Extreme centrifuge en ontsnappen van subatomaire deeltjes?

[Skycenter]

Vreemd, ik vind deze testopstelling niet op het internet:

Men maakt een zware centrifuge machine die bijvoorbeeld 1000 G of meer aankan en controleert of er subatomaire deeltjes ontsnappen. Bijvoorbeeld van een metalen bol.
1. Heeft men reeds zulke testen gedaan?
2. Ontsnappen er dan überhaupt subatomaire deeltjes?

[HansH]

Dan heb je het denk ik over het spaghettificatie proces wat je krijgt als er materie in een zwart gat valt. iemand zou dan moeten uitrekenen hoeveel g je daarvoor nodig hebt, maar ik vrees een stuk meer dan 1000 en ik vrees ook dat je centrifuge daar niet tegen kan want die bestaat zelf ook uit die zelfde soort deeltjes.

[wnvl1]

Nee — bij \({1000}{g}\), of zelfs bij miljoenen \({g}{}\), beslist niet.


De kracht die op een atoom werkt bij een versnelling van \({1000}{g}\) is ongeveer
\[
F = m a = 10^{-27}\,\text{kg} \times 10^{4}\,\text{m/s}^2 = 10^{-23}\,\text{N}.
\]
De bindingskrachten binnen een atoomkern of zelfs binnen een atoom (de elektronbinding) zijn echter vele ordes van grootte groter.
De Coulomb-kracht tussen een elektron en de atoomkern bedraagt ongeveer
\[
F_{\text{Coulomb}} \approx 10^{-8}\,\text{N},
\]
terwijl de sterke kernkracht tussen quarks nog veel groter is, namelijk van de orde
\[
F_{\text{sterk}} \approx 10^{2}\,\text{N}
\]
op femtometerschaal.

Het verschil tussen deze krachten is astronomisch. De centrifugale kracht is minstens 15 tot 20 ordes van grootte te klein om iets los te trekken op subatomaire schaal. Zelfs als men een versnelling van \(10^{12}\,g\) (een biljoen \(g\)) zou bereiken, zouden de bindingen in atomen en kernen volledig intact blijven

[HansH]

dan kun je dus nagaan hoe groot de g krachten zijn bij de spaghettificatie in een zwart gat. want dan wordt toch wel alles uit elkaar getrokken, als die theorie op die schaal nog klopt trouwens.

[wnvl1]

In het frame van een vallend voorwerp hoeven die krachten niet speciaal groot te zijn. Dat hangt af van de grootte van het zwarte gat. Bij grote zwarte gaten is de spaghettificatie bij de waarnemingshorizon niet dodelijk. Maar jij denkt misschien aan de zogenaamde "firewall" rond een zwart gat?

Volgens de kwantummechanica mag informatie nooit verloren gaan, maar als materie in een zwart gat valt, lijkt die informatie voorgoed verdwenen zodra het zwarte gat verdampt door Hawkingstraling. Dit is de zogeheten informatieparadox: de wetten van de kwantummechanica en de relativiteit lijken elkaar daar tegen te spreken.

Om dit probleem op te lossen, is de firewall-hypothese voorgesteld geweest. Volgens die hypothese bevindt zich aan de waarnemingshorizon een muur van extreem energierijke deeltjes, een soort “firewall”. Alles wat de horizon nadert, zou onmiddellijk verbranden door de intense energie van die firewall. De energie dichtheid van de firewall zou zo hoog zijn dat elk atoom onmiddellijk wordt vernietigd en zijn massa wordt omgezet in straling — in feite in een soort extreme Hawkingstraling. Op die manier zou de informatie niet in het zwarte gat verdwijnen, maar vrij kunnen komen in de vorm van straling.

Dit idee is echter zeer controversieel. Als de firewall echt zou bestaan, dan zou dat betekenen dat Einsteins beschrijving van de ruimte-tijd op die plek niet klopt. De ART voorspelt immers dat de waarnemingshorizon geen bijzondere plek is.

[HansH]

In het frame van een vallend voorwerp hoeven die krachten niet speciaal groot te zijn. Dat hangt af van de grootte van het zwarte gat.

