Niets. Hoe niets de wereld schokt. Hoe niets de wereld schokt. Profiel werkstuk door Lieke van Son

Transcriptie

1 Niets Hoe niets de wereld schokt Hoe niets de wereld schokt Profiel werkstuk door Lieke van Son

2 Inhoudsopgave Samenvatting Onderzoeksvraag *Is het voorkomen van niets mogelijk? Binnen de wetten van het observeerbare heelal Buiten de fysische wetten om (buiten heelal? Buiten tijd?) Context Hypothese Werkplan/Werkwijze -Methode -Benodigdheden Uitwerking deelvragen Wat is niets? <=> Wat is iets? (korte introductie) Natuurkundig uitgangspunt Het getal 0 Hoe leeg is zwart? Hoe werkt kwantummechanica? (Dualiteitsprincipe golf of deeltje?) Heisenbergs onzekerheid en Schrödingers kat Hoe leeg is dat vacuüm nou echt? Filosofisch uitgangspunt Niets door de eeuwen heen De paradox van het bestaan (van niets) Het nut van niets; Is niets nodig voor ons begrip van de wereld? Interview Interview over niets met hoogleraar theoretische natuurkunde; Piet Mulders Conclusie Bronnen Literatuurlijst websites

3 Samenvatting Dit is een literatuuronderzoek naar de mogelijkheid van 'niets' Ik behandel het niets vanuit zowel een natuurkundig als een filosofisch oogpunt In de natuurkunde hangt het niets vooral samen met een lege ruimte Het niets wordt in de natuurkunde gedefinieerd als het vacuüm ondanks dat het vacuüm vol zit met energie en mogelijkheden Dit is een conclusie die voortkomt uit de kwantummechanica, vandaar dat ik ook kort de opkomst van de kwantummechanica behandel In de filosofie wordt het niets beschreven als het niet-bestaan Dit is een heel subjectief onderwerp Hierdoor hangt de mogelijkheid van niets af van het standpunt waaruit je beschouwt Toch maakt het niets een onderdeel uit van het dagelijkse leven Men heeft namelijk niets nodig voor zijn perceptie van het bestaan

4 Onderzoeksvraag *Is het voorkomen van niets mogelijk? Binnen de wetten van het observeerbare heelal Buiten de fysische wetten om (Buiten ruimte en tijd?)

5 Context De meeste natuurkundige en filosofische onderwerpen in dit profiel werkstuk zijn zwaar versimpeld met als doel dit werkstuk zo leesbaar mogelijk te houden Aangezien een deel van dit PWS filosofisch is, vind ik het persoonlijk belangrijk om aandacht te besteden aan de 'context' waarin dit PWS is geschreven Vandaar een korte introductie over mijn standpunten en leefsituatie Ik ben geboren in 1994 Ik ben atheïstisch opgevoed en leef in een democratisch land Ik ben zelf ook Atheïst Mijn ouders hebben een gemiddeld inkomen waardoor ik in een respectievelijk groot huis woon Mijn huidige opleiding is het Voortgezet Wetenschappelijk Onderwijs aan het Baken Park Lyceum

6 Hypothese Voordat al het bron onderzoek gedaan is, is het erg moeilijk om tot een goed onderbouwde hypothese te komen, aangezien ik maar een middelbare scholier ben en geen afgestudeerd natuurkundige of filosoof Houdt u dit aub In gedachte bij het lezen van mijn hypothese Is het voorkomen van niets mogelijk? Binnen de wetten van het observeerbare heelal? 'Niets' wordt binnen de natuurkunde beschreven volgens de wetten van de fysica, net als al het andere binnen het gedefinieerde heelal Aangezien 'niets' een negatie is (het ontbreken van iets), is dit erg lastig om met wetten te beschrijven die gebaseerd zijn op positieve waarden Het is wel mogelijk om te controleren of er op een bepaalde plek een meetbaar 'iets' aanwezig is (iets wordt binnen de Fysica veelal gedefinieerd als een energie) Daarom wordt 'niets' in de natuurkunde onderzocht door het onderzoek naar vacua Als in dit PWS in het vervolg een natuurkundige benadering van niets wordt aangehaald, zal dit verwijzen naar (onderzoek naar) een vacuüm Het 'vacuüm' is hier gedefinieerd als een beperkte ruimte binnen ons heelal die we (mbv gedachteexperimenten) zo leeg mogelijk proberen te maken We kunnen een vacuüm tegenwoordig natuurlijk leegmaken van 'grote materialen' zoals moleculen Maar uit de recent ontwikkelde kwantum theorie blijkt er een nulpuntsenergie aanwezig te zijn in elk vacuüm Het verwijderen van deze energie kost energie Dit veroorzaakt dat er een grotere energie achterblijft dan de nulpuntsenergie die we er in eerste instantie probeerde uit te halen Deze nulpuntsenergie wordt veroorzaakt door het onzekerheidsprincipe van Heisenberg Het Heisenberg principe is hier rechts weergegeven Uit dit principe stelt dat de delta Energie keer de delta tijd altijd groter of gelijk is aan de constante van Planck gedeeld door 4π Hieruit volgt dat hoe groter de zekerheid is waarmee de energiewaarde is bepaald hoe kleiner de zekerheid over de verstreken tijd wordt Ik zal later in mijn PWS dieper hierop ingaan (ook wiskundig) Ik denk mede door de onzekerheisrelatie van Heisenberg dat het fysisch gezien niet mogelijk is om niets waar te nemen Pas als de tijd stil zou kunnen worden gezet zouden we er zeker van zijn dat er zich ergens niets bevindt (of bevond rekening houdend mat het feit dat het licht tijd nodig heeft om bij de waarnemer te komen) Niets is wél nodig voor ons begrip en waarneming van de wereld Buiten de fysische wetten om (buiten heelal? Buiten tijd?) Op filosofisch niveau hoeven wij ons natuurlijk niet aan bepaalde wetten te houden Slechts de wet van tegenstrijdigheid beperkt ons Het bestaan van 'Niets' is op deze manier volgens mij wel mogelijk De kwantummechanica stelt namelijk dat de relatie tussen energie en tijd de onmogelijkheid van Niets veroorzaakt Maar stel dat we een punt nemen in de tijd? Dit zou betekenen dat t=0 Hierdoor vervalt het principe Maar het zou wel betekenen dat er op dat moment ofwel een oneindigheid aan energie kan ontstaan, ofwel dat er op dat moment helemaal geen energie meer kan zijn Hieruit zou volgen dat energie onlosmakelijk verbonden is aan tijd, wat mij persoonlijk heel waarschijnlijk lijkt In dit geval is het nuttig om te filosoferen over of tijd ooit is begonnen Ook dit lijkt waarschijnlijk als je 'Big Bang' theorie in beschouwing neemt De uitdijing van het universum wijst er namelijk op dat het gehele universum ooit op elkaar gepakt zat als één punt met ongelooflijk grote massa en energie (die eventueel geleend is uit het vacuüm als je dit fenomeen zou willen verklaren met de kwantummechanica) Maar wat was er voor dit punt? Veel wetenschappers zijn het daar over eens: Niets Geen tijd geen energie, geen massa, gewoon een heleboel niets Niets

