140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

83
Zwarte gaten Bestaan ze eigenlijk wel? Marcel Vonk Ouderenkamp JWG 2 augustus 2014

description

Praatje op het JWG-Ouderenkamp, 2 augustus 2014. Over Stephen Hawkings recente opmerkingen over zwarte gaten, en wat die nu echt betekenen.

Transcript of 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

Page 1: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

Zwarte gaten

Bestaan ze eigenlijk wel?

Marcel VonkOuderenkamp JWG

2 augustus 2014

Page 2: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

Nature, 24 januari 2014

Page 3: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

The Independent, 25 januari 2014

Page 4: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

Smithsonian, 24 januari 2014

Page 5: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

New Republic, 31 januari 2014

Page 6: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

arXiv.org, 22 januari 2014

Page 7: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

arXiv.org, 22 januari 2014

Page 8: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

8/83

Inhoud

1. Zwaartekracht

2. Zwarte gaten

3. De horizon

4. De informatieparadox

5. Hawkings suggestie

6. Hoe nu verder?

Page 9: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

1. Zwaartekracht

Page 10: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

10/83

Zwaartekracht

Isaac Newton (1642-1727):

Page 11: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

11/83

Zwaartekracht

Isaac Newton (1642-1727):

Page 12: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

12/83

Zwaartekracht

Isaac Newton (1642-1727):

Universele kracht!

Page 13: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

13/83

Zwaartekracht

Isaac Newton (1642-1727):

Universele kracht!

F =G M m

r2

Page 14: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

14/83

Zwaartekracht

F =G M m

r2

Zwaarte-

kracht

Page 15: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

15/83

Zwaartekracht

F =G M m

r2

Zwaarte-

kracht

Massa

Page 16: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

16/83

Zwaartekracht

F =G M m

r2

Zwaarte-

kracht

Massa

Massa

Page 17: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

17/83

Zwaartekracht

F =G M m

r2

Zwaarte-

kracht

Massa

Massa

Afstand

Page 18: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

18/83

Zwaartekracht

F =G M m

r2

Zwaarte-

kracht

Constante van Newton

(6,67385 x 10-11)

Massa

Massa

Afstand

Page 19: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

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

Page 20: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

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.

Page 21: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

2. Zwarte Gaten

Page 22: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

22/83

Zwarte gaten

Ole Rømer (1644-1710) toonde in 1676 alseerste aan dat licht niet oneindig snel beweegt.

Page 23: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

23/83

Zwarte gaten

Ole Rømer (1644-1710) toonde in 1676 alseerste aan dat licht niet oneindig snel beweegt.

220.000 km/s

Page 24: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

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

Page 25: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

25/83

Zwarte gaten

Sterren en planeten hebben een

ontsnappingssnelheid:

< 11,2 km/s

Page 26: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

26/83

Zwarte gaten

Sterren en planeten hebben een

ontsnappingssnelheid:

< 11,2 km/s > 11,2 km/s

Page 27: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

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

Page 28: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

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

Page 29: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

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.

Page 30: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

30/83

Zwarte gaten

Maar… heeft licht wel een massa?

F =G M m

r2

Page 31: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

31/83

Zwarte gaten

Laplace verwijderde zijn idee voor de

zekerheid uit de latere drukken van zijn

boek.

Page 32: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

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

Page 33: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

33/83

Zwarte gaten

Zwarte gaten kunnen dus niet alleen

bestaan…

< 300.000 km/s > 300.000 km/s

Page 34: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

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

Page 35: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

35/83

Zwarte gaten

Iets preciezer: elk zwart gat heeft een

horizon, van waarachter niets kan

ontsnappen.

Page 36: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

3. De horizon

Page 37: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

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!

Page 38: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

38/83

De horizon

Een zwart gat is een soort stofzuiger, die

de ruimtetijd heel snel naar binnen zuigt.

Page 39: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

39/83

De horizon

Op een gegeven moment kun je daar niet

meer tegenop rennen, zelfs niet als je met

de lichtsnelheid beweegt.

Page 40: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

40/83

De horizon

Dit “point of no return” heet de schijnbare

horizon (“apparent horizon”)

Page 41: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

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”.

Page 42: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

42/83

De horizon

Als je te dichtbij bent kan het zwarte gat je

dus later alsnog onherroepelijk opslokken.

Page 43: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

43/83

De horizon

Deze (iets grotere) horizon heet de

waarnemingshorizon (“event horizon”).