Ik heb het over de getijdekrachten op het moment dat die een zodanige rol beginnen te spelen dat ze materie beginnen op subatomair nivo uit elkaar te trekken. Dat gebeurt ergens tussen een bepaalde afstand vanaf de singulariteit en de singulariteit. Dat betekent dus dat er een g kracht optreedt van de ene kant van iets en de andere kant op een steeds kleinere schaal:
-de ene kant van de waarnemer naar de andere klant van de waarnemer dus meter schaal
even verderop:
-een atoom naar de andere kant de kant dat die het atoom gaat demonteren. En even verderop
-ook elektronen gaat demonteren en nog wat verderop
-de basisbouwstenen waar elektronen uit zijn opgebouwd
net zolang tot er helemaal geen onderliggende structuur meer over is.
als de theorie klopt op dat nivo

voor de aarde als zwart gat zal een mens dat waarschijnlijk wel merken als die er nog een paar meter vandaan zit en er naartoe valt.
zoals je zegt; als je de afstand tussen eventhorizon en middelpunt even op1 schaalt dan is het zoals je zegt hoe groter het zwarte gat hoe kleiner de verhouding waarbij het merkbaar is. dus bij de aarde zal die verhouding misschien 10 zijn en voor een heel groot zwart gat bv 0.1

[HansH]

Nee — bij \({1000}{g}\), of zelfs bij miljoenen \({g}{}\), beslist niet.


De kracht die op een atoom werkt bij een versnelling van \({1000}{g}\) is ongeveer
\[
F = m a = 10^{-27}\,\text{kg} \times 10^{4}\,\text{m/s}^2 = 10^{-23}\,\text{N}.
\]
De bindingskrachten binnen een atoomkern of zelfs binnen een atoom (de elektronbinding) zijn echter vele ordes van grootte groter.
De Coulomb-kracht tussen een elektron en de atoomkern bedraagt ongeveer
\[
F_{\text{Coulomb}} \approx 10^{-8}\,\text{N},
\]
terwijl de sterke kernkracht tussen quarks nog veel groter is, namelijk van de orde
\[
F_{\text{sterk}} \approx 10^{2}\,\text{N}
\]
op femtometerschaal.

Het verschil tussen deze krachten is astronomisch.

ik denk dus dat je het niet moet uitdrukken in kracht, maar in g dus F/m dus je hebt ook nog de massa nodig van bv

[HansH]

bv voor 2 bollen van 1 kg via een stok aan elkaar met 1 meter ertussen F=m.g dus F=g in dit geval.
voor een elektron tov een atoomkern zou ik niet weten hoe je dat dan zou moeten bepalen. zoiets van een electron zien als 1 kant van het stokje en een identieke massa als klein onderdeeltje van de atoomkern als andere kant van het stokje en lengte stokje is dan de afstand van kern tot elektron. daar ontstaat dan de kracht f_coulomb tussen die jij uitrekent als het atoom op een bepaalde afstand is genaderd tot de singulariteit van het zwarte gat.
voor quarks zelfde idee maar veel grotere kracht en nog eens veel kleinere massa, dus quarks zullen dan veel dichter bij de singulariteit dan pas uit elkaar getrokken worden.

[HansH]

als je dat idee dus even doorzet dan is de vraag of je bij aankomst bij de sigulariteit in staat bent om alles uit elkaar getrokken te hebben. punt is volgens mij dan dat je voor het uit elkaar trekken 3 dingen nodig hebt:
-2 massa's
-een afstand d tussen die 2 massa's
dat levert dan een getijde kracht g over een afstand d

als d nul wordt in de singulariteit dan heb je dus geen getijdekracht meer. Dus de singulariteit met diameter=0 kan nooit meer iets uit elkaar trekken.
Dus zou ik denken dat het best zo kan zijn dat je een klompje quarks over houdt die chaotisch rond de singulariteit oscilleren maar niet meer verder uit elkaar getrokken kunnen worden omdat ze daar te klein voor zijn tov de diameter van die oscillerende wolk.

heb je het dan in feite niet over quantum effecten op nanoschaal die verdere instorting van materie verhinderen ?

