Vacuum en ZPE

In de loop der tijden zijn er verschillende opvattingen geweest over de wereldruimte, waarbinnen zich de astronomische objecten (sterren sterrenstelsels, quasars, etc.) bevinden. Vroeger dacht men zich deze ruimte als een totale leegte, maar bepaalde Griekse denkers zagen deze ruimte gevuld met kleine deeltjes ‘atomen’ genoemd, die daar rondzwierven en bij botsing zich verenigden tot allerlei voorwerpen. In de kosmologie van Aristoteles/Ptolemaeus was de wereldruimte gevuld met een stof die men ether noemde. Maar in de Newtonse kosmologie was de wereldruimte leeg, een volstrekt vacuüm (zie afbeelding hieronder).

Toen in de 19^e eeuw de kennis van elektromagnetische straling zich uitbreidde, was er ook weer behoefte aan een medium waarin die straling zich zou moeten voortplanten. De oude term ‘ether’ werd hiervoor weer van stal gehaald. Men had bepaalde opvattingen over de eigenschappen van die ether. De experimenten van Michelson en Morley in 1887 poogden het bestaan van die ether vast te stellen en ook of het de beoogde eigenschappen had. De uitkomsten waren teleurstellend, en men besloot dat de ether vergeten moest worden. Toch heeft Einstein nog tot in 1929 geloofd aan het bestaan van dat medium voor de elektromagnetische straling, want hij noemde het nog in een toespraak in dat jaar.

De verdere ontwikkeling, gestuurd door relativiteit en kwantummechanica, kon kennelijk ook zonder de aanname van dit medium voor de elektromagnetische straling. Toch bleven er vragen. En langs een heel andere weg dook het probleem van de aard van het vacuüm weer op.

Onderzoekingen die Max Planck deed in 1911 bij zijn werk aan de thermodynamica (straling van ‘black bodies’), leidden hem tot de conclusie dat er in een zo absoluut mogelijk vacuüm, gekoeld tot zo dicht mogelijk bij het absolute nulpunt (-273,15°C), toch nog energie overbleef. Men noemde dat toen Zero Point Energy (nulpuntsenergie)[2]. Dat was een verrassing. Het was al wel algemeen geloofd, dat de wereldruimte geen absoluut vacuüm was. Zij moest immers onderdak bieden aan een medium dat de drager zou zijn van de elektromagnetische straling (radio, licht, röntgen, etc.), dat men tot dan toe ether noemde. Planck vond dat die straling onafhankelijk was van de temperatuur. Ook Einstein liet zich in 1913 daarvan overtuigen.

In 1916 ging Walther Nernst (Walther Hermann Nernst, 1864-1941, een bekend Duits chemicus) uit van de gegevens van Planck en Einstein en concludeerde dat het hele universum gevuld moest zijn met dit soort nulpuntsenergie. (Nog even herhalen: energie (straling) is gekoppeld aan deeltjes, die zich terzelfder tijd ook als ‘golven’ manifesteren). Nu was het tot dan toe nog een zuiver theoretische aangelegenheid. Dat veranderde toen de Amerikaanse chemicus Robert Mulliken (Robert Sanderson Mulliken, 1896-1986, befaamd Amerikaans chemicus) in 1925 afwijkingen in bepaalde spectraallijnen vond, die alleen toe te schrijven waren aan de ZPE. Ook later werden door andere onderzoekers deze resultaten bevestigd.

De Philips-ingenieur Hendrik Casimir definieerde in 1948 het naar hem genoemde Casimir-effect: twee vlakke metalen platen, dicht bij elkaar gebracht in een vacuüm, ondervinden een kracht die ze naar elkaar duwt. De verklaring is, dat alleen virtuele deeltjes met afnemende golflengte tussen de platen kunnen blijven, terwijl daarbuiten virtuele deeltjes van alle golflengten aanwezig zijn. Deze onbalans tussen de binnen- en de buitenkant zorgt ervoor dat de platen naar elkaar geduwd worden. Omdat die krachten zo klein zijn, duurde het nog tot 1996, voordat er apparatuur

kon worden gemaakt die toeliet dat dit effect kon worden gedemonstreerd.