Page 44: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

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.

Page 45: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

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).

Page 46: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

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 ???

Page 47: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

4. De informatieparadox

Page 48: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

48/83

De informatieparadox

Er ontstaat een paradox als we proberen

Einsteins beeld te combineren met de

quantummechanica.

Page 49: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

49/83

De informatieparadox

In 1974 toonde Stephen Hawking aan dat

zwarte gaten toch straling kunnen

uitzenden.

Page 50: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

50/83

De informatieparadox

Deze straling ontstaat door random-

effecten, en is daardoor thermisch.

Page 51: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

51/83

De informatieparadox

Als een zwart gat ontstaat en weer

verdampt lijkt er dus informatie verloren te

gaan.

Page 52: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

52/83

De informatieparadox

Als een zwart gat ontstaat en weer

verdampt lijkt er dus informatie verloren te

gaan.

Page 53: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

53/83

De informatieparadox

We zijn in de natuurkunde gewend dat we

niet alleen vooruit kunnen rekenen…

Page 54: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

54/83

De informatieparadox

…maar ook achteruit.

Page 55: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

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!

Page 56: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

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…

Page 57: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

57/83

De informatieparadox

…maar gaf de weddenschap in 2004 op.

Page 58: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

58/83

De informatieparadox

In 1998 verscheen er een baanbrekend

artikel van de Argentijn Juan Maldacena.

Page 59: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

59/83

De informatieparadox

Maldacena liet zien dat er een dualiteit

bestaat tussen zwaartekrachtstheorieën en

theorieën zonder zwaartekracht.

+

Page 60: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

60/83

De informatieparadox

Maldacena liet zien dat er een dualiteit

bestaat tussen zwaartekrachtstheorieën en

theorieën zonder zwaartekracht.

+

3 dimensies 2 dimensies

Page 61: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

61/83

De informatieparadox

Deze dualiteit staat daarom bekend als

holografie.

Page 62: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

62/83

De informatieparadox

De duale theorie wordt beschreven met

gewone quantummechanica – er gaat dus

geen informatie verloren.

+

3 dimensies 2 dimensies

Page 63: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

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?

Page 64: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

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.

Page 65: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

5. Hawkings suggestie

Page 66: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

66/83

Hawkings suggestie

In quantumtheorieën speelt onzekerheid

een grote rol. Processen worden

beschreven door fundamentele

kansverdelingen.

Page 67: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

67/83

Hawkings suggestie

Kortom: processen in de

quantummechanica zijn heel “fuzzy”.

Page 68: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

68/83

Hawkings suggestie

Zolang we de uitkomsten niet waarnemen

is dat niet alleen op kleine schaal zo, maar

ook op grote schaal.

Page 69: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

69/83

Hawkings suggestie

Ook de ruimtetijd binnen een zwart gat kan

dus wel eens een chaotische “fuzzy

ruimtetijd” zijn.

Page 70: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

70/83

Hawkings suggestie

Ook de ruimtetijd binnen een zwart gat kan

dus wel eens een chaotische “fuzzy

ruimtetijd” zijn.

Page 71: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

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.

Page 72: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

72/83

Hawkings suggestie

Maar: uiteindelijk verdampt het zwarte gat,

en wordt de kluwen “ontward”. Er is dus

geen waarnemingshorizon.

Page 73: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

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.

Page 74: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

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.

Page 75: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

75/83

Hawkings suggestie

Hawking vergelijkt dit met het voorspellen

van het weer.

Page 76: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

76/83

Hawkings suggestie

Hawking vergelijkt dit met het voorspellen

van het weer.

Page 77: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

6. Hoe nu verder?

Page 78: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

78/83

Hoe nu verder?

Zie hier het hele artikel van Hawking:

Page 79: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

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?

Page 80: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

80/83

Hoe nu verder?

Bovendien is dit beslist niet het enige idee!

(…al is Hawking natuurlijk wel een expert

op dit gebied…)

Page 81: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

81/83

Hoe nu verder?

De definitieve oplossing van de

informatieparadox laat dus nog even op

zich wachten…

Page 82: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

82/83

Hoe nu verder?

…maar dat levert voorlopig weer nieuwe

stof op voor volgende praatjes!

Page 83: 140801 Zwarte Gaten - Bestaan ze eigenlijk wel?

…wordt vervolgd…