vorige pagina

6.a. Donkere materie of zwarte gaten?

1ste deel:

Deeltjes en of golven?

Elektromagnetisme  is de basis van alles wat vorm en structuur heeft …

 Neutronensterren en zwarte gaten

 Bij sommige sterren in het heelal gebeurt het in elkaar persen van de stermaterie echt en daarvan kunnen we dus beter ver uit de buurt blijven. Het geweld  dat daarmee gepaard gaat, is werkelijk uitzinnig. Sterren hebben een doorsnee van miljoenen kilometers. Het volume van een ster is een voortdurend gevecht tussen de naar binnen trekkende zwaartekracht van de stermaterie en de naar buiten gerichte krachten van de voortdurende nucleaire ecplosie binnen in de ster. Als deze ster zeer veel materie bevat, dan kan er een zwaartekrachtveld ontstaan dat sterk genoeg is om de stermaterie naar binnen te trekken, tegen de uitbreidende krachten van de kernreacties in. Dit komt in het bijzonder voor als het stermateriaal bijna opgebrand is en de kernreacties in de ster wat beginnen uit te doven. Door de eigen zwaartekracht van de ster wordt dan alle stermaterie in elkaar gedrukt, en nadat eerst overbodig stermateriaal de ruimte ingeknald is, blijft er uiteindelijk een superdicht sterretje over, van een tiental kilometers doorsnede: een neu­tronenster, waarin de hele massa van de ster geconcentreerd is. Neutronensterren kenmerken zich doordat ze heel snel om hun as draaien, soms wel tientallen malen per minuut. Net zoals bij een vuurtoren spuiten ze elektromagnetische straling (niet veel zichtbaar licht, maar wel andere stralingsfrequenties) om zich heen. Het zijn bakens in het heelal en met een radiotelescoop zijn deze stralingsbronnen goed te beluisteren en te 'zien'. 

Bij deze zwaardere sterren kan dat proces van inkrimpen zover doorgaan, dat zelfs de lichtdeeltjes, de fotonen, door de enorme zwaartekracht niet meer van steroppervlak kunnen ontsnappen. We kunnen ook zeggen dat de ontsnappingssnelheid van de lichtdeeltjes hoger ligt dan 300.000 km/sec, en dus blijven de lichtdeeltjes aan het oppervlak van de neutronenster hangen. Dan houdt de ster op een stralingsbaken te zijn, zoals bij een neutronenster, en wordt hij een 'zwart gat'. De grote bal superdichte materie trekt als het ware ruimte om zich heen als een pikzwarte cape en verdwijnt zo uit het voor ons zichtbare heelal. Waar een zwart gat begint, houden onze waarnemingen op; daar begint een ander universum, een andere tijdruimte, met een andere natuurkunde. Zwarte gaten zijn dus iets heel bijzonders. Hun aanwezigheid is eigenlijk een afwijking van alle normale regels, waar enen niet meer geldig zijn. Niemand kan in een zwart gat kijken, en dus heeft nog nooit iemand een zwart gat echt gezien.

 

Het idee van de zwarte gaten is voortgekomen uit de relativiteitstheorie vanEinstein. Tegelijkertijd was dit ook de eerste keer dat de wetenschap geconfronteerd werd met iets dat er wel is, maar dat met geen enkel waarnemings/instrustrument zichtbaar te maken is (net zoals virtuele fotonen). Maar het kosmische effect van zwarte gaten op hun omgeving is enorm. Rondom een zwart gat heerst een waar hellevuur van kosmisch geweld. Hele sterren met al hun planeten en stofwolken kunnen worden opgezogen en uit ons heelal verdwijnen. Mochten er op die planeten ook mensachtige wezens wonen dan is dat hun 'dag des oordeels', het absolute armageddon. Zwarte gaten zijn in wezen superstofzuigers. De felle straling die daardoor rondom een zwart gat veroorzaakt wordt, is wel te observeren. Hele sterrenstelsels, ook ons melkwegstelsel, draaien om een zwart gat in hun centrum.