7 hangt dus samen met het niet-zijn, en kan alleen bestaan buiten het Zijn en buiten tijd Ik denk persoonlijk dat dit het Niets niet onmogelijk maakt aangezien ik geloof dat wij ooit zijn ontstaan, wat inhoud dat het Zijn ooit niet was, en toen wel en misschien ooit wel weer ophoudt te bestaan Wij kunnen dit alleen niet bevatten omdat onze ervaring niet buiten tijd kan treden Alhoewel ik wel denk dat dingen ons niet nodig hebben om te bestaan (ik geloof dat een appel nog steeds bestaat zonder dat hij ooit zal worden waargenomen of het label 'appel' op zich krijgt geplakt) vermoed ik dat Niets in de zin van niet-iets wel waarneming nodig heeft om te kunnen bestaan Het is namelijk niet-iets en dat kan alleen als er 'niet-iets' wordt waargenomen Maar als de waarneming uit dit beeld wordt weggenomen is het niet mogelijk om 'Niets' op deze manier te definiëren, er zou dan namelijk geen verschil meer kunnen worden gemaakt tussen wat wel en wat niet iets is In het kort: als wij er niet zijn om iets te definiëren kan Niets ook niet zijn

8 Werkplan Methode Om tot een redelijk antwoord op mijn onderzoeksvraag te komen ben ik van plan vooral heel veel bron-onderzoek te doen aangezien veel onderzoeken naar 'niets' kennis van hogere natuurkunde vereisen Bovendien vereisen de meest simpele proefjes al een scala aan dure apparatuur Om toch inzicht te krijgen in het onderwerp zal ik naast het aanhalen van onderzoek van anderen ook zelf aan de slag gaan met de wiskundige en natuurkundige kant van het Niets Ik zal de functies die ik in mijn bron onderzoek aanhaal proberen te verklaren om zo en helder en duidelijk beeld te scheppen van niets Ook voor het filosofische gedeelte zal het grootste deel bestaan uit bronnenonderzoek en het proberen te begrijpen van de filosofieën van anderen Ik zal ook zelf veel filosoferen en discussiëren met anderen over niets om tot een veel omvattende conclusie te komen Tot slot ga ik een interview houden met een hoogleraar theoretische natuurkunde om de mening van een gediplomeerd Benodigdheden Lessen Kwantum mechanica Erg veel bronnen Grafische rekenmachine Piet Mulders

9 Uitwerking deelonderwerpen

10 Wat is niets? <=> Wat is iets? Een korte introductie De vraag: 'Waarom is er iets en niet niets, terwijl niets zoveel makkelijker is?' is al meerdere keren in de geschiedenis gesteld En velen hebben hun hoofd hierover gebroken Alleen is naar mijn mening 'Niets' helemaal niet makkelijker dan 'iets' Aangezien niets namelijk een negatie van iets is En negaties zijn naar mijn mening altijd gecompliceerder dan positieve waarden (-8 x -5 is moeilijker te vatten dan 8 x 5 terwijl ze toch beide +40 als antwoord geven) Ik zal iets en niets vanuit twee uitgangspunten benaderen (natuurkundig en filosofisch), zoals ook in de rest van dit verslag is gedaan Ik begin telkens met iets, waarna ik 'niets' definieer als het niet zijn van iets Natuurkundig uitgangspunt: Ons universum bestaat uit deeltjes Die deeltjes bestaan weer uit deeltjes, die weer bestaan uit deeltjes Iets specifieker: wij mensen bestaan uit cellen, die cellen zijn opgebouwd uit moleculen die weer opgebouwd zijn uit atomen die bestaan uit protonen, neutronen en elektronen Neutronen bestaan verder nog uit quarks Zo simpel als het nu in een paar zinnen beschreven staat is het natuurlijk niet Een elektron is zo ongelooflijk klein dat we er niet eens licht op kunnen laten vallen zonder het te verstoren Een elektron weegt bijvoorbeeld naar benadering 9, kg dat is 1/2,63x10 24 deel van een zandkorrel van 1 mm 3 Alles wat hieruit is opgebouwd wordt gedefinieerd als 'iets' Bovendien heeft al het 'iets' een bepaalde energiewaarde Daarom wordt in de Natuurkunde 'iets' meestal gedefinieerd als een bepaalde energie 'Niets' houdt dus in dat we al het 'iets' zullen moeten elimineren Met moderne technieken kunnen we al aardig mooie vacua maken Dit zijn vacua waarbij alle 'grote' deeltjes (moleculen en atomen) uit een bepaalde ruimte verwijderd zijn Ondanks dat we het vacuüm vrij leeg kunnen krijgen treden er complicaties op wanneer ook de laatste elektronen verwijderd moeten worden Er wordt vaak (verkeerd) gedacht dat een vacuüm al leeg is wanneer alle moleculen er uit zijn verwijderd Het lijkt leeg, maar stel dat de wand van het vacuüm van glas is en we er met een lamp op schijnen Het licht zal onverstoord doorschijnen, wat inhoud dat er in het vacuüm fotonen aanwezig zijn en bovendien ook energie Ik zal later verder ingaan op de werking van het vacuüm en de complicaties die optreden bij het leegmaken ervan Filosofisch uitgangspunt 'Iets' wordt in de filosofie redelijk vergelijkbaar beschreven als 'iets' in de natuurkunde In de filosofie wordt er alleen veel meer gekeken naar de vraag wat 'is'? Hoe zit het bestaan in elkaar? Wanneer ben je en wanneer niet? Vooralsnog is er geen eenduidig antwoord op deze vraag En de antwoorden die wel bekend zijn, zijn nauw verbonden met religie Meestal wordt zijn dan ook beantwoord met God, de almachtige en het oneindige Alles wat was, is en zal zijn is in veel religies vastgesteld als een bestaande entiteit die onveranderlijk is en het zijn definieert Het niet-zijn is hierdoor ook een erg religieuze kwestie Er bestaan veel verschillende meningen (religies) over wanneer iets is en wanneer niet (meer) Als we ervan uit gaan dat 'niets' kan worden bereikt kunnen we dit zowel binnen als buiten ons heelal beschouwen Filosofen als Thomas Hobbes geloven niet in de leegte of in dit geval in 'niets' Het heelal is, alomvattend Zo is het altijd al geweest aangezien iets niet uit niets kan ontstaan Anderen zoals bijvoorbeeld Heidegger pleiten voor het bestaan van niets We zouden 'niets' niet steeds moeten ontkennen en onze oneindigheid moeten accepteren in de zin dat het leven en het 'zijn' ooit ophouden Het niet-zijn is in de filosofie dus de definitie van 'niets' Aangezien het zijn zo veel verschillende beschrijvingen heeft is het noodzakelijk deze verschillende vormen van het 'zijn' aan verschillende vormen van het 'niet-zijn' te koppelen

