Wat we waarnemen als tijd is een artefact en geeft in feite alleen de numerieke verandering van materie in de ruimte aan. Deze hallucinerende gedachte is afkomstig van Amrit Sorli, Davide Fiscaletti en Dusan Klinar van het Sloveense wetenschappelijk onderzoekscentrum Bistra in Ptuj. Volgens hen is alleen ruimte reëel.
Ruimtetijd bestaat volgens Einsteins algemene relativiteitstheorie uit drie ruimtedimensies en één tijddimensie. Om de positie van een punt precies te beschrijven moet je dus lengte(x), breedte(y), hoogte(z) en tijdstip(t) noemen. Wiskundig wordt ruimtetijd in Einsteins theorie beschreven als een Minkowski-ruimte met metriek (1,1,1,-1): hoe sneller je je in deze ruimte voortbeweegt, hoe langzamer de tijd verloopt. Vandaar de beroemde tweelingparadox en dergelijke.Beweeg je zo snel als het licht, dan staat de tijd stil.
Het drietal natuurkundigen stelt dat we tijd nooit rechtstreeks meten, dus dat het daarom zinloos is om over tijd als zodanig te spreken. We meten alleen trillingen, frequenties en dergelijke. Met andere woorden: veranderingen in materiële dingen. Klokken, bijvoorbeeld, berusten op trillingen in een kristal, een atoom of (oudere modellen) het zwaaien van een slinger of stromen van water of zand. Als we met behulp van deze klokken iets meten, vergelijken we alleen de veranderingen in de klok met de veranderingen in het materiële object. Tijd is, denken ze, slechts een vierde ruimtelijke dimensie, de (causale) volgorde waarin gebeurtenissen plaatsvinden. Op kwantumniveau zouden er dan alleen drie ruimtelijke dimensies bestaan. Daaruit komt onze illusie van drie ruimtelijke dimensies plus tijddimensie voort.
Achilles en de schildpad, de hoofdpersonen in Zeno's beroemde paradox.
Zeno’s paradox gekraakt
De Griekse filosoof Zeno van Elea bedacht zijn beroemde paradoxen duizenden jaren geleden.
Deze theorie maakt ook een einde aan een probleem dat de filosofie al langer dan twee millennia plaagt. In Zeno’s hardloopparadox kan de snelle klassiek-Griekse held Achilles de langzame schildpad nooit inhalen omdat de schildpad altijd een stukje vooruit is gegaan op het moment dat Achilles de vorige positie heeft bereikt. Dit proces kan met klassieke, oneindig deelbare ruimte en tijd oneindig doorgaan. Als tijd wordt gezien als de numerieke volgorde waarin gebeurtenissen zich voordoen, bestaat deze paradox niet meer. Veranderingen in materiële zaken als klokken, hazen en schildpadden zijn namelijk niet oneindig deelbaar. Als je het tijdinterval maar kort genoeg kiest, de Plancktijd bijvoorbeeld (de tijd waarin licht de Planckafstand aflegt), is er natuurkundig gezien geen verandering, dus heeft dit tijdsinterval (of korter) geen fysische betekenis (en bestaat het dus niet). Hierdoor bestaat er een minimaal effectief tijdinterval en kan Achilles de schildpad wel degelijk inhalen.
In de negentiende eeuw slaagde de Ierse wis- en natuurkundige William Rowan Hamilton, erg geliefd onder natuurkundigen omdat hij de uiterst handige Hamiltoniaan bedacht waarmee ingewikkelde berekeningen veel makkelijker worden, er al in om beweging zonder tijd te beschrijven. Zo gek is de gedachte dus niet. Op dit moment proberen de onderzoekers kwantummechanica zo te herschrijven dat tijd geen rol meer speelt.
Hun theorie betekent ook dat tijdreizen niet mogelijk is. Immers, de onderlinge volgorde van gebeurtenissen blijft gelijk.
T-koolstof, zoals de nieuwe vorm heet, is bijna zo sterk als diamant, maar erg poreus. Het materiaal kent een aantal opmerkelijke eigenschappen. Zo is het ideaal om waterstof in op te slaan. Betekent dit een doorbraak voor de waterstofauto?
Koolstof: veelzijdig element Koolstof is vermoedelijk het veelzijdigste chemische element. De atoomsoort vormt het skelet van zo ongeveer de hele biochemie (dus alle leven) op aarde en er zijn talloze vormen waarin koolstof voor kan komen. Naast diamant en grafiet zijn ook fullerenen (een moleculaire voetbal) en koolstofnanobuisjes bekend. Het “wondermateriaal” grafeen is in feite een laagje grafiet van een atoom dik, beschikt over een aantal zeer bijzondere eigenschappen (de enorme treksterkte bijvoorbeeld, vijf keer die van staal) en is geschikt om in veel toepassingen staal te vervangen.
T-koolstof kan je het beste zien als poreuze diamant.