In de astronomie kennen we tegenwoordig ook nog de 'donkere materie en de 'donkere energie', die een flink deel van de massa-energie in dit universum uitmaken. Niemand heeft ooit deze donkere materie gezien, maar ze moet er zijn, anders kloppen de berekeningen over dit heelal niet. De moraal is duidelijk. De oude en naïeve gedachte van 'wat ik niet zie, bestaat niet' geldt allang niet meer. Het is niet meer alleen de 'waarneembare werkelijkheid' waar de wetenschap zich mee bemoeit. Er is in dit heelal in letterlijke en figuurlijke zin 'veel meer dan wat het oog kan zien', zoals uitdrukking zegt. Met het 'oog' bedoelen we dan niet alleen onze eigen ogen, maar alle mogelijke waarnemingsinstrumenten.

 Maar de ruimtelijkheid van de materie, het eerste belangrijke effect van elektromagnetische kracht, is iets wat ons oog wel kan zien. Sterker nog, wat wij kunnen zien en wat een ruimtelijke vorm heeft, dankt die vorm aan ruimte-insluitende werking van de elektromagnetische kracht. Verderop zal overigens blijken dat ook het zien zelf aan deze kracht te danken is.

 

Kleefkracht tussen atomen: 

(Bij de vorming van grotere structuren, hechten de elektronen zich aan elkaar.)

Een tweede effect van de elektromagnetische kracht is de kleefkracht tus­sen de atomen. Als een atoom door een of andere oorzaak een elektron verliest, dan ontstaat er in de elektronenbanen een `gat'. Andere atomen kunnen een elektron 'te veel' hebben (dat noemt men een `valentie-elektron'). Normaal houden de negatief geladen elektronen rondom de kern en de positief geladen protonen in de atoomkern elkaar in een elektrisch evenwicht, zodat een atoom in normale toestand elektrisch neutraal is. Maar als er een `gat' of een 'bult' ontstaat doordat een elektron 'vertrekt' of als er een elektron 'te veel' is, dan wordt dat anders. Het atoom krijgt daardoor als geheel een elektrische lading, en zal zich daarom gemakkelijk hechten aan andere atomen. Het atoom wordt zogezegd in chemische zin 'kleverig'. Dat heet ionisatie. We kunnen ook zeggen dat de atomen een beetje 'geil' worden, waardoor ze zich graag aan een ander atoom willen vastklampen. Niets menselijks is onze atomen vreemd en niets atomerig’s is ons mensen vreemd, hoe zou dat ook anders kunnen? Wij bestaan toch helemaal uit onze atomen?

 Het kan ook gebeuren dat de elektronen zich niet gelijkmatig rondom een atoomkern verdelen maar dat ze zich concentreren aan een bepaalde kant van het atoom. Daardoor is de elektrische lading van dat atoom niet gelijkmatig verspreid, zodat het atoom aan een kant 'kleverig' en aan de andere kant, afstotend wordt. Dat gebeurt vooral bij de zwaardere atomen, waarbij de buitenste elektronenschil zich relatief ver van de atoomkern bevindt. Die afstotende kanten wisselen uiteraard onophoudelijk, omdat de met onvoorstelbare snelheid om de atoomkern heen zwiepen. Als dat bij het naastliggende atoom ook gebeurt, in fase, maar precies omgekeerd, dan worden deze atomen aan elkaar gekoppeld. Hierbij zijn de zogenaamde `vanderwaalskrachten' werkzaam, en met de ontdekking daarvan is de Nederlander Johannes Diederik van der Waals beroemd geworden. In 1910 kreeg hij daarvoor de Nobelprijs voor natuurkunde. Ook door dit effect kunnen atomen aan elkaar kleven en zich verenigen tot ruimtelijke structuren. Daarvoor hoeven er dus geen elektronen uit een schil verwijderd te worden. Het is al voldoende als ze zich aan een bepaalde kant groeperen.