11 Natuurkundig uitgangspunt *Is het voorkomen van niets mogelijk? Binnen de wetten van het observeerbare heelal

12 Het Getal 0 De geschiedenis van het getal nul Het heeft erg lang geduurd voordat het getal 0 onze westerse beschaving heeft bereikt Het heeft er überhaupt erg lang over gedaan voordat het geaccepteerd werd als getal Er is ook veel onzekerheid over waar en wanneer het getal 0 precies is ontstaan Het is namelijk onafhankelijk van elkaar in 3 verschillende culturen in de wereld ontstaan Het is moeilijk te achterhalen wie eerst was en wie beïnvloed was door eerdere culturen en wie niet, maar we weten zeker dat het getal 0 ooit gebruikt werd in de hieronder beschreven culturen: Soemeriërs De Soemeriërs vormden een volk van ongeveer tot 2300 voor Christus Zij waren een erg beschaafd en vooruitstrevend volk met hun eigen ontwikkelde getallenstelsel In principe zou je een getallenstelsel kunnen ontwikkelen waarbij elk getal een afzonderlijk symbool krijgt toegewezen, maar dit systeem is erg onhandig aangezien het al moeilijk wordt om 25 verschillende tekens te onthouden, laat staan dat men probeert te tellen tot 300 of zelfs tot 1000! Het is daarom noodzakelijk (en gebruikelijk in alle bekende tel-systemen) dat er een herhaling wordt ingevoerd Denk daarbij aan het Romeinse telsysteem waarbij I=1, V=5 en X=10, waardoor III=3, VI=6 en XV=15 Maar ook dit getallenstelsel heeft zijn nadelen bij grotere waarden, het getal 1815 wordt bijvoorbeeld MDCCCXV wat heel wat nadenken vereist en bovendien erg onhandig is om mee op te tellen op af te trekken, laat staan vermenigvuldigen Probeer maar is MDCCCXV (1815) te vermenigvuldigen met MMMMCMLXXXV (4985) zonder gebruik te maken van de algoritmische getallen De Soemeriërs waren daarom erg vooruitstrevend met hun getallenstelsel waarbij de basis het getal 60 is (net zoals wij het getal 10 gebruiken) Het is misschien moeilijk voor te stellen, maar het is net als hoe wij met uren rekenen: 1 uur is 60 minuten, dus 5,5 uur is 5 x ,5 x 60 = 330 minuten Het getal 485 is in ons hedendaagse getallenstelsel bijvoorbeeld gelijk aan 4 x x x 1 De Soemeriërs zouden 485 schrijven als 8 x x 1 => 85 Het probleem is nu alleen dat bijvoorbeeld het getal ook geschreven zou worden als 85, namelijk: 8 x x 1 Er was behoefte aan een symbool voor het ontbreken van 60-tallen In feite is namelijk 8 x x x 1=> 8 5 Zo ontstond nul, als lege plek tussen twee getallen Om weer te geven dat er iets ontbrak Maar omdat 805 en 8005 zo nog steeds met elkaar verward kunnen worden werd er uiteindelijk een symbool ontwikkeld voor het getal 0 Dit waren ondertussen niet meer de Soemeriërs Hun opvolgers, de Babyloniërs introduceerden rond 500 voor Christus eindelijk een teken voor het getal 0 in het spijkerschrift Hoewel dit waarschijnlijk invloed heeft gehad op de oude Griekse cultuur kwam er een einde aan de Mesopotamische cultuur toen Alexander de Grote rond het jaar 300 voor Christus Babylon veroverde Maya's Van 2600 voor Christus tot ongeveer 900 na Christus heersten de Maya's in midden Amerika Zij waren een ver ontwikkeld maar erg bijgelovig volk Zij hadden net als de Soemeriërs een positioneel getallen stelsel ontwikkeld waarin het getal 0 voorkwam, alleen was hun getallensysteem gebaseerd op 20-tallen Bovendien waren de Maya's gespecialiseerd in het ontwikkelen van kalenders Zij hadden net als het huidige westen een cyclische kalender Het probleem was alleen dat de cyclus op deze manier op een gegeven moment afliep, dat zou natuurlijk het einde van de wereld betekenen Aangezien wetenschap en religie bij de Maya's één en dezelfde waren namen ze dit erg letterlijk Uit angst voor het einde van de wereld Afbeelding 1, ontwikkelden ze daarom een tweede cyclus Hierdoor liep er in ieder getallen stelsel van de Maya's

13 geval nog een cyclus door terwijl de eerste afliep en opnieuw begon Maar wat nou als beide cycli samen vielen? Een Cyclus van 5 jaar en een cyclus van 8 jaar vallen bijvoorbeeld al na 5 x 8 = 40 jaar samen! De oplossing van de Maya's; meer cycli, meer kalenders en in geval van nood natuurlijk ook meer menselijke offers aan de Goden De naam van de God van het begin en het eind was nul Geen wiskundige, maar een brenger van onheil geregeerd door de dood Ironisch genoeg is het einde van de Maya beschaving veroorzaakt door natuurrampen (erg lang aanhoudende droogtes), net zoals het einde van de wereld door hen werd voorspeldt We zouden meer weten van het einde van de Maya cultuur als de Spanjaarden niet zoveel moeite hadden gestoken in het vernietigen van Mayaanse boeken en geschiedenis geschriften De Spanjaarden waren namelijk zo geschrokken van de gruweldaden van de Azteken die zij tegenkwamen dat ze alles wat ook maar aan indianen verwant was vernietigden Als de Spanjaarden iets rustiger hadden gereageerd zou de 0 waarschijnlijk een stuk eerder geïntroduceerd zijn in het Westen Indiërs Ook in India raakte een symbool, dat 0 symboliseerde, in gebruik Dit gebeurde ongeveer in de 5e eeuw na Christus Dit getallenstelsel is de voorouder van ons huidige Westerse getallenstelsel en was dus net als nu gebaseerd op 10-tallen Het is niet helemaal zeker hoe de nul in dit stelsel in gebruik is geraakt, het is alleen bekend dat het getallen stelsel door zowel stelsels uit China als uit Babylon is geïnspireerd Bovendien is er in die tijd veel gefilosofeerd over 'niets' in India Ze gebruikten verschillende woorden voor nul, zoals leegte(shûnya) en hemel lucht(kha) Er zijn verschillende verklaringen voor hoe het huidige lege rondje voor 0 in gebruik is geraakt Dit zou namelijk afkomstig kunnen zijn van de Griekse rekentafel die bedekt was met zand Er werd hierbij gebruik gemaakt van fiches, en wanneer er een fiche weg werd gehaald uit een rij van de tafel bleef er een rond gat over Het zou kunnen dat de Indiërs dit hebben overgenomen, aangezien rekentafels bedekt met zand ook elders in de wereld in gebruik raakten, maar in de Indische filosofie had het lege rondje ook een erg mooie symbolische betekenis, het werd vaak beschreven als het Bindu punt: het onveranderlijke en oneindige punt van waaruit alles ontstaat De filosofie van de Indiërs leert namelijk dat echte leegte niet bestaat, substantie kan alleen van vorm veranderen en niet verdwijnen Toen de Arabieren in de 7de eeuw rondtrokken door India namen ze het getal 0 mee naar huis en dus ook mee naar het toen door hen bezette Spanje Ze noemden dit nieuwe getal 'sifre'; waar ons huidige 'cijfer' vandaan komt Het voordeel dat dit nieuwe rekensysteem met zich meebracht is terug te zien in de wetenschappelijke sprong die de Arabieren in die tijd vooruit maakten En alhoewel het een veel en veel handiger systeem is dan het Romeinse stelsel dat toen nog in gebruik was in het westen, duurde het nog zeker 700 jaar voordat de 0 eindelijk geaccepteerd werd! Dit kwam door de angst van de Christelijke kerk voor het getal 0 Met een getal als 1 konden ze nog leven, maar iets dat niets weergaf? De kerkelijke angst sloeg over in wetten tegen het gebruik van het algoritmische stelsel waarbij overtreding resulteerde in de doodstraf Vele westerse wetenschappers erkenden de waarde van het nieuwe rekensysteem en probeerden dit tevergeefs onder het publiek te brengen, je zou kunnen zeggen dat zij letterlijk zijn gestorven voor niets! Pas in de late middeleeuwen hield de kerk de strijd niet meer vol en werd het algoritmische systeem eindelijk echt geïntroduceerd Al kunnen we de invloed van de kerk nog wel terugzien in spreekwoorden als: c'est nul, of wat is hij een grote nul!

