Icon up Overzicht

Science fiction of science reality

Onderwerp: Overige onderwerpen, Quantumwereld, Relativiteitstheorie (vwo)

In dit artikel gaan we het hebben over science fiction en natuurkunde. Wie kent de films Star wars, Spaceballs, de series Star Trek en Battle Star Galactica niet? Hier in gebeuren de meest fantastische dingen, een greep uit de meest bijzondere verschijnselen: Ruimteschepen die sneller gaan dan het licht, de meest fantastische technologische wapens met bijbehorende geluiden. Om deze films en series geloofwaardiger te maken wordt vaak een greep gedaan uit geavanceerde wetenschap. Vaak legt één van de hoofdpersonen uit hoe een apparaat werkt met behulp van moeilijk technische termen.
Maar in hoeverre zijn deze verschijnselen die in de films te zien zijn science fiction? Lachte men 60 jaar geleden ook niet bij het idee van een draagbare computer?
Wat kan er werkelijkheid zijn in de films en wat blijft absoluut science fiction?

Tijdreizen

De improbability drive wordt uit gezet, het bolletje wol met de naalden er in verandert weer in een hyperspace ship. De verzuchting van één van de bemanningsleden: “So much for the laws of physics.” Deze scene komt uit “The hitchhiker's guide to the galaxy.”
Met behulp van improbability drive is er van de ene kant van het heelal naar de andere kant van het heelal gereisd en dat in een paar tellen!

Bekijk hier het filmpje over improbability drive op Youtube.

Ook in deze film wordt er weer getornd aan de wetten van de fysica en wordt er naar een degelijke oplossing gezocht om het reizen met hyperspeed enigszins fysisch verantwoord te laten lijken!
De improbability drive zou als volgt werken:
Dankzij de quantumtheorie is er een zeer grote kans dat je op een bepaalde plek bent, maar er is ook een zeer kleine kans om totaal ergens anders te zijn, bijvoorbeeld bij een planeet aan de andere kant van het sterrenstelsel. Als er een mogelijkheid zou zijn om het spaceship ergens anders te kunnen lokaliseren, zou het dus daar zijn, zonder de hele afstand af te leggen. Dit gebeurt dus met de improbability drive, alleen is de probability om er niet als een gewoon spaceship uit te zien erg groot, dit wordt weer recht getrokken wanneer de improbability drive wordt uitgeschakeld. Deze manier van reizen is hoogst onwaarschijnlijk (highly improbable)!!

Het reizen naar andere einden van het heelal zou stukken makkelijker gaan als we daar minder lang over zouden doen. Wat nog mooier is en waar je series over vol zou kunnen schrijven is tijdreizen. Er wordt dan ook niet geschroomd om massaal rond dit onderwerp scenario's te bedenken. Denk bijvoorbeeld eens aan back to the future. Met een auto terug in de tijd, of zelfs vooruit in de tijd om dan uiteindelijk de wereld voor zijn ondergang te behoeden. Veel spannender en misschien fysisch meer verantwoord is het om met een spaceship terug in de tijd te gaan.

Een van de mogelijkheden: een wormgat

Einstein zelf hield er al rekening mee dat tijdreizen niet onmogelijk was. De algemene relativiteitstheorie verbiedt het niet om terug in de tijd te reizen. Dertig jaar na het ontwikkelen van de relativiteitstheorie kwam K. Gödel met een wiskundige oplossing om te kunnen tijdreizen. Alleen dan voor een ronddraaiend niet uitdijend heelal, helaas. Maar wanneer we echt zouden willen tijdreizen, waar zouden onze kansen dan liggen? Of kunnen we het tijdreizen beter vergeten omdat het toch nooit mogelijk zal zijn?
Voordat we de mogelijkheden gaan bekijken voor het tijdreizen een typische paradox over tijdreizen. Omdat dit soort paradoxen bestaan geloven veel mensen dat het niet mogelijk is om terug in de tijd te gaan.
De volgende paradox om de geest te prikkelen: Wanneer je terugreist in de tijd en je vermoordt je moeder, zou je niet geboren worden en kan je dus de moord niet plegen, waardoor je geboren kan worden etc.

