18    Ruimte

De beleving van ruimte in de omgeving
Ronald Hamel
- 2 reacties

Notities over publieke ruimte
Rudi Visker

Stedenbouw en staatscontrole
Joost Lauppe

Between différance and hyper-reality
Mark van Ostaijen
- 4 reacties

Space – the final frontier
Jan de Boer
- 2 reacties

Ruimte en feng shui
Nina Elshof
- 1 reactie

Flatland
Sebastiaan Eliëns
- 2 reacties

Het zien en afbeelden van de ruimte
Bruno Ernst

Column: Verwondering over sciencefiction
Jürgen Snoeren
- 4 reacties

colofon  issn 1879-8144  24 november 2008

Alle edities   Vakgebieden            
English   Over Blind       Vacatures
Volg ons:               
© 2004–2019 Blind    disclaimer   cookies

 

BLIND
18
 online interdisciplinair tijdschrift  
BLIND 18
alle edities      



zoeken + vakgebieden       



random editie       



vorige editie       



volgende editie       
naar boven       

Ruimte. De grote ruimte van een concertgebouw, de kleine ruimte van een studentenkamer, de lege ruimte van het heelal, de volle ruimte van de discotheek. Iedereen kan zich bij het begrip 'ruimte' wel een bepaalde voorstelling maken. Wanneer we echter gaan kijken naar de puur natuurkundige benadering van ruimte zien we dat ons idee ervan in de loop van de tijd aan enorme veranderingen onderhevig is geweest. Jan de Boer neemt ons mee door de ontwikkeling van ons begrip van ruimte, van Albert Einstein tot de snaartheorie.

Jan de Boer is sinds het jaar 2000 hoogleraar theoretische fysica aan de Universiteit van Amsterdam. Na zijn promotieonderzoek in Utrecht deed hij eerst een Simons Fellowship aan de Universiteit van Stony Brook en daarna een Miller Fellowship aan de Universiteit van Berkeley. Zijn aandachtsgebied is de snaartheorie.


Lees het artikel

BLIND 18 - Ruimte
sluiten

Hoofdredactie

Maud Dahmen
Martin Olsthoorn


Eindredactie

Gerard van den Akker
Sarah Welling (Engelse taal)


Redactie

Katja de Jong
Katja Keuchenius
Daphne van der Pas
Arno Verweij (webmaster)
Hanna Zwietering


Redactieraad

prof. dr. Johan van Benthem
drs. Kim van den Berg
dr. Casper de Groot
prof. dr. Ed van den Heuvel
drs. Machiel Keestra
dr. Bernard Kruithof
Tamara Metze


klik hier voor huidige redactie


sluiten

Space – the final frontier

              
alle bijdragen van deze auteur
korte inleiding & meer over de auteur
all articles by this author
short intro & about the author
artikel door Jan de Boer

'Space – the final frontier'

Met deze openingszin begint iedere episode van Star Trek – The Next Generation, als illustratie van de menselijke fascinatie met het begrip ruimte, en dan voornamelijk met al het onbekende wat het heelal nog te bieden heeft. Maar wat is, natuurkundig en wiskundig gezien, ruimte eigenlijk?

Mensen hebben een uitstekend intuïtief begrip van ruimte. Dat moet ook wel, want een goed ruimtebesef is essentieel om te kunnen overleven. Denk hierbij aan het vermijden van en het jagen op dieren, en meer recent het minstens zo gevaarlijke navigeren op de snelweg. Bij al deze handelingen zien we ruimte als een onveranderlijk driedimensionaal geheel waarbinnen we handelen en de bewegingen van objecten heel goed kunnen voorspellen en manipuleren. Deze visie op ruimte is waarschijnlijk bijna net zo oud als de mensheid en zit in ons brein gehardwired. Gelukkig maar.