14 De hedendaagse nul Vandaag de dag is de nul een erg handig wiskundig gereedschap dat door velen wordt gebruikt zonder er verder veel over na te denken De nul heeft een paar erg eigenaardige eigenschappen zoals dat iets (behalve 0) tot de macht 0 is 1 En dat je niet door 0 kan delen Verder geld dat: optellen: x + 0 = x en 0 + x = x Aftrekken: x 0 = x en 0 x = -x Vermenigvuldigen: x 0 = 0 en 0 x = 0 Door deze wiskundige axioma's veel toe te passen heeft de wiskunde vele grote doorbraken gemaakt De lege verzameling De lege verzameling is een goed voorbeeld van hedendaags gebruik van nul in systemen waar je niet altijd aan denkt, maar die toch een erg belangrijke rol spelen in de hedendaagse technologieën De lege verzameling wordt bijvoorbeeld gebruikt bij computers en andere apparatuur en is een erg belangrijke deelverzameling van elke denkbare verzameling Het concept valt als volgt uit te leggen: Stel dat je een lege doos hebt en wat fiches Op al die fiches schrijf je willekeurige nummers Stel je kiest 3,5,2,8,7,12 en 6 Als je vervolgens alle fiches in de doos gooit kun je ze met elkaar vermenigvuldigen, je krijgt dan: Het maakt niet uit hoe de fiches in de doos liggen, ze liggen er allemaal in en op welke volgorde je ze ook met elkaar vermenigvuldigt, het antwoord blijft hetzelfde Nu maken we het geheel iets ingewikkelder door een plankje in de doos te plaatsen die de doos in twee vakken verdeeld Als we het gedachte-experiment nu herhalen en de fiches weer in de doos gooien heb je sommige links en sommige rechts Maar als we het product (de uitkomst van de vermenigvuldiging van alle desbetreffende fiches) van de linkerkant met het product van de rechterkant met elkaar vermenigvuldigen, komt er weer gewoon uit Dus stel bijvoorbeeld links liggen 12 en 6 (12 x 6 = 72) en rechts liggen 3,5,2,8 en 7 (3x5x2x8x7=1680), dan is links keer rechts: 72 x 1680 = (waar we mee begonnen) Deze regel geldt voor alle scenario's, behalve wanneer alle fiches aan één kant liggen Dat betekent namelijk dat aan de andere kant 0 fiches liggen En daaruit volgt 0 x = 0 Dit probleem is bekend als de lege verzameling Je hebt twee verzamelingen waarvan er 1 leeg is Hierdoor lijkt het concept niet meer te kloppen Maar er is een oplossing: de lege kant niet meer zien als 0, maar als 1 lege verzameling Hierdoor klopt ons originele concept weer en krijg je 1 x = Je maakt eigenlijk 1 uit 0, wat natuurlijk tegen alle wiskunde ingaat want 0 is niet 1 Maar toch is de lege verzameling nodig om onze wiskunde kloppend te maken Net als de 0 zelf 0 Is dus eigenlijk een naam voor niets We hebben het nodig om complexe systemen te beschrijven Want zodra je niet meer bezig bent met alleen maar natuurlijke getallen (1,2,3 etc) is 0 essentieel voor een kloppend wiskundig systeem Het geeft een mogelijkheid om een netto van niets weer te geven wanneer er bijvoorbeeld een negatieve en een positieve kracht zijn die elkaar opheffen Dit blijkt ook heel belangrijk te zijn voor het vacuüm dat later in dit Profiel Werkstuk wordt besproken

15 Hoe leeg is zwart? Schaduwen Heel vaak stellen mensen zich zwart voor wanneer ze proberen te denken aan niets Niets, wordt meteen geassocieerd aan de afwezigheid van licht Maar zwart is slechts de afwezigheid van licht dat in staat is om jouw ogen te bereiken Zo zou het dus kunnen zijn dat iemand in de schaduw staat van een groter object Doordat het licht geblokkeerd wordt door het grote object kan het de persoon niet bereiken en dus ook niet in jouw ogen terecht komen; je ziet zwart Dit betekent niet dat deze persoon er plots niet meer is, net als dat wanneer je een compleet zwarte ruimte waarneemt, deze niet perse leeg hoeft te zijn Toch zijn mensen wel getraind om dingen te kunnen herkennen door middel van de afwezigheid van licht: silhouetten Kuikens van de meeste vogelsoorten hebben al het instinct om weg te duiken wanneer het silhouet van een roofvogel overvliegt terwijl de logica stelt dat de roofvogel door de kuikens niet gezien kan worden aangezien er geen licht via de roofvogel in de ogen van de kuikens terecht komt De hoeveelheid licht die je ogen bereikt is dus voor de meeste organismen een belangrijk gegeven dat gebruikt wordt bij het overleven Denk maar aan de bomen die hun bladeren afgooien wanneer de dagen korter worden En mensen die elk jaar in de winter depressief raken wegens een gebrek aan licht Licht is een bron van energie en bovendien een bron van leven Het donker is dus ook wel een gebrek aan kennis van je omgeving Niet weten wat er komt is een grote angst is van veel mensen, vandaar dat we bang zijn in het donker Black Body's Buiten schaduwen, kan het object van waarneming zelf ook zwart zijn En dan bedoel ik niet het grijzige zwart van een jas die er zwart uitziet, maar echt puur zwart Perfect zwarte objecten worden ook wel 'black body s' genoemd Dit zwart is absoluut niet niets Deze 'black body s' nemen namelijk 100% van het licht op dat er op valt In andere woorden: het is een object dat alle elektromagnetische straling (van alle verschillende golflengtes) opneemt Nou kan deze energie natuurlijk niet verdwijnen volgens de wet van behoud van energie en zendt het 'black body' deze energie ook weer uit in elektromagnetische golven Als deze golflengtes niet binnen het spectrum van voor ons zichtbare kleuren vallen, zien wij het object als 'zwart' De intensiteit en de golflengte van de golven die een black body uitzendt hangen uitsluitend af van zijn temperatuur Alle objecten stralen elektromagnetische straling uit wanneer ze een temperatuur boven de 0 graden Kelvin hebben (dus eigenlijk altijd) Het verschil met Black Body's is dat zij ideale stralers zijn en de maximaal mogelijke hoeveelheid energie per oppervlakte uitzenden op elke golflengte Onderzoek naar Black Body's werd veel gedaan aan het einde van de 19e en het begin van de 20e eeuw Men ging toen uit van de klassieke mechanica die licht als een golfverschijnsel beschouwt Met dit in het achterhoofd zou je denken dat de uitgestraalde energie gelijkmatig verdeeld zou worden over alle golflengtes Dit betekent dat het niet uit zou uitmaken welke temperatuur het body heeft, elke mogelijke frequentie zou even vaak voorkomen Als waarneming zou dit betekenen dat ook bij lage temperaturen een 'semi' black body al wit zou zijn Nou weet elke middeleeuwse smid dat dit niet waar is Als je bijvoorbeeld een zwarte ijzeren staaf neemt en deze langzaam verhit gaat hij eerst een heel spectrum van kleuren af voordat hij witheet wordt Beginnend met een beetje oranje, vervolgens roodgloeiend en daarna pas bij hele hoge temperaturen enigszins wit De natuurkundigen uit die tijd wisten niet wat ze ermee aan moesten Er werd breed onderzoek gedaan naar wat in hemelsnaam de oorzaak van dit verschijnsel zou kunnen zijn Max Planck ( ) was de eerste die een volledige formule opstelde die perfect aansloot bij de resultaten die gevonden werden tijdens het onderzoek naar Black Body's