En toen, midden in de twintiger jaren van de 20^e eeuw, stond de natuurkunde voor een belangrijke beslissing. Op het gebied van relativiteit en kwantummechanica waren vele ontdekkingen gedaan. De vraag kwam toen op: wat is nu de oorsprong van deze ZPE? Het hele universum is er mee gevuld, maar wat is het nu? Planck had al aangegeven dat de ZPE een intrinsiek bestanddeel is van het universum, maar de heersende ideeën tendeerden in de richting van de opvatting dat de ZPE eigenlijk alleen maar bestaat ten gevolge van het onzekerheidsprincipe van Heisenberg. Een soort theoretische noodzakelijkheid zonder fysieke tegenhanger. En in die richting ging ook de verdere ontwikkeling. Het voor mij nog steeds vreemde is, dat aan de beroemde conferenties op het landgoed van de Belgische industrieel Solvay, vanaf 1911-1927 ook Planck deelnam, en dat hij eigenlijk geen enkele rol speelde in het sturen van de ontwikkeling in de richting van een reëel ZPF. Waarschijnlijk besefte hij niet de reikwijdte van zijn ontdekking van de ZPE. In de discussies op die Solvay-conferenties speelde de ZPE eigenlijk alleen een rol in de formules en vergelijkingen van de kwantummechanica. Dat had ongetwijfeld ook te maken met het hoge abstractieniveau van deze wetenschapstak. Deze benaderingswijze kreeg de naam van Kwantum Elektrodynamica (QED) en wordt beschouwd als de standaard methode. Tot zelfs in 1989 werd nog beweerd dat “de som van de bewegingen van alle deeltjes doorheen het hele universum genereert de Zero Point Fields”, en: “de Zero Point Fields stu

ren de beweging van alle materiedeeltjes in het universum . . . als een zelf-regenererend kosmologisch terugkoppelingsmechanisme” [3]⁾. Een schoolvoorbeeld van een cirkelredenering. Daarnaast bestond ook een andere benadering, bekend als Stochastische Elektrodynamica (SED), maar die was niet in staat de opperheerschappij van de QED-benadering te doorbreken.

Maar dit veranderde. In 1962 publiceert Louis de Broglie (Louis Victor Pierre Raymond, duc de Broglie, 1892-1987, vermaard Frans fysicus) een boek[4]⁾ waarin hij constateert dat serieuze overweging van Plancks verbeterde formulering van 1911, omvattende de klassieke natuurkunde (Newtons formules) plus een intrinsiek kosmologische (= echt bestaande) ZPE, meer voorkomt dan wel wordt aangenomen. Vervolgens publiceert Edward Nelson van de Princeton University in 1966 een document, waarvan de samenvatting het volgende vermeldt: “We zullen in dit document proberen aan te tonen dat het radicale afscheid van de klassieke natuurkunde, veroorzaakt door de introductie van de kwantummechanica 40 jaar geleden, onnodig was. Ik geef hier een complete klassieke afleiding van de vergelijking van Schrödinger, gevolgd door een redenering die een natuurlijke ontwikkeling is van de redenering, gebruikt in de statistische mechanica en in de theorie van de Brown’se beweging” [5]⁾.

Met zoveel woorden zegt Ed Nelson hier, dat de esoterische richting in de QED onnodig was en dat dezelfde resultaten kunnen worden bereikt met behulp van een wis- en natuurkunde, die door mensen met een goede middelbare schoolopleiding is te volgen. Men zegt dan in die kringen, dat een ‘intuïtieve’ benadering van de natuurkunde weer mogelijk is, m.a.w. je kunt het ook nog begrijpen! De relatie met de te onderzoeken realiteit is er weer! Allerlei onderzoekingen die gedaan zijn door Brown, Heisenberg, Schrödinger en vele anderen, maar ook Einsteins vergelijkingen, blijken nu ook in te passen in deze nieuwe benadering, die ligt in de lijn van de reeds langer bekende SED-methode.

Er is nog een belangrijke constatering. Planck had in 1911 al aangegeven (zie vorig hoofdstuk) dat in zijn meer precieze benadering een restenergie overbleef (gedefineerd als de Zero Point Energie ZPE), in de berekening waarvan ook de ‘constante van Planck’ (h) voorkwam. In de afleiding voor die constante komt echter ook de lichtsnelheid (c) voor. En dat leidt tot een verrassende conclusie, nl. dat als de lichtsnelheid varieert, ook deze ‘constante’ varieert en wel omgekeerd evenredig met de lichtsnelheid. Dat wil zeggen, dat een grotere lichtsnelheid betekent dat de constante van Planck kleiner is, waarmee je gelijk ook zegt dat dan de sterkte van het Zero Point Field (ZPF) kleiner is. We komen daar later op terug.