Toch is dit beeld van ruimte al meer dan een eeuw achterhaald. Het zou namelijk onder andere tot gevolg hebben dat iemand die met een lichtstraal meefietst een andere lichtsnelheid zou meten dan iemand die stilstaat. Michelson en Morley hebben echter al in 1887 laten zien dat dit niet het geval is: de fietser en de toeschouwer meten verbazingwekkend genoeg precies dezelfde lichtsnelheid. Uiteraard gebruikten zij geen fietser, maar de draaiing van de aarde om dit aan te tonen. Dit experiment druist tegen onze intuïtie in, net zoals de theorie die het resultaat uiteindelijk verklaart, de speciale relativiteitstheorie van Einstein. Dat is waarschijnlijk de reden dat tot op de dag van vandaag er met grote regelmaat 'wetenschappers' met alternatieve verklaringen voor de constante lichtsnelheid op de proppen komen, maar tot dusver heeft dat nergens toe geleid.

Essentieel in de speciale relativiteitstheorie is dat ruimte en tijd niet afzonderlijk gezien moeten worden, maar samen een geheel vormen: tijdruimte. De grootte van iets is niet langer een absoluut gegeven, maar hangt af van de waarnemer. Begrippen als 'eerder' en 'later' verliezen ook hun absolute betekenis. Wat eerder en wat later is, hangt wederom af van degene die ernaar kijkt, maar natuurwetten, zoals de wet van behoud van energie, blijven voor iedereen hetzelfde. Dit is een bijzonder democratische wereld, waarin iedereen gelijkwaardig is. Er is geen noodzaak meer om de zogenaamde ether in te voeren, een ontastbare substantie die het heelal zou moeten vullen en wat nodig zou zijn om licht te laten voortbewegen en te definiëren wat beweegt en wat stilstaat.

Dit was zeker niet de laatste stap in de ontwikkeling van het begrip ruimte. De volgende stap, wederom te danken aan Einstein, was een van nog verdergaande democratisering. Einstein realiseerde zich, in moderne bewoordingen, dat gewichtloze astronauten in een spaceshuttle zonder ramen die vrolijk coladruppels in de lucht laten zweven op geen enkele manier kunnen vaststellen dat zij rond de aarde vliegen. Ze zouden net zo goed ergens ver weg in een leeg stukje heelal kunnen zitten in een ruimteschip dat niet beweegt. De gelijkwaardigheid van beide situaties vertaalde hij in een fundamenteel natuurkundig principe. Een noodzakelijk gevolg hiervan is dat de tijdruimte zelf ook niet langer een absoluut iets kan zijn. Tijdruimte kan het beste nog worden vergeleken met een stuk rubber, wat op allerlei manieren vervormd kan worden. Deze vervormingen ervaren wij als zwaartekracht. In tegenstelling tot de speciale relativiteitstheorie, die direct een aantal experimenten verklaarde, zou het nog jaren duren voordat de kleine effecten die deze nieuwe algemene relativiteitstheorie voorspelde op uitgebreide schaal experimenteel geverifieerd konden worden. De eerste bevestiging, destijds voorpaginanieuws, werd door Sir Arthur Eddington in 1919 tijdens een zonsverduistering gevonden door nauwkeurig de afbuiging van het licht van sterren in het zwaartekrachtveld van de zon te meten.

Het is misschien merkwaardig dat de algemene relativiteitstheorie bedacht werd zonder dat daarvoor een directe experimentele aanleiding bestond. Die was puur conceptueel van aard. De bestaande theorie van zwaartekracht, die nog terugging tot Newton, kon niet op een consistente manier met speciale relativiteitstheorie verenigd worden. Met andere woorden: er moest een nieuwe, betere theorie komen.