Gekromde ruimte en een wormgat

Een van de theorieën die bestaan is terug in de tijd te gaan met behulp van een wormgat (wellicht bekend van star trek!). Deze theorie luidt als volgt:
Einstein heeft met zijn algemene relativiteitstheorie aangetoond dat de ruimte wordt gekromd in de buurt van een zware planeet. Het lijkt alsof je een zware steen op een laken legt (Zie linkerfiguur hierboven).
Wanneer je naar de onderkant van de gekromde ruimte kijkt, lijkt het op een A4-tje die je dubbel vouwt (Zie rechterfiguur hierboven). Wanneer je aan de bovenkant van de ruimte een gat maakt en ook één aan de onderkant kan je er een rietje door steken. Zo ontstaat er een weg die velen malen korter is om van punt a naar punt b te komen.
De twee gaten met het rietje, dat een nieuwe weg vormt, wordt een wormgat genoemd. Hier zou je in theorie door heen kunnen reizen, op voorwaarde dat het wormgat stabiel is! Anders zou het wormgat direct verdwijnen. (Wormgaten kunnen alleen stabiel zijn door ze negatieve energie te voeren.)
Met het reizen door het wormgat verkorten we alleen de afstand tussen a en b, maar kunnen we nog niet door de tijd reizen. Maar stel je nu eens voor dat de ruimte waarop punt b zich bevindt naar links beweegt. En wel met een dusdanige snelheid dat relativistische effecten mee gaan spelen. (De tijd gaat langzamer wanneer je met relativistische snelheden beweegt) De klokken die zich bij b bevinden zullen langzamer lopen ten opzichte van de klokken die zich in de buurt van a bevinden. Wanneer de ruimte bij b weer terug beweegt naar zijn oorspronkelijke plaats en er opnieuw een wormgat ontstaat tussen a en b kan er vanuit a naar b gereisd worden, en wel terug in de tijd!

Teleporteren

Een tweede manier van fysisch transport in de vele verschillende science fiction films, is teleporteren.

Bekijk hier een filmpje over teleporteren in Star Trek op Youtube.

In de vele films staat een persoon op bijvoorbeeld een klein platform, vaak zie je wat groen licht en verdwijnt de persoon om op een andere plek weer te verschijnen. Laten we kijken hoe realistisch het teleporteren is. Dit doen we de aan de hand van gegevens die van de ene plaats naar de andere plaats geteleporteerd moeten worden.

Teleporteren

Een menselijk lichaam bestaat uit ongeveer 1028 atomen. Elk atoom dat geteleporteerd wordt moet precies op zijn oorspronkelijke plaats in het lichaam terug gezet worden. Anders verander je de oorspronkelijke hoedanigheid en dat kan grote gevolgen hebben. De informatie die een atoom bevat (x,y,z coordinaat, electronenconfiguratie en een tal nabij liggende atomen, vibratie) moet eerst opgeslagen worden en kan vervolgens op een andere plaats gerepliceerd worden. Wanneer we er vanuit gaan dat deze informatie 1 KB in beslag neemt, wat zeker niet veel is, dan hebben we een schijf nodig die een capaciteit heeft van 1028 KB = 1025 MB = 1022 GB. Vrij groot dus. Het is bekend dat er een eindige schrijfsnelheid is voor chips, het zal dus een tijd duren voordat we zoveel informatie kunnen wegschrijven als nodig is om de mensen in atomenconfiguratie te ontleden. Laat staan om te repliceren.

Bij het teleporteren van de mens zijn we ervan uitgegaan dat een mens alleen bestaat uit een lichaam en dat wanneer je ieder molecuul precies op dezelfde plek terug zet als waar het zat je een identieke mens krijgt. Velen zullen het niet eens zijn met deze gedachte, en zullen de van mening zijn, dat er verschil is tussen de plaats van moleculen in een cel en leven, maar dat is een zijstap.
Deze vorm van benadering ging voornamelijk over de kwantitatieve kant van het teleporteren. Laten we nu eens kijken naar de kwalitatieve kant van teleporteren. Wanneer we atomen los van elkaar gaan bestuderen is er altijd een onzekerheid volgens Heisenberg’s onzekerheidsprincipe, dat zegt dat we niet tegelijk exact de plaats en de snelheid (impuls) van een deeltje kunnen bepalen.

Wil je meer over het onzekerheidsprincipe van Heisenberg weten, kijk dan bij deze beknopte uitleg of kies voor de iets langere uitleg

Wanneer je de precieze plaats wilt weten van een atoom dan weet je niets van zijn snelheid. Wanneer je de plaats van een electron wilt bepalen door er een foton op te schieten weet je de plaats van het electron maar weet je niets van de energie van het electron. Naar de gevolgen van het Heisenberg principe voor teleporteren kunnen we alleen maar gissen. Gelukkig is er in de star trek serie over nagedacht door Heisenbergcompensatoren in te bouwen, alleen blijft hier de vraag hoe ze precies werken...

Bekijk hier een filmpje met teleporteren, de faser en wat andere sf dingen op Youtube

Communicatie met de lichtsnelheid

Een fysisch bijzonder aspect in star trek is “the long distance radar”. Wanneer de voyager met warp vijf (dit is 5x de lichtsnelheid!) door de ruimte zoeft, wordt er een bericht doorgegeven via de long distance radar. De boodschap is dat er een wormgat op een afstand van zes lichtjaar gevormd wordt en dat deze waarschijnlijk twee minuten lang open zal staan. Helaas kan deze boodschap, met de huidige technieken en kennis, alleen met de lichtsnelheid reizen. Het zal dus ruim vijf jaar duren wanneer de voyager stil staat om deze boodschap te onderscheppen.
Wanneer we verder redeneren op deze manier zal een bericht dat achter het schip verzonden wordt nooit aankomen wanneer het schip met een hogere snelheid dan de lichtsnelheid in dezelfde richting zou vliegen(het schip vliegt immers harder dan de boodschap zelf!).

