4.6 Supergeleiding en vacuüm

 4.6 Het vacuüm en supergeleiding.

Enkele intrigerende gedachten over supergeleiding zetten mij tot nadenken over een eventueel verband tussen het vacuüm, in dit deel voornamelijk de lege ruimte in het atoom, en supergeleiding. Nauwkeuriger gezegd bepaalde fundamentele beginselen die bij onderzoekingen, theoretisch en experimenteel, bekend zijn geworden of beredeneerd. Wat de experimenten betreft, het zijn de bekende, onder andere een weerstandloze stroomkring, de proef van John Frank Allen, een opmerking van G ’t Hooft en een uiteenzetting van St. Weinberg.

 

Allereerst zal ik deze onderwerpen zo kort mogelijk bespreken. Vervolgens zal ik trachten een samenhang te schetsen tussen een supergeleidende toestand van het vacuüm, in verband met een energieoverdracht van het vacuüm aan de elektronen, of liever gezegd een supergeleidend energie mechanisme dat past in het model dat ik in voorgaande delen ontwikkelde en dat ertoe bijdraagt dat er materie, elektronen, ontstaat vanuit het vacuüm.  Dat is de ene kant van de zaak, de andere is de samenhang van de supergeleidende toestand van het vacuüm met een ‘universele’ achtergrond die uit oneindig vloeiende tijd en energie bestaat. Deze achtergrond vertoont op zijn beurt non-lokale aspecten. In feite vertonen supergeleidende mechanismen ook al non-lokale effecten. Deze zal ik zo goed mogelijk trachten te plaatsen, in ieder geval ernaar verwijzen. Meer specifiek zullen non-lokale gegevens behandeld worden in een later deel. Een waarschuwing, veel van het volgende in dit deel is hypothetisch, dat komt deels omdat er doorgaans geen groot verband wordt gelegd tussen supergeleiding (inclusief fenomenen bij het absolute nulpunt of net erboven) en aan dat deel van de quantummechanica dat de verschijnselen van deeltjes beschrijft. Op zijn best worden er analoge verbanden gelegd zonder daaruit conclusies te trekken. Dat het voor het grootste deel hypothetisch zal zijn komt echter voornamelijk door het onbekende terrein. Mijn uitgangspunt is niettemin om door zo logisch mogelijk te redeneren, gedachtelijnen te ontwikkelen die een consistent geheel zullen opleveren, uitgaande van bestaande gegevens het onontgonnen gebied verder aftastend.

 

Een eindeloos doorlopende stroomkring zonder weerstand!

 

Nu dan de verwijzingen. Bij supergeleiding vermindert de weer-stand tot bijna nul, een stroomkring loopt eindeloos door. Berekend is (10 ¹⁰ ) ¹⁰, dat is ’n één met honderd nullen, zoveel jaar. Naar onze maatstaven bijna eindeloos. Dat komt, zegt de theorie: ‘doordat de elektronen  in cooperparen geordend worden. Normaal zijn ze chaotisch, ze botsen tegen onzuiverheden of dragen impuls over— bij cooperparen hebben alle elektronen dezelfde impuls—’n onzuiverheid, of een trillend ion in een kristal heeft niet genoeg energie om alle cooperparen (10²³ elektronen per cm³ ) af te remmen. De stroom loopt dan onstuitbaar door’.[1] Je kunt zeggen: ‘zo’n oneindige stroomkring stelt niets voor want je kunt er geen energie aan ontlenen’. Dat is zo, zo’n stroomkring is door ons op gang gebracht en geeft ‘alleen’ maar het bijna volmaakte weerstandsloze effect weer, zonder verliezen. Hier wil ik er alleen op wijzen dat er mechanismen mogelijk zijn waar het entropie beginsel niet opgaat. Critici zullen opmerken er komt wel degelijk entropie bij kijken, want zo’n stroomkring blijft alleen maar in stand door onze superkoeling en dat kost energie. Dat is zo, maar mij gaat het hier alleen om dat er in bepaalde omstandigheden geen entropie is, zoals hier in de stroomkring zelf. Daar kom ik later nog op terug i.v.m. de proef van Allen.

 

Is er een overeenkomst tussen supergeleiding en elementaire deeltjes?

 

Een tweede uitgangspunt is gebaseerd op opmerkingen van G ’t Hooft.[2]Hij wijdt een heel hoofdstuk aan overeenkomsten tussen supergeleiding en de lege ruimte (het vacuüm). Hij merkt op dat de wiskunde van de elementaire deeltjes lijkt op die van lage temperaturen. Het is voor hem alleen maar een analogie.’ t Hooft verder: “Waarom breng ik nu ineens de supergeleider te berde? Welnu men kan het materiaal opvatten als een systeem waarin het elektromagnetische veld  een veld met zeer kleine reikwijdte is, het wordt afgeschermd. En toch is het Maxwellveld een ijkveld. Dit maakt de supergeleider zeer interessant voor wie de zwakke kracht tussen de elementaire deeltjes wil beschrijven! (…) je kunt vaak totaal verschillende werelden met elkaar vergelijken omdat ze toevallig aan dezelfde wiskundige vergelijkingen gehoorzamen.” Ook hier weer de nadruk op een analogie, maar is het wel zo toevallig dat beide ‘werelden’ aan dezelfde vergelijkingen gehoorzamen? We zagen al dat als de cooperparen, d.w.z. elektronen die zich als een paar gedragen met spin 0, eigenlijk bosonen zijn met heeltallige spin. En wat kunnen bosonen? Ze kunnen zich allemaal in dezelfde energietoestand plaatsen, in feite worden al deze bosonen een groot quantumdeeltje, met als resultaat dat als een boson in een andere quantumtoestand komt te verkeren, door verplaatsing binnen het kristalrooster, alle andere dat ‘meteen en onmiddellijk’ ook doen, want bosonen verkeren nu eenmaal graag in dezelfde quantumtoestand. In tegenstelling tot elektronen (bij gewone temperatuur) die dat niet kunnen, ze hebben spin ½, Geen heeltallige spin dus. Deze deeltjes noemt men fermionen. Welke conclusie valt hier uit te trekken?

 

Er treed een verandering van deeltjes op bij lage temperaturen. Fermionen worden dus bosonen bij zeer lage temperaturen. Supergeleiding laat dus zien hoe elektronen kunnen veranderen bij zeer lage temperaturen. Ze ondergaan dan wat men noemt Bosecondensatie, in beeldspraak zou je kunnen zeggen dat ze, de elektronen, hun eigenheid verliezen. Net zo als de uiterst minieme droppels in waterdamp hun eigenheid verliezen als ze condenseren en dus vloeistof worden, zo worden de elektronen een elektronen vloeistof die niet meer op ieder elektron aangegrepen kan worden en daardoor weerstandloos wordt. Op de Cooperparen valt ook nog wel wat af te dingen.[3] Daarover wordt gezegd: “dat er in ‘warme supergeleiders’ dingen gebeuren waar de gangbare BCS theorie geen raad mee weet. De elektronen hebben dermate grillige kenmerken, dat die met de beste wil van de wereld niet meer als gas eigenschappen zijn op te vatten. De proeven, ……… wijzen veeleer in de richting van de theorie die Zaanen eind jaren tachtig in omloop bracht, die van de zogeheten stripes. Daarin vormen elektronen geen gasachtig medium maar een geheel onbekend soort quantummaterie, waarvan ondermeer de magnetische eigenschappen in langgerekte strepen zijn geordend. In gewone metalen bijvoorbeeld staan zulke stripes stil, in supergeleiders bewegen ze. Veel hiervan is nog onbekend (zegt Zaanen), maar er zijn verbanden te leggen met de beproefde quarktheorieën en zelfs met de snaartheorie”. Dat wachten we maar af, in ieder geval maakt het duidelijk dat laatste woord over supergeleiding nog niet gezegd is. Het is de vraag of cooperparen niet slechts een benadering geven van verschijnselen die ontstaan bij heel lage temperaturen. Want als de elektronen bij zulke lage temperaturen een verandering ondergaan van fermionachtig naar bosonachtig, geldt dat dan ook niet voor de onzuiverheden of trillende ionen die niet genoeg energie hebben om de elektronen af te remmen, zoals de theorie stelt? Komen deze ionen ook niet in een en dezelfde quantumtoestand?

 

Een speciaal geval: een elektromagnetisch veld met een kleine reikwijdte.

 

Terug naar de opmerking van ’t Hooft: “Welnu men kan dit materiaal opvatten als een systeem waarin het elektromagnetische veld een veld is met een zeer kleine reikwijdte. Het wordt afgeschermd. En toch is het Maxwellveld een ijkveld.” Twee opmerkingen die een erkenning van het vacuüm binnen het atoom in de weg staan. In de eerste plaats het begrip een veld met een kleine reikwijdte, dat wordt opgevat als een elektromagnetisch veld maar dan met beperkte uitwerking, dat wil zeggen binnen de supergeleider. Dit in tegenstelling tot het gewone elektromagnetische Maxwellveld. Niettemin wordt dit ‘veld met een kleine reikwijdte opgevat’ als een Maxwellveld, misschien daarom de opmerking: ‘en toch is het Maxwellveld een ijkveld’. Wat is een ijkveld? Dat wil zeggen dat je zo’n veld aan een transformatie kan onderwerpen, door bijvoorbeeld de vectorpotentiaal te veranderen. Met behulp van die vectorpotentiaal weet je wat het elektrische en het magnetische veld zijn, anders gezegd je weet wat de waarden zijn van het elektromagnetische veld. Dat is de basis van het ijkveld, het gehoorzaamt aan ijkinvariantie. Daardoor is het mogelijk dat je andere vectorpotentialen verzint die hetzelfde elektromagnetische veld genereren[4] Waar wil ik eigenlijk heen? Wel door dit soort mogelijkheden komt men in de verleiding om zo’n veld met ‘kleine reikwijdte’ als een elektromagnetisch veld op te vatten, dan vergeten we echter dat het om heel andere omstandigheden gaat. Het gaat om verschijnselen die met ‘elektronen’ in extreem lage temperaturen te maken hebben. Zodoende lijkt het logisch dat ’t Hooft opmerkt: “De natuurkunde van elementaire deeltjes heeft niets met lage temperaturen te maken, maar hun wiskunde lijkt er veel op.”

 

Een ijktransformatie op een veld met kleine reikwijdte toegepast?

 

Kan dat wel? De toestand van elektronen in een supergeleider wordt toch opgevat, hoewel kunstmatig, als een afgeleide van de normale deeltjestoestand van elektronen. Als zo’n veld met ‘kleine reikwijdte’ een elektromagnetisch veld is in de zin van Maxwell dan moet er een ijktransformatie op uitgevoerd kunnen worden. En wat zien we dan? Het eindresultaat, welke deeltjes werden er geproduceerd, hoeveel en in welke richting, wordt niet bereikt. Dat is logisch, want het zijn nu bosonen i.p.v. fermionen. Terwijl in het geval van een ijktransformatie het resultaat voor en na de ijktransformatie hetzelfde dient te zijn[5]. Hebben we hier nu helemaal niets aan? Niet als we de gewone deeltjes scenario’s op supergeleiding toepassen. Wel als we de veranderde toestand van elektronen, die fermionen zijn, in aanmerking nemen, het zijn nu bosonen geworden, of in ieder geval verkeren ze nu in een bosonachtige staat. Dus moet het mogelijk zijn om iets te leren over de overgang van fermionen in bosonen, uiteindelijk lijkt ‘hun wiskunde’ op elkaar. Dat zou zinvol zijn, omdat er in verschillende theorieën ervan uitgegaan word dat fermionen en bosonen broertje en zusje van elkaar zijn, nauwkeuriger gezegd in ‘n symmetrie theorie zijn bosonen en fermionen hetzelfde. In de ons vertrouwde situatie zijn ze verschillend, men noemt dat een verbroken symmetrie. Ook in een snaren theorie zijn ze gelijk.

