procent. Dat concludeerden natuurkundigen van het FOM toen zij vorig jaar met de Effelsberg-radiotelescoop naar methanolmoleculen buiten het Melkwegstelsel keken.

Methanol (CH3OH, de eenvoudigste vorm van alcohol) is gevoelig voor veranderingen in de proton-elektron-massaverhouding. Een kleine afwijking zou de structuur van het molecuul, en het bijhorende absorptiespectrum, duidelijk beïnvloeden. Een absorptiespectrum laat precies zien welke stralingsfrequenties door een deeltje worden geabsorbeerd. Elk molecuul heeft zijn eigen typerende spectrum. Het spectrum van methanol bleek bij uitstek geschikt om de natuurconstante te analyseren: als de proton-elektron-massaverhouding verandert, zullen sommige lijnen in het methanolspectrum sterk verschuiven terwijl anderen hetzelfde blijven (de zogeheten ankerlijnen).De onderzoekers analyseerden vorig jaar het spectrum van methanolmoleculen in een ander sterrenstelsel. Omdat de moleculen zo ver weg staan, duurt het lang voordat hun straling de aarde bereikt. Daarom keken de onderzoekers in feite terug in de tijd, naar hoe methanol er 7,5 miljard jaar geleden uitzag. Zij zagen dat het ‘oude methanol’ een vergelijkbaar spectrum heeft met modern methanol.

De moleculaire structuur van methanol is bijzonder gevolg voor veranderingen in de massaverhouding tussen protonen en elektronen. Credit: FOM

De onderzoekers hebben nu aanvullende metingen gedaan met de Effelsberg-radiotelescoop (Duitsland), de Iram-30-telescoop (Granada, Spanje) en het nieuwe Alma-observatorium in de Andes, op de Chileens-Boliviaanse grens. Omdat waterdamp in de atmosfeer de metingen bij hoge frequenties verstoort, moesten de onderzoekers naar deze hoge en droge gebieden uitwijken. Terwijl de metingen in Duitsland beperkt bleven tot radiofrequenties tot 35 gigahertz, nam de Iram-radiotelescoop absorptielijnen waar bij 83 GHz en 160 GHz. Het Alma-observatorium, zo’n vijf kilometer boven zeeniveau gelegen in de droge Atacama-woestijn, kon zelfs een absorptielijn bij 261 GHz meten.Tijdens het nieuwe onderzoek ontdekten de fysici ook dat de richting van de straling afkomstig uit de radiobron, die geabsorbeerd wordt door het methanol, veranderingen ondergaat. Ook bleek de temperatuurverdeling van de gaswolk waarin de methanol zich bevindt een effect te hebben op de absorptie. Nu de onderzoekers dankzij de nieuwe metingen voldoende spectrumlijnen zagen, wisten ze bovenstaande effecten uit de resultaten te filteren.Op basis van tien waargenomen absorptielijnen konden de onderzoekers een verbeterde statistische analyse maken. Alle metingen bevestigen dat de proton-elektron-massaverhouding inderdaad constant bleef.Het onderzoek is uitgevoerd door FOM-werkgroepleider prof.dr. Wim Ubachs en FOM-oio’s Julija Bagdonaite en Mario Dapra (allen VU), in samenwerking met collega’s van de VU, het Max Planck Instituut te Bonn en het Onnsala observatorium in Zweden. Het volledige onderzoek kan hier teruggelezen worden. Bron: Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie

Een juweel in het hart van de kwantumfysica – Deel 1, ruimtetijd mogelijk géén fundamentele eigenschap van de realiteit

Het amplituhedron, een nieuw wiskundig object in meerdere dimensies. Credit: Andy Gilmore

Natuurkundigen hebben een juweel-achtig geometrisch object ontdekt, waarmee het berekenen van de interacties tussen subatomaire deeltjes een stuk eenvoudiger is geworden. Daarnaast laat het object zien dat ruimte en tijd mogelijk geen fundamentele componenten van de realiteit vormen.