Ons eigen universum vormt een dramatisch voorbeeld van waar tijdruime een flexibel begrip is. Volgens de gangbare oerknaltheorie ontstond het heelal uit het niets via een soort explosie waarvan we de details nog steeds niet kennen. Vervolgens is het heelal gaan uitdijen, en kan het nog het beste vergeleken worden met een ballon die wordt opgeblazen. Als je twee stippen op de ballon tekent, dan zal de afstand ertussen steeds groter worden, en stippen die verder uit elkaar staan gaan sneller uit elkaar. We zien precies hetzelfde in het heelal: sterren en sterrenstelsels lijken van ons af te bewegen en des te verder weg ze zijn, des te sneller ze gaan. Overigens weten we nog steeds niet of het heelal het meeste lijkt op een ballon of meer op een stuk papier van rubber wat langzaam uit elkaar getrokken wordt.

De algemene relativiteitstheorie is echter nog niet de laatste stap in ons begrip van wat ruimte nu eigenlijk is. De kwantummechanica, ongeveer tachtig jaar geleden bedacht, heeft het begrip 'ruimte' danig overhoop gegooid. Volgens de kwantummechanica kunnen de plaats en snelheid van iets niet tegelijkertijd met oneindige precisie bepaald worden. Dit gaat wederom tegen onze intuïtie in, omdat deze onzekerheden zo klein zijn dat je ze in het dagelijkse leven niet kunt waarnemen, maar met geschikte experimenten kan dat wel. Micro-elektronica wordt tegenwoordig op zo'n kleine schaal gemaakt dat ook daar kwantummechanische effecten een belangrijke rol beginnen te spelen. Elektronen voelen zich dan niet langer gebonden aan de wetten van de klassieke natuurkunde en kunnen bijvoorbeeld dwars door isolerend materiaal heen springen, met als gevolg dat niets meer werkt zoals het hoort. Er is al met al een overweldigende hoeveelheid bewijs dat we daadwerkelijk in een kwantumwereld leven.

Eén van de curieuze consequenties van de kwantummechanica is dat er niet langer zoiets als 'lege ruimte' bestaat. Er ontstaan voortdurend, uit het niets, allerlei deeltjes die vervolgens weer heel snel verdwijnen. Maar dit is niet de enige manier waarop ons begrip van ruimte veranderd is. Aangezien snelheid en plaats niet tegelijkertijd precies gemeten kunnen worden, verliest tijdruimte ook zijn absolute betekenis. In de algemene relativiteitstheorie kon tijdruimte er weliswaar vreemd uitzien, maar gebeurtenissen voltrokken zich wel op een welgedefinieerde tijd en plaats. In de kwantumwereld is dat niet meer het geval: tijdruimte wordt een ietwat mistig geheel die nog het meeste weg heeft van een onscherpe foto.

Het valt niet mee om die onscherpe foto goed te beschrijven, en de bestaande theorieën zijn daarvoor niet toereikend. Nieuwe theorieën zoals de snaartheorie hebben onder andere tot doel om tot een preciezere beschrijving van het begrip ruimte te komen. Dit is niet de plaats om het uitgebreid over de snaartheorie te gaan hebben, maar de meest recente ontwikkelingen wijzen er sterk op dat we tijdruimte moeten zien als een zogenaamd emergent fenomeen.

Wat bedoelen we daarmee? Denk bijvoorbeeld eens aan een glas water. Water kan stromen, is doorzichtig, en als je er een steentje in laat vallen, zakt het door de weerstand langzaam naar de bodem. Al deze eigenschappen zijn een gevolg van het collectieve gedrag van de watermoleculen. Van een enkel molecuul kun je bijvoorbeeld niet zeggen of het doorzichtig is of niet, of het stroomt, en of het weerstand biedt.

