Post on 04-Jul-2015
description
Zwarte gaten
Bestaan ze eigenlijk wel?
Marcel VonkOuderenkamp JWG
2 augustus 2014
Nature, 24 januari 2014
The Independent, 25 januari 2014
Smithsonian, 24 januari 2014
New Republic, 31 januari 2014
arXiv.org, 22 januari 2014
arXiv.org, 22 januari 2014
8/83
Inhoud
1. Zwaartekracht
2. Zwarte gaten
3. De horizon
4. De informatieparadox
5. Hawkings suggestie
6. Hoe nu verder?
1. Zwaartekracht
10/83
Zwaartekracht
Isaac Newton (1642-1727):
11/83
Zwaartekracht
Isaac Newton (1642-1727):
12/83
Zwaartekracht
Isaac Newton (1642-1727):
Universele kracht!
13/83
Zwaartekracht
Isaac Newton (1642-1727):
Universele kracht!
F =G M m
r2
14/83
Zwaartekracht
F =G M m
r2
Zwaarte-
kracht
15/83
Zwaartekracht
F =G M m
r2
Zwaarte-
kracht
Massa
16/83
Zwaartekracht
F =G M m
r2
Zwaarte-
kracht
Massa
Massa
17/83
Zwaartekracht
F =G M m
r2
Zwaarte-
kracht
Massa
Massa
Afstand
18/83
Zwaartekracht
F =G M m
r2
Zwaarte-
kracht
Constante van Newton
(6,67385 x 10-11)
Massa
Massa
Afstand
19/83
Zwaartekracht
Belangrijk voor ons verhaal: zwaartekracht
wordt groter als
1) De aantrekkende massa groter wordt,
2) De afstand tot die massa kleiner wordt
F =G M m
r2
20/83
Zwaartekracht
Belangrijk voor ons verhaal: zwaartekracht
wordt groter als
1) De aantrekkende massa groter wordt,
2) De afstand tot die massa kleiner wordt
Een hemellichaam heeft dus een heel
sterke zwaartekracht als het
1) Heel zwaar is, en/of
2) Heel klein is.
2. Zwarte Gaten
22/83
Zwarte gaten
Ole Rømer (1644-1710) toonde in 1676 alseerste aan dat licht niet oneindig snel beweegt.
23/83
Zwarte gaten
Ole Rømer (1644-1710) toonde in 1676 alseerste aan dat licht niet oneindig snel beweegt.
220.000 km/s
24/83
Zwarte gaten
Ole Rømer (1644-1710) toonde in 1676 alseerste aan dat licht niet oneindig snel beweegt.
220.000 km/s
300.000 km/s
25/83
Zwarte gaten
Sterren en planeten hebben een
ontsnappingssnelheid:
< 11,2 km/s
26/83
Zwarte gaten
Sterren en planeten hebben een
ontsnappingssnelheid:
< 11,2 km/s > 11,2 km/s
27/83
Zwarte gaten
Kunnen we een object maken dat zo klein
en zwaar is dat licht niet kan ontsnappen?
< 300.000 km/s > 300.000 km/s
28/83
Zwarte gaten
Kunnen we een object maken dat zo klein
en zwaar is dat licht niet kan ontsnappen?
< 300.000 km/s > 300.000 km/s
29/83
Zwarte gaten
Het idee van zo’n “zwarte ster” werd al in
1783 door John Michell geopperd, en in
1796 door Pierre-Simon Laplace
uitgewerkt.
30/83
Zwarte gaten
Maar… heeft licht wel een massa?
F =G M m
r2
31/83
Zwarte gaten
Laplace verwijderde zijn idee voor de
zekerheid uit de latere drukken van zijn
boek.
32/83
Zwarte gaten
Pas in 1905 ontdekte Albert Einstein twee
cruciale dingen:
1) Licht heeft wel degelijk een massa,
2) Niets beweegt sneller dan het licht!
