Tag Archief: relativiteit

Nachtelijke beroepsmisvorming

Robot dreams: deze dromerige illustratie stond op de kaft van de eerste verhalenbundel van Isaac Asimov die ik ooit las.Dromen zijn raar. Je kunt van akelige situaties dromen zonder dat je je daar bang bij voelt, terwijl je soms ontwaakt uit een nachtmerrie, waarna je nog minutenlang niet durft te bewegen, terwijl je toch niets engs kunt ontdekken in de gebeurtenissen van de droom. En ja, zelfs in je dromen kun je symptomen vertonen van beroepsmisvorming, of heb ik dat alleen?

In de periode dat ik volop aan het programmeren was voor een artikel over sociofysica (waarover binnenkort een stukje) ben ik eens wakker geworden in een matrix die ik niet goed had afgesloten. Het was een heel akelig gevoel, omdat ik niet terug in de droom kon om de fout te herstellen. Als zelfs je nachtmerries vastlopen op een programmeerfout, dan weet je dat je te hard werkt.

Toch kan het ook heel prettig zijn om wetenschapsgerelateerde dromen hebben. Sommige onderzoekers putten hier zelfs inspiratie uit. Zo beweerde Kekulé dat hij de ringvormige structuur van benzeen had ontdekt na een (dag-)droom van een slang die in haar eigen staart beet. Of deze anecdote klopt, valt natuurlijk moeilijk te achterhalen.

Ongeveer een jaar geleden was ik voor een zomerschool in Leiden. Ik schreef toen al over vrouwen en wiskunde, maar jullie weten nog niet wat ik droomde tijdens de eerste nacht van mijn verblijf daar. Aan het begin van de droom stond ik in een huis, waarvan de ramen volledig verduisterd waren; ik voelde me er niet veilig. Dan begon het plafond vlak naast me in te storten. Onder luid geraas kwam het beton in brokken en gruis naar beneden. Dat vond ik juist helemaal niet akelig: door het gat in het plafond drong er nu wel buitenlicht binnen in de kamer en het viel me ook op dat de stroom van het neergutsende gruis gemoduleerd werd door de geluidsgolven. Toen ik wakker werd, hoorde ik nog steeds datzelfde dreunende geluid. Het duurde even voor ik besefte dat het geluid uit mijn droom van buiten kwam, waar wegenwerkers de oude asfaltlaag aan het verwijderen waren met drilboren. Toen ik aan een Finse wiskundige vertelde over mijn droom van het ritmisch oscillerende, vallende gruis, was haar reactie: “You’re such a physicist!

Met klassieke mechanica kun je berekenen hoeveel de weegschaal aanduidt in een versnellende lift.Deze droom heb ik als student al eens gehad en beleefde ik onlangs opnieuw: ik sta in een lift die begint neer te storten. Tijdens de korte tijd dat ik in vrije val ben, bedenk ik dat ik zal springen. Op die manier sta ik niet op de liftvloer als die de grond raakt. Daarna voel ik me gewoon opgelucht dat ik “het vraagstuk” heb opgelost en vraag ik me helemaal niet meer af of ik de val zal overleven. Als ik daarna wakker word, ben ik meestal redelijk in de war en krijg ik niet op een rij of deze oplossing inderdaad zou werken.

Dit zal ook wel een typische fysicus-droom zijn, want (gedachten-)experimenten met liften zijn populair in ons vakgebied. In de klassieke mechanica vragen ze je dan hoeveel de weegschaal aan zou duiden als je in een versnellende of vertragende lift op een weegschaal zou staan. (Hier een filmpje van de Rijksuniversiteit Groningen waarin het effect wordt gedemonstreerd.) Geen wonder dat ik zo ontspannen was bij mijn droom over de neerstortende lift: in vrije val zou de weegschaal nul aanduiden. Niet dat ik complexen heb over mijn gewicht – als fysicus weet ik immers dat het de massa is die er toe doet ;-) – maar ik hou wel van het bijbehorende gevoel van vlinders in de buik. Onder normale omstandigheden drukken al je inwendige organen op elkaar maar in een neerwaarts versnellende lift, of in een achtbaan, vermindert deze druk, wat zorgt voor die vallende sensatie in je buik.

Het zijn niet enkel klassieke fysici die graag de lift nemen. Ook Einstein illustreerde zijn ideeën over relativiteit met gedachtenexperimenten over liften. Het equivalentieprincipe stelt dat trage massa hetzelfde is als zware massa. Dat wordt aanschouwelijker door je voor te stellen dat je in een lift staat: stel dat de kabel breekt óf dat de aantrekkingskracht van de aarde plots wegvalt. Zou je dat verschil binnen in de lift kunnen voelen? Het antwoord is nee: massa reageert precies hetzelfde onder invloed van zwaartekracht als onder invloed van versnelling – dat is precies het equivalentieprincipe. Beide situaties zijn onwaarschijnlijk en het plots wegvallen van de aantrekkingskracht van de aarde is nog véél onwaarschijnlijker dan het breken van een liftkabel, dus ik zou natuurlijk op die laatste optie gokken (en alvast beginnen springen). Nu ik er zo over nadenk, zou dit ook nog een leuk voorbeeld kunnen zijn om te gebruiken in mijn eigen werk over (zeer) kleine kansen.