 

Is er een overeenkomst tussen het vacuüm in het atoom en een supergeleider? 

 

Nu gaat het mij over het vacuüm binnen het atoom, en of daar een overeenkomst met supergeleiding gevonden kan worden. Zouden we in verband met het vacuüm in het atoom over een veld met ‘kleine reikwijdte’ kunnen spreken naar analogie van zo’n veld in een supergeleider? Dat lijkt heel redelijk, we zagen al dat het vacuüm niet leeg hoeft te zijn. Nu is ieder atoom een ruimte-tijd entiteit, de energie van het vacuüm in ieder individueel atoom zou heel goed zo’n veld(je) met ‘kleine reikwijdte’ kunnen zijn. Het wordt ook afgeschermd door het supergeleidend vermogen van het vacuüm, daardoor kan de werking van het elektromagnetische (Maxwell) veld van de tot bestaan gekomen elektronen, in hun gewone quantumstaat, niet binnendringen in dat afgeschermde veldje, ondanks dat het Maxwellveld wel een ‘grote reikwijdte’ heeft. Dat zou in overeenstemming zijn met het door Meissner ontdekte effect, dat komt er op neer dat het supergeleidende vermogen niet blijft bestaan als er een te krachtig magnetisch veld wordt aangelegd romdom de supergeleider. Dat gebeurd als de energie van de supergeleider niet toereikend is om de veldlijnen van het aangelegde magnetische veld naar buiten te drijven. De binnendringende veldlijnen vernietigen dan het supergeleidende vermogen. Nu is het niet zo moeilijk te begrijpen dat het elektromagnetische veld van de elektronen in een atoom nooit zo sterk is (kan zijn) dat die het supergeleidende vermogen van het vacuüm in het atoom kan vernietigen. Dat zoiets in een ‘gewone’ supergeleider niet kan komt door de wet van Lenz, die houdt in dat een door magnetisme opgewekte inductiestroom zijn bron tegenwerkt. Speelt er ook zoiets in de door elektronen opgewekte inductiestroom die ‘binnendringt’ in het omringende vacuüm van  het atoom? Waardoor die inductiestroom zijn bron, het elektron, tegenwerkt en het elektron afgeschermd wordt van het vacuüm, waaruit het ontstaan is! Met de huidige theorieën zijn de resultaten van dat ontstaan pas zichtbaar in de elektronen. Het is ook afgeschermd in die zin dat de gevolgen (resultaten) ervan ‘pas zichtbaar’ worden in de reële elektronen (of hun configuratie). Dat ‘pas zichtbaar’ worden van dat afgeschermde gebied hangt samen met de ‘eis van de constante van Planck’, dat wil zeggen de verschijnselen in dit gebied vallen buiten de ‘normale’ quantumbeschrijvingen, want zegt Feynman: “Levensduur (van wat voor hem virtuele fotonen zijn) maal energie is kleiner dan de constante van Planck.” Dat wil nog niet zeggen dat zo’n vacuümgebiedje als een veld met kleine reikwijdte niet kan bestaan. Op deze wijze de constante van Planck toegepast verhindert verder onderzoek en is in wezen dogmatisch.

 

Is de deeltjesfysica fundamenteler dan supergeleiding?

 

Over dat vacuüm binnen het atoom willen we verder onderzoek instellen, onder andere naar aanleiding van ideeën over Higssvelden en bosonen. Maar eerst wil ik enkele gedachten van St Weinberg over overeenkomsten tussen deeltjesfysica en supergeleiding bij hogere temperaturen bespreken.[6]Hieruit zou blijken dat de deeltjesfysica fundamenteler is dan supergeleiding. Het gaat om twee sorten van onderzoek: ‘het onderzoek naar het hoe en waarom van supergeleiding bij hogere temperaturen en als tweede het onderzoek naar de vraag hoe deeltjes massa krijgen’. De conclusie van Weinberg is: “De twee vraagstukken blijken wiskundig samen te hangen; zoals we zullen zien komen ze beide neer op de vraag hoe bepaalde symmetrieën in de onderliggende vergelijkingen verloren gaan in de oplossingen van die vergelijkingen”. Voor Weinberg geldt dat de verklaring voor de ‘hoge temperatuur supergeleiding’ afgeleid zal worden uit de eigenschappen van deeltjes. Wat in de deeltjestheorie nog onduidelijk is zal, zo denkt hij, afgeleid worden uit de ‘standaardtheorie’, als volgt: “Wanneer daarentegen de deeltjesfysici uiteindelijk de oorsprong van massa in het standaardmodel begrijpen, zal de verklaring berusten op aspecten van het standaardmodel waarover we vandaag nog in het duister tasten en waar we niet achter kunnen komen (al kunnen we er wel naar raden) zonder nieuwe gegevens uit hulpmiddelen zoals de supercollider. De deeltjesfysica vertegenwoordigt dus op een ander manier een grens aan onze kennis dan de vaste-stoffysica.”

 

Met alle respect voor Weinberg, maar hoe kun je zo definitief vaststellen dat deeltjesfysica fundamenteler is dan supergeleiding als beide een grens aan onze kennis vormen. Hoe weet je zo zeker dat supergeleiding bij hoge temperaturen een verklaring zal krijgen afgeleidt uit de ‘bekénde eigenschappen van elektronen, fotonen en atoomkernen’, als we nog met zoveel ‘aspecten van het standaardmodel zitten waarover we vandaag nog in het duister tasten en waar we niet achter kunnen komen’. Ja als we zelfs niet precies weten hoe deeltjes massa krijgen, zeg maar een echt deeltjesbestaan, is het dan wel zo zeker dat de deeltjesfysica fundamenteler is dan supergeleiding, of supergeleiding bij hoge temperaturen?

 

In de oplossingen van de wiskundige vergelijkingen gaan bepaalde symmetrieën verloren.

 

Wat valt op in deze uiteenzetting, over supergeleiding bij hoge temperaturen en het probleem hoe deeltjes massa krijgen? De wiskundige vergelijkingen hangen samen, en in beide gevallen komt het er op neer dat ‘bepaalde symmetrieën in de onderliggende vergelijkingen verloren gaan in de oplossingen van die vergelijkingen’. De conclusie die we kunnen trekken is dus dat net als supergeleiding bij hoge temperaturen mogelijk is door het verloren gaan van symmetrieën, zo ook worden deeltjes mogelijk door het verloren gaan van symmetrieën in de oplossingen van de onderliggende vergelijkingen. Het verloren gaan van bepaalde symmetrieën in beide gevallen markeert dus die grens van onze kennis. Maar wat weten we over hetgeen dat aan de ander kant van die grens ligt? Dat is tegelijkertijd veel en niet veel. Er zijn tal van gegevens beschikbaar, maar we weten ze niet te duiden of er een consistent geheel van te maken. Als we echter toch van symmetrieën uit willen gaan dan is een ding duidelijk, bij supergeleiding, of andere verschijnselen, bij of nabij het absolute nulpunt gaan de symmetrieën niet verloren. Althans niet in die mate als bij deeltjes en hoge temperatuur supergeleiding, integendeel de situatie in een supergeleider is juist symmetrischer dan in gewone fermionomstandigheden. Dat op zich is een logische vaststelling want supergeleiding kan alleen maar plaatsvinden bij bosonachtige omstandigheden en bosonen zijn nu eenmaal symmetrischer dan fermionen (gewone deeltjes).

 

Zit hier niet een weg in die we dienen te gaan? De hele kwestie als een geheel te beschouwen, als een ontwikkeling van bosonachtige toestanden die tot fermionen leiden. Tot de ons bekende deeltjeswereld. Misschien lukt het dan ook om supergeleiding bij hoge temperaturen te verklaren, omdat het ten ene male onmogelijk is om dat te bewerkstelligen zolang deeltjes nog in hun fermionstadium verkeren. Het is mogelijk dat dan ook duidelijker wordt waarom deeltjes fermionen worden, dat wil zeggen minder symmetrische eigenschappen bezitten. Omgekeerd moet het ook mogelijk zijn te onderzoeken wanneer fermionen bosonen worden en dus symmetrischer worden. Raadselachtig is dan supergeleiding bij hoge temperaturen omdat in de oplossingen van de vergelijkingen de symmetrie verloren gaat. Maar wellicht kan dat nu juist inzicht gaan geven in de mechanismen hoe bosonen fermionen worden omdat dit inderdaad een grens markeert, maar niet louter een grens aan onze kennis, maar een grens die de uiterste mogelijkheid van bosonische toestanden, dus supergeleiding, mogelijk maakt. Op zich ziet dat er wat supergeleiding bij hoge temperaturen betreft niet zo rooskleurig uit, immers  men spreekt dan wel van hoge temperaturen, maar deze zijn toch nog behoorlijk laag. Niettemin zou er winst zijn omdat we meer begrijpen van het probleem hoe deeltjes massa verkrijgen. Eigenlijk moeten we zeggen hoe er uit bosonen, of bosonische toestanden, fermionen ontstaan.

 

Waar gaat het dan naar toe? Zoals ik al zei, het moet een geheel worden en waaruit bestaat dat dan? Wel we zijn bezig met een onderzoek naar het vacuüm en supergeleiding en om daarover meer te weten te komen is het zinvol om dat wat wij supergeleiding noemen, bij of nabij het absolute nulpunt, te beschouwen als door ons afgeleide verschijnselen van datgene wat in de natuur in werkelijkheid speelt. Namelijk dat wat in het vacuüm zich voordoet. En in eerste instantie het vacuüm binnen het atoom. Hiervoor gaan we terug naar ’t Hooft en wel zijn opmerking: ‘De natuurkunde van elementaire deeltjes heeft niets met lage temperaturen te maken, maar hun wiskunde lijkt er heel veel op.’  Op zich zou je denken dat is waar, want deeltjes hebben temperatuur, maar als deeltjes vanuit het supergeleidende vermogen van het vacuüm ontstaan, dan zou de zaak wel eens heel anders kunnen liggen. Deeltjes zijn, zo denkt men, onderworpen aan verbroken symmetrieën. Eigenlijk, volgens de woorden van Weinberg, komt het erop neer dat massa, dus deeltjes, zou ontstaan door ‘het verloren gaan van symmetrieën in de onderliggende vergelijkingen door het oplossen van die vergelijkingen’ , dus de oplossingen van die onderliggende vergelijkingen zouden dan tot massa van deeltjes leiden, d.w.z. de deeltjes zelf. Weten we nog dat hetzelfde gold voor supergeleiding bij hoge temperaturen, waarom dan niet die onderliggende vergelijkingen en die oplossingen ervan tot een geheel maken. ‘Beide vraagstukken bleken toch wiskundig samen te hangen’. De gegevens van beide kunnen dan tot een gezichtspunt leiden, namelijk hoe kunnen bosonen fermionen worden. Voor hoge temperatuur supergeleiding kom je dan in het grensgebied, waar nog  net bosonische verschijnselen, dus supergeleiding, mogelijk is. En voor deeltjes: ‘waar gaan de bosonische verschijnselen over in fermionen’, dus het vraagstuk hoe krijgen deeltjes massa.

