Kwantumfysica en tijd

Professor Vlatko Vedral is hoogleraar fysica aan de Oxford universiteit. Hij publiceert over kwantumfysica en haar effecten in de macrowereld. Bekijk deze aflevering “Living in a quantum world” van hem op YouTube: https://youtu.be/vaUfZak8Ug4. Op het laatst van de aflevering wordt er een vraag over tijd en kwantumfysica gesteld (ca. 1:10u) en in zijn antwoord beschrijft hij het gedrag van een supernauwkeurige klok en wat er gebeurt met de laatste cijfertjes als je die klok een halve meter optilt in het zwaartekrachtveld. En dan vraagt hij zich af wat het betekent als je je die klok voorstelt in een kwantumsuperpositie op de twee verschillende hoogtes in het zwaartekrachtveld. Een superpositie van twee verschillende tijdlijnen dus. Fascinerend.

Overigens is het eerste deel van zijn presentatie – ca. 45 minuten – eigenlijk een zeer compacte versie van mijn kwantumfysica cursus. Alles komt langs: interferentie, de Mach-Zehnder interferometer, Schrödingers kat, de Kopenhagen interpretatie tegenover het multiversum, uitgestelde keus experimenten, interferentie met grote moleculen, de oriëntatie van ons roodborstje op het aardmagnetisch veld in zijn jaarlijkse trek, de 100% efficiency van chlorophyl. Een aanrader dus.

Massa en energie, tijd en en ruimte, de misvattingen

Quanta Magazine, een webservice die altijd interessante artikelen produceert en die ik graag lees, kwam gisteren weer met een leuk artikel waar relativiteit, kwantumfysica en zwarte gaten een belangrijke rol speelden. Daarin kom ik toch weer een paar misvattingen tegen, volgens mij dan, waar ik toch even iets over kwijt wil.

Symmetrie, het ‘simpele’ idee achter grote ontdekkingen

Citaat uit: Einstein, Symmetry and the Future of Physics | Quanta Magazine

Solar energy arrives on Earth and becomes mass in the form of green leaves, creating food we can eat and use as fuel for thought. “

De misvatting is dat energie op mysterieuze wijze in massa wordt omgezet en andersom. Dat is echter niet de boodschap van E=mc2. Energie en massa zijn als de twee zijden van dezelfde munt. Ze zijn identiek. Dat is in te zien bij wat er gebeurt bij het versnellen van een object tot dichtbij de snelheid van het licht.

Volgens de speciale relativiteit wordt al die energie die je in die versnelling stopt omgezet in trage massa. Het gaat steeds meer energie kosten om er nog een beetje extra snelheid aan te geven. Daarom kunnen we op die manier nooit de lichtsnelheid zelf bereiken, de trage massa zou oneindig worden. Dit effect is overtuigend aangetoond bij het versnellen van protonen in de LHC in Geneve. Hoe sneller ze gaan hoe meer massa ze krijgen en hoe sterker de magnetische velden moeten zijn om ze in de bocht te houden.

In de algemene relativiteit is de centrale basisaanname dat trage massa en zware massa identiek zijn oftewel dat de versnellingskracht door de zwaartekracht identiek is aan de versnellingskracht die je ondervindt in bijvoorbeeld een draaimolen. Dat zegt mij dus dat massa en energie hetzelfde ding zijn. Dat ook een opgeladen accu ietsje zwaarder moet zijn dan een lege. De energie die vrijkomt bij kernfusie wordt echter vaak uitgelegd alsvolgt:

De massa van de twee gefuseerde atoomkernen is kleiner dan de die van de oorspronkelijke kernen samen. Dat is dan energie geworden en die massa is weg.

Maar kijk even naar de werkelijke opvatting die de fysici hanteren en zoals je die op WikiPedia – de engelse pagina – kan lezen: “Mass and energy can be seen as two names (and two measurement units) for the same underlying, conserved physical quantity.[18] Thus, the laws of conservation of energy and conservation of (total) mass are equivalent and both hold true.“. Opmerkelijk is dat de Nederlandse versie van die pagina hier niet echt duidelijk over is.