Waterstofopslag
Er is nu door Xian-Lei Sheng, Qing-Bo Yan, Fei Ye, Qing-Rong Zheng, and Gang Su van de Graduate University van de Chinese Academie van Wetenschappen in Beijing, een nieuwe loot ontdekt aan de reeds vruchtbare stam van koolstofvarianten. T-koolstof bestaat uit een soort vlechtwerk van koolstofatomen waartussen zich grote poriën bevinden. In feite is het diamant, waarbij elk koolstofatoom is vervangen door een tetraëder (driehoekige piramide) van vier koolstofatomen. Het gevolg daarvan is dat er grote open ruimtes ontstaan tussen de tetraëders waar zich moleculen van andere stoffen, bijvoorbeeld waterstof, tussen kunnen wurmen. Waterstof bevat heel veel energie per gram maar is zelfs als vloeistof zeer licht: een liter waterstof heeft een massa van zeventig gram. Een materiaal als dit zou het mogelijk maken waterstof effectief samen te persen.
Luchtige halfgeleider
T-koolstof heeft nog meer opmerkelijke eigenschappen, zo wijzen berekeningen uit. Het materiaal is stabiel bij kamertemperatuur en is een halfgeleider. De luchtige samenstelling biedt nog extra toepassingsmogelijkheden. Zo zou het materiaal met enige wijzigingen wellicht te gebruiken kunnen zijn als batterij of katalysator voor het splitsen van water in waterstof en zuurstof. Omdat het zowel luchtig als sterk is (tweederde keer zo sterk als diamant) , is het zeer interessant voor toepassingen in de lucht- en ruimtevaart.
Bestaan stofnevels uit deze vorm van koolstof?
Koolstofrijke nevels absorberen veel meer licht dan theoretisch kan, uitgaande van de hoeveelheid koolstof in de nevels. De onderzoekers veronderstellen dat mogelijk T-koolstof hier verantwoordelijk voor is. Door de holtes in het materiaal worden veel meer lichtgolven ingevangen en uiteindelijk geabsorbeerd. Ook wordt wellicht gezocht naar de verkeerde koolstofvormen, waardoor koolstof lijkt te ontbreken. Ook koolstofrijke exoplaneten als WASP-12B zouden voor een belangrijk deel uit deze nieuwe koolstofallotroop kunnen bestaan.
Volgende stap: synthese
Het viertal wil nu proberen het theoretisch voorspelde materiaal daadwerkelijk in een lab te produceren. Dit belooft een zeer taaie klus te worden, immers hiervoor moet diamant, het hardst bekende materiaal worden geëxpandeerd. Een andere techniek die de onderzoekers voorstellen, koolstofdampdepositie, eventueel met een later te verwijderen stof er tussen, lijkt kansrijker.
Veel is nog onbekend over de kleinste melkwegstelsels, de dwergstelsels. Zo was het een raadsel waarom juist in deze kleine stelsels zich de zwaarste sterontploffingen voordeden. Onderzoekers denken nu te weten waarom.
Wat zijn dwergstelsels?
Dwergmelkwegstelsels komen in diverse vormen voor. Vergeleken met ons eigen melkwegstelsel zijn ze veel kleiner, rond een honderdste zo zwaar. Alleen al rond ons eigen melkwegstelsel cirkelen er veertien. Ze lijken beduidend jonger te zijn dan de grotere melkwegstelsels, omdat de stervormingssnelheid in dwergstelsels veel lager is dan die in onze eigen melkweg. Eén van de gevolgen daarvan is dat dwergstelsels arm zijn in andere elementen dan waterstof en helium. Planeten in dwergstelsels zijn dus vooral gasreuzen. Aardachtige planeten zijn er vermoedelijk zeer schaars.
I Zwicky 18a is een bekend, raadselachtig dwergstelsel.
Reusachtige explosies
Al jarenlang braken astronomen zich het hoofd over mysterieuze supernova’s die uit het niets leken te ontstaan waar zich geen enkel melkwegstelsel bevond. Al eerder werd verondersteld dat de supernova’s vermoedelijk in onzichtbare dwergmelkwegstelsels schuilgingen. De apparatuur was in die tijd nog niet zo goed als nu. Nu is dat anders en weten we dat die supernova’s inderdaad in dwergmelkwegstelsels plaatsvinden. Tot nog toe was nog steeds een raadsel waarom. Immers: hoe groter de supernova, hoe zeldzamer, zeker in een dwergstelsel.
Heliumbom
Nu hebben onderzoekers ontdekt waarom. De UV-satelliet (sterren die zich net beginnen te vormen zenden zeer veel ultraviolette straling uit) Galaxy Evolution Explorer ontdekte dat inderdaad de stervormingssnelheid in dwergstelsels veel lager is. In een dwergsterrenstelsel komen er relatief veel zware explosies voor door het gebrek aan zware elementen. Zware elementen werken in sterren als een katalysator om de kernfusie op gang te brengen. Door het ontbreken hiervan in dwergmelkwegstelsels kunnen protosterren veel groter worden dan in een normaal melkwegstelsel. Het gevolg is de bovengrens voor de maximale stermassa – in ons melkwegstelsel honderdvijftig zonsmassa’s voordat de ster zichzelf uit elkaar blaast – in een dwergstelsel hoger ligt, de ster tijdens zijn bestaan veel minder massa wegblaast en dus dat er een veel zwaardere explosie kan ontstaan. Deze zware explosies zijn uiteraard slecht nieuws voor planeten met leven in de buurt. Nog een argument waarom er in dwergstelsels niet zo snel leven zal ontstaan.