E = mc2
33/83
Zwarte gaten
Zwarte gaten kunnen dus niet alleen
bestaan…
< 300.000 km/s > 300.000 km/s
34/83
Zwarte gaten
Zwarte gaten kunnen dus niet alleen
bestaan…
…er kan ook helemaal niets aan
ontsnappen!
< 300.000 km/s > 300.000 km/s
35/83
Zwarte gaten
Iets preciezer: elk zwart gat heeft een
horizon, van waarachter niets kan
ontsnappen.
3. De horizon
37/83
De horizon
Einstein verfijnde het begrip van een
horizon van een zwart gat nog iets verder.
Ruimte en tijd zijn (letterlijk) rekbare
begrippen!
38/83
De horizon
Een zwart gat is een soort stofzuiger, die
de ruimtetijd heel snel naar binnen zuigt.
39/83
De horizon
Op een gegeven moment kun je daar niet
meer tegenop rennen, zelfs niet als je met
de lichtsnelheid beweegt.
40/83
De horizon
Dit “point of no return” heet de schijnbare
horizon (“apparent horizon”)
41/83
De horizon
Maar er is een tweede keuze voor wat je
de “horizon” zou kunnen noemen.
Het zwarte gat groeit in de loop van de tijd.
Daardoor zou het kunnen dat je nu nog wel
naar buiten kunt bewegen, maar dat de
“band steeds sneller gaat lopen”.
42/83
De horizon
Als je te dichtbij bent kan het zwarte gat je
dus later alsnog onherroepelijk opslokken.
43/83
De horizon
Deze (iets grotere) horizon heet de
waarnemingshorizon (“event horizon”).
44/83
De horizon
Kortom:
• De schijnbare horizon is de grens vanaf
waar je nu niet naar buiten kunt.
• De waarnemingshorizon is de grens
vanaf waar je nooit zult kunnen
ontsnappen.
De waarnemingshorizon lijkt groter te zijn:
als je nu al niet kunt ontsnappen wordt dat
in de toekomst alleen maar erger.
45/83
De horizon
Maar… Hawking zegt nu: een zwart gat
heeft wel een schijnbare horizon (je kunt
nu niet naar buiten), maar geen
waarnemingshorizon (je kunt later wel naar
buiten).
46/83
De horizon
Maar… Hawking zegt nu: een zwart gat
heeft wel een schijnbare horizon (je kunt
nu niet naar buiten), maar geen
waarnemingshorizon (je kunt later wel naar
buiten).
HOE KAN DAT ???
4. De informatieparadox
48/83
De informatieparadox
Er ontstaat een paradox als we proberen
Einsteins beeld te combineren met de
quantummechanica.
49/83
De informatieparadox
In 1974 toonde Stephen Hawking aan dat
zwarte gaten toch straling kunnen
uitzenden.
50/83
De informatieparadox
Deze straling ontstaat door random-
effecten, en is daardoor thermisch.
51/83
De informatieparadox
Als een zwart gat ontstaat en weer
verdampt lijkt er dus informatie verloren te
gaan.
52/83
De informatieparadox
Als een zwart gat ontstaat en weer
verdampt lijkt er dus informatie verloren te
gaan.
53/83
De informatieparadox
We zijn in de natuurkunde gewend dat we
niet alleen vooruit kunnen rekenen…
54/83
De informatieparadox
…maar ook achteruit.
55/83
De informatieparadox
Ook in de quantummechanica is dit een
fundamenteel principe.
Hoe kunnen we voor zwarte gaten uit
allerlei verschillende begintoestanden dan
precies dezelfde eindtoestand krijgen?
Informatieparadox!
56/83
De informatieparadox
Drie mogelijkheden:
1) Informatie gaat verloren
2) De straling bevat toch informatie
3) Informatie blijft achter (“remnants”)
Hawking zette zijn geld op optie 1…
57/83
De informatieparadox
…maar gaf de weddenschap in 2004 op.
58/83
De informatieparadox
In 1998 verscheen er een baanbrekend
artikel van de Argentijn Juan Maldacena.