 

Het vacuüm binnen het atoom heeft ook eigenschappen.

 

Om die eigenschappen te leren kennen is het nodig om het vacuüm binnen het atoom als een zinvolle ruimte te gaan beschouwen, waar ook supergeleidende verschijnselen optreden. Ten eerste is er volop ruimte, het atoom is wel eens vergeleken met een stadion waar een stofje midden op het veld ligt, dat is dan de kern en op de elektronen na is het zo goed als leeg. Die elektronen bewegen zich wel in die lege ruimte, maar zij maken maar een klein deel uit van de totale massa van het atoom. Ten tweede is er daardoor geen temperatuur, of heel laag, bij nul graad Kelvin, want temperatuur is beweging. Botsende deeltjes in een gas verhogen de temperatuur, de elektronen in een atoom botsen niet, sterker nog er kunnen zich geen twee elektronen in dezelfde quantumtoestand bevinden. Of zouden ze botsen tegen de zogenaamde virtuele deeltjes, dat zou alleen maar een temperatuurverhoging opleveren, als het echte deeltjes zouden zijn[7]. Er komt natuurlijk nog iets bij kijken, want straling heeft ook temperatuur. Op zich wordt de temperatuur in straling niet verhoogd, zolang de frequentie hetzelfde blijft. Wel kan straling de temperatuur van materie verhogen, maar zoals gezegd, buiten de zg. virtuele deeltjes bevindt er zich in het vacuüm niets aan materie, of deeltjes maar dat is materie. Ten derde: er is wel energie in het vacuüm, ‘het vacuüm is niet leeg’. Dat roept ogenschijnlijk een probleem op, heeft deze vacuümenergie dan geen temperatuur? Op dit moment is dat nog moeilijk uitputtend te behandelen. Wel ga ik er vanuit, zoals al eerder vermeldt, dat deze energie ontzettend fijn verdeeld is, zodat ze voor ons niet meetbaar (nog niet?) is. Ze voldoet niet aan de eis die door de constante van Planck gesteld wordt. Temperatuur is iets dat tot een gequantificeerd heelal behoort en in mijn visie zit vacuümenergie op de grens, het is niet echt continu energie maar ook niet gequantificeerd naar de Planckvoorwaarden. Temperatuur is dus iets dat tot het Planckheelal behoort.

 

Een hiërarchise kwestie.

 

Nu zal men misschien opmerken, maar dat Planckheelal bevat toch ook het vacuüm, ja het grootste deel ís vacuüm. Dat is waar, maar dat is een hiërarchise kwestie. Daar bedoel ik mee dat wat ik het ‘Planckheelal’ noem een gevolg is van het vacuüm. Dat is dus de oorzaak dat er fermionen en straling ontstaan en niet andersom. Het zal dus duidelijk zijn dat deze fermionen en deze straling van een andere orde zijn dan de wereld van het vacuüm, de energie daarvan en, als ze bestaan, de eventuele virtuele deeltjes. Maar vergeet ik niet iets? Er zijn toch ook nog bosonen die niet persé bij lage temperaturen ontstaan? Dat is zo, hierover zijn enkele dingen op te merken. Bosonen kunnen ‘bestaan’ bij hele lage temperaturen, zoals blijkt uit supergeleiding en dergelijke verschijnselen. Dus hoewel bosonen als deeltjes opgevat worden hebben ze blijkbaar van zichzelf geen temperatuur. Bosonen zouden dus mechanismes kunnen weerspiegelen in dat vacuüm die vooraf gaan áán de vorming van fermionen. Wellicht bestaan bosonen, en hier bedoel ik die bosonen die massa hebben, eigenlijk niet. Is dat nu ‘geen vloeken in de kerk’? Ze, althans de W en Z bosonen, zijn toch voldoende aangetoond, is dat zo? Met alle respect voor de prestaties wereldwijd in allerlei versnellers, is het toch een feit dat het tot in de puntjes door ons geregisseerde manifestaties zijn. W en Z bosonen zijn dragers van de zwakke kracht, onder andere bij het verval in sommige radioactieve processen. Bij mijn weten heeft nog nooit iemand bij dergelijke processen W en Z bosonen gedetecteerd. Is het dan niet veeleer zo dat de manier waarop ze vastgesteld worden, die energetische processen weerspiegelen die aan dat verval, of andere interacties waarbij ze een rol lijken te spelen, ten grondslag liggen. En omdat nu eenmaal E = mc² geldt, doen wij in overeenstemming hiermee niets anders dan de condities bewerkstelligen waardoor deze energetische constructies tot massa worden. Of, en dat is nog rigoureuzer, imiteren wij die energetische constructies, of momenten, die overeenkomen met die momenten van enorme energieconcentratie, die volgens onze theoretisch inzichten met die bosonen overeenkomen? En dat alweer omdat energie volgens onze interpretatie van Einstein massa heeft. Dat lijkt wellicht in de ogen van velen een indianenverhaal, maar het is nodig willen we het vacuüm begrijpen en wat nog belangrijker is, door allerlei zaken te analyseren, vast te stellen wat nu werkelijk fundamenteel is.

 

Een voorgesteld verband tussen supergeleiding en elementaire deeltjes.

 

In dit verband komen we als vanzelf op het idee van Higgs over de naar hem genoemde velden en bosonen, zij zouden Bose-condensatie ondegaan? Er wordt een overeenkomst geschetst tussen het vacuüm en supergeleiding. Dat is opmerkelijk, deeltjes en supergeleiding al gaat het hier dan over geheel nieuwe deeltjes, de zogenaamde Higgs-bosonen. Maar wat is de verwachting van die Higgs-bosonen, wel dat zouden de deeltjes moeten zijn die alle andere deeltjes van het standaardmodel massa geven of daarvoor verantwoordelijk zijn. Het hele standaardmodel hangt dus aan verschijnselen die verwant zijn aan supergeleiding, want zonder deze Higss-bosonen is het standaarmodel niet compleet. G. ’t Hooft zegt hierover[8]: “Deze keer vindt de condensatie niet plaats binnen een of andere substantie, maar in de lege ruimte (vacuüm).De krachten tussen deze deeltjes zijn dan zodanig gekozen dat het energetisch gunstiger is de ruimte te vullen met deze deeltjes dan haar strikt leeg te houden. Die deeltjes zijn dan niet direct waarneembaar. Wij zouden die toestand, waarbij de ruimte krioelt van de Higgsdeeltjes (zoals ze nu worden genoemd) maar waarbij de energie de laagst mogelijke waarde aanneemt, aanzien voor een lege ruimte.” Dat geeft te denken: de condensatie vindt plaats in de lege ruimte, of wel ‘het vacuüm. Uitgaande van ideeën als een oneindig (tijd)energie continuüm en de onmogelijkheid van het bestaan van een lege ruimte die helemaal ‘niets’ is (in de zin van niets is niet iets), moet een ruimte die wij als leeg beschouwen altijd een energetische verdeling hebben. Je zou kunnen zeggen: ‘het echt leeg houden van de lege ruimte’ kost meer energie dan deze verdeling, denk maar aan hoe moeilijk het is in aardse omstandigheden een redelijk ‘leeg’ vacuüm te verkrijgen. In die zin zouden ideeën als van Higgsvelden en deeltjes er toe bij kunnen dragen een redelijke beschrijving van het vacuüm te verkrijgen. Een vacuüm, waarvan de energie het kleinst is als het een ‘niet-nul’ verdeling heeft. Denken we ook nog aan de opmerking: ‘die deeltjes zijn niet direct waarneembaar’, dan valt ons de overeenkomst op met de door mij geschetste mogelijkheid van vacuümgolfjes (virtuele deeltjes, als we persé aan deeltjes willen vasthouden) die niet voldoen aan de eis door de constante van Planck gesteld. Tegelijkertijd is er iets merkwaardigs aan de hand, De geschatte waarden van de Higgsbosonen zijn heel erg hoog, de verwachte massa’s liggen tussen de 100 Gev en in ieder geval minder dan 1000 Gev. Deeltjes met dergelijke massa’s zouden toch hun invloed moeten hebben. Duiden zulke theorieën niet op heel iets anders? Men verwacht aanwijzingen te vinden in hoge energie botsingen tussen protonen in de LHC versneller bij het Cern.

 

Kunnen Higgsdeeltjes wel zwaar zijn?

 

Als de energie van een Higgsveld het kleinst is als het een bepaalde sterkte heeft en niet wanneer het nul is, geeft voeding aan het idee dat de lege ruimte of het vacuüm, nóóit geheel ‘niets’ kan zijn. Het moet altijd de een of andere energieconfiguratie zijn. Laat dit bovendien niet zien dat als die lege ruimte vol met Higgsdeeltjes zit, deze Higgsdeeltjes nooit zwaar kúnnen zijn want dan zou deze ‘lege ruimte’ veeleer als een zeer sterk zwaartekrachtveld werken en eerder de gewone deeltjes bij elkaar trekken zoals in een neutronenster, er zou nauwelijks gewone materie mogelijk zijn. Zoals we al stelden, duidt dit niet op iets geheel anders? Er worden protonen met enorme energieën op elkaar afgevuurd, de verwachting is dat bij een van de genoemde energieën er Higgsbosonen gevormd worden, althans een aanwijzing of vingerafdruk ervan. Want deze Higgsbosonen vallen heel snel uit elkaar, de vingerafdruk wordt dan gegeven door de vervalproducten, bij iedere verwachte massa van de Higgsbosonen horen andere vervalproducten

 

We kunnen dit bekijken vanuit een ander gezichtspunt. Er worden twee protonen bundels met enorme snelheid op elkaar afgevuurd, er ontstaan botsingen. Wat zijn protonen? Behalve dat het onderdelen van de kern zijn, zijn het ook samenstelsels van quarks, in feite botsen deze dus op elkaar. Dat betekent dat de protonen volledig verwoest worden, zou dit niet zo zijn dan zouden de quarks als ‘vrije’ deeltjes gedetecteerd moeten worden. Dat gebeurt niet, maar de individuele deeltjes gaan een ogenblik op in een enorme energie concentratie, de energie van beide protonen maar ook de geweldige kinetische energie van hun voorafgaande beweging. Vanwege het behoud van massa-energie zou er dus slechts ‘n moment, een Higgsboson gevormd kunnen worden. Hierover kunnen verschillende vragen gesteld worden. Bijvoorbeeld, algemeen wordt aangenomen dat deeltjes hun eigen goed gedefinieerde eigenschappen bezitten, Higgsbosonen dus ook. Is het dus redelijk dat uit zo’n energieflits, uit allerlei ‘brokstukken’ van protonen Higgsbosonen ontstaan? Als dat al juist is, dan kan dat alleen maar als er in die flits informatie aanwezig was over de waarden van de eigenschappen van zo’n Higgsboson.