Volgens een omstreden theorie van Dejan Stojkovic had ons heelal vlak na de Big Bang meer weg van een lijn dan van een ruimte zoals wij die nu kennen. Stojkovic en collega Jonas Mureika hebben nu een test bedacht om aan te tonen of hun theorie klopt of niet: de afwezigheid van zwaartekrachtsgolven uit het vroege heelal. En er is nog meer. Misschien dat grote stukken heelal al vierdimensionaal zijn geworden. Zou dit die merkwaardige kosmische lege ruimtes tussen de melkwegstelsels en de versnelde uitzetting van het heelal verklaren?
Animatie van een hyperkubus, een vierdimensionale kubus.
Vorming tweede en derde dimensie in plaats van inflatie
Stojkovic’ theorie, waar we al een eerder artikel aan hebben gewijd, komt er op neer dat het heelal vlak na de oerknal ééndimensionaal was. Toen het heelal verder afkoelde, ontstonden de tweede en uiteindelijk de derde dimensie. Het aannemen van een tijdperk van extreemsnelle inflatie, op dit moment het grote paradigma in de kosmologie, is hiermee niet meer nodig, stelt Stojkovic. Wat er gebeurde was domweg het ontstaan van de tweede respectievelijk derde dimensie waardoor het aantal bewegingsmogelijkheden (dat we waarnemen als ruimte) explosief groeide. Dit zou betekenen, dat de kosmologie die we nu kennen sterk vereenvoudigd zou worden. Het is niet meer nodig om een mythische inflatoire kracht, uiteenvallend vals vacuüm en andere woeste bedenksels te hanteren.
Algemene relativiteitstheorie en kwantummechanica komen in harmonie
De speciale relativiteit kloppend krijgen met kwantummechanica lukt nog wel, denk aan de relativistische Dirac-vergelijking, maar bij de algemene relativiteitstheorie is dat hopeloos. Als het aantal dimensies op de allerkleinste schaal (in de buurt van de extreem korte Plancklengte, vele ordes van grootte kleiner dan een proton) wordt teruggebracht, verdwijnen de wiskundige nachtmerries, die alle pogingen om kwantummechanica met de algemene relativiteitstheorie in overeenstemming te brengen, frustreren.
Massa Higgsdeeltje hoeft niet aangepast te worden
We weten nog steeds niet waar elementaire deeltjes als elektronen en quarks hun massa vandaan halen. Het Standaardmodel introduceert hiervoor het zogeheten Higgsdeeltje, dat aan deeltjes waar we massa van waarnemen, kleeft als een soort stroop en zo traag en zwaar maakt. Alle pogingen om dit Higgsdeeltje te vinden zijn tot nu toe mislukt. Met dit Higgsdeeltje is er nog een probleem: bestaande theorieën voorspellen een veel te hoge massa, wat in strijd zou zijn met het standaardmodel. Dit moet dus kunstmatig aangepast worden. Dat hoeft niet meer in Stojkovic’ theorie.
Extra dimensie verklaart versnelde uitzetting
Het meest hallucinerende gevolg van Stojkovic’s theorie is wel het ontstaan van een extra dimensie in het hier en nu. Ongeveer tien jaar geleden werd een ontdekking gedaan die de bekende kosmologie behoorlijk overhoop gooide. Het heelal zet steeds sneller uit. Zelfs Einsteins verfoeide kosmologische constante, ooit door hem de grootste vergissing van zijn leven genoemd, werd weer van stal gehaald om dit te verklaren. In kosmologische modellen wordt uitgegaan van zogeheten donkere energie die dit op zijn geweten heeft. Onzin, stelt Stojkovic. Steeds grotere delen van het heelal gaan over naar de vierde dimensie, wat wij waarnemen als uitzetting. Wanneer zijn wij aan de beurt?
Experimentele bewijzen?
Waarnemingen aan extreem energierijke kosmische straling lijkt te wijzen op het reduceren van het aantal dimensies bij energieën, hoger dan een tera-elektronvolt. Deze energieschaal is ook waarneembaar bij botsingen in de enorme Large Hadron Collider van het CERN onder het meer van Genève. Klopt Stojkovic’ theorie, dan merken we dat dus de komende jaren, als er meer hoge-energie botsingen zijn geregistreerd. En kunnen er heel wat natuurkundeboekjes herschreven worden…
Zwarte gaten zijn onzichtbaar. Rechtstreeks zijn ze niet waar te nemen, omdat hun zwaartekracht zo ster is dat zelfs licht niet kan ontsnappen, dachten astronomen tot nu toe. Fout, stellen astronoom Tamburini en zijn collega’s.
