Hawkings idee

Stephen Hawking staat bekend als een van de grootste genieën van onze tijd. Iedereen die wat uurtjes over heeft, zou zijn boek A Brief History of Time eens moeten lezen. Daarin doet Hawking zijn ideeën over de oerknal, zwarte gaten en snaartheorie voor het brede publiek uit de doeken. Voor wie minder ruim in de tijd zit, is het bovenstaande filmpje geschikt. Stephen Hawking’s big ideas, made simple neemt je mee op een geanimeerde ruimtereis langs alle grote ideeën die aan Hawkings briljante brein zijn ontsprongen.

Ik miste alleen één briljant bedenksel van de Britse natuurkundige. Onlangs kwam ik erachter dat Hawking experimenteel heeft vastgesteld dat tijdreizen onmogelijk is. Hoe? Hij gaf zo’n vier jaar geleden een feestje voor tijdreizigers. Hij maakte legio uitnodigingen – maar verstuurde deze pas nadat het feestje was afgelopen. Op de feestdag zelf wachtte hij geduldig tot zijn gasten zouden arriveren. ‘I sat there for a long time’, vertelde Hawking in een interview, ‘But no one came.’

Over de auteur

Ans Hekkenberg

Ans is freelance webredacteur bij New Scientist. Ze studeerde natuur- en sterrenkunde en wetenschapscommunicatie. Ze is fanatiek gamer en stripboekenfanaat. Volg Ans (@GirlForScience) ook op Twitter. Ook is zij te vinden op Google+.



5 Reacties

  • Folkert

    | Beantwoorden

    waarom vallen alleen de negatieve quantumdeeltjes in het zwarte-gat? , waardoor dat langzaam verdampt.

  • Ans

    | Beantwoorden

    In de ruimte ontstaan spontaan virtuele deeltjes: twee deeltjes die elkaars tegenovergestelde zijn. Op de horizon van het zwarte gat valt één van de twee het gat in, terwijl de ander ontsnapt. Welk deeltje ontsnapt en welke opgeslokt wordt, is volgens mij niet van belang voor het argument.. In beide gevallen ontstaan er deeltjes die hun partner kwijt zijn, dus niet meer verdwijnen en als straling te zien zijn.

  • Dave

    | Beantwoorden

    Hi Ans,

    Twee korte vragen: wat is het verschil tussen donkere energie en donkere materie en hoe komt het dat er nog zo weinig bekend is over deze fenomenen? Op voorhand dank voor je reactie.

    Met vriendelijke groet,
    Dave

  • Ans Hekkenberg

    | Beantwoorden

    Hey Dave,

    Leuke vraag! Eigenlijk weten natuur- en sterrenkundigen niet goed wat donkere materie en donkere energie zijn. We weten alleen dat zo’n 68% van het universum bestaat uit donkere energie, en zo’n 27% uit donkere materie. Je zou je af kunnen vragen waarom sterrenkundigen een onderscheid maken (waarom zeggen we niet gewoon dat het universum voor 95% ‘iets donkers’ is?). De reden daarvoor is dat de twee fenomenen wel degelijk verschillende effecten hebben, en dus van elkaar verschillen.

    We weten dat donkere materie bestaat omdat het invloed heeft op wel zichtbare objecten in het heelal. De manier waarop sterren in sterrenstelsels bewegen, is namelijk afhankelijk van de massa in hun buurt. Massa trekt immers aan de sterren (zwaartekracht). Als we de bewegingen van sterrenstelsels in kaart brengen, lijkt er echter niet genoeg massa aanwezig te zijn om hun beweging te kunnen verklaren. We weten daarom dat er meer massa in sterrenstelsels schuilt: massa die we niet kunnen zien, ofwel donkere materie.

    Donkere energie is de verklaring voor de snelheid waarmee het heelal groeit. Het heelal dijt steeds sneller uit, maar we weten niet goed wat de ‘motor’ is die deze uitdijing veroorzaakt. Het zou een bijvoorbeeld een soort anti-zwaartekracht kunnen zijn die het heelal uiteen duwt. Hoe dan ook, de energie die de uitdijing mogelijk maakt is donkere energie genoemd.

    Omdat astronomen nog niet goed weten wat donkere materie/energie is, zou het kunnen dat allebei een gevolg zijn van hetzelfde ‘donkere’ iets. Maar zolang we dat niet weten, kunnen we niet zomaar aannemen dat ze aan elkaar gerelateerd zijn.

    Dan resteert nog de vraag waarom we zo weinig weten over deze fenomenen?
    Het simpele antwoord is: omdat we donkere materie / energie niet kunnen zien. Klinkt misschien wat simpel, maar al het andere spul in het universum (de overige 5%) is wel gewoon zichtbaar.