 

Higgsbosonen en massa.

 

Een andere vraag is hoe kunnen zulke ‘zware’ Higgsbosonen nu andere deeltjes massa geven? De theorie stelt dat deeltjes hun massa krijgen door een interactie met deze bosonen, die in feite een soort fotonen zijn maar dan met massa. Als nu een elektron een interactie heeft met een foton dan ‘springt’ het naar een hoger energieniveau, het is dan echter al een elektron met massa. Maar nu een elektron zonder massa, als een van de deeltjes die door het Higgsboson massa zouden verkrijgen, een deeltje zonder massa is eigenlijk zelf een soort foton. Een foton heeft geen massa (rustmassa) omdat het met de lichtsnelheid gaat, het elektron dat nog een foton is moet dus afgeremd worden. Men heeft het er wel eens over dat zo’n deeltje massa verkrijgt doordat het door die achtergrond, het Higgsveld, beweegt en dat wordt dan vergeleken met een modderige vloer waar je maar moeizaam vooruit komt, terwijl normaal een deeltje zoals een foton geen enkele belemmering ondervindt. In feite gaat zo’n deeltje dus een interactie aan met het Higgsveld dat het hele universum doordringt. Hoe sterker zo’n deeltje met dat veld een interactie aangaat des te meer massa zal het dan hebben. De eigenschappen van dit systeem blijven nog onbekend, zelfs houdt men de mogelijkheid open dat een Higgsdeeltje samengesteld is, dus uit andere deeltjes bestaat. Deze deeltjes ‘techniquarks’ genoemd worden dan door een nieuwe kracht ‘technicolor’ genoemd bij elkaar gehouden. Zelfs dan is men er nog niet, er zijn vele variaties op het Higgs thema. Er zijn mogelijk vele Higgsvelden en wat zijn hun eigenschappen?

 

Vragen en nog eens vragen.

 

Al lezende krijg je het idee dat er meer vragen dan antwoorden worden gegeven. De verwachting is echter dat men de komende jaren deze Higgsbosonen zal detecteren. Of dat zal lukken is nog een open vraag, in ieder geval denkt men dat nieuwe fenomenen aangetoond worden. We kunnen echter ook een andere redenatie volgen. Het zou kunnen betekenen dat het Higgsveld een proces in het vacuüm vertegenwoordigt, een schakel in het tot stand komen van vacuümenergie, vanuit een continu achtergrond, die tot deeltje wordt. Er zit een zekere quantificatie in deze gedachte en wel als volgt, als deze continu achtergrond, een achtergrond die niet discontinu is, niet gequantificeerd dus, door middel van een proces dat men Bosecondensatie noemt de ruimte een lagere energie (lager dan die continu achtergrond) geeft, die nodig is om het bestaan van deeltjes mogelijk te maken, dan kan het plaats vinden in het vacuüm binnen het atoom. Het is niet moeilijk te begrijpen dat vacuümenergie in kleine hoeveelheden gequantificeerd dient te worden, willen deeltjes als elektronen kunnen bestaan. Dat kan dus overeenkomen met de laagste waarde van het Higgsveld een lage energiewaarde die niet nul is, want dan doet het niks, maar het kleinst is als het een bepaalde waarde heeft, die waarde die nodig is om gekwantificeerde deeltjes te kunnen laten bestaan.

 

Maar schuif ik nu niet iets onder de mat? Volgens de definitie van ’t Hooft ‘ontstaat Bosecondensatie toch wanneer een grote concentratie bosonen de ruimte een lagere energie kunnen geven dan zonder die bosonen’.[9] Het antwoord zit denk in het toepassen van E = mc², hoewel de formule klopt hoeft het nog niet zo te zijn dat iedere concentratie energie per definitie massa is, of liever gezegd tot massa geworden. Gammastraling kan zeer intensief zijn, ja geconcentreerd, want een zeer hoge frequentie hebbend. Toch is gammastraling geen materie die met massa vereenzelvigd kan worden. Wat wil ik hiermee? Wel in de definitie zit een tegenstrijdigheid, een grote concentratie bosonen geeft de ruimte een lagere energie dan zonder die bosonen. Als nu de verwachtingen dat Higgsbosonen zeer grote massa’s hebben, dan heeft die ruimte die die concentratie van bosonen bevat toch geen lagere waarde dan voorheen. Als we alles als ruimte-tijd beschouwen, dan heeft een bepaalde ruimte-tijd voor en na een concentratie van bosonen toch dezelfde energie, tenzij die bosonen uit het niets opduiken? Maar dat is toch niet zo, die bosonen beschouwt men toch als de quanta van het Higgsveld dat de hele ruimte doordringt. Dus zelfs als die bosonen voor die concentratie geen massa zouden hebben, dan zou toch de energie voor en na even groot moeten zijn. Want het behoud van energie.

 

Higgsbosonen blijken virtueel te zijn.

 

 Deze Higgsbosonen zijn niet direct waarneembaar, ze zijn dus virtueel en dat kan betekenen dat het eigenlijk helemaal geen deeltjes zijn maar energieconfiguraties, die zoals gezegd ertoe bijdragen dat continu energie discontinu wordt, ofwel gequantificeerd. Zodat dat wat wij voor lege ruimte aanzien, een ruimte is die niet leeg is maar lagere energiewaarden heeft dan als ze gevuld zou zijn met continu energie. In plaats van continu energie krijgen we dus een zeer fijn verdeelde energie die de ruimte vult, die de basis kan zijn voor het ontstaan van lichte uit gequantificeerde energie bestaande deeltjes als elektronen en quarks. En die zijn nodig voor dat heelal waarin wij bestaan, ja al die zogenaamde zeer zware deeltjes hebben daar geen plaats. Ze kunnen daarin niet eens bestaan omdat ze zullen vervallen.

 

Er is nog een probleem. Wanneer geven die Higgsbosonen de deeltjes massa? Is dat een doorlopende zaak of gebeurde dat eens en voor altijd in de ‘Big bang’? In de meeste theorieën plaats men het verkrijgen van massa terug naar de Big bang, maar dat heeft tot nu toe geen sluitende theorieën opgeleverd, maar waarom de begrippen die eventueel in deze theorieën verborgen zitten niet toepassen op het vacuüm en speciaal in het atoom? Er zijn denk ik goede redenen omdat zo te bezien, deze tracht ik zo goed mogelijk te schetsen. Daarnaast is er natuurlijk ook nog het vacuüm zonder materie, de zogenaamde lege ruimte, die geheel vlak is, deze haalde ik al eerder aan in verband met opmerkingen van Penrose. Uit het geheel van de beschrijving van het vacuüm, zowel zonder als met materie zal moeten blijken dat de ontwikkeling van ruimte-tijd vanuit de geheel lege, vlakke, ruimte tot de geheel gekromde ruimte in een zwart gat, plaatsvind. Waardoor materie ontstaat en weer verdwijnt als een groots ruimte-tijd proces. Daarvoor wil ik aanwijzingen vermelden die het aannemelijk maken dat materie vanuit het vacuüm ontstaat, hoe deeltjes dus massa krijgen, dat wil zeggen hoe deeltjes, deeltjes worden vanuit vacuümprocessen.

 

Higgsvelden zouden verwijzingen kunnen zijn naar vacuümprocessen.

 

Het gaat dan om mechanismen die zodanig met het vacuüm en zijn continu achtergrond verweven zijn dat ze niet (of nog niet) los te koppelen of te traceren zijn. Deze Higgsvelden (bosonen) zouden dan aanwijzingen kunnen geven over dergelijke vacuümprocessen dat ze bijdragen aan inzicht in de werking van ‘tal van interfererende (vacuüm)golfjes ieder met eigen impuls’. In ons vermeende golf-deeltje probleem komen deze vacuümgolfjes dan op ons over als virtuele bosonen, eventueel als massaloze fermionen, die eigenlijk als fotonen zijn. Ook dit begrip fotonen (virtueel) ontstaat door ons golf-deeltje probleem. Die oorspronkelijke massaloze fermionen, (fotonen) zijn dan niets anders dan onze beschrijvingen van supergeleidende toestanden in het vacuüm waarin elektronen (en/of quarks) nog geen elektronen zijn maar ‘tal van vacuümgolfjes’ om samen te vallen. Hun veld of veldjes zou je dan volgens E = mc²  ook als fotonen of virtuele bosonen met spin nul kunnen beschrijven, die samenvloeien, weerstandloos stromen, dat wil zeggen zonder verzet of Pauliverbod, tot een elektron, een fermion dat zo samengebald is dat het op hetzelfde moment zijn boson spin nul karakter verliest en een precies positie bepaald deeltje met massa en spin ½ wordt. Bij dit samenvallen komen ook nog relativiteitseffecten kijken omdat ieder vacuümgolfje zijn eigen ruimte-tijd interval beschrijft. Daar ga ik uitgebreid op in, in het deel: ‘Relativiteitstheorieën en quantum-mechanica’.

 

Verdere verwijzingen naar het vacuüm als een supergeleider.

 

Hier wil ik eerst verdere verwijzingen naar het vacuüm als een supergeleider behandelen. Daarvoor gaan we weer naar G. ’t Hooft, in verband met quarks beschrijft hij magnetische monopolen, dat zijn magneten met een pool. Ze duiken in sommige theorieën op maar het bestaan ervan heeft men nog nooit kunnen aantonen. Hij gebruikt het idee: “En het tweede belang van monopolen is dat we nu gingen inzien dat in de quantumchromodynamica ook kleurmagnetische monopolen kunnen voorkomen, en zelfs in grote hoeveelheden. Als je aanneemt dat deze kleurmonopolen weer een soort Bosecondensatie ondergaan dan krijg je het begin van een échte verklaring van het verschijnsel quarkopsluiting in de quantumchromodynamica: we gebruiken inderdaad het oorspronkelijke idee van Nielsen en Olesen, maar verwisselen alle elektrische ladingen met de magnetische. De quarks zijn kleurelektrisch; het omringende vacuüm is een kleurmagnetische supergeleider.”[10] Of dit nu tot resultaten geleid heeft of niet, weet ik niet. Het illustreert in ieder geval dat deeltjes, vacuüm én supergeleiding  zo’n vreemde gedachte nog niet is.  Tot welke conclusie kunnen we dan komen? Wel als er zoveel overeenkomsten zijn, het vacuüm als een supergeleidend medium te gaan bezien en in plaats van analogieën te beschrijven, zoals de massa van deeltjes en supergeleiding bij hogere temperaturen, er fundamentele beginselen aan te ontlenen. In overeenstemming daarmee wil ik de proef van John Frank Allen en zijn team bespreken. De voorgeschiedenis daarvan   gaat om het verschijnsel dat helium II warmte een miljoen maal beter geleidt dan helium I.

 

Helium, een fascinerend element.