16 Hij was hiertoe in staat doordat hij ervan uitging dat licht in pakketjes werd uitgestraald (quanta) Waarbij de frequentie van het pakketje overeenkwam met de golflengte Dus een hoge frequentie is een kleine golflengte Hiermee beschreef hij het verband tussen de energie (E in joule) en de frequentie van de kwanta (v): 'h' is de constante die hij vond om het verband tussen deze twee te beschrijven 'h' staat nu bekend als 'de constante van Planck' Later bleek dat dit een fundamentele constante is die veel in de natuur voorkomt Nu kon hij verder gaan en het verband beschrijven tussen de hoeveelheid energie die een black body uitstraalt en de temperatuur van de black body De formule die hij hiervoor opstelde staat nu bekend als de wet van Planck: met: Afbeelding 2 De wet van Planck I(ν)δν de hoeveelheid energie die per oppervlakte-eenheid per tijdseenheid per steradiaal (hoekmaat) uitgezonden wordt tussen frequenties ν en ν + δν, ν de frequentie h de constante van Planck c de lichtsnelheid k de constante van Boltzmann en T de temperatuur in Kelvin Omdat deze formule zo perfect klopt werd men gedwongen te accepteren dat licht misschien inderdaad wel in pakketjes voorkomt Aangezien dit strijdig lijkt te zijn met de eerder getrokken conclusie dat licht een golfverschijnsel is werd deze nieuwe theorie niet bepaald met open armen ontvangen Zelfs Planck zelf beschouwde zijn formule als slechts een wiskundig trucje om de resultaten te kunnen beschrijven Hij had geen idee dat dit de geboorte was van de kwantummechanica

17 Hoe werkt kwantummechanica? (Dualiteitsprincipe golf of deeltje?) De kwantummechanica was geboren De hele theorie is gebaseerd op het feit dat licht zowel een golf als een deeltjesverschijnsel is Zoals eerder verteld werd dit feit maar heel erg moeilijk geaccepteerd Dat licht een golfverschijnsel is was namelijk al lang geleden 'bewezen' door Grimaldi in 1801 Het debat over of licht een deeltje of een golf was, was daarvoor al veel langer aan de gang Christiaan Huygens beweerde namelijk al in de 17e eeuw dat licht een golfverschijnsel is, terwijl Newton in diezelfde tijd beweerde dat licht een deeltjes verschijnsel is Er werden vele theorieën ontwikkeld om de deeltjes of golf theorie te ondersteunen, jammer genoeg had men toen nog niet de meetinstrumenten om deze theorieën te testen Vandaar dat het interferentie onderzoek dat Grimaldi deed zo doorslaggevend was Licht vertoont namelijk interferentie patronen, net als bijvoorbeeld water Interferentie patronen zijn het kenmerk van een golfverschijnsel Interferentie is wanneer 2 golven elkaar ontmoeten en met elkaar interfereren Dit kan worden onderzocht door bijvoorbeeld water door spleetjes te laten gaan Zodra water tegen een plaat aankomt met 2 spleten er in, gedraagt het water zich als een punt-bron vanuit de spleten, net als wanneer er 1 druppel op een stil wateroppervlak valt Als de golven botsen ontstaat een patroon van versterkte (twee toppen op elkaar, licht) en verzwakte (twee dalen op elkaar, donker) golven zoals hiernaast weergegeven In 1801 had men de apparatuur om licht op een nauwkeurige manier door twee spleten te laten vallen en vervolgens op een achterliggende plaat te meten waar het licht was gevallen Toen Grimaldi dit deed ontstond er een strepen patroon Je kan je voorstellen Afbeelding 3 Interferentie patroon dat wanneer je een streep zou trekken door afbeelding 2, er lichte en donkere vlekken op de streep zullen staan, dit hetzelfde strepen patroon is Hiermee leek de discussie voorbij te zijn, er werd niet meer getwijfeld aan het feit dat licht een golfverschijnsel is Bovendien werd er ook een manier bedacht om de lichtsnelheid te meten in verschillende media Hieruit bleek dat licht langzamer gaat in water dan in lucht Ook dit feit pleit voor de golftheorie omdat de breking van licht bij een overgang van lucht naar water gepaard gaat met een kortere golflengte die er even lang over doet als de langere golflengte in lucht om 1 golf te maken => een lagere snelheid van licht in water Zo ongeveer 100 jaar was er rust Tot er in het begin van de 20e eeuw een nieuwe stroom van ontwikkelingen plaatsvond door grote geleerden, waaronder Einstein, Planck en Schrödinger Zoals beschreven onder het kopje 'Black Body', was Planck een van de eersten die er weer vanuit ging dat licht een deeltjes verschijnsel is Hij deed dit puur om kloppende resultaten te krijgen bij het black body experiment, maar het was doorslaggevend genoeg om grote scheuren aan te brengen in de fundamenten van de klassieke mechanica Einstein las over de wet van Planck en bedacht een experiment om echt te testen of licht in pakketjes voorkomt Als men met een lamp op een stuk metaal schijnt dat is aangesloten aan een gebroken stroomkring zoals hieronder weergeven, zal er een deel van de elektronen van het metaal in aangeslagen toestand komen Wanneer de elektronen weer terug vallen komt er iets vrij waardoor de stroomkring gesloten raakt en de stroommeter een stroom zal waarnemen Afbeelding 4, Het foto-elektrisch effect

18 Of licht nou een golf is die een elektron in aangeslagen toestand brengt, of dat het een pakketje is dat het elektron aanslaat, in beide gevallen zal er een stroom gaan lopen Het enige waaraan je verschil merkt is de instelling van de lamp Als licht namelijk een golf is zal het niet uitmaken hoe hoog de frequentie van het invallende licht is Een kortere golflengte (bijvoorbeeld bij blauw licht) zal namelijk geen hogere energiewaarde hebben Slechts de intensiteit (de hoeveelheid Joule per oppervlakte) zou moeten uitmaken voor de stroom die gaat lopen Maar als licht een pakketje is, heeft de frequentie juist heel veel invloed Want hoe meer pakketjes er per seconde op het metaal vallen, hoe meer elektronen in aangeslagen toestand raken De resultaten waren duidelijk, bij een hele hoge intensiteit maar een (te) lage frequentie, liep er geen stroom Terwijl er bij licht met hogere frequenties zelfs bij een erg lage intensiteit nog een stroom liep Conclusie: licht bestaat uit pakketjes Hij noemde deze pakketjes fotonen, zoals wij vandaag de dag nog steeds doen

