Hoe de kosmos misschien slechts een gigantische zeepbel is

Samenvatting

Zwaartekracht was altijd al die stille, onzichtbare huisgenoot die nooit huur betaalt en gewoon alles naar zich toetrekt. Maar wat als zwaartekracht niet is wat we denken? Wat als het geen mystieke kracht is, maar een bijproduct – een illusie – net als dat laatste stuk pizza dat je eigenlijk niet had moeten eten, maar toch verdwenen is?

In dit artikel onderzoeken we de hypothetische (lees: mogelijk gekke) notie dat zwaartekracht in werkelijkheid een manifestatie van oppervlaktespanning is – de kracht die bellen, waterdruppels en al onze dromen over astronaut zijn bij elkaar houdt. Onderweg zullen we ons bezighouden met de natuurkunde, wat experimenteren met ruimtetijd, een paar analogieën verkeerd interpreteren en deeltjes schaamteloos menselijk maken. Laten we beginnen.

Inhoudsopgave

1. Introductie: Is zwaartekracht een schwindel?

   Advertising

2. Wat is oppervlaktespanning en waarom kleurt water aan elkaar?

3. De natuurkunde van oppervlaktespanning en ruimtetijd

4. Zwaartekracht: De trouwe hond van het universum

5. Het oppervlaktespanningsmodel van zwaartekracht

6. Bewijs en gedachte-experimenten

7. Problemen, kritiek en geïrriteerde natuurkundigen

8. Het holografische principe en de emergente zwaartekracht

9. Een metafoor die te ver gaat? Wanneer analogieën complottheorieën worden

10. Conclusie: Leven we in een gigantische druppel?

1. Introductie: Is zwaartekracht een schwindel?

Zwaartekracht: Newton zei dat het een kracht was, Einstein zei dat het de kromming van ruimtetijd was, en je kat zegt dat het de manier is waarop de grond bestemd is voor het lot. Maar is het mogelijk dat we het allemaal verkeerd hebben begrepen?

Zou zwaartekracht niet fundamenteel, maar emergent kunnen zijn? Zou het – net als een brunch – een oppervlakkig fenomeen kunnen zijn dat alleen voorkomt als je dingen goed bij elkaar zet?

Ja. Misschien. Waarschijnlijk niet. Maar doen alsof is leuk.

2. Wat is oppervlaktespanning en waarom kleurt water aan elkaar?

Laten we gewoon beginnen. Oppervlaktespanning is een kracht die ontstaat door moleculaire interacties aan de grens tussen vloeistoffen en lucht. Moleculen in de vloeistof worden gelijkmatig in alle richtingen geduwd en getrokken. Maar aan het oppervlak? Het is als sociale angst – er is niemand om je hand vast te houden.

Resultaat? Aan het vloeistofopperervlak ontstaat een soort elastische „huid“. Daarom parelt water af. Daarom kunnen insecten op water lopen. En daarom zingt uw shampoo-fles als u hem verkeerd knijpt.

De wiskunde erachter omvat intermoleculaire krachten en de minimalisering van het oppervlak, maar de echte realisatie is:

• Oppervlaktespanning = Dingen op een oppervlak dat aan elkaar kleven als complotdenkers op een conferentie over platte aarde.

3. De natuurkunde van oppervlaktespanning en ruimtetijd

Neem nu aan dat het universum een gigantische vloeistof is. En de ruimtetijd is zijn oppervlak. Klinkt belachelijk? Super, nu denkt u als een theoretisch natuurkundige.

Er zijn echte theorieën – zoals de AdS/CFT-correspondentie – die suggereren dat het universum holografisch kan zijn, d.w.z. alles wat we in 3D ervaren, wordt daadwerkelijk geprojecteerd vanaf een 2D-oppervlak. Net als de meest bizarre IMAX-bioscoop ter wereld.

Kan zwaartekracht – onze oude vriend – in die context gewoon een soort oppervlaktespanning zijn? Een kracht die voortkomt uit de neiging van ruimtetijd om de oppervlakkenergie te minimaliseren?

Het is alsof de ruimtetijd zelf een gespannen membraan is, en materie het niet kromtrekt door middel van een mystieke kracht, maar door de verandering in de lokale verspreiding van oppervlakte-energie. Zoals je bijvoorbeeld een bowlingbal op een trampoline zou leggen. Behalve dat de trampoline onzichtbaar is en de bowlingbal bestaat uit quarks.

4. Zwaartekracht: De trouwe hond van het universum

Zwaartekracht wordt niet genoeg gewaardeerd. Elektromagnetisme krijgt alle felle lichten en sprankelende dingen. Sterke en zwakke kernkrachten houden atoomkernen bij elkaar en veroorzaken radioactief verval. Maar zwaartekracht? Zwaartekracht trekt gewoon.

Het trekt sterrenstelsels, sterren en jou na de training aan. En in tegenstelling tot je wifi is het altijd ingeschakeld.

Maar wat als dat „trekken“ slechts het effect van kromming is die wordt veroorzaakt door een oppervlakachtige spanning? Als je iets massiefs in ruimtetijd laat vallen, kun je dan eenvoudigweg de kosmische oppervalk verschuiven en andere dingen laten „glijden“ erop, zoals mieren op een schuine frisbee?

Stel Einsteins beroemde rubberplaatmodel voor – maar voeg nu water toe. Je hebt zojuist ruimtetijdsoep gemaakt.

