Hans Hilgenkamp Studium Generale Universiteit Twente 12 November 2009

1. Hans Hilgenkamp Studium Generale Universiteit Twente 12 November 2009

2. Arago symposium 25 November, hier in de Vrijhof Programma 08:30    Ontvangst met koffie en thee
09:00    Opening door de voorzitter en dagvoorzitter Prof. W.J. Briels
09:15    Prof.dr.ir F.A. Bais
              Van Kepler via Einstein naar Supersnaren…
10:15    Koffie- en theepauze
10:45    A. de Waard
11:45    L. Rademaker
12:45    Lunch
13:45    Prof. Dr. Piet Mulders
              Het standaardmodel van de deeltjesfysica en de grenzen daarvan.
14:45    Prof. Dr. J. van der Schaar
15:45    Koffie- en theepauze
16.15    J. Heise
              De horizon van het heelal, grenzen aan ruimte en tijd 17.15    Afsluiting met borrel

4. Historische veronderstellingen over licht en bepaling van de lichtsnelheid: De oude Grieken: Empedocles (492 v.C. – 432 v.C.): licht beweegt Aristoteles (384 v.C. – 322 v.C.) : Licht is wel ‘iets’, maar het beweegt niet Euclides (325 v.C. – 265 v.C.) en Ptolomaeus (87 - 150): Licht komt uit je ogen, en gaat oneindig snel. Oude Islamitische wetenschap: Abu Ali al Hasan Ibn al-Haytham (965 – 1039): lichtsnelheid is eindig

5. Historische veronderstellingen over licht en bepaling van de lichtsnelheid: Ibn al-Haytham (965 – ca. 1039): lichtsnelheid is eindig Kepler (1571-1630) & Descartes (1596-1650) : lichtsnelheid is oneindig Galileo Galilei (1564-1642): Pogingen lichtsnelheid te meten tussen bergtoppen; In ieder geval meer dan 10 keer zo snel als de snelheid van het geluid Ole Rømer (1644-1710): Bepaling lichtsnelheid uit optreden van maansverduistering van Io, gerelateerd aan afstand aarde-Jupiter. Hij vond: c = 225.000 km/s (1676). Hippolyte Fizeau (1819-1896): Met draaiend tandrad (‘chopper’) gepulste lichtstraal over 17 km van Suresnes naar Montmarte en terug. Hij vond c = 315.364 km/s (1849) Albert Michelson (1852-1931). Met snel draaiende spiegel, c = 299.910 km/s (1879)

6. Maxwell vergelijkingen (1873) voor electrische en magnetische velden: James Clerk Maxwell (1831-1879) Golfvergelijkingen: In vacuum:

7. Lichtsnelheid in vacuum: c = 299.279,458 km/sec onafhankelijk van golflengte

10. Michelson- Morley interferometer experiment (1887), voor de detectie van ‘etherwind’ Zonder etherwind Met etherwind

11. Young’s dubbele spleet experiment (1803): Licht-quanta, dus deeltjes? Golven (1803) (geen van) Beide !! Golf – deeltjes dualiteit Energie per lichtdeeltje (‘foton’) gerelateerd aan golflengte; hoe kleiner de golflengte hoe groter de energie per foton.

12. Maxwell vergelijkingen (1873) voor electrische en magnetische velden: James Clerk Maxwell (1831-1879) Golfvergelijkingen: In vacuum:

13. Lichtsnelheid in vacuüm: Lichtsnelheid in een medium (vaste stof, gas, lucht): Met de ‘brekingsindex’

14. ‘Fase-snelheid’, ‘groepssnelheid’ en ‘signaalsnelheid’ Speelt bijv. een rol bij samengestelde golven Twee golven met frequentie ω1 en ω2 en voortplantingssnelheden v1 en v2 Fase snelheid vfase Groepssnelheid vgroep

15. Relativiteit M.C. Escher, ‘Relativity’, 1953

16. Klassieke relativiteit 50 km/uur 50 km/uur Inzittenden in de ene tram zien andere tram met 100 km/uur voorbijkomen Galileo Galilei 1564-1642 Isaac Newton 1643-1727

17. Speciale relativiteit (1905) 50 km/uur 300.000 km/s Voor alle waarnemers zijn de natuurwetten gelijk, en is de lichtsnelheid in vacuüm gelijk aan c Albert Einstein 1879-1955

18. Speciale relativiteit 299.000 km/s 300.000 km/s Voor alle waarnemers zijn de natuurwetten gelijk, en is de lichtsnelheid in vacuüm gelijk aan c Albert Einstein 1879-1955

19. Speciale relativiteit Besef van tijd en ruimte is voor verschillende waarnemers ongelijk: (‘tijd-dilatatie’ en ‘Lorentz contractie’): Met de Lorentz factor:

20. Speciale relativiteit 299.000 km/s 300.000 km/s Voor stilstaande waarnemer lijkt de klok in de raket ongeveer 12.5 keer langzamer te gaan dan de eigen klok. Voor de stilstaande waarnemer én voor een waarnemer in de raket gaat de lichtstraal met de lichtsnelheid c. Albert Einstein 1879-1955

21. Tijd-dilatatie in de praktijk; muon verval Muonen worden aangemaakt door kosmische straling in bovenste lagen van de atmosfeer, op zo’n 10 km hoogte: Muonen vervallen in 1 electron en twee neutrino’s. Vervaltijd in rust is τ ≈ 2 x 10-6 sec Licht legt in 2 x10-6 sec een afstand af van 300.000 km/sec x 0.000002 sec = 0.6 km en muon zou dus nooit in staat moeten kunnen zijn om de grond te bereiken voordat het vervalt.. De clue is dat de met de muon meereizende tijd veel langzamer gaat dan de tijd voor de stilstaande waarnemer op de grond. De snelheid v ≈ 0.995-0.998 c en dus γ ≈ 10 - 15 (Voor het muon lijkt dus ook de atmosfeer veel dunner te zijn)