[wnvl1]

Ter info.

Als men probeert een quark uit een proton of neutron te trekken, neemt de energie in het kleurveld sterk toe. Op een gegeven moment is het energetisch voordeliger om een nieuw quark–antiquarkpaar te creëren dan om het originele quark los te trekken. Het resultaat is dat quarks altijd in hadrons blijven, zoals protonen en neutronen, of dat er nieuwe hadrons ontstaan. Dit fenomeen staat bekend als quarkconfinement.

In extreme omstandigheden, zoals in een zwart gat of in een neutronenster, kunnen getijdenkrachten een proton uitrekken en samendrukken, maar de quarks blijven niet vrij; ze blijven gebonden of vormen mogelijk exotische quarkmaterie wanneer de dichtheid extreem hoog wordt. In neutronensterren kan de dichtheid hoog genoeg zijn om een quark-gluonplasma te vormen. In deze toestand bewegen de quarks losser, maar ze blijven altijd sterk met elkaar interageren. Een volledig vrije quark bestaat dus nog steeds niet.

Experimenteel gezien laten hoge-energie botsingen, zoals in de Large Hadron Collider (LHC), zien dat quarks zich tijdelijk bijna vrij kunnen bewegen; dit fenomeen wordt asymptotische vrijheid genoemd. Zodra de quarks echter proberen uit elkaar te bewegen, hadroniseren ze weer tot gebonden deeltjes. Nooit is een enkel quark direct waargenomen in een vrije staat.

[HansH]

dat proces zal zich dan ook af moeten spelen bij een invallend atoom in een zwart gat immers dat geeft de situatie dat g kracht per meter (zal vast een naam hebben) simpelweg toeneemt van 0 naar oneindig.
dus je komt op steeds kleinere schaal terecht en op een gegen en moment dus ook op quark schaal dan.
je zegt 'Zodra de quarks echter proberen uit elkaar te bewegen, hadroniseren ze weer tot gebonden deeltjes. Nooit is een enkel quark direct waargenomen in een vrije staat.'
als dat betekent dat de natuur het onmogelijk maakt om iets verder uit elkaar te trekken dan een bepaalde toestand, dan is dat dus het eindresultaat in het centrum van een zwart gat denk ik. maar ik neen aan dat we dat hier op aarde nooit kunnen testen, dus kan ik me niet voorstellen dat we daar enige conclusie over kunnen trekken hoe dat eindigt. is dat dan ook niet gelijk het fundamentele probleem et quantum gravity? dat we gewoon fundamenteel niet zover kunnen inzoomen?

[HansH]

omgekeerd hebben de big bang theorie. dus als die klopt dan is er dus iets ontstaan vanuit een soortgelijke supercompacte toestand. zouden we daar dan niet uit kunnen afleiden hoe het er in omgekeerde volgorde aan toe gaat naar zo'n supercompacte toestand toe ? dus in feite een quantum gravity theorie afleiden uit wat we kunnen reconstueren terug in de tijd voor de big bang? of kom je dan in het probleem dat je niet verdere terug kunt reconstrueren in de tijd? dat zal wel want je krijgt niks gratis. de natuur heeft waarschijnlijk een fundamentele eigenschap om ons te blokkeren in het achterhalen hoe de natuur werkt.

[wnvl1]

In QM is er een grens aan hoe dicht dingen kunnen zijn (de Plancklengte, ~\(10^{-35}\) meter), en dan kun je in principe nooit waarnemen wat er dááronder gebeurt. En dat is het fundamentele probleem. We hebben geen experimentele toegang tot die extreme schaal, noch technisch, noch theoretisch via meetbare consequenties. Alles wat je kan doen, is proberen om vanuit consistentie tussen relativiteit (die de zwaartekracht goed beschrijft) en QM (die de andere drie krachten goed beschrijft) te reconstrueren wat er moet gebeuren als beide regimes elkaar ontmoeten — bijvoorbeeld in het centrum van een zwart gat of bij de Big Bang.