19 Heisenbergs onzekerheid en Schrödingers kat Werner Heisenberg, Max Born en Pascual Jordan ontdekten een sterke overeenkomst met wiskundige matrices in de lijst van mogelijke quanta (Gegeven door de formule E=hv) Omdat dit op ongelooflijk hoog wiskundig niveau ligt zal ik geen poging wagen om deze theorie te beschrijven Maar dit was zo ongeveer de eerste volledige versie van de kwantumtheorie Vervolgens was er de hoog geleerde Erwin Schrödinger die verder ging met het verhaal Hij stelde namelijk een vergelijking op die enigszins een compromis vormt tussen licht als deeltje én als golf (want beide zijn immers als waar bewezen) Afbeelding 5, de Schrödinger vergelijking Door deze functie op te lossen voor een bekende golffunctie kan men een benadering maken van de plaats van het deeltje dat de golffunctie beschrijft over een bepaalde tijd Deze vergelijking is van hele grote betekenis voor de kwantummechanica omdat het alles beschrijft als zowel een golf als een deeltje Zowel de matrixmechanica van Heisenberg en de vergelijking van Schrödinger geven dezelfde resultaten en toch zijn ze compleet onafhankelijk van elkaar ontwikkeld en is er nog een tijd een discussie geweest over wie van de twee er nou gelijk had Kopenhaagse interpretatie Nadat deze twee interpretaties van de kwantummechanica waren opgeschreven, waren het Bohr en Heisenberg die de gevolgen van de Schrödingervergelijking beredeneerde in Kopenhagen en zo kwamen ze op de Kopenhaagse interpretatie Deze trekt hele rare conclusies, maar we zijn ondertussen niet anders gewend bij de kwantummechanica Extreem kort samengevat zijn de volgende drie conclusies het meest belangrijk: Waarschijnlijkheden zijn niet een gebrek aan volledige kennis, maar een natuurlijk gegeven In de klassieke mechanica gaat men er van uit dat als je met alle factoren rekening zou kunnen houden bij het opgooien van een dobbelsteen, je precies kunt voorspellen welk getal boven ligt Maar uit de kwantummechanica volgt dat je nooit zowel de impuls als de locatie van een deeltje nauwkeurig kent, waardoor je onvermijdelijk niet weet waar één elektron neerkomt wanneer je die afschiet door een spleet Slechts observeerbare metingen kunnen worden gedaan Vragen als wat gebeurt er met het deeltje voordat het de plaat raakt zijn dus zonder betekenis omdat wij dit niet kunnen meten, want dan zou het niet meer 'voor de plaat' zijn, maar op het metingsvlak dat we inbrengen wat aldus de gehele situatie verandert Het 'meten' interfereert dus zelf en zorgt ervoor dat de golffunctie instort Dus een deeltje kan van golf-achtig gedrag plots overgaan in deeltjes-achtig gedrag, puur omdat je het meet als deeltje of als golf En wanneer je dus de vraag stelt waar het deeltje zich bevindt stort de golffunctie in elkaar en is het op een plek De Kopenhagen interpretatie veroorzaakte dus ook een tweede fundamenteel verschil met de klassieke mechanica: er bestaat geen waarnemer-onafhankelijke werkelijkheid volgens de kwantum theorie Alles 'is' pas wanneer het is gemeten, en daarvoor zijn alle mogelijkheden nog waar!

20 Schrödinger was woedend dat zijn vergelijking tot zulke ondeterministische conclusies leidde en was het hier ook absoluut niet mee eens Om aan te tonen bedacht hij een gedachte-experiment met een kat, ook wel bekend als 'Schrödingers kat' Jammer genoeg voor hem wordt dit gedachteexperiment tegenwoordig gebruikt om studenten de gevolgen van de kwantummechanica uit te leggen Schrödingers kat Waarschuwing: dit gedachte-experiment is niet diervriendelijk! Stel dat men een levende kat heeft en die in een doos stopt met een glazen buisje met giftig gas Het glas kan kapot worden geslagen door een hamertje, maar het hamertje valt alleen als het radioactieve goedje dat erbij zit vervalt Het radioactieve goedje heeft een 50% kans van vervallen binnen één uur Na een uur zijn er dus twee mogelijkheden: het goedje is vervallen en de kat is dood, of het goedje is niet vervallen en de kat leeft nog Volgens de Kopenhaagse interpretatie zijn alle mogelijkheden nog waar totdat er gemeten wordt Dit zou dus betekenen dat voordat iemand in de doos kijkt, de kat zowel dood als levend is! Schrödinger gebruikte dit als bewijs dat de hele Kopenhaagse interpretatie negens op slaat, maar het blijkt dat de natuur zich echt zo gedraagt Tot nu toe zijn de meeste natuurkundigen het ook eens met de Kopenhaagse interpretatie omdat het werkt: je kan ermee rekenen en dat is alles wat ze willen Je zou natuurlijk wel verder kunnen denken over wat de deeltjes nou echt doen als ze niet worden waargenomen, maar dit is meer een metafysische vraag De natuurkunde beperkt zich tot wanneer twee 'systemen' met elkaar interfereren Er zijn ook wel meerdere interpretaties uit de kwantummechanica voortgekomen Zoals bijvoorbeeld de veel-werelden interpretatie Deze zegt dat aangezien alle mogelijkheden nog bestaan, alle mogelijkheden in het universum ook tot uiting komen Het verschil met de Kopenhaagse interpretatie ligt hierbij in het feit dat de veel-werelden interpretatie het 'instorten' van de golffunctie ontkent Dit heeft als gevolg dat alle mogelijke verleden's, heden's en toekomsten een waarheid zijn En dat ze dus allemaal tegelijkertijd naast elkaar bestaan Telkens in een ander universum Daarom wordt het ook wel de theorie van parallelle universa of de theorie van de universele golffunctie genoemd Heisenberg kwam niet alleen tot de Kopenhaagse interpretatie, hij bedacht vervolgens ook een formule die perfect de onzekerheid van deeltjes beschrijft, namelijk: Afbeelding 6, Onzekerheidsrelatie tussen plaats en impuls Waarbij delta x = de onzekerheid over de plaats en delta p = de onzekerheid over de impuls En h = de constante van Planck Zoals te zien in de vergelijking is de onzekerheid over de plaats maal de onzekerheid van de impuls altijd groter of gelijk aan de constante van Planck gedeeld door 4 pi Een soortgelijke onzekerheidsrelatie wordt ook wel opgeschreven voor energie en tijd, maar daarbij is wel wat voorzichtigheid geboden Afbeelding 7, Onzekerheidsrelatie tussen energie en tijd Waarin delta E = de onzekerheid over de energie en delta t = de onzekerheid over de tijd Dit leidt ertoe dat het vacuüm eigenlijk nooit leeg is maar altijd wel een beetje energie bevat Want dit principe geldt voor alles Dus ook voor een lege ruimte Dit was natuurlijk weer een hele vervelende conclusie voor natuurkundigen