 Hoe het ook tot stand komt, deze chemische 'kleverigheid' leidt ertoe dat atomen aan elkaar gehecht worden tot grotere structuren, moleculen, en dat ze nog grotere structuren vormen zoals kristallen, macromoleculen, grote eiwitmoleculen, onze DNA-moleculen (wat in feite ook een kristalvorm is) en nog grotere levende cellen. Zo ontstaat alles wat vorm heeft; dit is het gevolg van de werking van de elektromagnetische kracht. Het feitelijke lijmwerk wordt ook hier verricht door wolken van virtuele fotonen. Die zorgen ervoor dat de elektronen elkaar aantrekken en elkaar ook op afstand houden, zodat stabiele ruimtelijke constructies ontstaan. Fotonen zijn als het ware het cement tussen de bouwstenen.

Ook hier vergt het weer flink wat fantasie om te beseffen dat een postzegel aan een brief plakt door de elektromagnetische kracht en dat dezelfde kracht ook de Rotterdamse Van Brienenoordbrug bij elkaar houdt in een voortdurend gewriemel van dynamische deeltjes. Om het verschil tussen de zwaartekracht en de elektromagnetische kracht nog eens duidelijk te benadrukken, kunt u het zo zien. Als je een postzegel losjes op een brief legt en de goed horizontaal houdt zodat de postzegel er niet afvalt, dan is de zwaarte kracht voor ons aan het werk. Houd je de brief scheef, dan valt de postzegel ervan af. Dat is ook de zwaartekracht. Maar als we de postzegel likje geven en op de brief vastplakken, dat kunnen we de envelop ondesteboven houden zonder dat de postzegel op de grond valt. Dan is de elektromagnetische kracht voor ons aan het werk. 

 

Elektromagnetische straling. Het "Orgoon" is ervaarbare straling in de natuur:

Ik stel me voor dat wat hier uitgelegd wordt connecties heeft met het begrip 'orgoon',

en dat het verbinding heeft met mijn gedachten daar over (anthoon)

 Een derde natuureigenschap van de elektromagnetische kracht is dat ze twee verschijningsvormen lijken te hebben: deeltjes en golven. Dat kunnen we ook benoemen met de woorden 'zwermen' en 'velden', twee woorden die steeds aan betekenis winnen en die in zekere zin uitwisselbaar zijn.

Denk bij een zwerm maar aan een zwerm spreeuwen of bijen die samen rondom vliegen, misschien wel bestuurd door één gemeenschappelijke gedachte. Bij een veld kunnen we denken aan golven op zee. Water is in feite ook eenenorme zwerm watermoleculen en gezamenlijk vormen deze een veld golven en stromingen. Deze twee verschijningsvormen, deeltjes en golven, of deeltjeszwermen en golfvelden, kunnen voor ons begrip naadloos in elkaar overgaan. Het hangt er maar van af hoe we ernaar kijken. Sterker nog, het hangt ervan af of we er bewust naar kijken of niet, zoals we al zagen het spletenexperiment van Young.

 Kort samengevat: een zwerm deeltjes, bijvoorbeeld elektronen, kunnen we ook zien als een elektromagnetisch veld. Een zwerm fotonen kunnen we zien als een lichtveld of een straal van lichtdeeltjes waarmee een elektro­magnetische communicatie tot stand komt. Een elektron en een foton kun­nen zich voordoen als een deeltje of als een golfje. Voor het begrip is het wel handig om daarbij te denken aan een golvende zwerm van deeltjes, net zoals watergolven ook bestaan uit een op en neer golvende 'zwerm' watermole­culen. Het principiële verschil tussen fotonen en materiedeeltjes zoals wa­termoleculen is dat de fotonen zich met de lichtsnelheid door het heelal voortspoeden, terwijl waterdeeltjes in watergolven vrijwel op hun plaats blijven. Fotonen zijn eigenlijk pakketjes licht die zich als straling door het heelal voortbewegen. Deze straling heeft een aantal karakteristieken: in­tensiteit, trilling/snelheid (frequentie en golflengte), fase en polarisatie.

Hierop komen we hierna uitvoerig op terug, want er schuilt een diep mysterie in.

