09-11-2008
Donkere materie: velden en volume
Al 75 jaar blijken de waargenomen snelheden van sterren en spiraalstelsels niet overeen te stemmen met de berekende waarden op grond van de natuurkundige theorieën. Want om de een of andere onnaspeurbare reden "trokken" deze sterren harder aan elkaar dan op grond van hun massa’s werd verwacht. De enige verklaring voor dit verschil lijkt te zijn dat het theoretische kader waarop de berekeningen zijn gebaseerd niet voldoende aansluit bij met de natuurkundige werkelijkheid.
Sterrenkundigen kwamen op basis van de gemeten afbuiging van elektromagnetische straling van achterliggende stralingsbronnen bij spiraalstelsels tot de conclusie dat de diameter van het volume “donkere materie” rond deze stelsels tot wel het tienvoudige van de diameter van het eigenlijke spiraalstelsel kan bedragen. De onderstaande afbeelding geeft een impressie.
De waargenomen snelheid van de sterren aan de rand van een spiraalstelsel ligt veel hoger dan de berekende snelheid. En dat terwijl dezelfde berekeningen merkwaardigerwijs wel in overeenstemming zijn met de waargenomen snelheden van de planeten die hun rondjes draaien rond onze zon. De waargenomen bewegingen van de sterren nabij onze zon blijken daar echter weer van af te wijken, zoals Jan Hendrik Oort indertijd al constateerde.
De gemeten snelheden van de sterren in de buitenste regionen van het spiraalstelsel lijken er op te wijzen dat een spiraalstelsel in zijn geheel roteert als een eenheid, als een soort van massieve discus. En niet als een verzameling losse hemellichamen rond een zware kern die bijeengehouden wordt door de wet van de zwaartekracht, c.q. het gevolg is van de lokaal gekromde ruimte onder invloed van de respectievelijke massa’s.
Als wij dit goed tot ons door laten dringen, dan slaat de verbijstering toe. Want of wij nu Newtons zwaartekrachttheorie toepassen of de gekromde ruimte uit de algemene relativiteitstheorie van Einstein; de hierboven beschreven situatie is onverklaarbaar en geeft aanleiding om serieus te onderzoeken of er niet iets mis kan zijn met onze natuurkundige modellen van de werkelijkheid.
Het beeld van de werkelijkheid
Voor een eeuw terug werd het denken over de natuurkundige werkelijkheid nog sterk gekleurd door de wijze waarop wij onze omgeving – zoals wij deze zintuiglijk ervaren – projecteren op de voorstelling die wij ons maken van de werkelijkheid. Maar met de intrede van de moderne fysica ontstond het besef dat ons alledaagse voorstellingsvermogen niet zondermeer toepasbaar is op de gebeurtenissen binnen de microkosmos.
Had men eerst nog het beeld voor ogen van een heelal dat bestond uit een enorme zwarte leegte met hier en daar een eenzame ster, al snel was men zich er van bewust van het feit dat deze leegte maar schijn is en dat zowel ruimte als materie beiden facetten zijn van de overal in het heelal aanwezige energie. Experimenten met deeltjesversnellers toonden feilloos aan dat de veronderstelde equivalentie van massa en energie niet alleen een elegante hypothese was maar ook een onweerlegbare realiteit.
Met de ontwikkeling van de kwantummechanica kwam het beeld van de werkelijkheid nog verder van de dagelijkse zintuiglijke realiteit af te staan. Energie bleek alleen beschikbaar in minuscule pakketjes en een wijziging binnen het elektromagnetisch krachtveld betekende in theorie een wijziging in te houden van het totale heelal. En de kwantumvelden bleken uiteindelijk verantwoordelijk voor het bestaan van materie binnen de natuurkundige werkelijkheid en niet de voorstelling die men zo lang voor ogen had: deeltjes zijn de dragers van krachten en velden.