Fasediagram van een roterend zwart gat
Omkering ruimte en tijd
Roterende zwarte gaten doen volgens de algemene relativiteitstheorie merkwaardige dingen met de ruimtetijd om hen heen. Zo wordt de ruimtetijd om het zwarte gat heen meegesleurd. Op aarde is dit Lense-Thirring effect nauwelijks waarneembaar, maar vlak bij een neutronenster en zeker vlak bij een zwart gat, waarbij vijf stermassa’s of meer samengeperst zijn in het volume van een berg, is dat wel anders. De gevolgen hiervan zijn merkbaar vlak bij de waarnemingshorizon van het zwarte gat. Ruimtetijd krijgt hierbij een merkwaardige structuur, waarbij ruimte tijdachtige eigenschappen krijgt en andersom. Binnen de waarnemingshorizon is de omkering compleet.
Zwarte gaten worden doorgaans omringd door een zogeheten accretieschijf, een schijf extreem snel ronddraaiende materie die uiteindelijk door het zwarte gat opgeslokt wordt. Volgens hun berekeningen moet de rotatie van het zwarte gat effecten hebben op de fase en de vorm van het golffront van licht dat uitgezonden wordt door de accretieschijf. Dit effect is waar te nemen met een gevoelige spectrointerferometer en een zeer krachtige telescoop. De meest voor de hand liggende kandidaat om met behulp van een grote telescoop grondig uit te pluizen, is het grote (vermoedelijke) zwarte gat in het centrum van de Melkweg. Kortom: we lijken hiermee een methode gevonden te hebben om roterende zwarte gaten op te sporen. En dat is goed nieuws. Roterende zwarte gaten vertonen namelijk een aantal fascinerende eigenschappen die een bezoekje meer dan waard maken.
Het wormgat: een enkeltje onbekend.
Reizen door een wormtunnel
Volgens de algemene relativiteitstheorie vormen roterende, zogeheten Kerr-zwarte gaten niet een puntvormige, maar een ringvormige singulariteit en twee waarnemingshorizons. Binnen de binnenste, Cauchy-waarnemingshorizon worden ruimte en tijd weer “normaal”, voorzover je daar in een zwart gat van kan spreken. Er zou zich in principe een vergevorderde buitenaardse beschaving kunnen vestigen die de singulariteiten aftapt, denken sommigen.
De algemene relativiteitstheorie voorspelt ook dat er wormtunnels kunnen bestaat, waardoor het mogelijk is van de ene plaats naar de andere plaats, lichtjaren ver weg of zelfs in een ander heelal, te reizen. De zwarte gaten die ontstaan als gevolg van de ineenstorting van een ster zijn veel te klein om veilig doorheen te reizen (je zal door de extreme verschillen in zwaartekracht eindigen als een lange, dunne sliert spaghetti), maar voor het reusachtige zwarte gat in het centrum van de Melkweg van miljoenen zonsmassa’s geldt dat niet. Zou dit zwarte gat roteren, dan ligt er op 26.000 lichtjaar afstand wellicht een poort naar een ander heelal, waar onze verre nazaten naar toe kunnen reizen als de sterren in dit heelal uitdoven en de eeuwige nacht aan zal breken…
Bladeren zijn groen, omdat ze alleen blauw en rood licht absorberen en groen licht weerkaatsen. Sterker nog: bijna de helft van alle zonlicht wordt helemaal niet gebruikt door planten. Zou het leven ontstaan zijn rond een rood-blauwe dubbelster?
Het oudste pigment, chlorofyl-a, ontstond miljarden jaren geleden toen het vangen van blauw en rood licht erg belangrijk was. Chlorofyl-b maakt beter gebruik van het gele zonlicht.
Eerste planten leefden diep onder water
Als je sommige astronomen mag geloven wel (1). Zij redeneren dat als planten zich op een planeet rond een dubbelster ontwikkelen, ze zwart zouden zijn omdat de dubbelsterren elk een andere kleur hebben. Een mooie theorie, waar helaas één ernstig probleem mee is. Hij klopt van geen kant. Immers: de zon zendt vooral geel licht uit. Een plant zou dus juist extra gevoelig moeten zijn voor geel licht.
In feite is het niet zozeer zonlicht, maar water dat de eigenschappen van planten heeft bepaald. Blauw licht dringt veel beter door water heen dan rood licht(2), vandaar dat roodwier dat tientallen meters onder water groeit, vooral blauw licht absorbeert. Onder water ziet het er zwart en boven water rood uit. De oudst bekende organismen die aan fotosynthese doen, cyanobacteriën, absorberen vooral blauw en hebben dan ook een rode kleur (alhoewel ze door allerlei extra pigmenten per saldo meer licht absorberen dan groene planten). In de eerste miljarden jaren was er nauwelijks sprake van een zuurstofatmosfeer, was er dus ook geen beschermende ozonlaag dus vormde de oppervlakte een dodelijke omgeving. Op beschaduwde plaatsen, bijvoorbeeld onder stromatolieten, was er nauwelijks licht, maar wel veel nabij-infrarode (warmte-) straling. Inderdaad zijn er daar algen gevonden die op infraroodstraling leven (3).
