Bert's brein

update: 12-1-2015

reageer

Het begrip "massa" is een van de meest ongrijpbare begrippen uit de hele natuurkunde. In dit stukje gedachten over gravitatie en de mogelijkheden voor (en de consequenties van) massa met een negatieve waarde. Dit leidt naar een alternatief voor de big-bang theory met een falsifieerbare voorspelling die onderscheid kan maken tussen de twee modellen.

ideeën over massa


  • inleiding
  • Veel van de kernproblemen in de natuurkunde hebben te maken met het begrip "massa" : er is sprake van "donkere materie" , "donkere energie" , en de vraag waarom er überhaupt massa is, is niet fundamenteel beantwoord. Voor de eigenschap dat de ene massa de andere aantrekt is gezocht in algemene relativiteit, maar ook en Higgs-deeltjes. Vraag aan een fysicus of hij kan uitleggen wat "massa" precies is, en er gebeurt van alles, maar een degelijke uitleg met afleidingen en definties volgt niet. Voor zover ik weet is er zelfs nooit een bewijs geleverd dat 1 kg + 1 kg ook echt principieel en fundamenteel 2 kg is.
    Toch staat dit begrip in het hart van de natuurkunde, omdat het een term is uit de wetten van behoud van impuls en impulsmoment, die zeggen dat het zwaartepunt van een object of verzameling objecten niet uit zichzelf van snelheid verandert resp. uit zichzelf gaat draaien.
    In dit stukje wordt een uiterst pragmatische versie van het begrip "massa" gekozen: het is een (getalsmatige) eigenschap van een planck-volume of groter.

  • massa met negatieve waarde
  • De wetten van Newton verbieden het bestaan van negatieve massa niet (althans: niet direct). Gegeven de gravitatiewet
    F = g * (M*m)/d2
    of de m.i. prettiger formulering:
    am = g * M/d2
    zouden twee negatieve massa's elkaar moeten aantrekken, en zouden een positieve en een negatieve massa elkaar moeten afstoten.

    Toch komt massa met een negatieve waarde in de reguliere natuurkunde niet voor. Wel is er sprake van zgn 'antideeltjes' maar die hebben alleen antiwaarden voor bijvoorbeeld 'spin' en 'lading', maar altijd wel exact dezelfde (positieve) massa als hun tegenhanger.
    De voornaamste reden dat negatieve massa niet in de natuurkunde voorkomt, is dat die negatieve massa nooit is waargenomen - en dat is inderdaad een heel erg goede reden.
    Daar staat tegenover dat andere eigenschappen van deeltjes (spin, lading) altijd tegelijkertijd ontstaan, evenveel positief als negatief, met als netto resultaat exact 0. De implicatie is, dat de totale spin of de totale lading van het gehele universum 0 is. Bij massa (of energie, dat is equivalent) is dat niet het geval: daar is een hoeveelheid van, en die hoeveelheid is niet 0. Verschillende modellen hebben geprobeerd dit te verklaren, en al die modellen hebben een soort asymetrie nodig. In dit stukje wil ik de mogelijkheid verkennen voor het bestaan van negatieve massa, waarbij de totale massa van het universum 0 is (en 0 blijft).

  • het modelleren van een splitsings-proces
  • Binnen de versimpelde weergave van de quantummechanica bestaat het volgende beeld: in een proces waarbij veel energie is betrokken kan uit "lege" ruimte een deeltjespaar (deeltje + antideeltje) worden gecreëerd, waarbij de totale massa (+ de kinetische energie) van de betrokken deeltjes gelijk is aan de energie die erin is gestopt, en waarbij de behoudswetten (spin, lading, baryongetal) zorgen dat op deze 'dimensies' het netto-resultaat 0 is. Ook de basiswetten van impuls- en impulsmoment behoud worden daarbij niet geschonden.
    Dit beeld is niet te handhaven voor massa + antimassa: stel dat een (zeer klein - denk Plancklengtes, 10-40 meter) volume als gevolg van een of andere quantumfluctuatie uiteen zou vallen in een deeltje met massa en een deeltje met anti-massa. Deze deeltjes zouden elkaar (juist door de geringe afstand) met een geweldige versnelling afstoten.



    Stel de positieve massa gaat naar rechts, de negatieve naar links. Netto is er geen massa bij gekomen. Maar de impuls van het positieve deeltje = m*v, en de impuls van het negatieve deeltje is -m * -v = m*v. De hoeveelheid impuls na splitsing is dus 2mv, en daarmee is de wet voor impulsbehoud geschonden, want de oorspronkelijke hoeveelheid impuls was 0.
    Daarnaast zou je verwachten dat -als dit proces zomaar kon voorkomen- het ook erg vaak zou voorkomen: zodra de positieve en de negatieve massa niet meer exact samenvallen, stoten ze elkaar enorm hard af - fluctuatie is niet mogelijk: de deeltjes willen zo snel mogelijk bij elkaar uit de buurt zijn. Dit nemen wij echter niet waar.