[HansH]

ik vroeg me af wat een onderliggend veld doet. Deeltjes moet je blijkbaar zien als oscillaties van velden begreep ik.
maar zijn die oscillaties dan gekoppeld aan ruimtetijd of staat dat er los van. Dus wordt een elektronenwolk van een atoom (feitelijk het resultaat van een kansverdeling begreep ik en niet zozeer een tijdsafhanleijk iets met een oscillatiefrequentie (frequentie <=> tijd)) qua vorm beinvloedt door getijdekrachten tgv de zwaartekracht. dus met andere woorden, hoe weten wij zo zeker dat atomen uit elkaar getrokken worden en die g krachten ook daadwerkelijk voelen? is dat ooit onderdeel geweest van het uitvinden van de ART?

[wnvl1]

In QFT wordt elk deeltje beschouwd als een trilling in een onderliggend veld dat overal in de ruimte aanwezig is. Een elektron is dus geen klein bolletje dat door de ruimte beweegt, maar een lokale verstoring in het elektronveld. Op dezelfde manier is een foton een verstoring in het elektromagnetisch veld en het Higgs-deeltje een trilling in het Higgsveld. Deze velden bestaan niet los van de ruimtetijd, maar zijn er juist in ingebed: hun waarden zijn gedefinieerd op elk punt van de ruimtetijd zelf.

De oscillaties van die velden zijn dus direct gekoppeld aan de ruimtetijd. In een vlakke ruimtetijd, zoals beschreven door de SRT, gedragen de velden zich als golven met een goed gedefinieerde frequentie en golflengte. In een gekromde ruimtetijd, zoals in de ART, merkt het veld dat de ruimte krom is. De golven kunnen dan worden uitgerekt, afgebogen of versneld, afhankelijk van de lokale kromming van de ruimtetijd. Met andere woorden: de oscillaties bestaan niet onafhankelijk van de ruimtetijd, maar reageren op haar vorm en structuur.

Een elektronenwolk rond een atoom is in QM geen verzameling kleine deeltjes die rondvliegen, maar een kansverdeling die aangeeft waar het elektron zich waarschijnlijk bevindt. Deze verdeling komt voort uit de golffunctie, die een toestand van het elektronveld beschrijft. Op aarde zijn de zwaartekrachtsverschillen over de grootte van een atoom echter extreem klein. De getijdekrachten van de aarde zijn verwaarloosbaar in vergelijking met de elektromagnetische krachten die de elektronwolk bijeenhouden. Alleen in extreme omstandigheden, zoals in de buurt van een zwart gat, kunnen die krachten groot genoeg worden om de structuur van atomen daadwerkelijk te vervormen of ze zelfs uit elkaar te trekken.

Dat atomen en hun interne processen daadwerkelijk door zwaartekracht worden beïnvloed, weten we uit experimenten. Een bekend voorbeeld is het COW-experiment (Colella–Overhauser–Werner) uit 1975, waarin men de interferentie van neutronen in een zwaartekrachtsveld mat. De waargenomen faseverschuiving kwam precies overeen met de voorspellingen die men krijgt als men rekening houdt met het effect van zwaartekracht op kwantumgolven. Ook atomaire klokken tonen dit effect aan: hun tikkende frequentie verandert afhankelijk van hun hoogte in het zwaartekrachtsveld van de aarde. Dit komt doordat de interne trillingen van de atomen, die hun tijdsmeting bepalen, worden beïnvloed door de kromming van de ruimtetijd.

Toen Einstein in 1915 zijn ART formuleerde, was de QM nog niet ontwikkeld. Het idee dat materie in feite bestaat uit kwantumvelden bestond toen nog niet in moderne zin. Zijn theorie beschreef hoe massa en energie de ruimtetijd krommen, maar niet hoe kwantumvelden zich in die gekromde ruimtetijd gedragen. Pas in de tweede helft van de twintigste eeuw, toen de kwantumveldentheorie verder werd ontwikkeld, begon men te onderzoeken hoe kwantumvelden reageren op zwaartekrachtskromming. Uit die pogingen kwamen later inzichten voort zoals de verklaring van Hawking-straling rond zwarte gaten.