Er ontwikkelde zich een speciaal pigment voor deze omgeving: chlorofyl-a. Dit pigment komt in alle planten voor. Hierbij liggen de twee absorptiepieken wijd uiteen, precies op de twee plekken die voor onderwaterplanten het interessants zijn: infrarood-rood en blauw.
Groene kleur resultaat evolutiegeschiedenis
Later in de evolutionaire geschiedenis ontstond een ozonlaag en werd de oppervlakte bewoonbaar. Ook begon de zon feller te schijnen (dus werd het licht minder rood). Een kleine wijziging aan het chlorofylmolecuul (vergeet dat gejubel over de fantasie van de natuur; evolutie is gewoonlijk uiterst conservatief, zeker met zoiets belangrijks als fotosynthese) maakte het mogelijk om veel meer licht te vangen: de absorptiepieken werden dichter op elkaar gedrongen, waardoor wat meer van het gele licht van de zon kon worden geoogst: chlorofyl-b. Echter: het gat bleef. Er was geen genetisch ingenieur die een nieuwe vorm van chlorofyl bedacht die juist groen-geel licht absorbeert. Dus als je een superproductief gewas wilt ontwikkelen, bijvoorbeeld als biobrandstof, kan je het beste het onhandige chlorofyl vervangen door wat slimmers. In theorie krijg je zo een dubbele oogst, want planten benutten minder dan de helft van alle zonlicht. En superonkruiden natuurlijk, als de genen overspringen op een andere soort. De aarde gaat er dan met al die donkergrijze planten nogal mistroostig uitzien, dus misschien kunnen we beter wat anders bedenken.
Een plant met een blauwe superreus als zon zal het meeste licht weerkaatsen, denken sommige exobiologen.
Welke kleur hebben planten op exoplaneten dan wel?
Veel hangt hier uiteraard af van hun evolutionaire voorgeschiedenis, dus van de evolutie van de planeet.
Hoe minder licht, hoe efficiënter de planten hiermee om moeten springen. Planten zullen onder deze omstandigheden zeer donkergekleurd zijn. Misschien ontwikkelen ze een soort biologische paraboolspiegels, waardoor het licht wordt geconcentreerd op een paar cellen met heel veel pigment. Misschien dat planten op een ijswereld dit soort lenzen in het ijs smelten of afscheiden.
Bij zeer intensieve lichtsterktes, bijvoorbeeld vlak bij een ster, zullen planten (net als aardse Trichocereus cactussen) bedekt zijn met witte haren of sterk glanzen. Over het algemeen zullen planten vooral het licht absorberen dat de ster het meeste uitzendt, of liever gezegd: dat het oppervlak bereikt. Verwacht dus bijvoorbeeld een rode kleur bij planten onder een blauwe zon. Als de planeet een roodgele methaanatmosfeer heeft, zouden de planten wel eens groen kunnen zijn…
Materie kent een spiegelbeeldvorm: antimaterie. Tot nu toe werd gedacht dat er maar één soort zwaartekracht bestaat die altijd aantrekt. Volgens een nieuwe theorie van de Italiaan Villata oefent antimaterie een afstotende kracht uit op materie. Heeft de man gelijk en verklaart dit de uitzetting van het heelal? Of maakt hij een enorme denkfout?
Zware massa en trage massa
Massa heeft twee eigenschappen die op mysterieuze wijze met elkaar samenhangen: traagheid en zwaarte. Het kost tien keer zoveel energie om een tien keer zo zware massa in beweging te krijgen (de traagheid). Een tien keer zo zware massa oefent ook een tien keer zo sterke kracht uit op bijvoorbeeld een weegschaal (de zwaarte). Einstein maakte gebruik van deze eigenschap om het equivalentieprincipe te formuleren: trage massa=zware massa. Hieruit volgen weer de speciale en de algemene relativiteitstheorie.
Materie en antimaterie Antimaterie werd ooit door kwantummechanica-grootheid Paul Dirac voorspeld als gaten in de Diraczee. Hoewel de Diraczee als concept nu minder populair geworden is, bleken het positron en andere antideeltje die hij voorspelde werkelijk te bestaan. In feite heeft elke deeltje zijn antideeltje en ook een positieve energie. Dus als materie en antimaterie elkaar ontmoeten ontstaat een felle ontploffing waarbij heel veel fotonen vrijkomen, niet een niets.
Zouden de enorme bellen in ons universum veroorzaakt worden door antimaterie?
“Antimaterie veroorzaakt uitzetting heelal”
Volgens het standaardmodel bestaat er een belangrijke symmetrie in de natuur: CPT-symmetrie. Dat houdt in dat als je de lading omkeert, de pariteit omkeert (m.a.w. spiegelt) en de tijd omkeert, er antideeltjes ontstaan. Dit gebeurt ook met antimaterie: deze gedraagt zich als materie die terug in de tijd reist.