Op dit moment bestaat er geen “theorie van alles” en dat heeft als consequentie dat verschillende theorieën toegepast kunnen worden ondanks het feit dat de ene theorie de denkbeelden achter de andere theorie kan uitsluiten. En dat lijkt voor een buitenstaander een “onwetenschappelijke situatie” maar zolang er geen eenduidigheid bestaat over de status van de verschillende theorieën is het ook onmogelijk om aan te geven welke theorie nu goed of fout is. Dit betekent in de praktijk dat een onderzoeker vooral dat theoretische kader toepast waarmee hij of zij denkt een stapje verder te kunnen komen met het eigen onderzoek. En dat deze keuzevrijheid wel eens kan resulteren in aannames die achteraf niet juist blijken, is daarbij een risico dat wordt genomen.
Deze “keuzevrijheid” bestaat helaas niet ten aanzien van het onderwerp “donkere materie” omdat sterrenkundigen al 75 jaar lang van alles en nog wat hebben geprobeerd. Het toepassen van al deze theorieën – inclusief de varianten – hebben tot nu toe niet tot een oplossing van het mysterie geleid.
Velden
In de beide bovenstaande afbeeldingen staan 2 type velden weergegeven. Een veld dat alleen een waarde aangeeft (de hoogte van de temperatuur) en een veld dat niet alleen een waarde, maar tegelijkertijd ook een richting aangeeft (de sterkte en richting van de luchtstroming). In beide gevallen betreft het de luchtlaag vlak boven het oppervlak van Nederland en een veld is dus geen imaginaire constructie maar een fysieke werkelijk. En deze werkelijkheid is hier geregistreerd op basis van metingen die de lokale verschillen binnen het veld vastleggen ten aanzien van één of meer kenmerken op een bepaald tijdstip.
De beide weerkaarten hadden tot doel om het begrip “veld” te verduidelijken. Want als de huidige problemen met het verklaren van de afwijkingen tussen waargenomen baansnelheden en berekende baansnelheden alles te maken hebben met het zwaartekrachtveld, dan spreekt het voor zich dat wij in het nu volgende eerst gaan proberen te begrijpen hoe de verschillende krachtvelden functioneren. Want – hoe wij ook wenden of keren – het theoretisch kader van de kwantumveldtheorie is de enige serieuze benadering van het probleem om de herkomst van de “donkere materie” op te lossen.
Het natuurkundig onderzoek heeft langs directe en indirecte weg vastgesteld dat in het heelal 3 primaire velden aanwezig zijn die het gehele heelal doordringen.
Deze 3 velden zijn:
· het Higgsveld;
· het elektromagnetisch veld;
· het zwaartekrachtveld.
Deze 3 krachtvelden zijn verantwoordelijk voor al die verschijnselen die o.a. beschreven worden in het Standaardmodel van deeltjes (zie Donkere Materie - Beschouwing en stand van zaken) en de eigenschappen van deze respectievelijke krachtvelden zijn:
· het Higgsveld is een scalair veld (zie bovenstaande afbeelding links);
· het elektromagnetisch veld is zowel een scalair veld als een vector veld (zie afb. rechts);
· het zwaartekrachtveld is eveneens een scalair - en een vector veld.
Waarom de 3 primaire velden deze eigenschappen bezitten, is onbekend. De fysica is ook niet op de hoogte van het “fysieke uiterlijk” van deze velden want de 3 primaire velden kunnen niet direct worden waargenomen. Het bestaan van deze velden komt direct – en indirect – tot uiting in het gedrag van de natuurkundige fenomenen (zoals krachtvoerende en massavoerende deeltjes) en in zekere zin zijn deze velden dus “theoretisch afgeleide fenomenen” op basis van de waarnemingen aan andere natuurkundige fenomenen. Dat maakt het bestaan van deze velden niet minder reëel, maar het verduidelijkt waarom de fysica geen “foto’s” of directe metingen bezit van de 3 primaire velden.