5. Het oppervlaktespanningsmodel van de zwaartekracht

Laten we onze fantasietheorie ontwikkelen. Hier is het pitch:

• Materie bestaat in een universum met een grensoppervlak – een „oppervlak“ uit vloeistof op hoge dimensies.

• De aanwezigheid van materie verandert de energie van dat oppervlak, waardoor oppervlaktespanningsgradiënten ontstaan.

• Deze gradiënten drijven beweging aan – objecten worden „getrokken“ naar gebieden met lagere energie, dus richting massa.

Met andere woorden: zwaartekracht is niets anders dan kosmische capillariteit. Kleine objecten „klimmen“ de energiekurven van grote massa's op, net zoals water dwangmatig aan een papieren doekje omhoog kruipt.

Het komt zelfs overeen met hoe zwaartekrachtvelden afnemen naarmate de afstand toeneemt. Net als de krachten van oppervlaktespanning.

Het helpt ook om zwarte gaten uit te leggen! Wanneer er te veel massa ophoopt, rekt het de oppervlakkenspanning tot het uiterste uit – er ontstaat een scheur of een „zinkgat“ in de ruimtetijdfilm.

6. Bewijs en gedachte-experimenten

A) Zeepbel Aarde

Stel je voor dat de aarde een zeepbel is, en je legt een knikker erop. Die knikker vervormt het oppervlak een beetje, en andere knikkers in de buurt rollen erheen. Dat is zwaartekracht, baby.

Vervang nu de knikker door een planeet en het zeepfilm door ruimtetijd. BOOM: Oppervlaktespanning analoog aan algemene relativiteitstheorie. Zoiets.

B) De kosmische koffiekop

Giet melk in koffie. Kijk hoe deze naar de dichtere, energiereijkere gebieden stroomt. Stel je nu voor dat de koffie ruimtetijd is en de melk … oké, de metafoor loopt vast. Maar het zag er cool uit, toch?

7. Problemen, kritiek en woedende natuurkundigen

Laat opgemerkt worden dat echte natuurkundigen zich hier erg ongemakkelijk bij zouden voelen.

Hier zijn een paar problemen:

• Er is geen bekend medium waarvan het oppervlak de ruimtetijd kan vormen. Tenzij we leven in een vloeistof met hoge dimensies… Dat is nogal een ander probleem met kwantum dingen.

• De algemene relativiteitstheorie verklaart zwaartekracht heel goed. GPS zou er zonder niet werken.

• Oppervlaktespanning heeft bekende eigenschappen die niet overeenkomen met elk zwaartekrachtgedrag. Bijvoorbeeld, oppervlaktespanning wordt niet oneindig bij singulariteiten.

Bovendien wordt de wiskunde echt vreemd als je probeert de ruimtetijd te modelleren als een zeepbel. Tenzij je van tensorrekening houdt met tranen.

Maar we willen het plezier niet verpesten.

8. Het holografische principe en emergente zwaartekracht

Hier wordt het echt vreemd. Sommige natuurkundigen – zoals Erik Verlinde – hebben voorgesteld dat zwaartekracht niet fundamenteel is, maar ontstaat uit entropiegradiënten.

In wezen beïnvloedt massa de hoeveelheid informatie die op het oppervlak van een ruimtetijdregio kan worden gecodeerd. Zwaartekracht is dus een gevolg van het proberen van systemen om entropie te maximaliseren, net zoals uw bureau aan het einde van de week.

Vanuit dit perspectief is zwaartekracht als oppervlaktespanning niet ver verwijderd. Het is een metafoor met entropische tanden. De ruimtetijd wil glad worden. En materie is slechts een lokale vouw in de bedekking van realiteit.

Nou, dat is nogal gezellig.

9. Een metafoor die te ver gaat? Wanneer analogieën complottheorieën worden

Hier ligt het gevaar: niet alle analogieën zijn schaalbaar. Alleen omdat zwaartekracht lijkt op oppervlaktespanning, betekent dat niet dat het oppervlaktespanning is. Het is alsof je zegt dat een hond een magnetron is omdat ze beide blaffen als je hun knoppen indrukt.

Toch breidt het onderzoeken van deze ideeën onze intuïtie uit. Het opent rare deuren. En soms heeft de natuurkunde iets vreemds nodig.

Vraag gewoon Schrödingers kat. Of ook niet. Hij zou dood kunnen zijn. Of ook niet.

10. Conclusie: Leven we in een gigantische druppel?

Laten we eerlijk zijn: misschien zullen we nooit ontdekken wat zwaartekracht echt is. Is het een kracht? Een kromming? Een oppervlakkend fenomeen? Een bug in de matrix?

Wat we wel weten, is dat het onderzoeken van deze ideeën de natuurkunde levendig houdt. Het herinnert ons eraan dat wetenschap niet alleen over feiten gaat – het gaat over spel, verwondering en soms ook om om 3 uur 's nachts te schreeuwen: "Wat als het universum uit jelly bestaat?"

Dus de volgende keer dat uw toast valt met de boter naar beneden, vloek zwaartekracht niet. Glimlach gewoon en fluister:

„Ach ja … oppervlaktespanning wint weer.“

COPYRIGHT ToNEKi Media UG (limited liability)

AUTOR:  THOMAS JAN POSCHADEL

Referenties

• Einstein, A. (1915). Die Feldgleichungen der Gravitation.

• Verlinde, E. (2011). Über den Ursprung der Gravitation und die Gesetze Newtons.

• Zeepbellen. (Voor altijd). Lastig en op mysterieuze wijze relevant.

• Uw badkuip, het beste laboratorium voor stromingsdynamica.