21 Hoe leeg is dat vacuüm nou echt? Afbeelding 8, Maagdenburger experiment Wat blijkt nou uit al dat kwantummechanische gepraat en wat betekent het voor het vacuüm? Al heel vroeger dacht Aristoteles dat leegte niet mogelijk was 'Nature abhors a vacuüm' en ze waren inderdaad niet in staat een vacuüm te maken Vele jaren gingen voorbij zonder vacuüm Tot in 1666 de burgemeester van Magdenburg bedacht hoe hij twee bollen leeg kon zuigen Hij gebruikte twee halve bollen, hield die tegen elkaar zonder verdere bevestiging en pompte alle lucht er uit Vervolgens vroeg hij aan de mensen van zijn dorp om de bollen uit elkaar te halen Uiteindelijk lukte het zelfs 16 paarden niet om de bollen uit elkaar trekken! Hiermee bewees hij tegelijkertijd de kracht van de luchtdruk op grondniveau Sindsdien zijn mensen bezig geweest met betere en meer vacua te maken Vandaag de dag gaat dat dan ook heel precies Het vacuüm wordt leeggepompt door grote mechanische pompen en de ruimte wordt absoluut luchtdicht gehouden Maar is het vacuüm dan nou echt leeg van alles? Natuurlijk zitten er nu geen luchtdeeltjes meer in, maar stel dat de wanden doorzichtig waren, dan schijnt het licht er toch gewoon net zo hard doorheen als anders? En zelfs als we het licht buiten houden door een ondoorzichtige wand, voelt het vacuüm dan niet net zo goed zwaartekracht? Want als je een knikker in het vacuüm gooit, valt deze gewoon naar beneden Er zitten dus nog krachten in het vacuüm Krachten kunnen ook gezien worden als energieën De meeste krachten zijn redelijk gemakkelijk buiten te houden: namelijk door een elektrisch geleidende schil om je vacuüm te plaatsen Hierdoor zullen bijvoorbeeld elektrische en magnetische velden om het vacuüm heen worden geleid Slechts de zwaartekracht is een groot probleem Tot nu toe zou je die alleen kunnen opheffen door ergens ver weg in het universum te gaan zitten, op een punt waar alle zwaartekrachten om je heen elkaar opheffen Dit lost ook meteen het probleem met neutrino's op Die kunnen namelijk ook overal doorheen! Gelukkig zijn er ver weg in de ruimte zo weinig neutrino's aanwezig dat we ze buiten beschouwing kunnen laten Het blijkt dan ook dat de ruimte ('outer space') best een heel goed vacuüm is Is dat dan eindelijk leeg? Men dacht lang van wel, de temperatuur is bijna 0 Kelvin, en er zitten geen deeltjes meer in Toen kwam de kwantummechanica Die stelt dat deeltjes zowel deeltjes als golffuncties zijn waarvan we bovendien de impuls en locatie niet tegelijkertijd kunnen weten, dat we niet zeker weten wat de energie is over een bepaalde tijd ( ) en dat we zonder waarnemer eigenlijk helemaal niets weten Voordat 2 systemen met elkaar interfereren zijn alle mogelijkheden namelijk nog waar! Dit heeft veel gevolgen voor ons vacuüm: Het vacuüm bevat een kwantumveld Dit is een veld dat een oneindig groot aantal mogelijkheden heeft Dat komt omdat we nooit iets met zekerheid kunnen zeggen over de energie over een bepaalde tijd en omdat volgens de Kopenhaagse interpretatie alle mogelijkheden nog waar zijn, totdat je gaat meten In principe werkt het zo: In het kwantumveld zijn een oneindig aantal hele golven Golven van niets Dit zijn nog niet echt deeltjes, maar wel mogelijkheden tot Als er namelijk een veld is met mogelijkheden dan staat de onzekerheidsrelatie toe dat er héél kort energie wordt geleend Dit komt overeen met de formule; als je namelijk een kleine delta t hebt, dan wordt de delta E automatisch groter Deze energie resulteert in een deeltje, bijvoorbeeld een quark Maar als je eerst niets hebt en dan iets, dan is de energie niet meer geleend, maar echt een werkelijkheid geworden Om dit op te heffen produceert het vacuüm tegelijk met het deeltje een anti-deeltje In dit geval een anti-quark Het zou zomaar kunnen dat je 2 anti-quarks hebt en 2 quarks Of 5 positronen en 5 elektronen Zolang het netto resultaat maar nul is Want na die hele korte tijd komen het deeltje en het anti-deeltje weer samen en dan is alles weer weg Alle eigenschappen van de quark en de anti-quark (massa lading etc) zijn weer verdwenen en er is alleen een beetje energie over, dezelfde

22 energie als waar je mee begon Als je echt iets wilt halen uit het vacuüm moet de energie ergens vandaan komen Want het deeltje gaat dan van mogelijkheid naar een 'werkelijkheid' Dit kan door op de juiste manier energie te leveren Bijvoorbeeld door een vacuüm naast een zwart gat te bekijken Stel dat er naast een zwart gat energie wordt 'geleend' uit het vacuüm en er ontstaan zowel een deeltje en zijn anti-deeltje Maar omdat het zwarte gat nou eenmaal een zwart gat is, wordt er meteen binnen die hele korte tijd één van de twee deeltjes naar binnen 'gezogen' Het anti-deeltje bijvoorbeeld, zit dan op de horizon van het zwarte gat en kan niet meer weg om bij zijn tegenpool te komen Om dit op te lossen doet de natuur iets heel raars: het deeltje schiet weg de ruimte in Het lijkt wel alsof het wordt uitgestraald door het zwarte gat, want de hoeveelheid energie die dat deeltje kost is plotseling verdwenen uit het zwarte gat Het zwarte gat heeft dus een heel klein deel van zijn massa verloren en die is over gegaan in energie (volgens de formule ) Dit verklaart ook hoe het kan dat zwarte gaten stralen (net als Black Body's) en kunnen verdampen En voilà! Er is iets ontstaan uit niets In andere woorden, een mogelijkheid die niet was, is waar geworden Men denkt ook dat het universum eventueel op deze manier is ontstaan Er werd in een hele (echt heel erg) korte tijd, heel erg veel (alle energie in ons universum) geleend uit het vacuüm Normaal gesproken zou dit meteen weer in elkaar storten tot niets, maar hier heeft men 'dark-energy' ingevoerd Dark-energy is namelijk de verklaring voor het uitzetten (met versnelling) van het universum Maar aangezien wij dark-energy op geen enkele manier kunnen merken of meten, zijn dit allemaal nog heel erg speculatieve theorieën Het Higgsveld is ook een vorm van een kwantumveld Het Higggsveld zou overal moeten zitten gevuld met een heleboel Higgs-bosonen Deze Higgs bosonen moeten een verklaring zijn voor waarom deeltjes massa hebben Hoe vaker deeltjes namelijk tegen een Higgs boson botsen, hoe zwaarder ze zijn Fotonen hebben bijvoorbeeld geen massa omdat ze helemaal geen interactie vertonen met Higgs bosonen Hierdoor kunnen ze rustig verder reizen door het heelal met lichtsnelheid 'Zware' deeltjes zoals moleculen botsen constant tegen Higgs bosonen en gaan daarom heel 'langzaam' door het heelal Het Higgs veld zit dus ook in het vacuüm, maar in rusttoestand Er botst immer niets tegen de Higgs bosonen aan Je kan deze rust-toestand vergelijken met een elektrisch veld zonder geladen deeltje Potentieel gezien kan er lading ontstaan, maar dan moet er wel een geladen deeltje zijn om lading op uit te oefenen Higgs-bosonen zijn dan ook virtuele deeltjes (dat wil zeggen dat ze net zo zijn als de deeltjes en hun anti-deeltjes, ze zijn niet waarneembaar omdat er netto niets overblijft, maar ze hebben wel effecten zoals de mogelijkheid tot het ontstaan van deeltjes) Jammer genoeg zijn Higgs-bosonen tot op heden niet waargenomen in experimenten Men is er wel volop mee bezig om te proberen het bestaan van het Higgs-boson te bewijzen Het vacuüm is dus eigenlijk een groot veld met een (bijna) oneindig aantal mogelijkheden Je zou je het beste kunnen voorstellen als een gigantisch apparaat met miljoenen knopjes (deze mooie vergelijking is verzonnen door Piet Mulders) Alle knopjes zorgen voor een gebeurtenis, en in combinatie met elkaar weer andere gebeurtenissen Maar alleen als je het apparaat op de juiste manier bedient komt er iets uit (een deeltje en zijn anti-deeltje) Het vacuüm is de toestand waarbij geen enkel knopje is ingedrukt Er is nog een opmerkelijk effect dat Hendrik Casimir in 1948 heeft voorspeld en wat in 2001 is gemeten door een onderzoeksgroep van de Universiteit van Padua met behulp van microresonatoren Het gaat hier om een vergelijking van 2 vacua (ofwel 2 'nietsen') Stel dat je twee ongeladen platen hebt van geleidend materiaal Deze twee platen bevinden zich in het vacuüm Dus geen enkele mogelijkheid komt tot uiting Voor dit gedachte-experiment is dit alles (het universum) dus er is geen enkele invloed van buitenaf De zwaartekracht wordt buiten beschouwing gehouden Je zou zeggen dat de twee platen gewoon stil hangen in de ruimte en dat er verder niets gebeurt Afbeelding 9, Casimir effect