 Om te beginnen is het van groot belang te begrijpen dat via de elektromagnetische straling altijd op een of andere manier informatie wordt overgezonden denk maar eens aan het licht dat vanaf verre sterren naar ons wordt toegezonden en vandaaruit we allerlei conclusies kunnen trekken over wat er in die sterren gebeurt, en hoe het er uit ziet. Zelfs de chemische samenstelling van een ster kunnen we uit het licht ervan opmaken. Maar ook kunnen we aan de uitstraling zien of de ster naar ons toe komt dan wel zich van ons afbeweegt. (blauwverschuiving c.q. roodverschuiving).

 

“Roodverschuiving” en ‘doppler/effect’ …

 De roodverschuiving is in het dagelijkse leven ook waar te nemen als het dopplereffect. Bij geluid werkt het namelijk net zoals bij licht. Als een auto op ons afkomt, dan klinkt het geluid van de claxon hoog, maar als de auto van ons weggaat, klinkt het geluid opeens laag. Ook bij een racemotor die voorbij stuift, hoor je eerst een hoge toon en in de trant van: Iiiieeeee0000aaaaauuwww!' De geluidsgolven worden vanaf de aanstormende motor als het ware in elkaar geperst en daardoor ontstaat een hogere trillingsfrequentie. Verwijdert de motor zich van ons, dan worden de geluidsgolven uitgerekt en klinken ze dus lager.

 Als een ster zich met een aanzienlijke snelheid van ons af beweegt, dan worden de lichtgolven uitgerekt en daalt dus de trillingsfrequentie. Rood heeft een lagere frequentie in het lichtspectrum en dus zien we een verschuiving naar rood. Als een ster zich naar ons toe beweegt, dan wordt de kleur blauwer. Vrijwel alle sterrenstelsels bewegen zich van ons af, wat wijst op een uitdijend heelal. Het meest nabije sterrenstelsel, Adromeda, met het blote oog aan de hemel te zien, is daarop een uitzondering en komt naar ons toe. Over enkele miljarden jaren is het bij ons.

 

Waarnemingen uit het verleden …

 We kunnen eigenlijk niet zeggen dat een ster er nu zus en zo uit/’ziet’. We moeten zeggen; hoe hij er daar uit/’zag’, verleden tijd dus. Wat we nu zien is namelijk het licht van een tijd geleden, toen de ster haar licht nog naar ons toe stuurde.

Want ook al is de snelheid van lichtdeeltjes 300.000 kilometer seconde, toch kan het voor onze waarneming duizenden, miljoenen of miljarden jaren duren voordat het licht de enorme afstand tussen de sterren en ons heeft overbrugd. Het licht van de sterren in de nachtelijke hemel draagt dus allerlei informatie over de historie en de samenstelling van het heelal aan ons over, en het is de elektromagnetische kracht die het verhaal vertelt. De nachtelijke sterrenhemel is een opengeslagen geschiedenisboek.

 

GEHEUGEN

Licht en geheugen hangen dus nauw samen en dat is iets om even te onthouden. Zo speelden wij in mijn computertijd weleens met de vreemde gedachte om met een schotelantenne op aarde en een soort spiegel op maan gegevens heen en weer te kaatsen. Een elektromagnetische straal doet er ongeveer een halve seconde over om naar de maan en daar vandaan weer terug te komen. Dat is dan een vorm van geheugen, want als je daarmee de hele Bijbel zou verzenden met de huidige communicatiesnelheden, dat komt het eerste boek Genesis net terug als we het boek Openbaring weggestuurd hebben. Een hele Bijbel zweeft dan ergens in de zwarte ruimte als lichtdeeltjes. Volgens sommige denkers wordt op zelfde manier alle aardse communicatie (tv, radio, telefoon, enz.) het heelal ingestuurd en als het daar nooit verloren zou gaan, dan zou het heelal alle finesses van onze moderne maatschappij kennen, tot met de meest intieme telefoongesprekken. Zelfs alle lichtdeeltjes die mijn lichaam uitstraalt (de bio/fotonen), komen ergens in het heelal terecht.