Blijkbaar heb ik dat van dat springen in de neerstortende lift trouwens niet zelf bedacht, maar onbewust opgepikt uit een film. Vorige week verscheen er zelfs een stukje in The New York Times waarin de vraag wordt beantwoord hoe je je overlevingskans kunt vergroten als je je echt in een neerstortende lift bevindt. Het slechte nieuws is: springen helpt niet. Dit werd enkele jaren geleden al aangetoond in het televisieprogramma van de Mythbusters (hier te herbekijken, helaas zit er een reclameblok voor): je zou je sprong niet alleen zeer goed moeten kunnen timen, maar ook een zeer hoge opwaartse versnelling moeten behalen. Vermits mensen niet over de vereiste sprongkracht beschikken, is het dus een fabeltje dat springen je overlevingskans in een losgeschoten lift zou kunnen vergroten. Volgens deze bron speelt het nauwelijks een rol dat je je in de liftkooi bevindt: het effect van de impact zal nagenoeg hetzelfde zijn alsof je gewoon in de liftschacht naar beneden gevallen zou zijn. Het zou wel een klein beetje kunnen helpen om op je rug op de liftvloer te gaan liggen en zo het effect van de impact te verdelen. Plat gaan liggen terwijl je in vrij val bent, is echter gemakkelijker gezegd dan gedaan (zoals ook in dit artikel wordt opgemerkt). Je volledig overgeven aan de val, dat is pas een griezelig idee. Hopelijk droom ik er deze nacht niet van!

I saw the crescent. You saw the whole of the moon.Nog een mooie om af te sluiten: ik droomde eens dat ik de hele maan kon zien, terwijl er eigenlijk maar een stukje verlicht was, gewoon omdat ik wist dat ik “goed moest kijken”. Pas later merkte ik dat dit ook werkelijk mogelijk is: er weerkaatst licht van de aarde naar de maan, waardoor de delen van de maan die niet door de zon worden verlicht ’s avonds toch zichtbaar worden als een bleekrode schijf. In het Engels heet dit verschijnsel ‘earthshine‘ (aardeschijn) en het was Leonardo Da Vinci die het verschijnsel voor het eerst wist te verklaren. Hoewel ik maar een simpele camera heb, is het toch gelukt om het effect (enigszins) op de foto te krijgen: zie het plaatje hiernaast. Om het met “The Whole of the Moon” van The Waterboys te zeggen: “Ik zag het sikkeltje, maar jij zag de hele maan”, maar dan andersom. :-)

Als je nieuwsgierig bent naar wat andere mensen dromen, bekijk dan ook zeker eens deze pdf: dit bevat de hele tekst van het boekje “En toen werd ik het wakker” waarin dromenvanger Peter Verhelst dromen verzamelde van jonge en iets oudere Gentenaren.

Niet zo snel, neutrino!

Een muon-neutrino laat zich niet zo makkelijk detecteren. (Bron afbeelding: http://particlezoo.net/individual_pages/shop_muon-neutrino.html)Vorige week deed ik nog verslag van de zoektocht naar het Higgs-boson met de LHC. Het meest besproken wetenschapsnieuws van het afgelopen jaar kwam echter van een ander experiment op CERN:  het OPERA-experiment, waarbij er neutrino’s gemeten zijn, die zich sneller zouden hebben voortbewogen dan de lichtsnelheid in vacuüm.

De voorbije maanden gonsde het ervan op internet en in alle kranten – ook die zonder noemenswaardig wetenschapskatern – doken er analyses van het neutrino-experiment op. Zelfs als je op restaurant zit, kan het tegenwoordig zo maar gebeuren dat je in een flard van het gesprek aan het tafeltje naast je de woorden “neutrino” en “relativiteitstheorie” opvangt. En die mensen zitten dan nog niet eens aan het hoofdgerecht!

De primeur had ik gemist (maar dat gebeurt wel vaker): terwijl heel de wereld het al over die neutrino’s had, waren wij nog nietsvermoedend in Polen, waar we al twee dagen zonder internet zaten. Twee volledige dagen! Zo kon het niet langer, dus moesten we wel op café gaan, waar we bij een groot glas bier (Zywiec) ook op het draadloos netwerk mochten. In mijn inbox zat er een e-mail van Tim. Daarin een link naar een krantenartikel over neutrino’s die sneller dan het licht gegaan zouden zijn en de vraag of ik hier meer van wist. Niet dus. :-(

Als neutrino's inderdaad sneller gaan dan het licht, dan moeten we de fundamenten van de relativitietstheorie herzien.

Als neutrino's inderdaad sneller gaan dan het licht, dan moeten we de fundamenten van de relativitietstheorie herzien. (Bron van de afbeelding: http://foksuk.nl/nl?cm=79&ctime=1316815200)

Intussen heb ik natuurlijk ruim de tijd gehad om mijn schade in te halen. Meteen bij thuiskomst uit Polen heb ik het artikel gelezen en ook de commentaren gevolgd. Het was leuk om te zien hoeveel belangstelling ervoor was. Ik geef een klein overzicht van mijn eigen bevindingen tot nu toe, aan de hand van deze drie vragen:

  1. Hoe betrouwbaar is het resultaat, zo op het eerste zicht?
  2. Wat zijn neutrino’s eigenlijk?
  3. Gingen die neutrino’s nu sneller dan c of niet?

Op arXiv.org verschijnen preprints van wetenschappelijke artikelen.(1) Hoe betrouwbaar is het resultaat, zo op het eerste zicht? Een eerste belangrijke kanttekening bij deze vraag is dat de bevindingen (nog) niet in een wetenschappelijk tijdschrift gepubliceerd zijn, maar enkel als een preprint op arXiv.org staan. (Over dit systeem van wetenschappelijke voorpublicaties schreef ik eerder al.) Als je het artikel daar opzoekt, valt meteen op hoe complex de hele onderneming geweest is: alleen al aan het aantal co-auteurs kun je zien hoeveel mensen erbij betrokken zijn, die elk verantwoordelijk zijn voor een klein onderdeel in het meetproces of de data-analyse.