22. Speciale relativiteit 299.000 km/s 300.000 km/s Voor stilstaande waarnemer lijkt de klok in de raket ongeveer 12.5 keer langzamer te gaan dan de eigen klok. Voor de stilstaande waarnemer én voor een waarnemer in de raket gaat de lichtstraal met de lichtsnelheid c. Albert Einstein 1879-1955

23. Speciale relativiteit A B 299.000 km/s 299.000 km/s Voor de stilstaande waarnemer én voor een waarnemer in de raket A gaat raket B met nét iets minder dan de lichtsnelheid c. Albert Einstein 1879-1955

24. Nog wat consequenties van speciale relativiteit: Relatie tussen energie E en massa m : Met m de ‘rustmassa’ , en Consequenties: Het kost oneindig veel energie om een deeltje met massa ≠ 0 tot v = c te versnellen. Als v = 0, dan E = mc2

25. ‘Tachyonen’, v > c Als v groter is dan c, dan wordt de noemer in γ imaginair. Dan bestaat alleen een reële oplossing voor E als de rustmassa ook imaginair is. Het kost dan oneindig veel energie om een deeltje naar c te vertragen ! Maar wat zijn deeltjes met imaginaire massa en bestaan die ????????

26. Uit www.tachyon-energie.nu ‘Tachyonen en tachyonenergie zijn in toenemende mate een begrip aan het worden op onze aarde. En dit is ook heel logisch gezien de grote voordelen die tachyonenergie voor ons mensen te bieden heeft. Wat te denken van het krachtige en snelle effect van tachyonenergie op geneeskundig gebied? ‘ ‘Tachyonenergie brengt heling voor ons mensen op alle niveaus, dus fysiek, emotioneel, mentaal en spiritueel. Het is een kosteloze, schone manier van energievoorziening. Het is een manier om elektrosmog, een buitengewoon hinderlijk bijproduct van ons elektriciteitsgebruik, te neutraliseren.’

27. Algemene relativiteit (1916) De speciale relativiteitstheorie gaat over relatieve bewegingen met constante snelheid. De algemene relativiteits-theorie gaat over de rol van versnellingen en (zwaarte)-krachten Ging Newton nog uit van een 3-dimensionale vlakke ‘Euclidische’ ruimte + tijd, volgens Einstein is de ruimte-tijd gekromd onder invloed van massa.

28. Gravitational lensing Galaxy Cluster 0024+1654 (Hubble)

29. Het expanderende heelal

30. Kosmische achtergrondstraling Toen het heelal was afgekoeld tot ongeveer 4000 K (ongeveer 10.000 jaar na de oerknal), werden elektronen ingevangen door de atoomkernen. Hierdoor wordt het helaal optisch transparant. Warmtestraling met een karakteristieke temperatuur van 4000 K kan dan een heel eind door het helaal bewegen zonder te botsen. En veel fotonen vliegen nog steeds rond, nu dus al zo’n 13.7 miljard jaar!

31. Golflengteverlenging door expanderend universum (‘Roodverschuiving’)

32. 1 Expansie universum, verste objecten gaan sneller dan het licht van ons vandaan! 1.2 0.84 0.16 45 miljard jaar x 300.000 km/sec 13 miljard jaar

33. Was de lichtsnelheid altijd hetzelfde? Metingen van de fijnstructuur constante α Drie fundamentele natuurconstanten; Constante van Planck h, Lichtsnelheid c en Eenheidslading e. Laatste stand: α = 0.007297352569.. α speelt een rol in de verhouding 3He (2 protonen, 1 neutron) / 4He (2 protonen, 2 neutronen) van verweggelegen (=oude) sterren. In afgelopen 13 miljard jaar < 5 % variatie in α

34. Variaties in isotopen verhoudingen van radio-actieve elementen kunnen nog nauwkeuriger aanwijzingen geven voor variaties in α. Natuurlijke kern-reactor Gabon, 2 miljard jaar geleden (147Sm, 149Sm en 150Sm) of 4.5 miljard jaar oude meteorieten (187Re vs. 187Os) leggen variaties in α vast op < 10-6.

35. Max Planck Instituut voor Quantum-optica, Garching Mogelijke veranderingen in electronische (of spin) overgangen in bijv. 87Rb, 133Cs bestudeerd over een periode van enkele jaren. Daaruit is gevonden dat Δα/α = (0.9 ± 2.9) x 10-15 /jaar

36. Is de lichtsnelheid in alle richtingen gelijk? Meeste studies lijken uit te wijzen dat heelal in essentie isotroop is. Ook Michelson-Morley experiment geeft geen indicaties voor richting afhankelijkheid

37. Maar niet iedereen is het daarmee eens.. Reginal Cahill Flinders Univ., Adelaide

38. Sneller dan het licht?

39. Lichtsnelheid in vacuüm: Lichtsnelheid in een medium (vaste stof, gas, lucht): Met de ‘brekingsindex’

40. Cerenkov straling

41. Het licht (bijna) stilzetten Lene Hau et al. , Nature 2007.

42. Sneller dan het snelste licht?

43. Gebruik maken van ruimte-tijd kromming (‘warping’) ‘wormhole’ ‘Alcubierre aandrijving’ ‘Warp drive’

44. USS Eldridge (‘Project rainbow’, 1943)