 

In het kort komt het erop neer dat helium vloeibaar wordt bij 4,2 K. maar dat is niet alles, bij 2,2 K. verandert de situatie zodanig dat men over helium I, boven 2,2 K. en helium II onder 2,2 K. is gaan spreken en met een zeer goede reden. Bij 2,2 K veranderen de eigenschappen van helium rigoreus. Het volgende wordt hierover gezegd[11]: ‘Mac Lennan begreep pas later dat hij een van de vreemde eigenschappen van helium zag, namelijk dat het zich onder de 2,2 K gedraagt als een supergeleider van warmte: het kleinste temperatuurverschil verspreidt zich bijna instantaan door de hele massa. Onder die omstandigheden is het praktisch onmogelijk om helium plaatselijk te verwarmen – of af te koelen – hetgeen betekent dat er geen temperatuurverschillen gevormd kunnen worden binnen de vloeibare massa.’. Enkele dingen vallen onmiddellijk op. Er is een non lokaal aspect, het kleinste temperatuurverschil verspreidt zich bijna instantaan door de hele massa. Het gedraagt zich als een supergeleider van warmte, je kunt dus ook zeggen als een supergeleider van energie. En de vloeistof werd erg rustig, zelfs zo rustig dat het onbeweeglijk blijft ten opzichte van de ‘vaste sterren’ dat wil zeggen volmaakt in rust ten opzichte van bewegingen in het heelal, zo ook ten opzichte van het laboratorium en de draaiing van de aarde. Dat zijn dingen om te onthouden. Ze kunnen ons helpen om een verklaring te vinden voor de supergeleidende werking van het vacuüm, maar er zit meer in. Helium II is de enige vorm van materie die niet beïnvloed wordt door de rest van het materiële heelal. Helium II zou dus kunnen staan voor het stadium in het vacuüm dat nog net niet tot het materiële heelal behoort, maar al wel discontinu is. In de ruimtetijdconfiguratie van helium II zouden misschien overeenkomsten met de ruimtetijd van het vacuüm in het atoom gevonden kunnen worden. Helium II is dan een zuiver bosonische toestand, die de bosonische eigenschappen van het vacuüm binnen het atoom weerspiegelt. Misschien kunnen we er van leren wat het stadium is tussen het materiële heelal en de continu achtergrond, de achtergrond die uit vloeiende tijd / energie bestaat. Het non lokale aspect ervan, tevens van alle soorten van supergeleiding en supervloeibaarheid, verwijst eveneens naar deze continu achtergrond. Het zal duidelijk zijn dat als er inderdaad een vloeiende continu achtergrond bestaat deze non lokale aspecten moet vertonen, want juist discontinu toestanden staan non lokale aspecten niet toe, omdat bewegingen zowel van tijd als energie zich van het ene deel naar het andere voortplanten. Dat impliceert al dat het heelal gequantificeerd moet zijn en Einstein ten spijt houdt zijn verbod dat niets zich sneller dan met de lichtsnelheid kan voortplanten al in dat het heelal gequantificeerd dient te zijn want als zijn ruimtetijd continuüm een echt continuüm was dan zou het non lokaal zijn. Daar komen we verder nog op terug.

 

De proef van John Frank Allen geeft verder inzicht.

 

Allen deed eerst een vrij normale proef met helium om te onderzoeken hoe helium reageert als het verwarmd wordt. Hij gebruikte een fles, waarin het helium verwarmd werd, door een weerstand. Die fles bevond zich in een vat met vloeibaar helium. Logisch dat er warmte begon te stromen van de fles naar het vat. Wat was er aan de hand? De ‘warmtestroming’ was niet in overeenstemming met het verschil in temperatuur tussen de fles en het vat. Er was iets vreemds aan de hand: ‘Erger nog, de warmteoverdracht tussen fles en vat leek groter te worden naarmate het temperatuurverschil kleiner was. Maar in een gewone vloeistof  is het omgekeerde het geval: de warmte plant zich sneller voort van een zeer heet naar een zeer koud punt en langzaam van een lauwwarm gebied naar een iets kouder gebied’. Het resultaat was ‘onwaarschijnlijk’. Wat doe je in zo’n geval? Je doet de proef overnieuw, in de hoop dat deze keer alles in overeenstemming met ‘aanvaarde’ natuurwetten. De uitkomst was opnieuw ‘onwaarschijnlijk’, maar nieuwsgierig geworden vraag je je af, ‘wat betekent het?’. ‘Hoe onwaarschijnlijk het ook was, er vond een vloeistofstroming plaats in de richting van de warmte bron’. Je kunt er niet omheen. In onze tijd is het een bekend verhaal, binnen helium II is het onmogelijk om de vloeistof plaatselijk te verwarmen, er vindt een instantane gelijkschakeling plaats van de temperatuur. En omdat we het helium II in het vat constant op een temperatuur onder de 2,2 K houden, kunnen we verwarmen wat we willen (met de weerstand in de fles). Dit mechanisme dat er géén temperatuurverschillen binnen de vloeistof kunnen ontstaan doet de vloeistof van koud naar warm stromen. Pas als wij de koeling van het vat uitschakelen keren de gewone effecten weer terug. De warmte zal weer naar het koude gedeelte stromen, de gewone thermodynamische effecten krijgen de overhand.

 

Ja kunnen we nu zeggen dat is toch alles heel normaal, interessant dat wel. Je kunt er misschien technische toepassingen voor bedenken net als voor supergeleiding, prima, maar dat is niet waar het hier om gaat. Er zitten fundamentele principes in, bijvoorbeeld dat er bij heel lage temperaturen een omgekeerde energieoverdracht plaats vindt. De energie stroomt niet van de warme bron naar de koude zoals normaal is, toename van entropie dus, nee net andersom entropie neemt af. Nog niet eens entropie toename is nul, nee de entropie vermindert. Dat betekent dat er sprake van een energieoverdracht in omgekeerde richting is. Dat kan van verstrekkende betekenis blijken te zijn, het kan illustratief zijn voor de supergeleidende vermogens van het vacuüm, ja sterker nog voor een energieoverdracht vanuit dat vacuüm aan ons ‘normale’ fysische heelal dat uit atomen bestaat. Nu ja, die entropie afname in helium II is er dan wel maar wordt teniet gedaan door de energie die nodig is om het helium vloeibaar te maken en onder de 2,2 K te houden. Dat is waar, maar wij vergeten dan dat wij ingrijpen in natuurlijke systemen en dat kost ‘altijd’ energie, bovendien zou het ook maar enigszins mogelijk zijn om dergelijke proeven uit te voeren als de natuur daar niet de mogelijkheden voor bood? We kunnen bedenken dat als de omstandigheden in een natuurlijk atoom, en wel in het vacuüm daarvan, zodanig zijn dat er een energieoverdracht mogelijk is wij daar ‘géén’ energie aan hoeven toe te voegen. Het is een natuurlijk systeem en dat werkt of wij daar nu wel iets mee doen of niet.

 

Speelt de ‘nulpuntsenergie’ ook een rol?

 

We moeten nog een begrip toelichten dat bij supergeleiding voorkomt, dat is de zg. nulpuntsenergie. Het bleek dat bij extreem lage temperaturen wel de thermische energie verdween maar er altijd nog een rest overbleef, de nulpuntsenergie. Deze nulpuntsenergie is er altijd al maar ze wordt in normale omstandigheden niet herkend omdat ze geen bijdrage levert aan de beweging en de temperatuur van atomen, dat wordt veroorzaakt door de thermische energie. Supergeleiding moet met deze nulpuntsenergie in verband staan, omdat de gewone weerstand te maken heeft met thermische energie die de deeltjes in atomen op een chaotische wijze doen trillen. De vraag rijst dan of supergeleiding niet veeleer tevoorschijn komt door een verandering van materie die niet langer uit gewone elektronen bestaat, want de thermische energie is geheel verdwenen. Het merkwaardige is nu, dat ze nu in dezelfde quantumtoestand, als bosonen kunnen verkeren terwijl ze dat niet kunnen als ze onderhevig aan thermische energie zijn. Zou er dus voor fermionen een verband zitten met hun thermische energie? En ook met het al of niet verbreken van hun symmetrie, want nu ze bosonen bij lage temperatuur geworden zijn, is hun symmetrie groter dan in hun normale toestand. In feite is in hun normale toestand de asymmetrie zo groot dat er niet meer dan twee elektronen (fermionen) in dezelfde quantumtoestand kunnen zitten. En dan moet ook nog hun spin verschillend zijn.

 

Het verschil tussen fermionen ruimtetijd en bosonen ruimtetijd.

 

Een conclusie die hier uit volgt is dat de ruimtetijd van fermionen anders is dan die van bosonen. Hoewel men zegt dat elektronen identiek zijn, is hier toch een kanttekening bij nodig, want als we uitgaan van het idee dat deeltjes gecomprimeerde (gecondenseerde zeggen sommigen) ruimtetijd zijn dan zijn ze ineens niet zo identiek, want ze passen niet eens in dezelfde ruimtetijd. Ook twee elektronen niet ook al hebben ze verschillende spin, want omdat spin geen onderdeel is van de Schrődingervergelijking maar er aan toegevoegd moet worden is het mogelijk dat spin deel uitmaakt van het tot bestaan komen van een deeltje, een elektron, in zijn ‘deeltjesfase’. Beter is het te zeggen, ze hebben bij tegengestelde ‘spin’ een tegengestelde ruimtetijd

 

Bosonen hebben dan een andere ruimtelijkheid want zij kunnen met zijn allen in dezelfde quantumtoestand zitten. Hierin zit een zekere verwijzing naar een continu achtergrond, hun ruimtetijd is minder discontinu dan die van fermionen, hun ruimtetijd is in zekere zin aaneengesloten, afhankelijk van om hoeveel bosonen het gaat is er een soort vloeiende ruimte ontstaan. Als we nu supergeleiding en supervloeibaarheid als uitingen van hetzelfde fenomeen verklaren, dan is supergeleiding wellicht hetzelfde als supervloeibaarheid. Hoe zat het ook al weer met supervloeibaarheid? Wel er kunnen in helium II geen temperatuurverschillen gevormd worden, die worden meteen en onmiddellijk genivelleerd. Je kunt ook zeggen er zijn geen potentiaalverschillen mogelijk, want een verschil in temperatuur is in zekere zin een potentiaalverschil, het doet een vloeistof stromen. Maar we zagen al, er is geen thermisch energie meer alleen nulpuntsenergie. En wat blijkt nu de stroming is veel doeltreffender dan bij thermische energie. Net zo is het bij supergeleiding, de totale afwezigheid van thermische energie doet een stroom weerstandloos vloeien. De verschillen in potentiaal die door thermische energie ontstaan zijn hier ook totaal verdwenen. Er is dus een overeenkomst met supervloeibaarheid. In de supergeleidende toestand is het niet mogelijk een elektronenstroom ‘plaatselijk te verhitten’ omdat beeld als illustratie te gebruiken. In feite gaat het dus om potentiaalverschillen die door thermisch energie ontstaan. Dat wordt opgevat alsof de elektronen voortdurend botsen tegen de ionen in de geleidende stof. Het is heel goed mogelijk dat ze ‘allen’ verschillende energieën hebben, omdat ieder elektron zijn eigen ruimtetijd vertegenwoordigt, terwijl ze als ze supergeleidend worden een bosonachtige ruimtetijd krijgen. Die ze verandert in een supervloeistof die minder discontinu is en in feite een grotere ruimte tijd omvat die continu eigenschappen vertoont.

 

Non – lokaliteit de uiteindelijke oplossing.