Aan het einde van hun artikel geven de betrokken wetenschappers expliciet aan dat ze zich wensen te onthouden van speculaties. Welke impact hun bevindingen zouden kunnen hebben op de theoretische fysica is wat hen betreft nog niet aan de orde: zij laten uitdrukkelijk de mogelijkheid open dat er een systematische fout op de metingen kan zitten, die ze ondanks zorgvuldige analyse over het hoofd hebben gezien. (Dit staat in schril contrast met niet-specialisten, die veel minder scrupules hebben om de suggestieve maar onbevestigde experimenten te aanvaarden en wel over verregaande implicaties te speculeren. Tijdreizigers en tachyonen, ahoi!) Aangezien er bij geen enkele andere meting van neutrino’s ooit superluminale snelheden aangetoond zijn, lijken weinig fysici te geloven dat die Zwitsers neutrino’s wel dat ultieme snelheidsrecord hebben gebroken. De consensus lijkt eerder te zijn dat er wel iets misgegaan zal zijn, wat niet belet dat de cruciale fout dan nog gevonden moet worden.

In een persbericht legde collega-filosoof uit Groningen, Jan-Willem Romeijn, al uit dat het nieuws rond de vermeende superliminale neutrino’s een interessante gevalstudie oplevert, waaruit je kunt leren hoe wetenschap werkt – zelfs als uiteindelijk blijkt dat die neutrino’s toch niet sneller dan de lichtsnelheid gingen. Hoewel filosofen graag discussiëren, geef ik hem hierin volmondig gelijk. ;-)

(2) Wat zijn neutrino’s eigenlijk? Neutrino’s zijn elementaire deeltjes en ze zijn eigenlijk constant overal om ons heen. Neutrino’s worden heus niet enkel opgewekt in onondergrondse, fysische labo’s; ook onze zon bombardeert ons constant met gigantische aantallen van deze deeltjes. Gevaarlijk zijn ze niet, want neutrino’s reageren nauwelijks met gewone materie. Zo gaan er elke seconde van de dag zo’n 65 miljard neutrino’s door elke vierkante centimeter van ons hoofd, zelfs als we binnen zitten. Die neutrino’s komen er ongemerkt aan onze voeten weer uit en gaan dan ook nog eens dwars door de aarde heen – de gluiperds! Juist omdat neutrino’s zo weinig interageren met de rest van de wereld, is het bijzonder moeilijk om neutrino-experimenten te doen. De kunst is om grote aantallen ervan op te wekken en dan een reusachtige detector te bouwen in de hoop een zeer kleine fractie van de passerende neutrino’s te betrappen. Anders gezegd: het is allemaal een kwestie van zéér kleine kansen, maar door met grote aantallen deeltjes te werken, wordt de kans om enkele neutrino-gerelateerde gebeurtenissen te detecteren alsnog bijna 100%. En dan – voor de sport – ook nog hun snelheid proberen te achterhalen? Het is niet niks!

Op 24 oktober hield de Koninklijke Nederlandse Academie voor Wetenschappen (KNAW) een mini-symposium over neutrino’s en het intussen beruchte experiment op CERN. In onderstaand filmpje houdt sterrekunde-professor Frank Linde een zeer heldere uiteenzetting over neutrino’s en hun detectie. (De opnames van de overige drie sprekers kun je vinden op de Vimeo-website van het KNAW. Er staat ook een verslag op Wetenschap24.)

(3) Gingen die neutrino’s nu sneller dan c of niet?

Vorige week legde ik al uit dat de lichtsnelheid in vacuüm, c, de absolute maximumsnelheid is voor deeltjes die een (rust-)massa hebben. Neutrino’s hebben een kleine massa en behoren zich dus netjes aan deze ultieme snelheidsbeperking te houden. Ja, ook in het weekend op de snelweg bij droog weer. En ook in ondergrondse tunnels tussen Zwitserland en Italië. In het zelfde bericht schreef ik ook dat de lichtsnelheid in een medium lager is dan die in vacuüm. Hierdoor is het mogelijk dat geladen deeltjes in een medium sneller gaan dan het licht in dat medium (maar dus niet sneller dan c). Als dit gebeurt, gaat dat niet ongemerkt voorbij: er komt daarbij Cherenkov-straling vrij.

Wat heeft dit nu met het neutrino-verhaal te maken? Als die neutrino’s sneller dan c waren, dan moest er daarbij ook karakteristieke straling vrijgekomen zijn. Niet precies Cherenkov-straling (want neutrino’s zijn geen geladen deeltjes), maar wel een andere vorm van remstraling of ‘Bremsstrahlung‘. Fysici Cohen en Glasgow hebben intussen een artikel gepubliceerd waarin ze schrijven dat superluminale neutrino’s paren van elektronen en positronen doen ontstaan. Hierdoor verliezen de snelle neutrino’s veel energie en gaat dus ook hun topsnelheid snel achteruit. Een andere groep analyseerde de gegevens van het neutrino-experiment en vond daarin geen sporen van de door Cohen en Glashow voorspelde straling.

Zo, Tim, je hebt er een paar maand op moeten wachten, maar dit is dan eindelijk je antwoord: we kunnen voorlopig besluiten dat de neutrino’s niet sneller zijn geweest dan c. (Lees ook de samenvatting bij Kennislink, waarin er wel nog enkele exotische opties worden opengelaten.)