    Twee belangrijke gegevens zijn hier echter nog niet benoemd en uitgewerkt:
    Ten eerste geldt binnen de quantummechanica dat de behoudswetten niet worden geschonden zolang alles binnen planck-eenheden plaatsvindt. Het universum 'merkt' het als het ware niet als de schending van een behoudswet binnen een plackseconde ongedaan wordt gemaakt. Binnen deze eenheden is meting ten fundamentele niet mogelijk, en hebben uitspraken (dus ook uitspraken over schendingen) geen betekenis.
    Ten tweede over de gravitatiewet van Newton: dit is een empirische wet, d.w.z. dat de wet niet wordt afgeleid uit achterliggende stellingen, maar dat het slechts een generaliserende beschrijving is van waarnemingen. Aan deze wet ligt o.a. de niet geëxpliciteerde vooronderstelling te grondslag dat afstanden (i.e. de afstand d tussen twee zwaartepunten) ten principale exact bepaald zijn. Dit is in strijd met het voorgaande punt: fysische afstanden zijn nooit exact exact exact bepaald - natuurkunde is geen wiskunde, er is altijd een zekere marge. Die marge is geen gebrek aan de meting, en kan niet worden opgeheven met betere metingen: binnen de marge van plus of min 1 plancklengte is een afstand niet bepaald.

    Dit stelt mij in staat om Newtons zwaartekrachtwet tentatief te herschrijven:
    defintitie: pl = planklengte
    F = g * (M*m)/(d2 - pl2)
    Merk op dat deze wijziging het beschrijvende karakter van Newtons wet niet aantast: plancklengtes kunnen niet worden gemeten. Doorgaans wordt deze wet toegepast op afstanden van meters en groter, d.w.z. dat die ene plancklengte in het kwadraad (het kwadraad is nodig om de dimensies van de formule correct te houden) ten fundamentele geen enkel verschil kan maken in de mate waarin de formule de waarneming correct beschrijft..

    Deze kleine wijziging van de formule heeft enorme consequenties:
    Binnen de marge van 1 pl trekken een positieve en een negatieve massa elkaar aan, en stoten twee gelijkluidende massa's elkaar af. De vernelling waarmee dat gebeurt kent een asymptoot op + en - 1 plancklengte. Hoe verder de positieve en negatieve massa's uit elkaar liggen (tot aan een afstand van 1 pl), hoe sterker ze elkaar aantrekken.
    Dit maakt fluctuatie mogelijk, en het beschrijft ook waarom deze fluctuatie niet spontaan overgaat in permanente scheiding van de positieve en negatieve massa: hoe verder ze van elkaar af komen, hoe harder ze elkaar terug trekken.



    Anderzijds geeft het de conditie aan, waaronder er wel twee tegengestelde massa's zouden kunnen ontstaan:
    Stel dat er twee fluctuaties zeer dicht bij elkaar plaatsvinden, met gelijke massa-antimassa, waarbij de twee positieve massa-componenten zeer dicht bij elkaar in de buurt zijn (maar meer dan 1 pl). In dat geval zou de aantrekking van de positieve massa's ervoor kunnen zorgen dat de grens van 1 pl wordt doorbroken, waarna de twee negatieve massa's in tegengestelde richting worden gelanceerd. Hierbij worden de wetten van impulsbehoud en energie-behoud niet geschonden.





    In een volledig lege ruimte is de boven beschreven interactie van twee fluctuaties een kansgebeurtenis met een extreem kleine kans, omdat de twee fluctuaties met een bijzonder kleine marge in afstand van elkaar voor moeten komen.. Echter: zodra de ruimte niet meer geheel leeg is verandert dat. Binnen een gravitatieveld zullen alle fluctuaties zich naar dezelfde kant richten, en zal de beschreven interactie niet meer plaatsvinden. Er kan zich tussen twee (positieve of negatieve) massa's echter een scherpe scheidslijn bevinden tussen twee verschillende gravitatievelden, nl. daar waar beide gravitatievelden in even sterke mate aan een tussengeplaatst deeltje zouden trekken. Juist op de scheidslijn zou de waarschijnlijkheid op de beschreven combinatie van fluctuaties enorm toenemen, omdat de fluctuaties zich precies op de goede manier richten.
    3-dimensinaal gedacht leidt dit op macro-schaal tot een kern van massa met een bolschil van anti-massa (of omgekeerd). Omdat deze elkaar afstoten, expandeert de bolschil. Op de bolschil wordt er voortdurend nieuwe massa-antimassa gecreeerd, waarna de anti-massa migreert naar de kern. Dit alles draagt bij aan de voortdurende expansie van de schil.