  • Pascal Kwanten

    | Beantwoorden

    Folkert, het ligt wat genuanceerder met die negatieve energie (technisch is dit: quantumveldentheorie in gekromde ruimtetijd). Rondom de waarnemingshorizon en feitelijk net daarbuiten vinden er volgens het onzekerheidsprincipe van Heisenberg fluctuaties plaats van virtuele deeltjes. In het algemeen duren deze fluctuaties kort waarna het deeltje en antideeltje elkaar vernietigen. Virtuele deeltjes worden echter niet rechtstreeks gedetecteerd. Echter indien een dergelijke fluctuatie in de buurt van een heel sterk zwaartekrachtsveld plaatsvindt kan een virtueel deeltje of antideeltje naar een reëel deeltje worden “omgezet” wat wel te detecteren valt het andere deeltje moet om aan de behoudswet van energie en impuls te voldoen terugvallen in het zwart gat. Echter er gebeurt nu iets “geks” omdat lichtkegels zich gaan richten richting de waarnemingshorizon “kantelen” ruimte en tijd dus ruimte  tijd en tijd ruimte. Ofwel een uitgaand (reëel) deeltje met positieve energie en een tegengestelde impuls (het is immers uitgaand) correspondeert met een ingaan deeltje met negatieve energie en een ingaande impuls. Ofwel door dat energie samenhangt met de tijdcoördinaat en impuls met de ruimtecoördinaat en de ruimte en tijd bij het overschrijden van de waarnemingshorizon omklappen wordt een deeltje buiten het zwart gat wat naar buiten gaat met een negatieve impuls en positieve energie (het is inmiddels een reëel deeltje geworden dat zich afgescheiden heeft) geassocieerd met een (virtueel deeltje in het zwart gat met een negatieve massa (wat buiten het zwart gaat een negatieve impuls is) en met een positieven impuls (naar binnen) wat buiten de waarnemingshorizon een negatieve impuls (naar buiten toe is). Kortom door het “kantelen” van ruimte en tijd bij de waarnemingshorizon worden ook impuls en energie gekanteld. Virtuele deeltjes zijn rare deeltjes die we niet (rechtstreeks) detecteren maar die wel merkwaardige eigenschappen kunnen hebben zoals: negatieve massa, of het scheden van het spin statistiek theorema zoals spin =0 fermion (wat volgens Pauli een contradictie is) maar zoals dit in de lussen zit van bijv. Feynman diagrammen en achter de event horizon van zwarte gaten zit maakt dat niet uit we meten immers positieve energie. Het deeltje (dit kan zowel een antideeltje of gewoon deeltje zijn) is ontsnapt en heeft een positieve energie gekregen en het formalisme van hoe je met ruimte en tijd in de buurt van de waarnemingshorizon omgaat restaureert als het waren de wet van behoud van energie door het invallende deeltje een negatieve energie te laten hebben (binnen de horizon) en terwijl het daar buiten positieve energie zou hebben. Als beiden deeltjes in het zwarte gat zouden vallen dan zouden ze elkaar annihileren idem als ze allebei daar buiten zouden blijven dit is nodig om energiebehoud te herstellen. Reële deeltjes hebben positieve energie. Het formele verhaal is ingewikkelder: dat heeft te maken dat het zg. vacuüm specifiek gedefinieerd is in de quantumveldentheorie in een gekromde ruimtetijd. Als je je in een interiaal systeem bevind detecteer je geen deeltjes paren terwijl als je je versneld bijvoorbeeld door een zg. Rindler ruimte te beschouwen dan detecteer je wel deeltjesparen (het zg. “Unruh effect”). Versnelling is volgens Einstein equivalent aan zwaartekracht en daardoor heb je deeltjespaar creatie en omdat deeltjes kunnen ontsnappen a.g.v. “quantum tunneling” door de gravitatiepotentiaal (“wal”) is dit zwarte straling uit een “zwart gat”. De formele afleidiing van Hawking straling is technisch ingewikkeld, een inleiding wordt gegegeven in het boek van P. Davies en N. Birrell: “Quantum Fields in Curved Space” (Cambridge Univ. Press), hfst 4.5 en 8. Verder is er ook internet een dik 3 uur durende uitleg op Youtube door Dr. Gautam Mandal, met een hele technische verhandeling over quantumveldentheorie (in bijvoorbeeld een Rindler ruimte en het gebruik van Kruskal Szkeres coördinaten, Penrose diagrammen/conformal techniques, Bogoliubov transformaties om van het ene vacuüm naar het andere vacuüm te transformeren (cq. de vertaalslag te maken). Belangrijkste les is dat alle deeltjes en antideeltjes een positieve energie hebben en virtuele deeltjes die we niet rechtstreeks detecteren die kunnen en negatieve energie hebben. Het is een misvatting om te denken dat anti deeltjes negatieve energie hebben, anti deeltjes hebben alleen tegengestelde quantum getallen zoals spin, lading etc. maar hebben precies dezelfde positieve massa als hun corresponderend deeltje.
    Lectures by Dr. Mandal (Introduction to Hawking radiation lectures 1,2 and 3):
    https://www.youtube.com/watch?v=3zJNP_abtlg
    https://www.youtube.com/watch?v=8JsCl69fWaQ
    https://www.youtube.com/watch?v=1c-g7Tf33Cw
    And ’t Hooft and Susskind on the resolution of the Information Paradox of Hawking
    https://www.youtube.com/watch?v=VvOZd_tbZ-w

    ArXiv: http://arxiv.org/abs/gr-qc/9707062
    Opm.: Ook in een expanderend heelal vindt paarcreatie en afsplitsing tussen de deeltjes plaats a.g.v. de uitzetting van de ruimte, waardoor ze elkaar niet vernietigen maar kunnen ontsnappen. (Leonard Parker: http://arxiv.org/abs/1205.5616 )

Plaats een reactie