 

Zoals in star wars te zien is wordt er met behulp van een soort hologram gecommuniceerd. Er wordt gepraat tegen een computer (bijvoorbeeld R2D2) en op een andere planeet, liefst in een ander zonnestelsel wordt er een hologram gemaakt die het beeld van de spreker weergeeft.
Bijzonder aan het gesprek tussen Annakin en Skywalker is dit: Skywalker ziet dat de homeplanet te ver weg is om mee te kunnen communiceren. Maar hij ziet in twee seconden dat Anakin een paar planeten verderop zit. De tijd tussen het opzoeken van Anakin en het vinden van hem is niet groot. Skywalker ziet in dezelfde tijd hoe ver de homeplanet is, als hoe ver Anakin is. Maar de informatie die het vergt om de afstand te bepalen reist met de lichtsnelheid, alweer, en dus zou dit inhouden dat de planeten niet ver weg zouden staan.

De tijdsspanne van de science fiction films en series laten wat te wensen over, maar een serie, waarin je een maand moet wachten voordat een boodschap is doorgegeven, is niet bijster interessant. Tenzij we een nieuwe manier van communiceren vinden die sneller zou gaan dan de lichtsnelheid zijn de geschetste situaties onmogelijk.

Kaboem

De verschillende wapens die in de science fiction worden gebruikt zijn op zich al bijzonder. Vaak gaat vuren gepaard met een rode lichtstreep door de ruimte. Bij de faser is de munitie zelfs een rode lichtstraal. Maar nog bijzonderder is het ontwijken van de faser. Menigeen heeft het overleefd door de straal van de faser te ontwijken, maar hoe? Wanneer de faser schiet met de lichtsnelheid kan deze niet worden ontweken: Het moment dat je ziet dat de trekker wordt overgehaald is namelijk het moment dat de faser je raakt, beide gebeurtenissen reizen met de lichtsnelheid.

Het volledig uitvagen van een planeet zoals met de aarde gebeurt in 'the hitchicker's guide to the galaxy' is een punt om over na te denken. (De aarde wordt weggevaagd omdat er een soort snelweg gebouwd moet worden en de aarde in de weg ligt). Helaas bestaat er geen uitleg over wapens die hier gebruikt worden, wat bij star trek wel het geval is. Maar wanneer we zien dat er geen enkel stukje aarde overblijft zou dit betekenen dat er voor ieder stukje materie een stukje antimaterie erop geschoten moet zijn. De energie die bij het wegvagen van de aarde gepaard zou gaan is onvoorstelbaar. Aan jullie de eer om dit eenvoudige rekensommetje te maken (Denk aan E=mc2 met m twee keer de massa van de aarde!!).

Om af te sluiten met een fysisch onverantwoord verschijnsel in de science fiction: geluid. Al in de 17e eeuw was het bekend dat geluid een medium nodig heeft om zich voort te kunnen planten. Maar nog steeds worden er gigantische explosies in de ruimte, door het opblazen van een spaceship met hightech wapens(waar we helaas niet verder op ingaan), direct gevolgd door een keihard knal. Vaak zit er geen tijdsverschil tussen het zien van de explosie en de knal. Wanneer geluid zich voort zou kunnen planten, door enige aanwezigheid van een medium in de ruimte, dan zou dit bovendien met een veel kleinere snelheid gaan dan in lucht, dus zeker een veel kleinere snelheid dan de lichtsnelheid.

Heerser van het heelal?

Een van de grootste punten waarom gevochten wordt is heerser worden van het heelal of een deel van het heelal. Maar wanneer we kijken naar de eisen die gesteld worden voor leven: Vloeibaar water, zuurstof, ster op bepaalde afstand etc. dan is het maar de vraag of er uberhaupt buitenaards leven is. Als het zou bestaan dan zouden de grootste problemen de communicatie en het reizen zelf zijn. Communicatie gaat altijd nog maar met de lichtsnelheid. En wil je een beetje afstand afleggen dan moet je toch met een snelheid rond de lichtsnelheid reizen. (300.000.000 m/s) Helaas kunnen wij als mens maar een versnelling van 3.g (zo’n 30 m/s2) aan. Aan jullie om te berekenen hoe lang je er over doet om met een snelheid van 80% van de lichtsnelheid te reizen!

Toch blijft het leuk om naar science fiction te kijken en af en toe zitten er toepassingen bij die in de wetenschap nu ook worden verwezenlijkt!!!