Waarom c onafhankelijk en onveranderbaar is, volgt uit de volgende vergelijking:

Transcriptie

1 Werkstuk door een scholier 1925 woorden 26 mei keer beoordeeld Vak ANW Het is geen probleem meer om sneller dan het licht te reizen, maar zullen we ooit sneller dan het licht kunnen reizen? Dit essay gaat over de mogelijkheid tot het reizen met een snelheid groter dan die van het licht. Aan de orde komen de volgende onderwerpen: Einsteins theorie van speciale relativiteit, wat is de vierde dimensie, de warpdrive, wat is een zwart gat en wormholes. Einsteins theorie van speciale relativiteit. Einstein stelde in 1905 zijn speciale relativiteits theorie op. Deze theorie laat zien dat de lichtsnelheid hetzelfde blijft, onafhankelijk vanaf welk bewegend voorwerp het gemeten is. Bijvoorbeeld: Als een auto met een snelheid van 100 km/h rijdt en een auto daarachter rijdt 60 km/h, dan is de relatieve snelheid van de voorste auto ten opzichte van de achterste 40 km/h. Wanneer de snelheid van een lichtstraal (lichtsnelheid, c) vanaf de voorste auto wordt gemeten blijft die hetzelfde als wanneer die vanaf de achterste auto of vanaf de grond gemeten wordt. Aangezien c onafhankelijk is, zal dus de massa moeten veranderen wanneer je de lichtsnelheid bereikt. Waarom c onafhankelijk en onveranderbaar is, volgt uit de volgende vergelijking: Ö(1- v2/c2) C is de lichtsnelheid en v is de snelheid van het voorwerp. Uit deze vergelijking komt de factor tau. Tau is de factor bij welke lengte en tijd variëren als de snelheid van een voorwerp toeneemt. Bij de snelheden waar we elke dag mee te maken hebben is tau gelijk aan één. Er zijn dus geen merkbare veranderingen in massa en tijd. Tau verandert zo langzaam dat zelfs wanneer een object een snelheid van een miljoen km/h bereikt, zakt de tau maar naar 0, Dit betekent dat gezien door een stilstaande toeschouwer het object met deze factor gekrompen is en dat de klokken aan boord met deze factor langzamer lopen. De volgende grafiek laat zien dat tau afneemt als de snelheid toeneemt. Als een voorwerp zijn snelheid gelijk is aan c, is tau 0. Dit betekent dat zijn lengte en zijn beweging door tijd voor een stilstaande toeschouwer zouden veranderen met factor 0. Het object zou dan stil lijken te staan. Pagina 1 van 5

2 als een object c overschrijdt, wordt tau de vierkantswortel van een negatief nummer: een imaginair getal (complex). Net als dat tijd langzamer gaat en lengte afneemt wanneer je snelheid toeneemt, neemt massa toe wanneer snelheid toeneemt. Massa neemt toe met de factor: (Ö(1- v2/c2))-1 Deze waarde is de tegenovergestelde van tau. Uit de grafiek van deze vergelijking blijkt dat wanneer het object c heeft bereikt, de massa oneindig is. Tau-1 neemt toe naarmate het object c nadert. Dus wanneer een object c bereikt moet het een oneindige massa hebben. Het is dus onmogelijk om met een gewoon schip sneller dan het licht te reizen. De vierde dimensie. Er is naast de normale drie dimensies (lengte, breedte en hoogte) nog een vierde dimensie: tijd. Deze dimensie zal een grote rol gaan spelen in de toekomstige ruimtevaart. Ik zal het daar later uitgebreid over hebben. De reden de vierde dimensie zo belangrijk wordt, is dat het mogelijk zal moeten worden om sneller dan het licht te reizen. Dit is onmogelijk wanneer je met een gewoon schip, zeg een raket, zal vliegen. Afgezien van dat je ongelooflijk veel brandstof nodig hebt, zal het niet kunnen. Met behulp van tijd-ruimte, zal dit misschien wél mogelijk worden. De warpdrive. Er zijn weinig mensen die nog nooit van een warpdrive gehoord hebben. Hij wordt al jaren gebruikt door de bemanning van de USS Enterprise uit Star Trek. Veel mensen denken dat de aandrijving van de sterrenschepen uit Star Trek volkomen fictie is. Dit is sterk te betwijfelen. Wetenschappers hebben een theorie uitgedacht waarbij aan de hand van rijdruimte een voortstuwing ontstaat, net als in de enterprise. Dit aandrijfsysteem overschrijdt de lichtsnelheid door gebruik te maken van ruimtekrommingen. "Wat je moet doen is de lokale tijd achter het ruimteschip uit te breiden en voor het schip in te laten krimpen. Jet schip wordt op deze manier van de aarde weggeduwd en naar een verre ster toegetrokken door de vier dimensies van tijd en ruimte zelf," vertelt natuurkundige Miguel Alcubierre van de universiteit van Wales in Cardiff. Dit bedacht hij nadat hij eens naar Star Trek keek. Het principe van de ruimtekrommingen volgens de makers van Star Trek. Voor het sterrenschip Enterprise wordt de tijdruimte ingekrompen en erachter opgeblazen tot grotere proporties. Zo wordt het sterrenschip weggestuwd van zijn vertrekpunt en aangetrokken door zijn punt van bestemming. Pagina 2 van 5