23 Toch voorspelde Casimir dat de twee platen naar elkaar toe zouden bewegen En wel omdat er buiten de platen meer niets is dan binnen de platen Dat betekent dat er buiten de platen meer mogelijke golffuncties zijn dan binnen de platen, omdat de golven wel heel moeten zijn In andere woorden: het aantal virtuele deeltjes dat kan ontstaan tussen de twee platen is kleiner dan het aantal virtuele deeltjes buiten de platen Hierdoor 'duwen' de virtuele deeltjes van buitenaf de platen naar elkaar toe Deze Casimirkracht werkt alleen wanneer de ongeladen platen op een hele kleine afstand van elkaar staan, maar dan is het ook wel de overheersende kracht Natuurlijk is het niet echt mogelijk om een universum van niets te observeren zonder zelf in het niets te zijn (wat het niets verstoord) Maar toch is dit effect uitermate exact bewezen Hieruit blijkt ook dat verschillende vacua niet hetzelfde zijn, maar dat je ze eigenlijk alleen maar met elkaar kan vergelijken vanuit een 'hogere' dimensie Elk vacuüm heeft dan ook zijn eigen nulpuntsenergie, de energiewaarde van het systeem wanneer geen enkele mogelijkheid tot uiting komt Dus dit is eigenlijk de energiewaarde van het systeem in rust Deze nulpuntsenergie is nooit 0 door de onzekerheidsrelatie van Heisenberg De natuurkunde beschrijft het vacuüm als niets Maar het vacuüm is absoluut niet leeg, het bevat altijd energie en een bijna oneindig aantal mogelijkheden Toch is het een systeem in 'rust' omdat geen een van die mogelijkheden tot uiting komt Voor de natuurkunde zijn vragen als: 'Wat gebeurt er nou voordat het deeltje wordt gemeten? (dus wat is er zonder waarnemer of zonder meting?)' en 'Wat als je tijd-ruimte als relatief beschouwt?' zonder betekenis, puur omdat men hier geen uitspraak over kan doen zonder over te gaan in filosoferen Eigenlijk weten we nog maar heel weinig over het vacuüm en het 'niets' Het vacuüm is dus helemaal niet zo leeg en simpel als we ooit dachten, maar de natuur is nou eenmaal absoluut niet simpel Dat weten we in ieder geval wél zeker

24 Filosofisch deel *Is het voorkomen van niets mogelijk? Buiten de fysische wetten om (buiten heelal? Buiten tijd?)

25 Niets door de eeuwen heen Niets is iets waar mensen liever niet over na willen denken Toch is er door de eeuwen heen heel wat gefilosofeerd over wat 'niets' is en wanneer iets wel of niet bestaat Wat schrijven verschillende filosofen uit het verleden hierover? Thales vchr Er kan alleen niets zijn als er niemand is om eraan te denken Dus het niets bestaat alleen buiten het bewustzijn Ruimte is volgens Thales 'leeg' als alles in die desbetreffende ruimte zich in zijn originele staat bevindt, en volgens hem was die originele staat water Hij dacht namelijk dat alles oorspronkelijk uit water voortkomt Ondanks dat dit idee allang is gefalsifieerd gaat de moderne wetenschap er van uit dat een vacuüm een oneindige zee van primitieve deeltjes is Heraclitus van Ephese vchr: Alles is in conflict waardoor iets tegelijkertijd wel en niet kan zijn Dat gebeurt volgens hem als iets overgaat in zijn tegenovergestelde, wanneer het dan in die overgang is kan iets tegelijkertijd zowel wel als niet zo verschijnen Zijn en niet-zijn (of iets en niets) zijn dus innig met elkaar verstrengelt en 'bestaan' (of niet) dus allebei tegelijkertijd Parmenides van Elea vchr : Alles wat 'is', dat is gewoon Het staat buiten tijd en het zal altijd zijn, want dingen kunnen niet in en uit het iets verschijnen In dit geval zou iets namelijk uit niets voortkomen Het 'zijn' is volgens hem slechts met behulp van rede te begrijpen, het 'zijn' kan anders niet met zekerheid worden waargenomen Het 'niet zijn' is onmogelijk en kan zelfs niet door onze rede worden begrepen Aristoteles vchr: In de oudheid was er al het idee van de leegte Men geloofde dat deeltjes en ruimte onafhankelijk van elkaar bestonden Alleen verklaarde Aristoteles dat een lege plaats niet mogelijk zou zijn Hij leidt dit af uit de beweging van deeltjes; als deeltjes zouden bewegen in een perfect vacuüm zou er geen dichtheid of weerstand zijn en dit zou volgens hem alle factoren weghalen die beweging beïnvloeden onder normale omstandigheden Hieruit volgde dat beweging niet mogelijk is in een vacuüm Bovendien zag Aristoteles geen reden om de ruimte van haar materiële inhoud te scheiden De ruimte bestaat namelijk niet meer zonder haar inhoud net als dat afmetingen niet bestaan los van wat ze opmeten Een lege ruimte zou je je kunnen inbeelden, maar daar blijft het ook bij Het is een gedachte plek, die niet voorkomt in onze wereld en ons ook niet verder helpt bij het begrijpen ervan Dit leidde tot de lang aanhoudende slogan: 'Nature abhors a vacuum' Meister Eckhart : Onze gehele werkelijkheid is eindig Slechts de ziel van de mens is oneindig omdat die God is Tegelijkertijd is de wereld op dezelfde manier als God eeuwig, omdat de wereld door God is geschapen Hiermee onderscheidt Eckhart twee soorten tijd, maar hij beschrijft deze verschillende 'tijdsoorten' niet erg duidelijk Thomas Hobbes : Hobbes was al een aanhanger van het antieke materialisme, hij geloofde dat alles in het heelal opgebouwd is uit atomen Het enige verschil met de antieke materialisten is dat Hobbes niet gelooft in leegte: wat wij als leeg zien is gevuld met minuscule, niet-waarneembare deeltjes Het is ondenkbaar dat iets ooit uit het niets is ontstaan, werelden kunnen geschapen en vernietigd worden, maar de substantie waaruit ze zijn samengesteld zullen nooit vergaan Hierdoor loopt Hobbes erg op zijn tijd vooruit gezien de overeenkomsten tussen zijn filosofie en het hedendaagse idee van de kwantummechanica David Hume : Over de oneindigheid van de ziel; hij geeft in zijn werk vele argumenten tegen de oneindigheid van de ziel Waarom zou de ziel ons namelijk doodsangst geven terwijl deze ziel na het leven nog verder bestaat? En wat voor wrede God zadelt ons op met een eeuwige straf gebaseerd op de misdaden die we hebben gepleegd in zo een kortstondig leven? Iets wat oneindig