Na klachten van een oud lid wil ik op de valreep nog iets nuttigs posten:
Lang kon men de theoretische fysica indelen in twee diciplines: de quantum mechanica , de wereld van de elementaire deeltjes, en de algemene relativiteits theorie van Einstein, de theorie die de wereld in het groot beschrijft. Beiden theorieen zijn extreem goed getest. De quantum theorie verklaart bijvoorbeeld de stationaire toestanden van het waterstof atoom. Later werd de 'klassieke' quantum theorie uitgebreid tot het zogenaamde standaard model (Albus and Salam). Dit model beschrijft de electro-magnetische wisselwerkingen en de zwakke kernkracht, de wisselwerking die het verval van een neutron beschrijft. Probeert men ook de sterke kernkracht te koppelen aan het standaard model( een zgn. 'grand unified theory'), dan ontstaan er serieuse problemen. Het standaard model was renormaliseerbaar, dat wil zeggen dat vervelende anomalieen wiskunde weggewerkt konden worden. De sterke kernkracht is verantwoordelijk voor de binding van de nucleoren (protonen en neutronen ) in de kern. Lang dacht men dat mesonen de 'dragers' van deze kracht waren, net zoals het foton(1) de drager van de electro-magnetische kracht is en (vector) bosonen(3) die voor de zwakke kernkracht. Het bleek echter dat de gluonen(6) de dragers van de sterke kernkracht zijn. Deze ijk deeltjes binden de quarks . Zo is een proton opgebouwd uit 3 quarks. De theorie van sterke kernkracht wordt beschreven door de quantum chromo-dynamica. Het gluon ijk deeltjes bezit echter andere eigenschappen dan bijvoorbeeld het ijk deeltje foton. Zo voelt het gluon zijn eigen veld. Een foton daarentegen heeft geen lading en voelt dus niet zijn eigen veld. We noemen zo'n veld een niet-Abels veld. Nu leverde deze nieuwe theorie een aanzienlijk aantal problemen( in de jaren 70). Zeker wanneer deze theorie wordt gekoppeld aan het standaard model. Zo kon de massa van de elementaire deeltjes alleen verklaard worden wanneer er een nieuw veld werd ingevoerd: het Higgs veld. Dit zgn. Higgs mechanisme werkt uitstekend. Echter het bijbehorende Higgs-boson deeltje is nog niet in verstrooingsproeven aangetoond. Men hoopt in 2004, wanneer de LHC (Large Hadron Collider) in Cern operationeel wordt, dit deeltje aan te tonen. Verder bleek deze theorie alleen renormaliseerbaar wanneer de theorie werd geformuleerd met het zgn Yang-Mills veld. t'Hooft en Veldman kregen voor deze ontdekking de nobel prijs! Nu is deze nieuwe theorie alles behalve compleet en sluitend. Ten eerste voorspelt de theorie een aantal nieuwe elementaire deeltjes die aangetoond dienen te worden. Ten tweede blijkt het proton niet stabiel te zijn. Ook dit moet experimenteel aangetoond worden. Ten derde voorspelt de theorie zgn. magnetische monopolen. Dit fenomeen werd door Dirac in 1930 al voorspeld! Door de introductie van het Yang-Mills veld vervalt in feite het onderscheid tussen het electrische en magnetische veld: in de theorie van Maxwell bestaat het magnetische veld allen per gratie van bewegende lading en niet omgekeerd.
