Je leest:

Holometer op zoek naar ruimtepixels

Holometer op zoek naar ruimtepixels

Auteur: | 22 oktober 2010

Stel je voor dat ruimte en tijd niet mooi glad verlopen, maar in kleine stukjes zijn opgedeeld. Die ‘tijdpixels’ moeten dan zo piepklein zijn dat zelfs de natuurwetten er geen last van hebben. Toch zijn ze meetbaar, stelt Fermilabonderzoeker Craig Hogan. Hij bouwt een machine die ze kan zien.

Small
Hogan vond zijn aanwijzingen voor een kleinste tijdseenheid in GEO600, een Duits gravitatiegolvenexperiment.
GEO600

Er werd een beetje lacherig gereageerd toen wetenschapper Craig Hogan in 2008 suggereerde dat hij de kleinst mogelijke tijdseenheid had gezien. Hij had in een vreemd ruissignaal van een gravitatiegolvenmeter een aanwijzing ontdekt dat tijd niet mooi vloeiend verloopt, maar in piepkleine intervalletjes vooruitspringt.

Die tijdssprongetjes komen voor in een omstreden model waar theoretisch natuurkundigen al een tijd mee stoeien. In dat model zijn ruimte en tijd niet glad en vloeiend, maar bestaan ze uit een soort kleine bouwblokjes. Net als bij een foto, die vanaf een afstandje op een doorlopende afbeelding lijkt, zou je als je inzoomt een soort pixels moeten kunnen ontdekken. Binnen die pixels hebben ruimte en tijd geen betekenis en de bestaande natuurwetten zijn er niet meer van toepassing.

Een bijkomende eigenaardigheid van dit model is dat de ruimte-tijdpixels slechts twee ruimtelijke dimensies bevatten. De derde dimensie die wij kennen is niet ‘echt’: alle informatie over de derde dimensie zit in de tweedimensionale bouwsteentjes opgesloten. Het heelal is in dit model een hologram; dat wil zeggen dat we meer ruimtelijke dimensies ervaren dan er in werkelijkheid zijn.

Planckeenheden

Small

Er zijn een aantal natuurconstanten in het heelal, zoals de lichtsnelheid en de kleinste eenheid van elektrische lading. De Duitse wetenschapper Max Planck ontwikkelde op basis van die constanten een nieuw systeem van eenheden. In plaats van de gebruikelijke kilogrammen, meters en seconden combineerde hij de natuurconstanten tot wat volgens hem de kleinst mogelijke eenheden moesten zijn.

De Planckeenheid voor ruimte is de Plancklengte: 1,62.10-35 meter. Voor tijd vond hij de Plancktijd: 5,39.10-44 seconden. Voorwerpen die kleiner zijn dan de Plancklengte en tijdsintervallen korter dan de Plancktijd hebben in de natuurkunde geen betekenis.

De interpretatie dat het fysisch onmogelijk is om objecten kleiner dan de Plancklengte of intervallen korter dan de Plancktijd te maken is niet van Planck zelf: een groep moderne natuurkundigen, waaronder Stephen Hawking, ontwikkelde die theorie.

Exotisch experiment

Craig Hogan is naast een liefhebber van exotische theorieën de directeur van een onderzoeksafdeling van het toonaangevende Amerikaanse laboratorium Fermilab. Zo kon het gebeuren dat er twee jaar nadat hij zijn omstreden theorie poneerde, gebouwd wordt aan een gloednieuw experiment dat zijn theorie moet gaan testen. In zijn eigen laboratorium bouwt Hogan een machine die de kleinste bouwsteentjes van het heelal boven water moet krijgen.

Hogan noemt zijn machine een holometer, naar een eigenaardig zeventiende-eeuws meetinstrument dat werd gebruikt om ‘hemel en aarde te meten’. Het experiment is vrij eenvoudig: het is een klassieke interferometer (zie kader) waarmee kleine verschilletjes in de manier waarop licht beweegt kunnen worden gemeten. Als tijd inderdaad niet vloeiend maar in sprongetjes verloopt zou dat een voortdurende trilling in de ruimte-tijd veroorzaken. Die trilling, zo denkt Hogan, zou met deze machine te meten moeten zijn.

De Michelson-Morley interferometer

Medium

De interferometer werd in 1887 ontworpen door Albert Michelson en Edward Morley. Zij wilden met de machine aantonen dat licht een voorkeursrichting heeft.

In de interferometer wordt een lichtbundel door een halfdoorlatende spiegel in tweeën gesplitst. Beide helften van de bundel leggen, in verschillende richtingen, een even lang pad af. De bundels komen door de halfdoorlatende spiegel weer samen. Als ze met exact dezelfde snelheid exact dezelfde afstand afleggen is de samengevoegde lichtbundel nog precies hetzelfde als de oorspronkelijke bundel. Als dat echter niet zo is, produceren de twee bundels een interferentiepatroon. Piepkleine verschillen in de afgelegde weg kunnen zo eenvoudig zichtbaar gemaakt worden.

Michelson en Morley ontdekten in hun experiment overigens geen interferentiepatroon. Einstein legde later uit waarom: er is in het heelal geen voorkeursrichting en de lichtsnelheid is overal constant.

De armen van de interferometer worden veertig meter lang. De machine wordt in hoog vacuüm gebouwd, en bij het ontwerp is rekening gehouden met het wegnemen van allerlei trillingen op de achtergrond. Voor de zekerheid bouwen de onderzoekers er meteen twee, bovenop elkaar. Dan kunnen de metingen van de ene machine direct door de andere worden gecontroleerd. Het signaal dat overblijft moet volgens de geldende natuurwetten supersaai zijn, maar zal volgens Hogan’s model de vingerafdrukken van de tijd bevatten.

Als Hogan’s experiment succesvol is moeten de natuurwetten die we nu gebruiken grondig worden herzien. Op voldoende grote ruimte- en tijdschaal zal de interpretatie geen verschil maken. Dat wordt anders als je naar hele kleine of hele snelle dingen gaat kijken: zwarte gaten bijvoorbeeld, en de Oerknal. Ons leven zal er niet anders uitzien in een gepixeld hologramheelal, maar ons begrip van het heelal zal er grondig mee op z’n kop worden gezet.

Zie ook:

Meer lezen over tijd op Kennislink:

Oeps: Onbekende tag `feed’ met attributen {"url"=>"https://www.nemokennislink.nl/kernwoorden/tijd/ruimtetijd/index.atom?m=en", “max”=>"10", “detail”=>"minder"}

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 22 oktober 2010

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.