  • de gedachte
  • De boven beschreven wijze waarop massa en antimassa zouden kunnen ontstaan zonder dat de behoudswetten worden geschonden, en met een minimale wijziging aan de zwaartekrachtswet van Newton is natuurlijk zeer speculatief. Wat we echter zien in het macro-universum komt in grote trekken overeen met wat dit idee voorspelt: de bekende materie bevindt zich op een uitdijende bolschil. Daarmee biedt dit idee een alternatief voor wat "the big bang" genoemd wordt. Dit model doet in ieder geval één falsifieerbare voorspelling die niet verenigbaar is met de big-bang theory: licht vauit de bolschil naar de kern wordt afgestoten door die kern. Licht dat langs de kern gaat wordt daardoor afgebogen. Dit leidt ertoe (gravitatie-lens) dat we op de plaats van "het gat" een beeld krijgen van een uitsnede van de bolschil (in een ring om het "gat").  Licht uit dezelfde bron bereikt ons ook rechtstreeks.

    gravitational lensing
    de waarnemer op de 6-puntige ster ziet twee sterren onder twee verschillende hoeken, de groene en de gele 4-puntige ster. De groene ster is echter dezelfde als de gele ster in een veel eerder stadium, t.g.v. de afbuiging van het licht dat dichtbij de antimassa in het centrum werd afgestoten

    We zouden -rekening houdend met het tijdsverschil- kunnen nagaan of deze voorspelling klopt door 'de sterrenkaart' van het gat te vergelijken met het daarmee corresponderende deel van de sterrenkaart rondom het gat. Dat zal echter nog een hoop schat-speur en rekenwerk met zich meebrengen.
    Wellicht komen bij een nadere uitwerking ook andere waarneembare fenomenen naar voren, die dit idee kunnen corrobereren of falsifiëren.

    De 'big bang'theory is opgesteld naar aanleiding van de observaties van Hubble, dat de meest lichtzwakke sterren (ver weg) ook de grootste roodverschuiving hebben. Dit impliceert een uitdijende bol. Terugrekenend leidt dit naar een concetratie van alle massa in het universum op één punt. De vooronderstelling hierbij is, dat de hoeveelheid massa al die tijd constant is gebleven. Die vooronderstelling wordt hier betwist: in dit model komt er op de bolschil steeds massa bij, waarvan de anti-massa naar het centrum migreert.
    Het Big-bang model heeft lang gezocht naar een antwoord op de vraag of de hoeveelheid van alle massa op de schil (in relatie tot zijn snelheid) dusdanig zou zijn dat er een moment komt dat de uitdijing ophoudt en omkeert (big crunch) of dat er juist sprake zou zijn van eeuwige (steeds vertragende) expansie. Het antwoord bleek verassend: er is sprake van een vernelling van de uitdijing. Dat was niet door het model voorspeld. Er zijn verschillende suggesties gedaan ter verklaring. Binnen mijn model is de vernelling het natuurlijke gevolg van de gewijzigde zwaartekrachtsformule - er hoeft dus geen extra kracht of ander mechanisme te worden gepostuleerd. Ook verklaart het model waarom we in reguliere experimenten nooit negatieve massa aantreffen: het wordt afgestoten en migreert naar het middelpunt van de bolschil.
    afterthoughts
    De plaats waar 'het hardst' naar twee verschillende plekken wordt getrokken bevindt zich tussen twee zware objecten. Dit het punt waar de som van alle gravitatiekrachten 0 is. Hoe zwaarder de twee massa's, hoe groter de gradiënt, en die gradiënt kan de waarschijnlijkheid bepalen. Daar geldt m1*d12 = m2*d22, met d1 + d2 = d (de totale afstand tussen de twee massa's). Als er geen andere massa's in de buurt zijn, zou ik verwachten dat het bovenbeschreven proces waarbij zowel massa als anti-massa worden gegenereerd met een zekere waarschijnlijkheid plaatsvindt. Een dergelijk punt moet zich bevinden ergens tussen de aarde en de maan. We zouden dus op zoek kunnen gaan om daar het beschreven proces waar te nemen.

    Als we in staat zouden zijn om een hoeveelheid anti-massa te bemachtigen, is die makkelijk op te sluiten in een container, omdat hij alle wanden van de container zou afstoten. Daamee zouden we in principe een ruimtevaartuig kunnen maken met een gewicht van 0 of zelfs een negatief gewicht. Dit zou het aandrijven van een dergelijk vaartuig aanzienlijk minder energie-intensief maken. . .


Bert's werk