“Dit is helemaal nieuw en veel simpeler dan alles wat voorheen is gedaan”, aldus de wis- en natuurkundige Andrew Hodges van Oxford University.

De onthulling dat deeltjes-interacties, de meest basale gebeurtenissen in de natuur, het gevolg kunnen zijn van geometrie, zet wetenschappers eindelijk op het spoor van iets waar ze lang op zoek naar zijn geweest: een versimpelde versie van de kwantumveldtheorie (de verzameling natuurwetten waarmee elementaire deeltjes en hun interacties omschreven worden). Deze interacties werden voorheen omschreven met extreem lange wiskundige formules, maar kunnen voortaan omschreven worden door het volume te berekenen van het corresponderende, juweel-achtige “amplituhedron“, waarmee een overeenkomende ééntermige wiskundig uitdrukking kan worden verkregen. “De mate van efficientie is ongelooflijk”, zegt Jacob Bourjaily, een theoretische natuurkundige van Harvard University en mede-bedenker van het concept. “Je kan nu eenvoudig op papier een berekening uitvoeren waar voorheen een supercomputer voor nodig was”. De nieuwe geometrische versie van kwantumveldtheorie zou ook kunnen helpen bij de zoektocht naar kwantumzwaartekracht – het concept waarmee het universum op grote schaal en het universum op kleine schaal naadloos met elkaar verweven worden. Voorgaande pogingen om zwaartekracht te koppelen aan kwantummechanica hebben steeds geleid tot niet-logische oneindigheden en diepe paradoxen. Het amplituhedron, of een vergelijkbaar geometrisch object, zou hierbij kunnen helpen door twee diepgewortelde natuurkundige principes te verwijderen: lokaliteit en unitariteit.Lokaliteit is de notie dat deeltjes alleen met elkaar kunnen reageren vanuit aangrenzende delen van ruimte en tijd. Unitariteit is de notie dat de waarschijnlijkheid van alle mogelijke uitkomsten van een kwantummechanische interactie bij elkaar opgeteld altijd één is. Beide concepten staan centraal in de oorspronkelijke kwantumveldtheorie. In bepaalde situaties waarbij zwaartekracht is betrokken, brokkelen beide pilaren echter af. Dat betekent dat zowel lokaliteit als unitariteit geen fundamentele aspecten van de natuur kunnen zijn.Vandaar dat bij de nieuwe geometrische aanpak van deeltjesinteracties zowel lokaliteit als unitariteit hun rang als basisprincipe verloren hebben. Het amplituhedron is niet opgebouwd uit ruimtetijd en waarschijnlijkheid, in plaats daarvan ontstaan beide eigenschappen slechts als consequenties van de geometrie van het juweel. Het gebruikelijke beeld van ruimte en tijd, met deeltjes die erin bewegen, is slechts een illusie.Het amplituhedron vormt zelf geen beschrijving van zwaartekracht. De natuurkundige Arkani Hamed denkt echter dat een verwant geometrisch patroon dat wél doet. De eigenschappen van dat patroon zouden duidelijk moeten maken waarom deeltjes bestaan, waarom ze lijken te bewegen in een driedimensionale ruimte en waarom ze lijken te veranderen in de tijd.

Logge machine
Het amplituhedron ziet eruit als een complex multidimensionaal juweel met meerdere facetten. “Ingebrand” in z’n volume bevinden zich de meest basale eigenschappen van de realiteit die berekend kunnen worden, namelijk “scattering amplitudes” (verstrooiings-amplitudes). Deze bepalen de waarschijnlijkheid waarmee bepaalde deeltjes ontstaan bij de botsing van bepaalde deeltjes. (red., okee dat klinkt een beetje vaag, maar het klopt). Dus als twee bekende deeltjes met elkaar in botsing komen, kunnen allerlei deeltjes ontstaan, maar die kunnen nooit allemaal tegelijk ontstaan! Door middel van het berekenen van scattering amplitudes kun je bij iedere botsing de waarschijnlijkheid berekenen dat een bepaald soort deeltje het gevolg zal zijn. Dit is precies wat natuurkundigen berekenen en testen met enorme deeltjesversnellers zoals de Large Hadron Collider.