Niet zo snel, neutrino!

De neutrino's worden teruggefloten: hoe sneller ze gaan, hoe meer elektron-positron paren er ontstaan, waardoor de deeltjes afremmen. Deze straling is echter niet waargenomen in het OPERA-experiment.

Het mooie aan wetenschappelijk denken is dat het zo efficiënt is. Als je de moeite doet om één stukje theorie echt uit te pluizen (bijvoorbeeld hoe de snelheid van het licht varieert afhankelijk van het medium), blijkt dit nieuwe begrip later altijd nog op verrassend veel andere plaatsen van toepassing (ook bij ondergrondse neutrino’s). Fysica: het kost soms wat moeite, maar dan heb je ook wat. :-)

Bitterzoete wetenschap

Een kat in bed veroorzaakt een bult in de deken: een kat-dekbed-excitatie.Deze blogpost stuitert alle kanten uit: van holistische koffie over kat-dekbed-excitaties naar traag licht. Katten en fysica zorgen op internet altijd voor grappige combinaties, dus doe ik vandaag ook een poging. Het bezorgt me alvast een goed excuus om er schattige plaatjes bij te plakken. :-)

Herinner je je nog mijn fascinatie voor zwevende koffiedruppels? Ik heb zopas nog een leuke waarneming gedaan van dit effect. Meestal drink ik niets met bruis, maar laatst had ik zo’n dorst dat ik van een glas nog hevig bruisende cola dronk. Ik keek in het glas – waarschijnlijk scheel, ja! – en zag hoe de bruis voor minuscule, drijvende druppeltjes zorgde die alle kanten uit stuiterden. Heerlijk om te zien.

Herinner je je ook nog de verklaring voor dit effect? Op het eerste zicht lijken de druppeltjes te zweven of te drijven, maar om te begrijpen hoe ze bewegen, moet je er rekening mee houden dat ze niet in het ijle hangen: ze zijn volledig omgeven door lucht. Bovendien staat het vloeistofoppervlak waar ze op lijken te drijven niet stil. Het oppervlak kan aan het trillen gebracht zijn door eerdere druppels die erop vielen, door met het glas of kopje te bewegen, of door tegen de rand van de fles te tikken. Het bewegende oppervlak sleept de omringende lucht mee en zorgt zo voor een luchtkussen waar de druppels op blijven dansen. In geval van hete koffie in de koffiezet helpt ook het temperatuurverschil een handje om de lucht in beweging te krijgen (door thermische Marangoni-convectie).

Koffie kan op koffie drijven.Deze verklaring is ‘holistisch’: om te begrijpen hoe de druppels op het oppervlak bewegen, moet je niet enkel naar de eigenschappen van die druppels zelf kijken, maar ook naar alles eromheen. In dit geval naar de beweging van het onderliggende vloeistofoppervlak, die de lucht doet bewegen, die op haar beurt weer met de druppels interageert. Indirect, namelijk via de lucht als mediator, interageren de golven van het vloeistofoppervlak met de vloeistofdruppel. Dit heeft veel weg van een golf-deeltje-interactie (al is een koffiedruppel geen star deeltje).

Om beter te begrijpen wat ik met een golf-deeltje-interactie bedoel, kun je fysica gaan studeren… of een kat in huis nemen. Als een kat onder een deken kruipt, zie je van buitenaf een hobbel in de deken. Om dit bultje te verklaren, helpt het weinig om de biologie van de kat te bestuderen, of de cultuurgeschiedenis van ons beddengoed. In de ogen van een fysicus verandert de bult in een kat-dekbed-excitatie: een specifieke verandering in de vorm van de deken met als onderliggende ;-) oorzaak de vorm van de kat. Als de kat onder de deken door kruipt, beweegt de bult, met een zekere snelheid. Of, opnieuw in de ogen van de fysicus, een golf-deeltje-interactie.

Om het helemaal wetenschappelijk te maken, zou je de snelheid van de bult (een kat onder een deken) kunnen vergelijken met een “vrije kat” (een kat die vrij rondloopt, dus niet onder een deken). Ik heb dit experiment niet uitgevoerd, maar op theoretische gronden verwacht ik dat de vrije kat sneller beweegt dan de bult. Maar zelfs een loslopende kat haalt de lichtsnelheid niet – zelfs niet als je ze eerst goed gek maakt met een laserpointer. ;-)

De lichtsnelheid in vacuum geldt als ultieme snelheidsbeperking voor materie.Als je een kat – of eender welk dier, voorwerp, of deeltje met massa – meer snelheid wil geven, moet je er energie aan geven. Je zou kunnen verwachten dat als je maar energie blijft toevoegen, dat je de kat met eender welke snelheid kunt laten bewegen. In de praktijk blijkt dit niet te kloppen. De curve die het verband aangeeft tussen de toegevoegde energie en de behaalde snelheid van een massa begint weliswaar nagenoeg lineair, maar vlakt daarna af. De snelheid waar de curve naartoe blijkt te neigen, maar die nooit bereikt wordt is c, de lichtsnelheid in vacuüm – bijna 300 000 km/s.

De lichtsnelheid in vacuüm (meestal kortweg ‘de lichtsnelheid‘) wordt dus beschouwd als de ultieme snelheidslimiet voor alle materiële voorwerpen. Katten hebben een massa en worden dus geacht trager dan c te bewegen. “Lichtdeeltjes” of fotonen hebben geen massa; zij kunnen wel met snelheid c bewegen.

Snelheid in functie van totale energie.