 

Hier krijgen we dus te maken met non-lokaliteit, dat wil zeggen dat iedere verandering, net als bij supervloeibaarheid, meteen en onmiddellijk in die hele continuachtige ruimtetijd wordt doorgevoerd. Ik denk dat, dat de oorzaak is van het weerstandloze gedrag. Normaal ontstaat stroming door potentiaalverschillen, dat is een lokaal effect, het kost tijd om zo’n verschil te nivelleren. Bij non lokale verschijnselen kost het echter geen tijd, verschillen worden meteen en onmiddellijk in de hele ruimte-tijd doorgevoerd. Niettemin wordt er toch energie verplaatst, deze kan dus nooit de kleinst mogelijke thermische energie zijn, maar moet van een andere orde zijn. Omdat we op ‘bosonenniveau’ zitten is er geen thermische energie meer, er is echter wel nulpuntsenergie. Er is dus een verschil in ruimtetijd, of op zijn minst is er een verandering van invloed op ruimtetijd. In het geval van supervloeibaarheid en supergeleiding levert de ruimtetijd géén problemen op om ‘meteen en onmiddelijk’ veranderingen door te voeren. Er kan dus een verschil zijn tussen de ruimtetijd van fermionen en bosonen, ofwel bij deeltjes met spin ½ of bij deeltjes met spin 0. Er zijn natuurlijk ook deeltjes met spin, 2 of 3, maar het gaat hier om de tegenstelling, tussen fermionen en bosonen. Er is dus een verschil in quantisatie. De elektronen met spin ½ (fermionen) hebben een meer gequantiseerde ruimtetijd, in feite eigenlijk ieder zijn ‘eigen ruimtetijd’ die als een eenheid ruimtetijd kan optreden. Dat dan de oorzaak is dat elektronen ‘vrij’ kunnen zijn, zodat ze van het ene atoom naar het andere kunnen zwerven. Stroom veroorzakend of chemische verbindingen aangaan. Bosonen in tegenstelling daarentegen (spin 1 of 2, heeltallig genoemd) hebben een minder individuele ruimtetijd, ze kunnen samen één grotere ruimtetijd aangaan, niet fermionachtig dus. Maar ook minder gequantiseerd, in ieder geval op die momenten dát ze zo’n grotere ruimtetijd eenheid vormen.

 

Weerstandsloos bewegen of misschien ook niet?

 

Hoe komt het nu dat de stroom binnen zo’n grótere ruimtetijd kán bewegen, en weerstandsloos is? Zou het kunnen dat de elektronen (eigenlijk in bosonen toestand) in feite helemaal niet bewegen? Dat zou consistent zijn met de opvatting dat deeltjes bij extreem lage temperatuur niet meer of zo goed als niet meer bewegen. Het bewegen was immers kinetisch en zou toch afnemen naarmate de temperatuur lager werd? Dat was oorspronkelijk de gangbare opvatting, maar het kon niet waar zijn, omdat er stroom liep, beter dan ooit, in stroomkringen bij hele lage temperaturen. Of is er een andere oplossing? Als echter de elektronen niet meer, of bijna niet meer bewegen, dan is de consequentie dat de stroom niet meer wordt voortgeplant door elektronen die praktisch weerstandloos door een supergeleider bewegen, maar dat ze hun energie afgeven of overdragen van het ene elektron (of dat wat ervoor staat) aan het andere. Dat zou dan niet de ‘normale’ energie zijn maar de nulpuntsenergie, omdat de ‘gewone’ energie de energie van bewegende elektronen is[12], van fermionen dus, terwijl hier sprake is van elektronen die een bosonen gedaante hebben aangenomen. Als nu de elektronen niet meer bewegen, dan kan het zijn dat hun ladingen, die de energie vertegenwoordigen, bosonisch worden. Als dit zo is dan is de nulpuntsenergie fundamenteler dan de kinetische energie, het zou een  verklaring kunnen zijn dat de stroom in een stroomkring die supergeleidend wordt ‘eindeloos’ doorloopt na het afkoppelen van de bron. De kinetische energie is dan immers afgekoppeld. Dit geeft een andere kijk op wat deeltjes in aanleg zijn. Een deeltje is dan ‘slechts’ een verschijningsvorm van de in aanleg fundamentele energie. Bij zeer lage temperaturen treedt er dan in die deeltjes een vorm van symmetrie op, niet omdat elektronen en bosonen bij lage temperaturen gelijksoortige deeltjes worden, maar omdat de energie van elektronen fundamenteel bosonisch is. Dat wil zeggen minder gequantificeerd dan in het stadium van elektronen als fermionen. De energie die nu dus bosonisch is geworden begint ook een non-lokale verschijningsvorm aan te nemen. Ze wordt niet meer gehinderd door ‘rusteloze’ elektronen.

 

Hier raken we aan een fundamenteel gegeven, namelijk de ‘nulpuntsenergie’ die de basis is van alle deeltjes, niet in hun ‘fermionenstadium’ maar in hun ‘bosonenstadium’ in het supergeleidende vacuüm, dat vooraf gaat aan het fermionenstadium. Deze nulpuntsenergie wordt niet als zodanig herkend, door onze overmatige behoefte om alles in ‘deeltjestaal’ te willen verklaren. Bovendien is het gebied té onbekend en daar uit volgend zien we de verbanden niet. In normale omstandigheden overheerst de fermionen energie de ‘nulpuntsenergie’, waardoor er weerstand optreedt en de nulpuntsenergie niet meer tot zijn recht komt. Het kan ook zijn dat in die botsende fermionen, weerstand opleverende wereld de ‘nulpuntsenergie’ niet aanwezig is.

 

Een bijzondere eigenschap van Helium II.

 

Om dit verder terug te voeren naar fundamentele kennis, gaan we hier nog in op een bijzondere eigenschap van helium II, die ik al eerder aantipte, het volkomen in rust kunnen zijn ervan. Er wordt over gezegd: ‘De afwezigheid van viscositeit geeft supervloeibaar helium nog een andere verbazingwekkende eigenschap: de vloeistof draait niet rond, zoals andere vloeistoffen dat doen’, als je ze in een emmer ronddraait. Zoniet bij helium II, dat blijft volkomen onbeweeglijk. Helium II blijft onbeweeglijk zelfs ten opzichte van de vaste sterren. ‘De supervloeistof blijft dus volmaakt in rust ten opzichte van de vaste richtingen die in de astronomie als bakens dienen. Deze eigenschap blijft bestaan, wat de beweging van het vat ook is en hoe lang deze ook duurt. Behalve natuurlijk wanneer je het vat schudt of omkeert’.[13] De schrijvers verklaren dit uit de volkomen afwezigheid van viscositeit, adhesie, geen enkele kracht die weerstand aan de verplaatsing ten opzichte van de wanden die de vloeistof bevatten: het vat heeft geen enkele greep op de vloeistof. In die omstandigheden blijft de vloeistof in rust omdat er geen enkele kracht door wrijving op uitgeoefend wordt, ze behoudt dus haar oriëntatie. Op zich is dit een beschrijving van het verschijnsel, maar geen verklaring, want hoe ontstaat die volkomen afwezigheid van viscositeit? Er wordt door Ortoli in een ander boek samen met Pharabod nog een interessant punt belicht in verband met ‘supervloeibaarheid’[14]: ‘Dit verschijnsel is veel spectaculairder dan supergeleiding omdat het een zichtbaar verschijnsel is: de heliumgolf is haar eigen steun terwijl de golf van paren elektronen verborgen bleef in het metaal. We kunnen zeggen dat we te maken hebben met een vloeibare golf in plaats van een golf in een vloeistof.’ Normaal is het laatste het geval, globaal genomen blijven bijvoorbeeld de watermoleculen in een golf op zijn plaats en als wij het hebben over een voortrollende golf dan moeten wij beseffen dat het de krachten in de golf zijn die zich voortplanten, een golf in een vloeistof bestaat op zich niet uit de vloeistof, water in de zee komt nauwelijks van zijn plaats. Het is de kinetische bewegingsenergie die van de ene molecuul op de andere wordt overgedragen. Niet zo dus bij helium II, daar is het atoom en energie onlosmakelijk verbonden met elkaar dus de heliumatomen vloeien weerstandloos door bijvoorbeeld heel nauwe buizen. Pharabod en Ortoli geven de gebruikelijke verklaring: deze verbazingwekkende verschijnselen worden veroorzaakt door de samenwerking van de atomen, in dit geval heliumatomen, twee protonen, twee neutronen, twee elektronen. Ze gehoorzamen aan dezelfde statistiek (de Bose Satyendra) als fotonen, ofwel algemener bosonen.

 

Is er een grens aan het gebied dat door de ‘gewone’ thermodynamica beschreven kan worden?

 

Zo’n grens zou er kunnen zijn, maar dat geeft verder niet aan wat de reden is dat er bosonen en fermionen zijn, waarom bijvoorbeeld elektronen en zelfs hele atomen zich bij dergelijke lage temperaturen als bosonen gaan gedragen. Bosonen zijn niet onderhevig aan de willekeur van elektronen in normale omstandigheden. Deze zijn dan onderhevig aan de ‘gewone’ thermodynamica, die geheel wegvalt bij zulke extreme omstandigheden. Er moet dus een andersoortig mechanica werkzaam zijn dan de gewone thermodynamica. We kunnen ook zeggen de krachten die hier optreden zijn niet onderhevig aan de gewone ‘materiemechanica’ We kunnen hier spreken van een grensgebied, waar voorbij heel andere wetten gelden, een gebied met non lokale effecten, waar veranderingen meteen en onmiddellijk (instantaan) worden doorgevoerd.

 

Als er zo’n grens is dan zullen deze verschijnselen niet geheel door quantummechanica verklaard worden. Hoewel het er op lijkt dat non lokale verschijnselen inherent zijn aan quantummechanica is dat gebied nog behoorlijk onderontwikkeld. In ieder geval wordt de strikte onbeweeglijkheid van helium II niet door quantummechanica verklaard. Geen enkel ander verschijnsel dat aan quantumregels onderhevig is levert zo iets absurds op. Misschien dat bij verder onderzoek ook de elektronenstroom bij supergeleiding voldoet aan deze onbeweeglijkheid ten opzichte van de vaste sterren. In ieder geval wijzen dergelijke verschijnselen naar een achtergrond, of op zijn minst naar een andersoortig mechanica die los staat van een discontinu, quantumheelal. Wat dat alles betekent hoop ik in de loop van dit onderzoek duidelijk te maken. Maar eerst wil ik de gangbare verklaring in verband met de eerder genoemde nulpuntsenergie analyseren. Dat is nodig omdat ik denk dat deze nulpuntsenergie ertoe bij zou kunnen dragen een beter begrip van de werking van het vacuüm binnen het atoom te krijgen. De reden daarvoor is dat ik dat fundamenteler acht dan supergeleiding en supervloeibaarheid. Dat zijn door ons veroorzaakte verschijnselen, die niet zouden bestaan als daarachter géén fundamentele begrippen te vinden zijn.

 

Het onzekerheidsbeginsel en de ‘nulpuntsenergie’.