Credit: United States Postal Service

De zestig jaar oude (en destijds baanbrekende) methode voor het berekenen van scattering amplitudes is bedacht door de Nobelprijswinnaar Richard Feynman. Hij tekende lijnfiguurtjes van alle mogelijke manieren waarop een verstrooiingsproces kan plaatsvinden, om vervolgens van ieder van deze figuurtjes de waarschijnlijkheid te berekenen. De simpelste Feynman-diagrammen hebben de vorm van een boom: de deeltjes die betrokken zijn bij de botsing vormen de wortels en de deeltjes die het resultaat vormen van de botsing schieten als takken omhoog.Meer gecompliceerde diagrammen hebben lussen, waarbij botsende deeltjes veranderen in onzichtbare “virtuele” deeltjes die met elkaar interacteren, alvorens uit te waaieren als eindproducten. Er zijn diagrammen met twee lussen, drie lussen enzovoorts – bij iedere extra lus wordt de waarschijnlijkheid van dat proces kleiner. Virtuele deeltjes worden nooit waargenomen, maar werden als wiskundige noodzakelijkheid beschouwd om de unitariteit in stand te houden – de noodzakelijkheid dat de som van alle waarschijnlijkheden precies één moet zijn.Het aantal Feynman-diagrammen is dusdanig bizar hoog, dat zelfs het berekenen van zeer eenvoudige processen enorm veel rekenkracht nodig heeft. Een simpele gebeurtenis, zoals twee gluonen (een type van subatomaire deeltjes) die met elkaar in botsing komen, waarbij vier nieuwe gluonen van lagere massa geproduceerd worden, vereist 220 diagrammen om geheel beschreven te worden. In de jaren ’80 werd daarom duidelijk dat het Feyman-apparatus eigenlijk een zogenaamde Rube Goldberg-machine is – een complex apparaat dat een zeer eenvoudige opgave onnodig langzaam en omslachtig uitvoert.Ter voorbereiding van de bouw van de Superconducting Super Collider in Texas (die helaas gecancelled is) hebben natuurkundigen de scattering amplitudes berekend van bekende interacties. Helaas bleken zelfs 2-gluon -> 4-gluon processen dusdanig complex dat hun effecten “in de voorzienbare toekomst niet geëvalueerd kunnen worden”.Stephen Park en Tommy Tayler, natuurkundigen van het Fermi-lab in Illinois, zagen die boodschap als een uitdaging. Dankzij een aantal wiskundige trucjes wisten zij het berekenen van de 2-gluon -> 4-gluon interactie te versimpelen van miljarden termen tot een formule van 9 pagina’s lang, die vervolgens door een supercomputer uit die tijd uitgerekend kon worden. Aan de hand van patronen die zij zagen bij andere gluon-interacties, wisten zij een simpele ééntermige uitdrukking te verzinnen waarmee de amplitude berekend kon worden. De computer wist te verifiëren dat deze simpele uitdrukking exact gelijk stond aan de volledige formule van 9 pagina’s. Met andere woorden: de traditionele kwantumveldtheorie, met z’n honderden Feynman-diagrammen en duizenden wiskundige termen, is verbijsterend genoeg eigenlijk iets veel simpelers. Zoals Bourjaily het samenvatte: “Waarom zou je miljoenen dingen opnoemen terwijl het antwoord slechts één functie is?”.”We wisten destijds dat we iets belangrijks ontdekt hadden”, zegt Parke. “We wisten het meteen. Maar we vroegen ons af: wat moet de volgende stap worden? Wat moeten we er precies mee?” Deel 2 van dit artikel kan hier gelezen worden.Bron: Quanta .