In zijn artikel stelt Villata dat als de CPT-pariteit wordt gecombineerd met de algemene relativiteitstheorie, hieruit logisch volgt dat de richting van de zwaartekracht wordt omgedraaid als materie wordt veranderd in antimaterie. Met andere woorden: antimaterie trekt andere antimaterie aan (zoals materie andere materie aantrekt), maar materie en antimaterie stoten elkaar af. Villata maakt hiervan gebruik om de uitzetting van het heelal te verklaren en zo komaf te maken met de beruchte donkere energie.
In wat wij nu waarnemen als de lege zeepbelachtige ruimtes tussen melkwegclusters zouden zich grote ijle wolken antimaterie bevinden die de materie in de melkwegstelsels afstoten.
Waarom Villata vermoedelijk geen gelijk heeft
Villata’s theorie laat toe dat de voor natuurkundigen heilige wet van behoud van energie wordt geschonden en wel als volgt. Stel je hebt een hoeveelheid materie die als een schil om een bolvormige, gelijke hoeveelheid antimaterie heen zit. Per saldo moet volgens Villata het zwaartekrachtsveld hiervan nul zijn: de negatieve zwaartekracht van de antimaterie heft precies de positieve zwaartekracht van de materie op (een variant op de schilstelling). Stel, materie en antimaterie vernietigen elkaar vervolgens. Wat ontstaat is een positief zwaartekrachtsveld (volgens Einstein oefent ook energie zwaartekracht uit). Uit het niets.
Dit betekent een energieverlies voor deeltjes die zich plotseling in dit zwaartekrachtsveld bevinden (het kost immers energie om aan zwaartekracht te ontsnappen). Villata kan hier mogelijk tegenoverstellen dat het volgens zijn theorie energie kost om materie en antimaterie op elkaar te persen (zoals in de bol met schil gebeurt), maar dit maakt de zaak nog erger. Dit is immers positieve energie. Mocht uit het komende AEGIS experiment op het CERN, waarbij de zwaartekrachtseffecten op antimaterie worden gemeten, blijken dat Villata gelijk heeft en dat zwaartekracht inderdaad afstotend werkt op antimaterie, dan staat een groot deel van de natuurkunde op losse schroeven.
Bestaat de rest van het heelal wel uit protonen, neutronen en elektronen, het spul waar de aarde en wijzelf uit bestaan? Dat is verre van zeker, volgens veel natuurkundigen. NASA lanceert nu de satelliet Alpha Magnetic Spectrometer om op zoek te gaan naar zaken als ‘strange’ materie, antimaterie en donkere materie.
De AMS kende een droevige geschiedenis. Het apparaat zou aan boord van de Space Shuttle worden gelanceerd en op het internationale ruimtestation ISS worden geïnstalleerd om daar op jacht te gaan naar deeltjes. Helaas werd na de ramp met het ruimteveer Columbia in 2003 deze vlucht afgelast, waardoor de satelliet enkele jaren in een werkplaats dreigde te verstoffen. Nu hebben enkele ontdekkingen en recente theoretische ontwikkelingen alsnog goede redenen gegeven de satelliet alsnog te lanceren.
De deeltjesdetector AMS komt aan de buitenkant van het ruimtestation ISS te hangen. Wordt donkere materie ontraadseld?
Antimaterie
Materie kent een spiegelbeeldvariant: antimaterie. Als materie en antimaterie elkaar raken, vernietigen ze elkaar in een felle explosie. Een gram antimaterie staat gelijk aaan de explosieve kracht van de Hiroshima-bom.Volgens de gangbare theorieën is alle antimaterie vernietigd vlak na de Big Bang en bleef er een klein restje materie over waaruit zich sterren en planeten zoals de aarde vormden.
Volgens sommigen zijn er ergens in het heelal nog grote hoeveelheden antimaterie. In het zonnestelsel in ieder geval gelukkig niet, anders hadden we geregeld een grote explosie waargenomen. De AMS gaat op zoek naar deeltjes antihelium. Worden die waargenomen, dan weten we dat er ergens out there grote hoeveelheden antimaterie moeten bestaan. Ongetwijfeld kan daar weer een leuk doomsday wapen van gebrouwen worden. Met een lucifersdoosje een complete stad kunnen opblazen, is voor de gemiddelde generaal waarschijnlijk een onweerstaanbaar vooruitzicht.
Strange matter Protonen en neutronen, de kerndeeltjes waar wij (met elektronen) uit bestaan, zijn uit twee soorten quarks opgebouwd: up en down (een positief proton is met twee upquarks en een downquark vrolijker dan een neutraal neutron, dat uit twee downquarks en een upquark bestaat). Er zijn echter (voor zover we weten) zes quarks, naast de up- en downquark zijn dat de veel zwaardere ‘strange’ en ‘charm’ quarks, de tweede generatie en de derde generatie, de extreem zware top quark en bottom quark. Deze zware quarks vallen zeer snel uit elkaar. En, uiteraard, heeft elke quark ook zijn antiquark.