Snelheid in functie van totale energie. De rustmassa van het deeltje levert een constante bijdrage aan de energie, de rest is kinetische energie (energie door beweging). Volgens de klassieke fysica zou de snelheid onbeperkt kunnen toenemen (roze lijn), maar in de praktijk blijkt dat niet zo te zijn: relativiteitstheorie voorspelt dat deeltjes met een rustmassa nooit de snelheid c bereiken (rode lijn). (Bron van de afbeelding: http://www.phys.unsw.edu.au/einsteinlight/jw/module5_equations.htm)

In de context van relativiteitstheorie wordt het bovenstaande meestal als volgt samengevat: massa is snelheidsafhankelijk en neemt toe met de snelheid. Wat wij meestal als ‘massa’ aanduiden is de rustmassa van een voorwerp. (Die term is ook heel toepasselijk bij katten, die wel twintig uur per etmaal rusten.) Enkel als die rustmassa nul is, zoals bij een foton, kan het deeltje met de maximale snelheid, c, bewegen.

Als een geladen deeltje invalt met een snelheid hoger dan de lichtsnelheid in dat medium, komt er Cherenkov-straling vrij.Dit wil overigens niet zeggen dat er niets sneller dan het licht zou kunnen bewegen. Daarbij wil ik het niet eens hebben over tachyonen. (Dat zijn hypothetische deeltjes die geen normale massa hebben en die wel sneller dan c zouden kunnen bewegen. Dit zou geïnterpreteerd kunnen worden als deeltjes die terugreizen in de tijd, maar dat is dus weer een heel ander verhaal.) Er is een veel voor de hand liggendere manier om sneller te gaan dan het licht: door het licht te vertragen! In nieuwe (meta-)materialen kan men de snelheid van het licht drastisch verlagen, een fenomeen dat “slow light” of “traag licht” genoemd wordt.

Enkel in een absoluut vacuüm beweegt het licht aan de snelheid c. In eender welk medium (met brekengsindex n > 1) beweegt het licht met een lagere snelheid, c‘ (c‘ = c / n < c). Door andere deeltjes te versnellen tot een snelheid hoger dan c‘ (maar niet hoger dan c, want dat is – voor zo ver bekend – onmogelijk), kunnen ze het licht in dat medium dus inhalen! Dit is niet enkel een theoretische mogelijkheid, maar kan ook experimenteel worden aangetoond. Wanneer een vliegtuig sneller vliegt dan de geluidssnelheid in lucht, ontstaat er een schokgolf, die wij horen als een knal. Iets soortgelijks gebeurt er wanneer geladen deeltjes de lichtsnelheid in het medium overschrijden: er komt dan straling vrij (Cherenkov-straling).

Licht is het oudste en bekendste voorbeeld van de golf-deeltjes-dualiteit uit de kwantummechanica. Afhankelijk van het vraagstuk, kan het handiger zijn om licht als een golf- of als deeltjesfenomeen te beschrijven. Nu lijkt er een tegenspraak te zitten tussen beide beschrijvingen:

  • Als je het licht als een golf beschouwt, zoals in de klassieke optica, kan het licht trager gaan dan c. Dit is te begrijpen in termen van elektrische polarisatie van het medium: de gepolariseerde materie gaat daarbij zelf licht uitzenden, dat interfereert met het oorspronkelijke licht en zo in een vertraagde lichtgolf resulteert.
  • Als je het licht echter als deeltjes beschouwt (fotonen), zoals in de kwantummechanica, en de uitleg over relativistische massa’s herleest, dan zou je kunnen concluderen dat fotonen enkel met de snelheid c kunnen bewegen, niet trager. Of krijgen fotonen plots toch een massa als ze door medium bewegen, maar hoe kan dat dan?

Om deze schijnbare tegenstrijdigheid te ontwarren, moet je opnieuw een ‘holistisch’ standpunt innemen – net als bij de koffiedruppels die op het oppervlak van koffie stuiteren en net als bij de bult door de kat onder het dekbed.

In dit geval betekent dit dat je de interactie tussen het foton en de deeltjes in het medium van naderbij moet bekijken. Het is onmogelijk om dit volledig algemeen te doen. Veel hangt af van welk medium het is (Is het een gas, een vloeistof, of een vaste stof?) en van het type foton (Hoeveel energie heeft het?) Om het echt goed te doen, heb je een hele brok fysica nodig, inclusief formules. En zelfs als je fysica hebt gestudeerd, blijft het moeilijk om de gedetailleerde, kwantitatieve theorieën terug te brengen tot een kwalitatief totaalplaatje. Toch ga ik een poging wagen om voor één specifiek voorbeeld een heldere uitleg te geven. (Veel dank aan Danny om mee te brainstormen voor volgend stukje.)

Katten en fotonen.

Als je de interactie van licht met materie wilt beschrijven heb je een hele brok fysica nodig. Als je wil beschrijven hoe licht interageert met diamant dan is dat weer een heel ander verhaal dan de interactie tussen fotonen en katten.

Om het zo concreet mogelijk te maken ga ik uit van rood licht, met een golflengte van – laat ons zeggen – 650 nm. Daarmee correspondeert een foton met een energie van ongeveer 2 eV. Als medium neem ik mijn favoriete vaste stof: diamant, dat in elk geval transparant is voor rood licht. De bindingslengte van de koolstofatomen in het diamantrooster bedraagt slechts 0,154 nm, duizenden malen kleiner dus dan de ‘afmetingen’ van het foton, nu beschouwd als een golfpakketje met die specifieke golflengte. De handigste manier om de interactie van het foton met de vaste stof te beschrijven is dus niet voor iedere koolstofkern afzonderlijk, maar door het rooster als een geheel te beschouwen. Als je het foton als een energiepakketje beschouwt, kun je zien dat het invallende foton voor een kleine energieverhoging zorgt in een (relatief) groot gebied van het rooster: een proces dat je kunt beschrijven als een (kwantummechanische) excitatie van het rooster. Met deze aangeslagen toestand van het rooster kun je een pseudodeeltje associëren: het polariton.