Hoezo, privacy? Onze enige hoop op privacy kan zijn dat al die informatie dragende lichtdeeltjes zich verspreiden en uiteenvallen tot een volkomen diffuse wolk waar niets meer uit te lezen valt; ze vermengen zich als het ware met de kosmische achtergrondstraling (Cosmic Microwave Background, CMB).

 Dichter bij huis zijn het onze radio- en tv-zenders, en de mobiele telefoons, die met dezelfde elektromagnetische straling (golven van fotonen) werken en hun informatie op ons afsturen of wegsturen. Het principe daarvan is altijd dat de elektromagnetische golven 'draaggolven' zijn, waarop informatie wordt meegedragen (gemoduleerd). Alleen de golflengten verschillen, waarover straks meer. Het verband tussen fotonen, informatie en geheugen moeten we vasthouden. In dit boek verdedig ik de stelling dat dit misschien wel de belangrijkste verbinding is die er in dit heelal bestaat en dat deze verbinding aan de basis staat van alles wat leeft, en ook de drijvende kracht achter de evoltie is.

 

De drie eigenschappen, ruimtelijkheid van atomen, kleefkracht tussen atomen, en communicatie door elektromagnetische straling, zijn tot in de kleinste details uitgezocht en vastgelegd in een theorie: de kwantumelektrody­namica.

 

We mogen gerust zeggen dat deze theorie de best geteste en meest beproefde theorie van de hele natuurkunde is. In poëtische zin kun je spreken van ‘dansende elektronen en fotonen' die alles laten zijn wat het in onze ogen is. Dat geldt niet alleen voor alles wat vorm en volume heeft, maar ook voor het zien met onze ogen zelf. De werking van al onze zintuigen is gebaseerd op de elektromagnetische kracht, want het 'zien' is volop een elektromagnetische bezigheid, een bezigheid, gebaseerd op de communicatieve eigenschappen van straling. Maar ook ruiken, voelen, proeven en horen, inclusief de bijbehorende hersenwerking, berusten alle op dezelfde elektromagnetische mogelijkheden.

 Ook de hele evolutie van alles wat vorm heeft, berust op de uitwerking van deze drie eigenschappen, volume, kleefkracht en communicatie.

 Elke mogelijkheid of combinatie van mogelijkheden van de elektromagnetische kracht is in de evolutie ontelbare malen uitgeprobeerd en alles wat bestaat, leeft, en groeit is daarvan het praktische resultaat. Dat houdt ook in dat we in de levensprocessen alle mogelijkheden en eigenschappen van de elektromagnetische interacties terug kunnen vinden, niet alleen volume en kleefkracht, maar ook de communicatie in de vorm van stroompjes, straling en informatieoverdracht tussen atomen, moleculen en cellen in levend weefsel, in ons eigen lichaam en in de wereldruimte om ons heen. 

EIGENSCHAPPEN VAN

ELEKTROMAGNETISCHE

STRALING

 Niet iedereen die kijken kan, kan ook werkelijk zien! Just Havelaar

 Golflengten en frequenties

 We gaan nu een duikje nemen in de details van de elektromagnetische golven. Straling kunnen we zien als een op-en-neer golvend elektromagnetisch veld. De meest algemeen bekende eigenschappen van deze straling zijn trillingssnelheid (frequentie) en de golflengte. Een hoge[snel] trillingssnelheid (veel golven per seconde) gaat gepaard met een korte golflengte.

Een frequentie werkt met een lange[traag] golflengte.

 In de volgende tekening, uit Wikipedia, is te zien dat een golflengte gemeten wordt van de ene golftop tot de andere, precies zoals we dat bij op zee zouden doen. De hoogte van een golftop (en de diepte van een dal), dus vanaf de onderbroken lijn naar boven (of naar beneden), noemt men de amplitude; dat is een maat voor de intensiteit van de golf. Hoe hoger de golf, hoe groter de intensiteit. Zo werkt het ook bij geluidsgolven: hoe groter de amplitude, hoe harder het geluid.