Volgens een theorie van de Deen Jes Madsen van de Aarhus Universiteit in Denemarken bestaat er ‘strange’ materie: druppels materie dus waar ‘strange’ quarks in voorkomen en is deze stabieler dan onze standaard materie. Klopt dit, dan zouden we uiteindelijk op ‘vreemde’ wijze eindigen en bestaan bijvoorbeeld neutronensterren voornamelijk uit strange materie. Inderdaad werden door een prototype deeltjesdetector aan boord van de Space Shuttle in 1998 vreemde deeltjes waargenomen met de lading van een heliumkern (twee eenheden positief dus) maar de massa van een zuurstofkern of ijzerkern. Precies de deeltjeseigenschappen die strange matter ook zou vertonen, stelt Jensen. Strange matter kan ook de aanwezigheid van donkere materie verklaren, vermoedt hij.
Neutralino’s
Uit de vruchtbare geest van theoretisch natuurkundigen is ook een andere kandidaat voor donkere materie ontsproten: het neutralino. Neutralino’s worden voorspeld door supersymmetrie (en dus snaartheorie) en zijn (als ze bestaan) Majoranadeeltjes: deeltjes die hun eigen antideeltjes zijn. Het gevolg: als twee neutralino’s elkaar ontmoeten, vernietigen ze elkaar, waarbij een elektron en een positron (antimaterie-elektron) vrijkomen. Als deze twee elkaar vernietigen ontstaat gammastraling met een karakteristieke golflengte. De deeltjesdetector PAMELA, aan boord van een Russische satelliet, vond hier reeds aanwijzingen voor. Niet één positron op de tienduizend elektronen in kosmische straling, maar een op de honderd. Er moet dus een verborgen positronbron zijn. Dit zouden neutralino’s kunnen zijn, maar merkwaardig genoeg bleken antiprotonen wel uiterst zeldzaam (1:10.000), wat hiermee in strijd is. Ook hiernaar moet de deeltjesdetector op jacht gaan.
Het kan zijn dat PAMELA de antiprotonen niet detecteerde omdat ze teveel energie hebben. Een sterkere magneet (zoals aan boord van AMS) laat geladen deeltjes kleinere cirkels draaien, waardoor ook energierijke deeltjes kunnen worden gedetecteerd. Helaas zijn de plannen om een supergeleidende, met helium gekoelde magneet aan boord te krijgen niet gelukt. Het heliumverbruik bleek door warmtelekken te groot. Een langere missieduur moet dit nu compenseren. Mogelijk kunnen zo de eventuelee snelle antiprotonen – of andere, nog vreemdere deeltjes – alsnog worden gedetecteerd en weten we eindelijk waar donkere materie uit bestaat.
Helaas. Honderd dagen lang meten in een vat met meer dan zestig kilogram vloeibaar xenon, een edelgas, diep begraven onder een Italiaanse berg heeft geen spoor opgeleverd van WIMP’s, de weakly interacting massive particles die er volgens donkere-materie modellen moeten zijn. Wat is er dan aan de hand?
Schematische voorstelling van het enorme watervat onder de Gran Sasso dat de kosmische straling wegvangt. Hierbinnen bevindt zich het veel kleinere xenonvat.
Donkere materie is de meest logische verklaring voor het feit dat de buitenranden van melkwegstelsels veel sneller draaien dan volgens Newton of Einstein kan. Een ijle wolk donkere materie zou wel de materie in de verre spiralen aantrekken, maar niet die in het centrum waardoor ver weg gelegen sterren sneller draaien.
Als donkere materie bestaat, dan moet deze veel vreemder van aard zijn dan tot nu toe gedacht. Anders waren de deeltjes wel opgedoken tijdens het detectie-experiment, veertienhonderd meter onder de granietberg Gran Sasso, waar onder andere het Nederlandse instituut NIKHEF aan meewerkt. Naar nu blijkt, zijn slechts drie soorten deeltjes aangetroffen die alle drie overeenkomen met bekende deeltjes. Een stevige teleurstelling voor donkere-materie aficionado’s, maar misschien gaat er achter deze teleurstelling nog veel interessantere natuurkunde schuil. Iets moet namelijk zorgen voor de merkwaardige zwaartekrachtseffecten. Kloppen onze zwaartekrachtstheorieën niet op zeer grote schaal, of is er een andere vorm van donkere materie? Merkwaardig is namelijk dat elliptische melkwegstelsels, die het product zijn van grote botsingen, nauwelijks donkere materie blijken te bevatten.