3 De makers van Star Trek zijn dus niet een paar mannen die dachten een leuke serie te maken, maar ze hebben waarschijnlijk eerst met een aantal natuurkundigen gepraat. De schepen uit Star Trek zijn dus wetenschappelijk verantwoord. De volgende animatie laat zien hoe de tijdruimte krommingen er uit zouden moeten zien en laten ook zien dat de enterprise de goede vorm heeft om dat effect te bereiken. Je kan je tijdruimte krommingen voorstellen als zo n lopende band die je op vliegvelden kan vinden. Wanneer je er naast loop kan je op een moment niet harder. Maar als je op de lopende band gaat lopen overschrijd je de maximum snelheid die je zonder band zou halen. Een probleem is dat je voor het krommen van tijdruimte negatieve zwaartekracht nodig hebt. Daarmee kan je namelijk de tijdruimte achter je schip wegduwen. Door gewone zwaartekracht vooraan te gebruiken kan je daar de tijdruimte aantrekken. Natuurkundigen denken echter dat zoiets als negatieve zwaartekracht ook tijdens de Big Bang plaatsvond. Waardoor de materie versneld werd verspreid. Er was dus hoop. Die hoop vervloog snel. In 1997 rekenden Mitchell Pfenning en Larry Ford van de Tufts-universiteit in Massachusetts uit hoeveel energie nodig zou zijn om een deel van de tijdruimte op de vereiste wijze te krommen. Ze kwamen uit op een hoeveelheid energie die tien miljard maal meer zou zijn dan in het heelal opgeslagen is. Afgezien van de onmogelijke hoeveelheid benodigde energie, hebben ze wel bewezen dat Alcubierre s methode in theorie mogelijk was. Om tijdruimte krommingen te maken kan je ook iets anders gebruiken. Je kan dit bereiken door een ring van negatieve energie om het schip heen te maken. Hierbij is het eerste probleem dat natuurkundigen er nog niet uit zijn of negatieve energie bestaat. Het tweede is dat je een manier moet vinden om de negatieve energie uit en aan te zetten. Die techniek is nog niet gevonden. Wat is een zwart gat? Een zwart gat ontstaat een neutronenster opgebrand is. Wanneer een ster met de massa van onze zon opbrand, ontstaat een witte dwerg. Die blijft nog een tijd lang een beetje licht geven, waarna ook die uit gaat. Wanneer een ster opgebrand is, implodeerd hij. Er bestaan neutronensterren die meer dan twintig keer de massa van de zon hebben. Wanneer deze implodeert, komt al die massa samen onder een zeer klein oppervlak. Omdat deze bol zoveel massa bevat, heeft hij een enorme zwaartekracht en is hij enorm zwaar. Elke ster vervormd de ruimte om zich heen. Je kan het vergelijken met een bowlingbal op een matras. De bowlingbal veroorzaakt een kuil. Sterren doen dit ook. Zij vervormen de ruimte een daarmee de tijdruimte om zich heen. Pagina 3 van 5