Op een soortgelijke manier lijkt tijdruimte niets meer te zijn dan een beschrijving van het collectieve gedrag van een aantal onderliggende bouwstenen die we gemakshalve ook moleculen zullen noemen. Deze onderliggende bouwstenen zelf lijken op geen enkele manier op tijdruimte. Net zoals water bij benadering goed beschreven kan worden in termen van vloeistofdynamica, kan tijdruimte bij benadering goed beschreven worden met meetkundige noties als ruimte en tijd. In extreme situaties kan een dergelijke beschrijving echter niet meer de juiste zijn. Als je water kookt komen er individuele watermoleculen vrij, en bij extreme situaties in het heelal zal tijdruimte uit elkaar vallen in tijdruimtemoleculen. Zoiets gebeurt wellicht in het inwendige van zwarte gaten of bij de oerknal. Als dat gebeurt verliezen ruimte en tijd hun betekenis, en is het moeilijk om in woorden te beschrijven hoe dat er dan precies uitziet.

Dit laatste beeld van tijdruimte is uiteraard speculatief, maar wellicht kan het in de toekomst verder onderbouwd worden. Het is in ieder geval opmerkelijk dat bijna alle grote revoluties in de theoretische natuurkunde gepaard zijn gegaan met een radicale herziening van het begrip ruimte. Wat dat betreft is space echt de final frontier van onze wetenschappelijke kennis.

Lees nóg een artikel over

geschiedenis

natuurkunde


of lees verder in

of deel

                   

Reactie van Ronald Heinen

Geplaatst op 28 november 2008 om 14:07:47

Als we het begrip ruimte definieren als een toestands-ruimte (state-space) en de in het artikel aangehaalde emergente toestandsruimte definieren als een toestandsruimte met een grotere voorspelbaarheids efficientie dan de toestandsruimte waarop deze is gebaseerd (wat mijns inziens de correcte wiskundige definitie is van emergentie), dan kun je met de wiskundige informatie-theorie buitengewoon interessante afleidingen doen. Een voorbeeld hiervan heb ik op de pagina http://renewenergy.wordpress.com/transition/earth-system-analysis/ weergegeven. Op deze pagina geef ik als voorbeeld de afleiding van de Wet W=n/e, waarbij W het maximaal aantal toestanden van een emergente natuurkundige toestandsruimte is, n het aantal toestanden van de "mathematische" toestandsruimte waaruit deze natuurkundige toestandsruimte is ontstaan en e de constante van Euler is. Het bovenstaande principe kan echter op alle emergente toestandsruimten op aarde worden toegepast via specificatie hierarchieen, waarvan ik op de pagina een aantal voorbeelden geef.


Reactie van Q

Geplaatst op 6 mei 2014 om 20:38:14

-----BEGIN PGP SIGNED MESSAGE-----Hash: SHA256In aansluiting op de voorgaande reactie waarin ruimtegedefinieerd wordt als toestandsruimte is op de linkwuala.com/EnvironmentScience/Information/Mathematics/Modeling/Theory/nog wat additionele informatie te vinden.Een voorbeeld is de wiskundige defintie van toestandsruimtes enhoe dit concept gebruikt wordt wiskundige modellering (ziebijvoorbeeld Continuum Modeling in the Physical Sciences datgebruikt wordt in de Master opleiding Mathematics aan deNederlandse Universiteiten). -----SIGNATURE-----


Reageren




De redactie behoudt zich het recht voor om reacties in te korten of te verwijderen indien daar reden toe is.


           


Lees nóg een artikel over

geschiedenis

natuurkunde



Alle edities   Vakgebieden  
             
Wilt u op de hoogte gehouden worden van nieuwe edities en activiteiten van Blind? Meldt u aan voor onze digitale nieuwsbrief:



Het e-mailadres wordt alleen gebruikt voor toezending van de e-mail met de links naar de nieuwe editie. Het adres staat opgeslagen bij MailChimp. MailChimp hanteert een eigen privacybeleid waarmee u instemt als u zich abonneert op onze nieuwsbrief. Elke nieuwsbrief toont een link waarmee toezending kan worden gestopt. Om uw adres eventueel nog te laten verwijderen uit het opzeggingenbestand stuurt u een e-mail aan redactie@ziedaar.nl.