 

 We gaan hiervoor naar een vermeend verband tussen het onzekerheidsbeginsel én de nulpuntsenergie:[15] ‘Het onzekerheidsbeginsel is belangrijk, omdat het direct naar de mysterieuze nulpuntsenergie leidt. In feite is het raadselachtige karakter verdwenen, nu deze de directe consequentie blijkt te zijn van de onbepaalbaarheid . Heisenberg heeft aangetoond, dat, wanneer we een deeltje willen waarnemen, we óf de positie onzeker maken, terwijl we de snelheid meten óf in het omgekeerde geval de snelheid onzeker maken.’ Dan wordt de vergelijking die hier uit voortkwam uitgelegd en daarin zit de grootheid l die er toe bijdraagt dat er een grens aan de waarneming gesteld wordt. Die grens wordt natuurlijk ook gesteld door h de constante van Planck, in het voorbeeld gaan we van l uit omdat in de gevolgde redenering de nulpuntsenergie wordt bepaald door de ruimte waarin een atoom kan trillen. Volgens Mendelssohn is het probleem eenvoudig, als we een deeltje zien als opgesloten in een doos met een bepaalde afmeting ( l ). We volgen de redenatie verder: ‘We weten, dat het deeltje ergens in de doos is, maar het onzekerheidsprincipe maakt het onmogelijk precies te vinden  waar het is op een bepaalde tijd. In elk deel van de doos is er een eindige kans om het deeltje aan te treffen. Deze waarschijnlijkheid wordt gegeven door de Broglie golf, die ons bijvoorbeeld vertelt, dat de kans groter is om het deeltje in het midden aan te treffen dan op een bepaalde plaats dichtbij de wand. Dit komt op hetzelfde neer als wanneer we zeggen, dat het deeltje in de doos trilt.’ Is dit laatste dat het deeltje trilt niet veel realistischer dan het onzekerheidsbeginsel, de trilling geeft gewoon de energie van het deeltje weer. Als het trilt in een ‘doos’, is het dan niet veel waarschijnlijker dat het in het midden gevonden kan worden, als we veronderstellen dat de trillingen gelijkelijk alle kanten opgaan en zodoende het deeltje op een vaste afstand van de wanden houdt. Bovendien, we belichten het al eerder, is hier sprake van een overdreven deeltjes idee, terwijl uit alles blijkt dat een deeltje nooit constant een deeltje is. Het is beurtelings uitgebreid of nauwkeuriger plaats bepaald, en dat op zulke kleine tijdschalen dat, dat de reden is van ons onvermogen om plaats of impuls exact vast te stellen. Deze verwarring is juist door het onzekerheidsbeginsel[16] ontstaan, omdat men ging denken dat deeltjes noch golven noch kogeltjes waren maar, zoals Mendelssohn zegt, door hun gecompliceerde natuur soms met het één soms met het ander te vergelijken zijn. Sindsdien, zegt hij, zijn natuurkundigen ermee tevreden om iedere kleine storing in de ruimte een deeltje te noemen. Men beschrijft de natuur van het deeltje door de soort storing, die wordt waargenomen.

 

Het onzekerheidsbeginsel of de ‘beschikbare’ ruimtetijd?

 

Maar deeltjes zijn eigenlijk speciale configuraties van ruimtetijd en geen storingen ervan, alsof deeltjes in een ruimtetijd rondzwerven los van die ruimtetijd. Op deze ruimtetijd willen we nu even doorgaan. In Mendelssohn’s visie hangt de nulpuntsenergie samen met de ruimte die een atoom (of deeltje) is toegemeten: ‘De trillende beweging van het deeltje is een direct gevolg van de onbepaalbaarheid, omdat het overal in de doos moet kunnen voorkomen’. Geeft dat geen vertekend beeld? Is het zo omdat men afzonderlijke gebeurtenissen niet kán kennen, wel zo zeker dat het deeltje overal in de doos móet kunnen voorkomen? Draaien we zo niet oorzaak en gevolg om? Is het niet verstandiger om van de beschikbare ruimte en niet van een zeker onvermogen uit te gaan, hoe de dingen in elkaar zitten? In de verdere formulering van Mendelssohn zit dat, hoewel misschien zo niet bedoelt, opgesloten: “De energie die het deeltje moet hebben, omdat een bepaalde ruimte voor zijn beweging beschikbaar is, is de nulpuntsenergie. In een kristal is elk atoom opgesloten in een doos, die wordt gevormd door de buuratomen. In deze doos zit alleen dit atoom: het kan er niet uit ontsnappen. Het atoom heeft daarom in de ‘grondtoestand’ een energie h²/ml² waarin l nu de afstand is tussen zijn linker en rechter buuratoom. Deze energie kan ook nooit worden afgegeven, omdat deze voortkomt uit de ruimte, die atoom in het rooster is toegemeten”. Omdat laatste draait het, de energie, hier dus de nulpuntsenergie, komt voort uit de ruimte die het atoom is toegemeten. Die ruimte, eigenlijk ruimtetijd, is van cruciaal belang. Het atoom (of een deeltje) hangt volledig samen met die ruimtetijd die het is toegemeten, dat wil zeggen het is een specifieke ruimtetijd die gecomprimeerd is tot dat ene atoom. En omdat we sinds Einstein spreken over ruimtetijd intervallen en sinds de quantumtheorie over discontinu toestanden heeft ook ieder atoom (deeltje) inderdaad zijn eigen ruimtetijd. Zoals we al beredeneerden is dat voor fermionen anders dan voor bosonen, die een mate van continu ruimtetijd hebben. Als we nu even terugkeren naar Mendelssohn: ‘De vergelijking laat zien, dat de onzekerheid om de plaats van een deeltje te bepalen tot op een afstand l nauwkeurig, aan dat deeltje op de een of andere manier de energie h²/ml² toekent.’ Dan kunnen we nu stellen dat het de ruimte tijd is die in ieder geval wat de nulpuntsenergie betreft bepalend hiervoor is. Wat wij doen door te trachten de plaats van een deeltje te bepalen is dan níet fundamenteel, maar heeft zo zijn eigen complexe factoren omdat zoals in het geval van het atoom in het kristal, dat nooit op zichzelf staat, er tal van invloeden zijn van die naburige atomen en dat geldt natuurlijk voor alle deeltjes.

 

De ‘nulpuntsenergie’ als een fundamenteel gegeven.

 

Maar dalen we nu af tot een enkel atoom, of een enkel deeltje, dan komen we bij de nulpuntsenergie die inherent is aan ieder atoom of beter nog aan ieder deeltje. Deze nulpuntsenergie is fundamenteler dan de gewone thermodynamische energie, hoewel ze bij hogere temperaturen overvleugeld wordt door die thermodynamische energie. Dat is niet onlogisch want het heelal dat op een, laten we maar zeggen ‘normaal’ niveau functioneert is juist in dat functioneren afhankelijk van die thermodynamische energie (en dus van de wetten van de thermodynamica), maar bij extreem lage temperaturen verandert de zaak rigoureus zoals we gezien hebben. Als nu die nulpuntsenergie die pas tevoorschijn komt als de thermodynamische energie verdwenen, of tot nul teruggebracht is, dan wordt ze ook niet beïnvloed door die thermodynamische energie en ook niet door de wetten ervan. Is de conclusie dan gewettigd dat die nulpuntsenergie te maken heeft met die onbeweeglijkheid van helium II ten opzichte van de vaste sterren? De ‘nulpuntsenergie’ zou dan kunnen optreden binnen atomen als zij in supergeleidende, of supervloeibare, omstandigheden komen. Bij de ‘atomen’ van helium II (als je tenminste nog van atomen kunt spreken) levert dat dus ‘supervloeibaarheid plus de onbeweeglijkheid ten opzicht van de vaste sterren op’! Als dit zo is dan is de toepassing van de bijzondere eigenschappen van helium II, niet beperkt tot helium II, maar is het gerechtvaardigd dit bij uitbreiding toe te passen op het vacuüm binnen het atoom. Daarvan opperden we al dat het mogelijk moet zijn dat deeltjes in dat vacuüm ontstaan door mechanismen die lijken op, of hetzelfde zijn, als die we bij die bijzondere verschijnselen als supergeleiding en supervloeibaarheid tegenkomen. In ieder geval zullen de beginselen ervan overeenkomen.

 

Zijn fundamentele verschijnselen in het vacuüm van het atoom te vinden?

 

Als dit iets fundamenteels illustreert, dan moet dat op de een of andere manier met atomen verbonden zijn. Aangezien we hebben vastgesteld dat deze verschijnselen ten ene male onmogelijk zijn bij de ‘gewone’ toestand van atomen, het fermionenstadium, moeten deze fundamentele eigenschappen in het vacuüm van het atoom gezocht worden. Het is dus zaak om de fundamentele eigenschappen zoals weerspiegelt door supergeleiding en supervloeibaarheid in het vacuüm terug te vinden. Zoals we zagen gaat het om begrippen die lós staan van thermodynamica en van de begrippen in de quantummechanica die met fermionen te maken hebben. Maar tegelijkertijd hebben we wel andere begrippen die dan belangrijk worden, ‘nulpuntsenergie’ en het tot nul gaan van entropie, ja sterker nog omgekeerde ‘entropie’. Herinneren we nog de proef van Allen, er vond een vloeistofstroming plaats van koud náár warm! Op dit niveau van extreem lage temperatuur, onder 2,2 K, worden de rollen dus omgedraaid. Er ontstaat een toevoeging van energie aan het ‘warme’ heelal vanuit een coherente achtergrond. Dat lukt slechts bij deze lage temperatuur en dat moet dus vanuit het vacuüm van de heliumatomen plaats vinden, omdat deze omkering verdwijnt als onze heliumatomen in ‘gewonere’ omstandigheden komen te verkeren. En dat gebeurt al heel snel, daarvoor hoeven we het helium ‘slechts’ tot boven de 2,2 K te verwarmen, dat geeft dus de zeer scherpe begrenzing aan van de temperatuur van het vacuüm. Dat is niet onlogisch want het vacuüm kán niet onderhevig zijn aan hogere temperaturen omdat je dan over deeltjes en hun thermodynamische energie spreekt en die is nu juist afwezig.

 

Het gaat dus om twee begrippen, een omgekeerde entropie, ofwel een toevoeging van energie vanuit het vacuüm, en om de ‘nulpuntsenergie’. Wat deze betreft ze kan net zo min als supervloeibaarheid gehinderd worden, of vernietigt, in feite is ze ook onderhevig aan een soort supervloeibaarheid. Ze heeft ‘non lokale’ effecten en ze wordt pas gehinderd als deeltjes hun fermionenstadium bereikt hebben en dan onderhevig worden aan thermodynamische en quantum beginselen voor fermionen. Deze conclusie leidt dus tot de vraag of we de wetten van de thermodynamica niet aan een nader onderzoek dienen te onderwerpen om te zien of deze een dergelijke conclusie toestaan. Zoals we zullen zien is dat verrassend genoeg inderdaad zo.

 

Een nader onderzoek aan de thermodynamische wetten.