Wat is dan nu eigenlijk dit Zero Point Field, dat de drager is van de Zero Point Energie? Zoals al bekend, is alle elektromagnetische energie-straling in het universum voorstelbaar als deeltjes, die tevens een golf-karakter hebben. Ook dat wat wij ‘materie’ noemen, bestaat uit deeltjes. Het elektron dat rond de atoomkern cirkelt, is een deeltje. Men beschouwt dat tegenwoordig als een ‘elementair’ deeltje, d.w.z. het kan niet meer verder worden afgebroken in nog kleinere deeltjes. De protonen en neutronen die de atoomkern uitmaken, zijn deeltjes, maar die zijn weer samengesteld uit kleinere, elementaire deeltjes, zoals quarks. Genoeg hierover. Deeltjes hebben een afmeting en een golflengte. Planck heeft vastgesteld dat er een kleinste theoretisch mogelijke deeltjes-afmeting bestaat, Planck-lengte genoemd, met de onvoorstelbare waarde van 1,616 x 10^-33 cm. Het Zero Point Field nu vult het hele universum met een energie, bestaande uit elektromagnetische golven van alle golflengten. Het ZPF is in geweldige beweging. Als door een of andere omstandigheid die energie een drempel overschrijdt, dan wordt zij op die plek omgezet in twee deeltjes, één positief en één negatief geladen. Maar die annihileren elkaar vrijwel direct daarna en keren weer terug als energie. Vanwege het 'spookachtige' verschijnen en verdwijnen van die deeltjes heten ze 'virtuele deeltjes'. In de QED erkent men alleen die virtuele deeltjes die snel verschijnen en weer verdwijnen en schrijft dit toe aan zgn. 'kwantum onzekerheid'. Er bestaat geen fysieke oorzaak voor, en over het algemeen schrijft men dit toe aan 'kwantum wetten'. Voor Einstein en vele andere onderzoekers was en is deze verklaring echter te schamel.

De energie in het ZPF is enorm. Er bestaan sterke vermoedens, dat de energie die de elektronen rond de atoomkern doet cirkelen, wordt ontleend aan het ZPF. Het ZPF is dan dus de kracht die de materie in stand houdt! Als de energie in het ZPF belangrijk toeneemt, dan zullen alle atomen in het universum de energie van hun elektronenbeweging moeten aanpassen. Dit gaat echter niet op een gelijkmatige manier, maar – zoals al door Planck gedefinieerd – met schokjes, oftewel: in kwanta. En omdat het ZPF universeel is, gebeurt dat in heel het universum op hetzelfde moment. Deze nieuwe opvatting over het vacuüm wordt aangeduid met de term: fysiek vacuüm (zie afbeelding hierboven).

We zagen al dat het nulpuntsveld verantwoordelijk is voor de energie van de atomen. Bij een lage energie in het nulpuntsveld hebben ook de atomen een lage energie, de verschillende elektronenbanen liggen dicht bij elkaar, en een elektron dat van baan wisselt levert dan ook fotonen met een lage energie op, dat wil zeggen dat het uitgestraalde licht dan roder is.

De toename van de energie in het nulpuntsveld gaat geleidelijk. Maar atomen kunnen hun energie niet geleidelijk aanpassen. Zij moeten wachten tot er een ‘kwantum’ van energie is opgebouwd. Zodra dat het geval is, passen alle atomen in het heelal hun energieniveau in één sprong aan. Vanaf dat moment zijn de elektronenbanen verder van elkaar verwijderd. Als er nu een elektron uit een hogere, energieke baan naar een lagere, minder energieke baan springt, wordt er door het verschil in energie een foton van hogere energie uitgezonden (zie de figuur).

Het licht wordt dus blauwer. Wat zien wij dus als we verder het heelal in kijken, dus naar een verder verleden? Licht dat steeds roder wordt, en wel in sprongetjes, ‘kwanta’. Zie verder het ertikel Roodverschuiving.

Waar komt nu dat ZPF vandaan? We zagen al in het vorige hoofdstuk, dat de SED-benadering het antwoord geeft, dat de ZPE een kosmologische oorsprong heeft en te maken heeft met ontstaan van het heelal. We hebben met deze gegevens omtrent het Zero Point Field een belangrijke bouwsteen in handen van de nieuwe kosmologie, die zich voor onze ogen schijnt te ontvouwen. Laten we nu gaan kijken naar de tweede bouwsteen: nieuwe ontdekkingen betreffende de roodverschuiving.

[1] Setterfield, Barry J., “Exploring the Vacuum”, Journal of Theoretics, Vol. 5-1, febr./mrt 2003 (http://www.journaloftheoretics.com/Links/Papers/Setterfield.pdf)

[2] Max Planck, in Verhandlungen der Deutschen Physikalische Gesellschaft 13, 1911: 138

[3] Science Editor, New Scientist. 2-12-1989: 14.

[4] Broglie, Louis de, New Perspectives in Physics. New York, Basic Books Publishing Co, 1962.

[5] Nelson, Edward, “Derivation of the Schrödinger Equation from Newtonian Mechanics”, Physical Review 150. 1966: 1079-1085. ( Ook:

id, Dynamical Theories of Brownian Motion. Princeton University Press, 1967