Het vreemde besluit is dus dat lichtdeeltjes niet trager kunnen dan c, maar lichtgolven wel. Hm, is dit meer dan een semantische afspraak? “Zodra fotonen invallen op een medium, spreek je niet meer van een foton maar van een polariton.” Het lijkt erop dat er meer aan de hand is. Een foton heeft geen massa. Aangezien het polariton een aangeslagen toestand is van het rooster, dat zelf een massa heeft, hoeft het geen verbazing te wekken dat ook het polariton een massa heeft en dus trager gaat dan c.

Vind je die pseudo-deeltjes maar bizar? Denk dan terug aan de kat onder het dekbed! Terwijl de kat onder de deken zit, kun je haar niet zien. Je ziet enkel een bultje dat beweegt, vermoedelijk iets trager dan een vrije kat. Je zou het bultje een pseudodeeltje kunnen noemen: het doet het dekbed op zo’n manier bewegen alsof er een lokale vervorming is, die zich in het vlak van het dekbed kan verplaatsen.

Aan deze kant van de deken zie je de kat.

Aan deze kant van de deken zie je de kat, aan de andere kant zie je een vervorming die zich verplaatst. Die bultjes zou je polaritons kunnen noemen.

Toch is er een verschil: de kat bestaat nog, ook al zit ze onder een dekentje, maar als licht zich door een medium beweegt, zouden de fotonen niet langer bestaan – zij gaan volledig op in het nieuw pseudo-deeltje, het polariton. Wanneer het bultje aan het einde van het dekbed komt, komt er gewoon weer een kat te voorschijn. In dit beeld bestaat het bultje niet echt als een onafhankelijk object, de kat en het dekbed wel. Ook wanneer het licht weer overgaat van het medium naar vacuüm, bestaat het weer uit fotonen. Dit wekt de indruk dat ook in het medium de fotonen nog bestonden – net als de kat onder het dekentje. Het lijkt er dus op dat het polariton als pseudo-deeltje slechts dient om het ons makkelijker te maken het hele proces fysisch te beschrijven.

Is het polariton een soort bultje dat niet echt bestaat? Mijn eigen conclusie – op dit ogenblik – neigt eerder naar het omgekeerde: alles wat wij deeltjes noemen zijn pseudo-deeltjes, die ons helpen om fysica te begrijpen. Ook katten en dekens zijn pseudo-objecten, concepten die het ons gemakkelijker maken om over de wereld na te denken en er met andere mensen over te communiceren: “Hang het dekbed eens uit het raam om te verluchten, maar niet de kat!”

The spoon is not real. De bult en de polariton ook niet. De kat en het foton evenmin.Ja, een kat is zelf een soort “bultje”: de kat bestaat vandaag uit heel andere cellen dan die waaruit ze een paar jaar geleden bestond. Toch roepen we haar met dezelfde naam… en luistert ze nog steeds niet. ;-) De deken bestaat uit een eerder toevallig samenraapsel van synthetische of organische vezels, die honderd jaar geleden of honderd jaar in de toekomst wellicht op heel verschillende plaatsen terug te vinden waren/zijn. Zelfs een perfect gladde deken is zo een soort bultje in de wereld; iets dat mensen als één ding zien.

Katten en dekens, fotonen en kristalroosters: geen van alle zijn er echt objectief. Voor golven geldt overigens hetzelfde – mijn punt is hier niet dat de wereld inherent golf-, veld-, of energie-achtig is. Al deze concepten zijn hulpmiddelen voor mensen om de wereld te beschrijven, zaken te (proberen) voorspellen en er iets van te begrijpen. Maar uiteindelijk ‘is’ de wereld er gewoon en dat is nooit tot louter begrijpen te herleiden.

Wetenschap is een uiting van het menselijke verlangen om zoveel mogelijk van de wereld te begrijpen en het scherpe randje aan de wetenschap is dat dat verlangen onmogelijk, zelfs maar in principe, vervuld kan worden. Dat is het bitterzoete koekje dat bij deze holistische kop koffie geserveerd wordt.

Let’s get metaphysical

Alle songteksten van The 21st Century Monads gaan over filosofie.Welkom bij een nieuwe aflevering, waarin Sylvia haar angst voor metafysica overwint. Om in de gepaste sfeer te komen voor dit bericht kun je zachtjes “Let’s get metaphysical” meeneuriën op de tonen van Olivia Newton-Johns “Let’s get physical”. Als alternatief kun je ook “We Can’t Stop Doing Metaphysics” van The 21st Century Monads als achtergrondmuziek opzetten.

Als fysicus boezemt het idee om over metafysica na te denken – laat staan om er publiekelijk over te praten of over te schrijven – me een zekere angst in. Rubriceer het gerust onder angst voor het onbekende, want het is me niet duidelijk wat dat precies is, metafysica. Enerzijds zweemt het naar speculaties en onwetenschappelijk gezwets, iets waar ik als wetenschapper niet mee geassocieerd wil worden. Anderzijds echter is het een klassieke tak van de wijsbegeerte, iets waar ik als wetenschapsfilosoof maar wat graag een mondje over wil kunnen meepraten. Gemengde gevoelens dus.

