Icon up Overzicht

Quantum zwarte gaten

Onderwerp: Quantumwereld

Van zwarte gaten heeft iedereen wel eens gehoord. "Een zwart gat is een bijzonder soort object in het heelal, waar als gevolg van het sterke zwaartekrachtsveld geen licht of materie kan ontsnappen," is wat Wikipedia ons vertelt. Maar dat is nog niet het hele verhaal. Zwarte gaten zijn namelijk zo zwart nog niet. Dat komt door een vreemde eigenschap van het vacuüm. Je zou denken dat vacuüm 'niks' is. Maar dat is niet zo: uit het ‘niks’ worden aan één stuk door deeltjes en antideeltjes gevormd die vervolgens weer snel verdwijnen, althans, tenzij er ééntje in een zwart gat valt.

Zwarte gaten

Wat een zwart gat precies is kun je prima uitgelegd krijgen op dit voorbeeld. In dit stukje zal ik ervan uitgaan dat je in ieder geval een vaag beeld hebt van wat een zwart gat is, maar meer dan dat hoeft ook niet. Vaak hoor je dat zwarte gaten zwart zijn, en ergens klinkt dat ook wel logisch. Maar als je je er wat meer in verdiept blijkt al snel dat zwarte gaten eigenlijk ‘grijs’ zijn. Ze slokken wel degelijk alles op maar er komen ook deeltjes uit! Wel altijd deeltjes van ‘hetzelfde soort’. Het maakt niet uit wat je in het zwarte gat hebt gegooid, of het nou een fles was waar nog statiegeld op zat (dat statiegeld kun je dan trouwens wel vergeten) of een tafel of een stoel, er komt altijd hetzelfde uit (zie animatie 1).

Animatie 1

Tja, zul je je afvragen, hoe kan dat eigenlijk? Zwarte gaten zijn toch van die zware sterren waar de ontsnappingssnelheid groter is dan de lichtsnelheid. En niks kan sneller dan het licht. Dus niks kan ontsnappen, zelfs licht niet. Hoe kunnen die deeltjes dan wèl ontsnappen?

Vacuüm is niet niks

Je zou zeggen dat als er niks is, dat er dan ook echt niks is. Maar onzekerheidsrelaties van de quantum mechanica vertelen ons dat dat niet kan. In de quantum mechanica is namelijk niks zeker, en als het vacuüm echt helemaal niks zou zijn, zou je zeker weten dat het niks is, maar aangezien je niks zeker kan weten, is vacuüm niet niks. Volg je het nog? De natuur lost dit probleem op een wonderbaarlijke manier op. Er worden constant paren deeltjes en antideeltjes uit het niks gevormd die snel weer verdwijnen door tegen elkaar aan te botsen (zie figuur 1). Zulke deeltjes heten 'virtuele deeltjes' zie hier een voorbeeld.

Figuur 1

Maar om op het verhaal van de zwarte gaten terug te komen: stel je voor dat er zo een deeltje-antideeltje paar wordt gevormd net naast een zwart gat. Het kan dan gebeuren dat het antideeltje het zwarte gat invalt, terwijl het deeltje de andere kant op gaat. Ze kunnen dan niet meer tegen elkaar aanbotsen en verdwijnen. Voor ons lijkt het er dan op of er een deeltje door het zwarte gat is uitgezonden (zie figuur 2).

Figuur 2

De massa van het zwarte gat neemt op deze manier af. Denk maar aan energiebehoud. Het deeltje wat onze kant op is gevlogen heeft een zekere energie en omdat energie behouden is moet het zwarte gat wel een zelfde hoeveelheid energie zijn kwijtgeraakt. Nu hebben we van Einstein geleerd dat energie via E = m c2 equivalent is aan massa. We zien dus dat een zwart gat op deze manier massa kwijtraakt. Stephen Hawking is degene die dit in 1975 bedacht heeft en het effect is naar hem vernoemd.

Animatie 2

Animatie 3

Quantum-zwarte-gaten

Waarom is het eigenlijk interessant om zwarte gaten te bestuderen? Daar zijn meerdere redenen voor. De belangrijkste is dat zwarte gaten zowel erg zwaar als erg klein zijn. Ze hebben dus een erg hoge dichtheid. Zelfs de hoogst mogelijke! Daarom kun je natuurkundige theorieën die je gebruikt om zwarte gaten te beschrijven ook gebruiken om de Big Bang te bestuderen. Toen was immers ook alle materie heel dicht op elkaar gepakt.

Voor de meeste verschijnselen in de natuur volstaat het om ofwel quantum mechanica ofwel relativiteitstheorie te gebruiken. Maar voor het bestuderen een zwart gat heb je allebei de theorieën tegelijk nodig. En dat brengt een lastig probleem met zich mee. Het punt is dat quantum mechanica en relativiteitstheorie elkaar niet zo mogen. Zodra je berekeningen gaat doen waarbij je allebei de theorieën tegelijk gebruikt, komt er steeds een vervelend 'oneindig' uit en daar heb je niks aan. Er is dus een nieuwe theorie - een theorie van 'quantum gravitatie' - nodig om verder te komen. Een mogelijke kandidaat voor zo een theorie is snaartheorie, zie hier een voorbeeld.