59/83
De informatieparadox
Maldacena liet zien dat er een dualiteit
bestaat tussen zwaartekrachtstheorieën en
theorieën zonder zwaartekracht.
+
60/83
De informatieparadox
Maldacena liet zien dat er een dualiteit
bestaat tussen zwaartekrachtstheorieën en
theorieën zonder zwaartekracht.
+
3 dimensies 2 dimensies
61/83
De informatieparadox
Deze dualiteit staat daarom bekend als
holografie.
62/83
De informatieparadox
De duale theorie wordt beschreven met
gewone quantummechanica – er gaat dus
geen informatie verloren.
+
3 dimensies 2 dimensies
63/83
De informatieparadox
In 2004 was het idee van Maldacena
voldoende gecontroleerd, en gaf Hawking
de weddenschap op.
Maar hoe kunnen we begrijpen dat het
zwarte gat geen informatie vernietigt?
64/83
De informatieparadox
Drie mogelijkheden:
1) Informatie gaat verloren
2) De straling bevat toch informatie
3) Informatie blijft achter (“remnants”)
Hawking kiest tegenwoordig
voor optie 2. In zijn nieuwe
artikel geeft hij hier argumenten
voor.
5. Hawkings suggestie
66/83
Hawkings suggestie
In quantumtheorieën speelt onzekerheid
een grote rol. Processen worden
beschreven door fundamentele
kansverdelingen.
67/83
Hawkings suggestie
Kortom: processen in de
quantummechanica zijn heel “fuzzy”.
68/83
Hawkings suggestie
Zolang we de uitkomsten niet waarnemen
is dat niet alleen op kleine schaal zo, maar
ook op grote schaal.
69/83
Hawkings suggestie
Ook de ruimtetijd binnen een zwart gat kan
dus wel eens een chaotische “fuzzy
ruimtetijd” zijn.
70/83
Hawkings suggestie
Ook de ruimtetijd binnen een zwart gat kan
dus wel eens een chaotische “fuzzy
ruimtetijd” zijn.
71/83
Hawkings suggestie
Het kan dus heel lang heel moeilijk zijn om
aan het zwarte gat te ontsnappen: er is wel
degelijk een schijnbare horizon.
72/83
Hawkings suggestie
Maar: uiteindelijk verdampt het zwarte gat,
en wordt de kluwen “ontward”. Er is dus
geen waarnemingshorizon.
73/83
Hawkings suggestie
Kortom: alles verlaat na heel lange tijd het
zwarte gat weer. In die zin “bestaan zwarte
gaten dus niet”: er is wel een schijnbare
horizon, maar geen waarnemingshorizon.
74/83
Hawkings suggestie
Doordat de binnenkant van een zwart gat
zo chaotisch is, is niet te voorspellen wat er
wanneer en hoe uit zal komen. Daarom lijkt
de straling thermisch.
75/83
Hawkings suggestie
Hawking vergelijkt dit met het voorspellen
van het weer.
76/83
Hawkings suggestie
Hawking vergelijkt dit met het voorspellen
van het weer.
6. Hoe nu verder?
78/83
Hoe nu verder?
Zie hier het hele artikel van Hawking:
79/83
Hoe nu verder?
Kortom: een interessant idee,
maar het zal nog veel kwalita-
tiever gemaakt moeten worden.
• Hoe maken we de details precies?
• Wat kunnen we uitrekenen?
• Wat kunnen we voorspellen?
• Welke verschillen zijn er met andere
ideeën?
80/83
Hoe nu verder?
Bovendien is dit beslist niet het enige idee!
(…al is Hawking natuurlijk wel een expert
op dit gebied…)
81/83
Hoe nu verder?
De definitieve oplossing van de
informatieparadox laat dus nog even op
zich wachten…
82/83
Hoe nu verder?
…maar dat levert voorlopig weer nieuwe
stof op voor volgende praatjes!
…wordt vervolgd…