Hoewel ik nu al bijna twee jaar aan een filosofische faculteit werk, bleef ik toch mooi binnen een domein dat ook voor de meeste natuurwetenschappers aanvaardbaar is. Fysica behelst meten, rekenen en kritisch nadenken. Welnu, ik ben na mijn overstap van de fysica naar de filosofie weliswaar gestopt met meten, maar ik bleef kritisch denken en daarbij ook wiskunde gebruiken. Binnen de grondslagen van de kansrekening en de epistemologie voelde ik me veilig.

Toch moest het er op een dag van komen dat ik naar een congres over metafysica zou gaan. Vorige week woensdag en donderdag was het zo ver: ik trok naar de Blandijn in Gent voor twee dagen vol lezingen over fysica en metafysica in de negentiende eeuw. Bij de behandeling van een fobie wordt er meestal in kleine stapjes gewerkt. In het kader van mijn systematische desensitisatie voor metafysica ging ik dus niet meteen zelf aan de slag met metafysische argumenten. Zoals de arachnofoob eerst de confrontatie met een plastic spin moet aangaan, koos ik een congres met historische invalshoek uit als verzachtende omstandigheid: de sprekers verdedigen er niet hun eigen metafysische theorieën, maar proberen enkel die van een historische wetenschapper en/of wetenschapsfilosoof uit de doeken te doen.

Deze houtsnede uit 1888, van de Fransman Flammarion, wordt vaak gebruikt om het begrip metafysica te illustreren: de zoektocht naar de werkelijkheid achter de wereld.

Nadenken over wat filosofie eigenlijk is, vormt een integraal onderdeel van de filosofie. Het hoeft dan ook niet te verbazen dat ook de sprekers op het congres geen pasklaar antwoord hadden op de vraag “Wat is metafysica?” – ondermeer omdat de term zo veel betekenissen heeft. Deze betekenis is in de loop der tijd veranderd, maar lijkt bovendien van persoon tot persoon te variëren. Aangezien ik niet van gedichten over poëzie hou, ga ik hier ook niet aan meta-metafysische haarkloverij doen. Liever geef ik een benaderende definitie van het begrip.

Metafysica betekent letterlijk ‘voorbij de fysica’. Het woord werd oorspronkelijk gebruikt om die werken van Aristoteles aan te duiden, die na zijn hoofdstukken over fysica komen. In de filosofie bedoelt men er nu theorieën mee die verder gaan dan de fysica, die iets zeggen over de werkelijkheid achter de fysische wereld. Hoewel deze theorieën dus haast per definitie onwetenschappelijk zijn, hoeven ze niet onzinning te zijn. In tegendeel, het doen van wetenschap veronderstelt dat wij de wereld kunnen leren kennen en begrijpen – op zich een buiten-wetenschappelijke aanname.

Fysica en metafysica zijn nauwer met elkaar verwant dan veel natuurkundigen (willen) beseffen. Zo wordt er in een cursus over fysica vaak gesproken over causaliteit, zonder dat dit begrip zelf ter discussie staat. De aanname dat de wet van oorzaak en gevolg opgaat in de fysische wereld is oorspronkelijk metafysisch van aard, hoewel er in het kader van de moderne fysica wel experimenten gedaan kunnen worden die hier iets over zeggen. Als voorbeeld denk ik daarbij aan het experimenteel weerleggen van de Bell-ongelijkheden in de kwantumfysica; dergelijke experimenten zijn (terecht) van doorslaggevend belang in de natuurwetenschap, maar ze zeggen niet alles. Er blijft dus ruimte voor filosofie.

Eerder dit jaar verklaarde Stephen Hawking niet te geloven in een leven na dood en ja, als hij dat zegt, dan komt dat in de krant. Minder aandacht hadden de media voor het feit dat Hawking samen met religie ook de filosofie afwimpelde; in deze analyse op BBC hoor je er een fragment van. Filosofen reageerden not amused, maar voor mij kwam Hawkings opvatting niet als een verrassing: heel wat natuurwetenschappers zijn immers van mening dat je je niet moet bezighouden met filosofie. De standaardinterpretatie van de kwantummechanica is hier een voorbeeld van: zij zegt hoe je het formalisme moet gebruiken, maar uitdrukkelijk niet wat de theorie betekent. (De standaardinterpetatie wordt ook wel de Kopenhaagse interpretatie genoemd, vanwege het belang van Niels Bohr die in Kopenhagen werkte.) De wetenschappers wrijven in hun handen: “Zo, die discussie is van de baan en nu terug naar het labo.” (Het kan ook “het krijtbord” of “de computer” zijn.) Filosofen echter zullen opmerken dat deze puur instrumentalistische houding ten aanzien van wetenschappelijke theorieën ook een filosofie is. In de metafysica geldt: niet kiezen is ook kiezen.

Sommige fysici doen wel een poging om mee te filosoferen, maar ook zij krijgen een veeg uit de pan van de filosofen. Eén misstap in het metafysische moeras en je geloofwaardigheid als fysicus is voorgoed verloren. Maar een misstap in de andere richting en je geloofwaardigheid als filosoof is eraan… Ik hou mijn hart vast en hoop deze valkuilen hier te ontwijken.

Portret van J.J. Thomson, de ontdekker van het elektron.Op het congres passeerden bekende wetenschappers uit de negentiende eeuw de revue. Zo sprak Erik Banks over Mach (in een cursus over relativiteit hebben we ooit zijn kritiek op Newtons gedachte-experiment met de draaiende emmer water besproken), Jordi Cat over Maxwell (ja, die van de vier vergelijkingen voor het elektromagnetisme) en Jaume Navarro over J.J. Thomson (de ontdekker van het elektron, waarover zo dadelijk meer).