Een mogelijkheid die overblijft is dat de donkere materie bestaat uit zogenaamde steriele neutrino’s. Neutrino’s kunnen nog via de zwakke kernkracht reageren met andere materie – de reden dat we ze waar kunnen nemen, zij het zeer zwak. Steriele neutrino’s kunnen – als ze bestaan – alleen via de zwaartekracht reageren op andere materie. Ook kan donkere materie bestaan uit een heel andere klasse deeltjes (met een andere energieverdeling) dan waar we nu aan denken. Het is ook mogelijk dat donkere materie iets te maken heeft met bolvormige sterhopen (bijvoorbeeld via een gemeenschappelijke oorzaak). Die hebben in grote lijnen dezelfde verdeling als donkere materie (al bewegen de sterren in bolvormige sterhopen zich niet abnormaal snel). Tot slot kan het natuurlijk zo zijn dat de WIMP’s domweg minder goed reageren met andere materie dan voorspeld. De modellen bieden nog de nodige rek.
Volgens een bizarre, maar kwantummechanisch correcte theorie hoeven we helemaal niet zoveel moeite te doen om een materiaal te vinden dat op hoge temperatuur supergeleidend is. Met een extreem sterk magnetisch veld bereiken we hetzelfde effect, stelt Maxim Chernudub.
Hoe werkt het principe?
Het vacuüm is niet zo leeg als tussen het verdwijnen van de ethertheorie tot de komst van de kwantummechanica werd gedacht. 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 een halve eeuw geleden beschreven door de Nederlandse natuurkundige Hendrik Casimir.
Zodra een sterk veld in een vacuüm ontstaat, wordt er energie toegevoerd en zullen bepaalde virtuele deeltjes reëel worden. Elektrisch geladen virtuele deeltjes hebben een magnetisch spinmoment waardoor ze zich volgens de veldlijnen zullen polariseren. Deze deeltjes vormen een condensaat – ze gedragen zich als één geheel. Dat wat gebeurt in een supervloeistof of supergeleider.
Tot nu toe werden de berekeningen uitgevoerd waarbij rekening werd gehouden met W-bosonen. W-bosonen, de vectordeeltjes van de zwakke kernkracht, zijn extreem zwaar – honderd keer zo zwaar als het proton – en kunnen alleen in zeer zware deeltjesversnellers worden geproduceerd. Met andere woorden: een magneetveld creëren om een condensaat van W-bosonen uit het Niets te trekken is theoretisch vrijwel onmogelijk. Chernodub is bij zijn nieuwe berekeningen echter uitgegaan van rho-mesonen. Deze exotische deeltjes bestaan uit twee quarks: een upquark en een anti-downquark en zijn ongeveer 80% zo zwaar als een proton of neutron.
Met supergeleidend vacuüm zou je in principe enorme hoeveelheden energie uit de ruimte naar de aarde kunnen transporteren.
Hoe sterk moet het magnetisch veld hiervoor zijn?
Extreem sterk, althans zo mag je 1016 tesla noemen. Tesla is de SI-eenheid voor magnetische veldsterkte. Om een intuïtieve indruk te krijgen: het aardmagnetisch veld is enkele tientallen microtesla. De allersterkste permanente magneten halen met pijn en moeite aan hun oppervlak 1,2 tesla. Met vijftien tesla kan je een kikker laten zweven – een experiment waarmee de latere Nobelprijswinnaar Andre Geim de IgNobel prijs won. De monsterlijke grote supergeleidende elektromagneten die worden gebruikt in deeltjesversnellers en tokamaks halen maximaal 22 tesla. Het record (voor korte duur) staat op 100 tesla.
Russische onderzoekers haalden met een explosie voor zeer korte tijd 2800 tesla. De sterkste magneetvelden die we kennen in het universum zijn die rond de allersterkste magnetars, magnetische pulsars: 1011 tesla.
Dat dus maal honderdduizend. Hier zitten we dus nog een factor tien biljoen vanaf. Gelukkig maar aan een kant, want zulke magnetische velden slaan zelfs atoomkernen in gruzelementen.
Volgens sommige theoretici heersten deze omstandigheden vlak na de Big Bang. Klopt dat, dan zouden de sporen zichtbaar moeten zijn in de achtergrondstraling en in de verdeling van materie in het heelal.
Wat zou je met supergeleidend vacuüm kunnen doen?
Een door zijn collega Kharzeev voorgestelde toepassing is het toevoeren van enorme hoeveelheden zonne-energie naar de aarde via deze gewichtsloze supergeleider. De hoeveelheid zonne-energie die op aarde neerkomt is weliswaar enorm, maar slechts een minuscule fractie van wat de zon uitzendt. Het verschil tussen een Kardashev-I en een Kardashev-II beschaving. Wel zou je dan verbijsterend grote hoeveelheden afvalwarmte moeten dumpen in de ruimte om op het op aarde leefbaar te houden. Vermoedelijk is dit systeem alleen interessant voor Kardashev-II of Kardashev-III beschavingen om de energie van complete sterren of zwarte gaten lichtjaren ver weg te sturen voor een of ander wormgat of doomsday wapen. Ook moet men niet vergeten dat er behoorlijk wat energie in het vacuüm wordt gepompt op deze manier. En wie goed heeft opgelet tijdens de natuurkundeles: energie en massa zijn equivalent, dus die gewichtloosheid valt tegen…