De algemene relativiteits theorie van Einstein is ook een uiterst nauwkeurige theorie. Het voorspelt kleine correcties op de bewegingen van de hemellichamen, het afbuigen van licht in het zwaartekrachtveld van bijvoorbeeld een ster (gravitatie lens) en het fenomeen gravitatie straling. Einstein zelf zag al in dat de vergelijkingen gelineairiseerd konden worden, waardoor er een golf vergelijking ontstond. Maar wat stellen deze golven voor? Kleine deeltjes, zoals bij lichtgolven de fotonen? Men noemt deze deeltjes gravitonen. Deze zijn direkt nog niet aangetoond. Indirekt wel: door gravitatie straling neemt de omloopstijd van een pulsar af (verlies van energie!). Men hoopt in 2010 deze gravitonen direkt aan te tonen met het LISA project. Drie satelieten in een baan om de aarde moeten gravitatie golven van de vorming van zwarte gaten aantonen. Een groot probleem is echter het volgende: deze golven planten zich voort in een ruimte die juist wordt beschreven door de vergelijkingen (niet gelineairiseerd) van Einstein! Immers, gravitatie is kromming van ruimte; anders gezegd: gravitatie is een metrisch verschijnsel. Dit lijkt op het probleem dat ook optreedt bij niet-Abelse quantum velden! Zou de gravitatie theorie toch gecombineerd kunnen worden met de GUT's? Jaren lang heeft men geprobeerd deze theorie te construeren (super-gravitatie theorie) Het resultaat was nihil: niet renormaliseerbaar. Men kan het probleem ook als volgt formuleren: de gravitatie theorie is een lage energie theorie in vergelijking met de quantum theorie. Dat wil zeggen op atomaire schaal: de zwaartekracht tussen twee protonen bijvoorbeeld is vele malen zwakker dan de kernkracht of coulombkracht tussen de protonen. Pas op zeer korte afstand gaat de zwaartekracht een rol spelen: de Planck-lengte, 10-34cm ! Er zijn wel een aantal successen van het combineren van beide theorieen. Wanneer men in de vergelijkingen van Einstein als massa term het quantum Higgs veld neemt, dan krijgt men in het resulterende kosmologisch model het zgn. inflationaire tijdperk: het heelal zette een korte tijd zeer sterk uit. Dit model is in goede overeenstemming met de waargenomen eigenschappen van het heelal. Een ander voorbeeld is de beschrijving van de wereld nabij een gebeurtenis-horizon van een zwart gat. Omdat de ruimte hier zo sterk gekromd is, komt de energie schaal van de gravitatie in de buurt van de quantum-mechanische energie schaal. Hawking was de eerste die quantum-mechanische aspecten van het zwarte gat beschreef (Hawking-straling). Als bij-product toonde hij ook aan dat de quantum-mechanica niet in staat is om de processen nabij de gebeurtenis horizon goed te beschrijven. Er treedt zgn. 'loss of quantum-coherency' op: nabij de horizon kan paar-productie optreden (bijvoorbeeld een electron-positron paar); valt het ene deeltje in het zwarte gat, dan is er geen informatie uitwisseling meer mogelijk met zijn antideeltje. De quanum-mechanica stelt echter dat quantum systeem (deeltje-antideeltje) altijd een coherent geheel blijft. Ze 'weten van elkaar' welke quantum eigenschappen ze hebben. Dit zgn. Bell-theorema is getest in laboratoria. Stel dat een electron-anti-electron paar uit elkaar beweegt en op zekere tijd zeer ver van elkaar zijn verwijderd. Stel dat de totale spin 0 is (spin=draaizin en is een quantum-mechanische eigenschap). Meet men de draaizin van het electron (bijvoorbeeld +1/2), dat 'weet' het electron instantaan dat zijn draaizin -1/2 moet zijn. Informatie kan dus sneller dan het licht gaan!! Men zegt dan ook dat de quantum-mechanica 'scheurtjes' vertoont. Het zelfde gebeurt bij de gravitatie theorie, wanneer het Higgs veld wordt meegenomen bij de beschrijving van een compact object (bijvoorbeeld een cilindervormig object). Dan krijgt zo'n object ook exotische kenmerken: het kan als tijd-machine fungeren(Gott's time-machine).
Men kan uit het voorgaande concluderen dat de quantum-mechanica nog geen complete theorie is en de gravitatie theorie alleen een lage energie beschrijving toelaat. Veel kennis omtrend dit gebrek zou ontfutseld kunnen worden aan de processen nabij een gebeurtenis horizon. In 2015(!!) wordt een gigantische X-ray interferometer gelanceerd (MAXIM) om de gebeurtenis horizon van een zwart gat te kunnen bestuderen. Het oplossend vermogen moet 10-7arc sec worden (vergelijk HUBBLE: 0,5 arc sec).
Er is een nieuwe stroming in de theoretische fysica ontstaan die beweert dat superstring theorie de oplossing is van al de problemen is. Deze zeer wiskundige theorie beschijft elementaire deeltjed niet als puntdeeltjes, maar als snaartjes. Bovendien lukt de beschrijving alleen in een 11-dimensionale wereld! Het zal duidelijk zijn dat vele fysici sceptisch hier tegenover staan. De bekendste aanhanger van deze string theorie is Edward Witten. Er zijn echter ook bekende fysici (o.a.'t Hooft) die beweren dat we nog steeds niet de correcte theorie hebben. Een gedachte die hierbij een rol speelt is de volgende: is de ruimte zelf niet gequantiseerd. Immers, wanneer er gravitonen bestaan, dan moeten er ook quantum eigenschappen zijn voor de metriek zelf!. Men komt zo in de wereld van de quantum-kosmologie. De inzichten van de quantum-mechanica toegepast op het heelal zelf.
Je zal het maar net vergeten zijn. Moge het van nut zijn voor iemand.
Eerste beste voetbalkenner binnen BoF![b]Winnaar van de Band of FOK!kers Michael Rasmussen Award[/b]
Alpe d'Huez (1:16), Col du Telegraphe (0:56) & Col du Galibier (1:20)