De presentatie van Daniel Mitchell was ook heel boeiend: hij onderzoekt hoe en wanneer klassieke fysica het label “klassiek” heeft meegekregen. Daarbij kwam ondermeer de ether-theorie ter sprake. Tot het einde van de negentiende, begin twintigste eeuw werd gedacht dat elektromagnetische golven, zoals licht, een medium nodig hebben, net zoals geluidsgolven zich enkel kunnen voortplanten door een medium (een gas, vloeistof, of vaste stof); dit hypothetische medium voor licht werd “ether” genoemd. Hoewel de ether-hypothese intussen verworpen is, wordt het woord nog steeds gebruikt in de context van radiogolven. (Voor alle duidelijkheid: radiogolven zijn de elektromagnetische golven die van de zender naar de antenne van je radio gezonden worden, dus niet de geluidsgolven die uit de luidsprekers komen).

In 1887 voerden Michelson en Morley een experiment uit (op basis van interferentie van licht) waarmee ze het bestaan van ether wilden aantonen, maar hun experiment weerlegde juist de ether-hypothese. Althans, dat is de korte versie, zoals je die in de fysicales te horen krijgt. De geschiedenis blijkt iets subtieler: Michelson staakte zijn pogingen om het bestaan van ether te bewijzen inderdaad kort na dit experiment, maar Morley ging er nog mee door tot in de jaren 1950! Het was pas met het latere werk van Albert Einstein dat het ether-idee volledig verlaten werd. (Anderzijds was het geloof in het bestaan van ether ook voor het Michelson-Morley-experiment nooit algemeen verspreid.)

In het atoommodel van Thomson zitten de negatief geladen elektronen als krenten in het positief geladen deeg. Met deze achtergrond hoeft het ons niet te verbazen dat ook J.J. Thomson minstens tot in 1924 in ether geloofde, hoewel zijn ontdekking – het elektron – veel beter bij de kwantumtheorie lijkt te passen. Thomson stelde een eigen atoommodel voor: het krentenbolmodel (dat beter bekend is onder zijn Engelse naam: plum pudding model). In dit model zitten de negatief geladen elektronen verspreid over de positieve achtergrond van het atoom, als krenten in het deeg van een krentenbol. (In het latere atoommodel van Rutherford – Ernest Rutherford was een student van J.J. Thomson in Cambridge – zitten de positieve ladingen samengebald in de kern van het atoom en zweven de negatieve elektronen rond de kern.) Maar wat was dit positieve ‘deeg’ dan volgens Thomson? Een lage dichtheid van ether-massa! Ook de elektronen legde hij uit in termen van ether. De ontdekking van het elektron betekende dus geenzins de doodsteek voor de metafysische ether-theorie.

Minstens tot in 1924 heeft J.J. Thomson zich in het Engelse Cambridge weten te verschuilen voor de kwantumtheorie die in de rest van Europa dan al tot volle bloei was gekomen. Getuige hiervan is het artikel “A suggestion as to the Structure of Light” van Thomson dat in 1924 verscheen in Philosophical Magazine.  In zijn artikel probeert Thomson licht te verklaren aan de hand van structuren in… de ether. Hoewel het uitgangspunt fout is, vind ik het toch een heel mooie theorie (die me vaag aan supersnaren en zeker ook aan Feynmandiagrammen doet denken).

Thomsons model voor het uitzenden van licht door een H-atoom.

Thomsons model voor het uitzenden van licht door een H-atoom. Dit model is gebaseerd op ether, niet op kwantummechanica; ja, in 1924 nog!

Thomson vertrekt van een waterstof-atoom, dat hij voorstelt als een soort vezel (een Faraday tube) in de ether. Deze vezel heeft een positief uiteinde (“P”, het proton in de waterstof-kern) en een negatief uiteinde (“E”, het elektron van het waterstof-atoom). Dan maakt Thomson volgende redenering: als deze vezels fysisch echt bestaat, dan is er een limiet aan hoever ze kunnen plooien. Hij stelt zich voor dat de vezel tot een lus gebogen kan worden, maar als de spanning dan nog verder toeneemt, splitst er zich een gesloten lus van de oorspronkelijke vezel af. Deze afgesplitste, lusvormige vezel heeft geen vrije uiteindes en draagt dus geen lading: dit stelt een foton voor. Het proces, voorgesteld in de figuur hierboven, was Thomsons voorstelling van het uitzenden van licht; het omgekeerde proces, waarbij een gesloten lus op een vezel botst en erdoor opgenomen wordt, stelt absorptie van licht voor. (De figuur is overgenomen uit de presentatie van Jaume Navarro onderaan deze pagina.)

Uiteindelijk heeft het ethermodel voor licht de strijd verloren tegen de kwantumtheorie, die veel veelzijdiger bleek. Thomsons bezwaar tegen de kwantummechanica was dat zij ons geen  inzicht verschaft in de aard van haar belangrijkste concepten. Zo had de constante van Planck, h, geen fysisch model; “waar komt dit vandaan?” wou Thomson weten. Met zijn nadruk op wat de fysische basis was voor de gebruikte concepten stelde J.J. Thomson dus eigenlijk een metafysische vraag, maar daarop wilden de instrumentalistisch ingestelde kwantumpioniers niet antwoorden.

Hun stilzwijgen galmt nog altijd na in de fysica, maar als de wind goed zit kun je soms de geest van Thomson horen neuriën “Let’s get metaphysical“.