4 Wanneer een neutronenster implodeerd, ontstaat dus een bol met een enorme massa. Terug naar de matras: leg een héél zware bal op de matras en de matras scheurt. Er ontstaat een soort tunnel naar de andere kant van de matras een ruimte-tijd-tunnel. De geïmplodeerde neutronenster scheurt als het ware door de ruimte en veroorzaakt een oneindig diepe tunnel. Doordat de ster zo n zwaartekracht heeft, wordt alles binnen bereik de tunnel in gezogen en samengeperst to oneindig kleine massa. Wormholes Een wormhole is een tunnel door spacetime die een zwart gat verbindt met een zwart gat, ergens anders. De Britse astrofysicus Stephen Hawking schat dat er quadriljoenen van zulke wormgaten ontstaan en weer verdwijnen. Omdat ze zo klein zijn, merken we daar niets van. Maar op een schaalgrootte van centimeter en een tijdsduur van seconde kan ons heelal er als één grote gatenkaas uitzien. Wat moeten we doen om zo n mini-wormhole te gebruiken? Allereerst moet het worden geïsoleerd uit een gebied waar de tijdruimte zodanig is gekromd dat daar regelmatig wormholes ontstaan. Is dat gebeurd, dan moet het wormhole met zijn gebruikelijke doorsnede van cm zodanig worden vergroot dat het geschikt is voor het vervoer van materieel en levende wezens. De methode die daarvoor kan worden gebruikt is het plaatsen van een perfect geleidende, ronde, elektrisch geladen plaat aan beide openingen van het wormhole. Een quantumproces dat bekend staat als het Casimir-effect (genoemd naar de Nederlandse natuurkundige Hendrik Casimir) zorgt er dan voor dat er negatieve energie tussen de beide platen ontstaat. Zo is er geen point of no return als bij een val in een zwart gat. Ook krimpt het wormgat niet meer in. Kip Thorne:" Om de monding van een wormgat open te houden, moet je hem met een materiaal bekleden dat de wanden uit elkaar drukt. Daarvoor heb je materie nodig die een enorme negatieve druk teweegbrengt. Voor een zes kilometer brede opening is dat een druk van 1032 kilogram pet vierkante centimeter. Die vind je normaal alleen in het binnenste van een neutronenster. Je kunt ook uitrekenen dat die materie een 1017 maal grotere trekvastheid moet hebben dan een staaf staal. En zulk exotisch spul kennen we tot nu toe niet." Een ander probleem is dat, voordat je door het wormhole kan gaan reizen, je eerst aan de andere kant moet zijn geweest, om daar die plaat aan te brengen. Hoe kom je daar dan binnen een redelijke tijd. Het fantastisch, maar misschien ook het enge, van een wormhole is dat het kan functioneren als een tijdmachine. Uit Einsteins speciale relativiteitstheorie kennen we het verschijnsel van een reiziger die met grote snelheid van de aarde vertrekt. Bij terugkomst loopt zijn horloge achter ten opzichte van de klokken op aarde. Hij is jonger geworden dan zijn tweelingbroer. Stel nu dat het ene uiteinde van een wormhole op zijn plaats wordt gehouden. Het andere wordt versneld tot een snelheid dichtbij de lichtsnelheid. De bewegende opening van het wormhole veroudert nu langzamer dan de opening die op zijn plaats blijft. Pagina 4 van 5

5 Als de voortbewogen opening weer tot stilstand is gebracht, ontstaat een situatie waarin de tijd aan beide zijden van het wormgat verschilt. Het wormgat is dus een tijdtunnel geworden. Wat aan de voortbewogen opening naar binnen gaat, komt aan de andere kant in het verleden terecht. En wat er in de onbewogen kant wordt gestopt, duikt aan het andere uiteinde in de toekomst op. Maak je gebruik van een wormhole, dan omzeil je dus de lichtbarrière. Hieronder een plaatje van hoe een wormhole er mogelijk uit zou kunnen zien. Bronvermelding. Internet Literatuur. Utrechts universiteitsblad N.B.Ik denk dat je niet veel aan deze tekst hebt, omdat alle animaties en powerpoint figuren niet mee gekopieerd kunnen worden. Op de plaats van de Ö in de formules hoort een wortel teken te staan en de animaties (twee, een met onderschrift en een zonder) komen van Daar staat een stuk met de titel: sluiproutes door het heelal. Daar heb ik de plaatjes vandaan. Ik hoop dat je hier wat mee kan, want dit is dan mijn dank voor al die keren dat ik jullie verslagen en uittreksels heb gebruikt. Dit was een eindopdracht voor ANW 4VWO. Michiel Kemeling, a.k.a. Socrates Pagina 5 van 5