Bekijk het dus even anders. De gefuseerde atoomkern heeft een enorme kinetische energie gekregen bij de fusie, snelheid dus. Die kinetische energie is exact gelijk aan de ‘verdwenen’ massa. Die massa is echter helemaal niet verdwenen. Door de snelheid waarmee de gefuseerde kern beweegt heeft hij ook meer massa. Dat zegt de speciale relativiteit ook al. Zou je deze fusie zich kunnen laten afspelen in een thermisch volledig afgesloten doos die op een weegschaal staat dan zou je geen verschil in gewicht – en dus massa – constateren.

Dat elke waarnemer altijd dezelfde snelheid van het licht waarneemt is een fysisch feit maar gaat in tegen ons zogenaamde gezonde verstand dat ons zegt hoe de dingen zouden moeten werken. Daarover heb elders op deze website nog wat te zeggen in ‘Wat is licht‘.

Wat is tijd?

Op 1 juli geef ik in het kader van de Hovo zomeracademie in Rotterdam een eendaagse zomercursus met als titel: Wat is tijd? We ervaren allemaal tijd maar is tijd iets dat fysisch tastbaar is? Lees vast als voorproefje het artikel in de NRC van zaterdag 16 maart van Bruno van Wayenburg: ‘Fysici keren de tijd om met quantumcomputer’. Let op deze zin in het artikel: “„We hebben een kunstmatige toestand gecreëerd die zich ontwikkelt tegen de thermodynamische richting van de tijd in”.

Een paradox zandloper

De Engelse fysicus Julian Barbour heeft een opmerkenswaardige visie op tijd, ze bestaat niet. Lees dit volkskrant artikel : https://www.volkskrant.nl/cultuur-media/een-brit-die-de-tijd-ontkent~. Of bekijk de Noorderlicht uitzending over hem: Killing Time.

Donkere materie, antimaterie en anti-tijd

Een nieuwe hypothese die ‘eenvoudige’ en, belangrijk, toetsbare verklaringen zou moeten bieden voor onder andere donkere materie en het gemis aan antimaterie in ons universum. Lees het artikel in de Volkskrant van Govert Schilling. Of lees de engelstalige samenvatting bij Physics.aps.org. Het hele artikel van Boyle, Finn en Turok van het Perimeter Instituut – Ontario – Canada vindt u hier.

In het anti-universum verloopt de tijd volgens dit idee in de tegengestelde richting van ons universum, bestaat alles uit antimaterie en is het ook nog eens gespiegeld ten opzichte van ons. Daar mee worden aan drie belangrijke symmetrievoorwaarden voldaan waar ons universum zonder anti-universum niet aan voldoet. Dat heet CPT-symmetrie. Erg aantrekkelijk dus. We vinden symmetrie nu eenmaal mooi. Bij de Big Bang ontstonden beide universa tegelijk en ontwikkelden zich in tegengestelde tijdsrichtingen. Maar er is meer. Het model verklaart het feit dat wij nauwelijks antimaterie lijken aan te treffen in ons universum. Het voorspelt ook de donkere materie die wij aan lijken te treffen in ons universum als een zware variant van het neutrino en ook de hoeveelheid ervan die wij hebben berekend lijken met de theorie overeen te komen. Tot nog toe was ik geen uitgesproken fan van donkere materie als verklaring van de te grote rotatiesnelheden van de buitenste sterren in sterrenstelseld maar dit zou mij wel eens kunnen ‘bekeren’.

Tenslotte is deze hypothese een leuke bevestiging van het idee dat wij de tijd ervaren door het toenemen van entropie. In het anti-universum zou de entropie namelijk in de omgekeerde richting moeten verlopen. Vanuit ons perspectief gezien lopen de klokken in het anti-universum achteruit en worden de mensen daar onverbiddelijk jonger om uiteindelijk in de baarmoeder van hun moeders geperst te worden.

De vraag blijft natuurlijk knagen waar dat anti-universum zich bevindt. Maar wellicht is dat een verkeerde vraag. Dimensies als ruimte en tijd zijn een ervaring, een product van de energetische veranderingen in de materie en van onze herinnering.

Uiteindelijk zouden beide universa – als ze ophouden met uitdijen en de zwaartekracht uiteindelijk gaat winnen – weer bij elkaar kunnen komen bij de zogenaamde Big Crunch. Waarop waarschijnlijk weer een nieuwe Bang zou volgen.