door David Harris
Don ‘ t stop me now
(Image: Ellinor Hall/Johner/Corbis)
een bal die in een vacuüm ronddraait, mag nooit vertragen, omdat er geen externe krachten op werken. Dat zou Newton tenminste gezegd hebben. Maar wat als het vacuüm zelf een soort wrijving creëert die de rem zet op draaiende objecten? Het effect, dat binnenkort waarneembaar is, kan inwerken op interstellaire stofkorrels.
in de kwantummechanica zegt het onzekerheidsbeginsel dat we nooit zeker kunnen zijn dat een schijnbaar vacuüm echt leeg is. In plaats daarvan bruist de ruimte van fotonen die constant in en uit het bestaan komen voordat ze direct kunnen worden gemeten. Hoewel ze slechts vluchtig lijken, oefenen deze “virtuele” fotonen dezelfde elektromagnetische krachten uit op de objecten die ze tegenkomen als normale fotonen.
advertentie
nu, Alejandro Manjavacas en F. Javier García de Abajo van het Instituut voor optica van de Spaanse Nationale Onderzoeksraad in Madrid zegt dat deze krachten moeten vertragen spinnen objecten. Net als een frontale botsing een grotere slag dan een tik tussen twee auto ‘ s achter elkaar, een virtueel foton raken van een object in de richting tegengesteld aan zijn spin botst met grotere kracht dan wanneer het raakt in dezelfde richting.
dus na verloop van tijd zal een draaiend object geleidelijk vertragen, zelfs als gelijke aantallen virtuele fotonen het van alle kanten bombarderen. De rotatie-energie die het verliest wordt vervolgens uitgezonden als reële, detecteerbare fotonen (Physical Review a, DOI: 10.1103/PhysRevA.82.063827).
de sterkte van het effect hangt af van de samenstelling en grootte van het object. Objecten waarvan de elektronische eigenschappen verhinderen dat ze gemakkelijk elektromagnetische golven absorberen, zoals goud, kunnen weinig of helemaal niet vertragen. Maar kleine deeltjes met een lage dichtheid, die minder draaimoment hebben, vertragen dramatisch.
de snelheid van vertraging is ook afhankelijk van de temperatuur, aangezien hoe warmer het is, hoe meer virtuele fotonen in en uit het bestaan komen, waardoor de wrijving ontstaat. Bij kamertemperatuur zou een grafietkorrel van 100 nanometer breed, het soort dat rijk is aan interstellair stof, ongeveer 10 jaar nodig hebben om te vertragen tot ongeveer een derde van zijn aanvankelijke snelheid. Bij 700 °C, een gemiddelde temperatuur voor hete gebieden van het heelal, zou dezelfde snelheidsdaling slechts 90 dagen duren. In de kou van de interstellaire ruimte zou het 2,7 miljoen jaar duren.
kan dit effect in het laboratorium worden getest? Manjavacas zegt dat het experiment zou vereisen een ultra-hoog vacuüm en hoge precisie lasers om de nanodeeltjes vangen, voorwaarden die “veeleisend, maar bereikbaar in de nabije toekomst”.John Pendry van het Imperial College in Londen noemt de analyse een “mooi stuk werk” en zegt dat het inzicht kan bieden in de vraag of kwantuminformatie ooit vernietigd wordt, bijvoorbeeld wanneer deze in een zwart gat valt. Hij zegt dat de echte fotonen die tijdens het vertragingsproces worden uitgestraald informatie moeten bevatten over de kwantumtoestand van het draaiende deeltje, net zoals de fotonen waarvan wordt gedacht dat ze uit zwarte gaten ontsnappen als Hawking-straling, informatie over de gaten coderen.
“Dit is een van de weinige elementaire processen die wat puur klassieke mechanische energie lijkt om te zetten in een sterk gecorreleerde kwantumtoestand,” zegt Pendry.
hoe boven een vacuüm te zweven
Houdini zou trots zijn. Het lijkt erop dat er een manier is om een object in een vacuüm te laten zweven door de kwantumfluctuaties te kanaliseren.
de truc heeft betrekking op het Casimir-effect, waarbij objecten die zeer dicht bij elkaar liggen, samen worden getrokken dankzij kwantumfluctuaties in het vacuüm tussen en om hen heen. Wanneer twee platen bijvoorbeeld steeds dichter bij elkaar worden gebracht, kunnen er minder schommelingen optreden in de spleet ertussen. De schommelingen aan de buitenzijde blijven echter normaal. Dit drukverschil aan weerszijden van de platen dwingt ze aan elkaar te plakken.In de afgelopen jaren hebben natuurkundigen geprobeerd manieren te ontwikkelen om het Casimir-effect om te keren en nabije objecten af te weren, waardoor ze zweven. Eerdere suggesties omvatten het invoegen van verschillende materialen tussen de objecten die moeten worden afgestoten – zoals exotische metamaterialen, die elektromagnetische golven buigen in de tegenovergestelde manier van de verwachte, omkeren van het Casimir-effect.Stanislav Maslovski en Mário Silveirinha van de Universiteit van Coimbra in Portugal schetsen een manier om objecten zonder vulmateriaal af te weren. Hun opstelling, beschreven in een paper te verschijnen in fysieke Review A, maakt gebruik van 40-nanometer-brede zilveren staven geplakt in een substraat als kaarsen op een taart.
de metalen” kaarsen ” kanaliseren de fluctuaties tussen hen en duwen alles wat daar geplaatst is weg. Dus als een geperforeerde metalen staaf werd neergelaten over de kaarsen, met een kaars steken door elk gat, de staaf moet drijven, afgestoten in alle richtingen door de kaarsen tussen en rond elk gat.
meer over deze onderwerpen:
- kosmologie