Wij hebben echter wel een beter begrip nodig van de 3 primaire velden maar dit inzicht valt helaas niet te destilleren uit de bestaande natuurkundige publicaties omdat één van de grootste problemen binnen de hedendaagse fysica bestaat uit de integratie van de zwaartekracht binnen de kwantum theorie. Deze integratie is tot op heden niet gelukt alhoewel men al wel een hypothetisch intermediair deeltje verantwoordelijk heeft gesteld voor de koppeling van het zwaartekrachtveld aan het elektromagnetische veld: het graviton.
Concreet: wij worden dus gedwongen om zelf te proberen ons een “fysieke” voorstelling te maken van de werking van de 3 primaire velden. En dat gaan wij in het nu volgende dan ook doen.
Velden en volume
In de onderstaande afbeelding zijn de 3 primaire velden – het Higgsveld, het elektromagnetisch veld en het zwaartekrachtveld – afzonderlijk weergegeven en voor het onderscheid heeft ieder veld een eigen vlakvulling gekregen. Deze respectievelijke vlakvulling heeft geen enkele relatie met de werkelijkheid, ook niet op een abstracter niveau.
Beschouwen wij ieder veld afzonderlijk dan mogen wij concluderen dat ieder veld een zeker volume in moet nemen. Want het is moeilijk voorstelbaar dat de 3 primaire velden alle natuurkundige fenomenen vormen in de ruimte zonder zelf enig volume in te nemen. Ook mogen wij de gevolgtrekking maken dat buiten de 3 primaire velden geen ander volume aanwezig is omdat een 4de – de gehele ruimte doordringend – veld in strijd zou zijn met alle waarnemingen.
Wij zouden dan op basis van het voorgaande simpelweg kunnen schrijven:
VH + Ve + Vz = VHeelal
In het bovenstaande figuur geeft de middelste afbeelding (Heelal) deze samenvoeging weer van de 3 primaire velden binnen één volume.
Ons model van het heelal als “drager” van de 3 primaire velden heeft hiermee natuurlijk nog geen enkel relatie verkregen met de bekende wisselwerkingen binnen de afzonderlijke velden en tussen de velden onderling. Het is bijvoorbeeld niet in te zien hoe dit “één volume model” kan leiden tot ook maar iets dat in de verste verten lijkt op een simpel natuurkundig fenomeen.
Velden en structuur
In de beide afbeeldingen van het KNMI zien wij een ruimtelijke variatie in de lokale sterkte van de respectievelijke velden. En proberen wij ons deze lokale verschillen in sterkte voor te stellen binnen een fysiek homogeen veld dan staan wij voor een onmogelijke taak. Het kenmerk van een fysiek homogeen veld is de volledige gelijkheid van kenmerken binnen het totale volume dat dit veld inneemt. De beide afbeeldingen van het KNMI laten echter zien dat dit geen realiteit kan zijn. Verschillen in sterkte (of richting) van een kenmerk binnen één veld is alleen mogelijk als dit veld een inwendige structuur bezit.
In het onderstaande figuur is dit toegepast en hebben de 3 primaire velden ieder een eigen structuur gekregen. En ook deze keer heeft de exacte vormgeving geen enkele relatie met de werkelijkheid. Het doel is alleen het creëren van een zichtbaar verschil.
Voegen wij in de bovenstaande figuur de 3 primaire velden weer bij elkaar dan worden wij deze keer geconfronteerd met de vraag of deze samenvoeging van de 3 velden met een individuele structuur eigenlijk wel mogelijk is. Want ondanks het feit dat er tegen de hiervoor gehanteerde logica weinig valt in te brengen, betekent dit nog niet dat wij daarom automatisch een werkend model van de 3 primaire velden hebben geconstrueerd.
Het probleem van de verschillende structuren van de 3 primaire velden is een fundamenteel vraagstuk en wij gaan daarom in het komende vervolg nauwgezet kijken of het mogelijk is om hier een eenduidig antwoord op te vinden.
(Astrostart)