 

We gaan hiervoor eerst naar de derde wet van de thermodynamica[17] : ‘De betekenis van de derde wet voor de wetenschap van de lage temperaturen blijkt uit de twee volgende formuleringen, waarin Nernst zijn theorema tot uitdrukking heeft gebracht: de ene luidt, dat men het absolute nulpunt onbeperkt dicht kan naderen, maar het nooit kan bereiken en de andere zegt, dat bij het absolute nulpunt de entropie nul wordt.’ Volgens een andere definitie is het wat genuanceerder[18]: ‘Het absolute nulpunt is onbereikbaar in een eindig aantal omkeerbare thermodynamische kringprocessen. Het verschil in entropie tussen toestanden in een dergelijk herhaald proces gaat naar nul in de limiet voor T = 0 K.’  Wat is de betekenis hiervan? Het naderen van het absolute nulpunt wordt steeds moeilijker omdat het thermodynamische deel minder belangrijk wordt, terwijl de nulpuntsenergie het proces gaat bepalen. Men heeft het echter over een limiet T = 0 K. Een limiet is een zo goed mogelijke benadering maar niet geheel en al het te bereiken doel. Hierin zit iets opmerkelijks, het naderen tot nul tracht men te bereiken met  een ‘aantal omkeerbare thermodynamische kringprocessen’. Dat men het zo tracht te doen komt voort uit een te absolute opvatting van de thermodynamische wetten, terwijl het overduidelijk is dat de invloed van de thermodynamische wetten alsmaar minder wordt en men hier een heel ander gebied betreedt. Er zal dus óf een uitbreiding van die wetten gemaakt moeten worden, óf er moeten aparte wetten voor opgesteld worden. Omdat we dit gebied niet meer kunnen beschrijven met thermodynamisch wetten moet de conclusie zijn dat het om een gebied gaat dat voorafgaat aan het gewone thermodynamische heelal. Een energiebasis of fundament, of bron vertegenwoordigt de achtergrond van het ‘normale’ energetische, materiële systeem. Om dit beter te begrijpen kunnen we er niet omheen om de andere twee wetten van de thermodynamica aan een nader onderzoek te onderwerpen, er blijkt een samenhang in te zitten die ons verwijst naar dat specifieke gebied, of liever gezegd, ze geven een afbakening aan die inderdaad de wetten beperkt tot het ‘normale heelal’.

 

Wetten beperkt tot een thermodynamisch heelal.

 

Eerst een formulering van de tweede wet: ‘In een geïsoleerd systeem bepaalt de tweede wet feitelijk de richting van de tijd, doordat entropie verandering door interne processen slechts in één tijdsrichting verloopt.’ Of hier van tijdsrichting gesproken kan worden, wil niet meer zeggen dan dat deze processen in ‘normale’ omstandigheden in een richting verlopen, namelijk ‘het toenemen van entropie’. Sommigen, o.a. Penrose menen dat de zogenoemde asymmetrische tijdpijl door entropie ontstaat, we hebben echter gezien dat entropie tot nul kan afnemen, dan zou de tijd bij het absolute nulpunt geheel tot stilstand komen. Dat is ondenkbaar gezien de uiterst dynamische processen van supervloeibaarheid en supergeleiding. Bij een absolute stilstand van de tijd zou er in het geheel niets meer gebeuren, er is dus iets aan de hand. Dat wordt al snel duidelijk als we kunnen aanvaarden dat entropie kán omkeren. In feite als entropie de richting van de tijd bepaald, dan zou de tijd hier dus omkeren. Het is fascinerend dat de meeste wetten inderdaad tijdsomkering toestaan, we zullen zien dat dergelijke opvattingen bijzondere dingen weergeven. In de loop van de beschrijving kom ik tot de stelling dat het om een tijdsproces zelf gaat, dat loopt van ‘oneindig via een eindige asymmetrische tijdpijl terug naar oneindigheid’. In deze opvatting is entropie ‘het gevolg van deze eindige asymmetrische tijdpijl’ en niet de óórzaak.

 

Zo rest ons dan nog de eerste wet van de thermodynamica, die ons ook laat zien dat ze beperkt is. Ze wordt als volgt geformuleerd: ‘Energie is in een geïsoleerd systeem een behouden grootheid. Voor een systeem zijn de veranderingen in de interne energie gelijk aan de opgenomen warmte plus de arbeid die op het systeem wordt uitgeoefend. Het is onmogelijk om een machine te construeren die arbeid verricht zonder energie uit een externe bron te betrekken.’ We zullen eerst de aandacht richten op ‘een geïsoleerd systeem’. Eenvoudig gezegd bestaat een ‘geïsoleerd systeem’ niet. Wat was nu de aanleiding tot deze wet? Wel door onderzoekingen aan o.a. stoommachines ging men begrijpen dat de ene soort energie in een andere omgezet kon worden. Zo kwam Rumford door zijn waarneming bij het uitboren van een kanonsloop tot de ontdekking dat mechanische energie in warmte werd omgezet, de loop werd heet door het uitboren. Logischerwijs kwam men tot de tweede wet: ‘entropie neemt altijd toe’. Want wat observeerde men, er was altijd verlies in bijvoorbeeld stoommachines, dus de tweede wet leidt tot de gedachte dat niet alle warmte omgezet kon worden in arbeid. Het omgekeerde als bij het uitboren van de kanonsloop, want daar kon niet alle mechanische energie (arbeid) omgezet worden in het doel, het uitboren. Oppervlakkig gezien zou je dus denken geen behoud van energie en dus strijdig met de eerste wet! Maar men omzeilde het probleem, het deel van de energie dat optrad door het verlies van warmte telde men gewoon op bij de nuttige energie: de verrichte arbeid.

 

Ogenschijnlijk niks aan de hand, of toch wel? In het begrip: ‘geïsoleerd systeem’ zit een kink in de kabel. Het geïsoleerde systeem in dit geval was een stoommachine (of ieder willekeurige andere machine die arbeid kan verrichten) en blijkt dus niet geïsoleerd te zijn want wat gebeurt er, de warmte lekt weg naar de omgeving. Maar ja, je moet dat groot zien. De warmte die verloren gaat, gaat niet echt verloren, ze wordt alleen maar uitermate verdund over het hele heelal, en dat geldt natuurlijk voor alle energetische processen, die geen 100% rendement opleveren. Jammer genoeg hebben we  nog geen processen met 100% rendement kunnen vinden. De totale energie echter van het gehele heelal, inclusief alle machines, zal dus noch toe, noch afnemen. Alleen je hebt er niets meer aan, er is volgens de tweede wet geen enkel systeem dat de zaak kan omdraaien, de entropie wordt steeds groter in één richting van de tijd. En dat is het dan, of toch niet? Hoewel dit op heelalschaal zo lijkt is er geen bewijs dat, het een absolute wet is. En daarbij doel ik niet op de statistische kans dat een systeem zich omkeert. Daarover kunnen we kort zijn. Hoewel statistisch mogelijk, is de praktijk anders. De kans daarop is zo onmetelijk klein, vele biljoenen malen meer dan de huidige leeftijd van het heelal denkt men, dat het zinloos is om daarvan uit te gaan.

 

Twee vragen die helderheid moeten verschaffen.

 

Dus gaat het om twee vragen. Is het heelal een geïsoleerd systeem? En is het mogelijk om een machine te construeren die energie toevoegt in plaats van dat er energie verloren gaat? Een omkering veroorzaakt van entropie dus. Voor beide vragen komen we uit bij de beschreven proeven i.v.m. supergeleiding en supervloeibaarheid. We zagen de mogelijkheden. Entropie, de toename van, neemt af en zelfs: ‘entropie nadert niet alleen tot nul, maar keert om’. De vloeistofstroming liep wel degelijk van een koude naar een warme bron. En wat supergeleiding betreft, er blijken bij zeer lage temperaturen weerstandloze energie systemen te zijn zonder verliezen. Dat geldt ook voor supervloeibaarheid, een wrijvingsloos systeem. Zelfs oppervlakkig bekeken zien we dat er wel iets meer aan de hand is dan dat de drie wetten van de thermodynamica ons laten zien. De conclusie is dan ook dat ze een beperkt, zij het over een heel groot gebied, bereik hebben. Het gaat om een afgebakend gebied waarvan wij menen dat het universeel is. We kunnen dit illustreren aan de hand van het begrip warmte, de warmte die helaas meestal optreedt als een verlies. Maar bij het absolute nulpunt kunnen we niet eens van warmte spreken, wel van energie, de zogenoemde nulpuntsenergie. Warmte, en de omzetting ervan, arbeid zijn dus géén fundamentele begrippen, maar behoren bij dat afgebakende gebied dat geregeerd wordt door de wetten van de thermodynamica. Nulpuntsenergie is fundamenteel, daar komen we uit.

 

We komen zo tot een beantwoording van de eerste vraag: is het heelal een geïsoleerd systeem? Om te beginnen kunnen we al zeggen, er is een uitbreiding naar het gebied van de uiterst lage temperaturen waarvan we zagen dat de drie wetten niet meer bruikbaar zijn. We zagen ook dat het vacuüm erbij betrokken dient te worden en dat er redenen zijn omdat vacuüm als een supergeleider van energie te beschouwen. Het is logisch dat ook het vacuüm buiten de toepassing van de drie wetten valt vanwege de overgrote ‘leegte’ in het atoom, 99,999.. % van de ruimte. Waar dus geen deeltjes zijn, of op zijn best sporadisch door bewegen. Dat alles leert ons wat voorzichtiger te zijn met de thermodynamische wetten, ze zijn bruikbaar maar niet absoluut. In werkelijkheid geven ze zelf al aan dat er meer is. Denk nog maar eens aan de formulering uit de eerste wet: ‘Het is onmogelijk om een machine te construeren die arbeid verricht zonder energie uit een externe bron te betrekken’, niet direct een geïsoleerd systeem dus.

 

Is het heelal een machine die zijn energie niét betrekt uit een uitwendige bron?

 

En wat doet men? ‘Alle’ modellen op heelalniveau construeren een ‘machine’ het heelal, dat zijn energie niet uit een externe bron betrekt. Er zit dus een vaagheid in de eerste wet, ja een discrepantie, enerzijds spreekt men over geïsoleerde systemen en behoud van energie binnen zo’n systeem, anderzijds is het onmogelijk om zo’n systeem te creëren want altijd is er een externe bron nodig waaruit de energie komt. We zagen al dat kleinschalige systemen, zoals stoommachines zeker geen geïsoleerde systemen zijn omdat er altijd energie weglekt. Ja tot op heelalniveau verdund wordt, maar ook wat het heelal betreft geeft de eerste wet geen uitsluitsel.

 

We kunnen natuurlijk denken dat we het probleem verplaatsen als we het vacuüm en het gebied van het absolute nulpunt, of net daarboven, invoeren om de zogenaamde geïsoleerdheid te doorbreken en zo een externe bron van energie voor het heelal te veronderstellen. Creëer je dan niet opnieuw een geïsoleerd systeem, deze keer inclusief het vacuüm? We hebben echter nog een gebied. Links en rechts kwam het al ter sprake! Achter dit zogenaamde laatste geïsoleerde systeem is nog een ander, dat is een écht continuüm van oneindige energie en tijd. Dat is totaal tegengesteld aan het materiële heelal dat in de aard der zaak eindig én discontinu is. Die achtergrond is universeel én continu, daarin komen de eigenschappen van weerstandloosheid, wrijvingsloosheid en afwezigheid van entropie pas goed tot hun recht. In feite lijkt het logisch dat deze verschijnselen uit deze achtergrond komen en kenbaar worden in een overgangsgebied tussen eindig en oneindig. Het vacuüm met geen of zeer lage temperatuur. Weerstand, wrijving en entropie zijn alle eigenschappen die bij een discontinu systeem behoren, het ‘materiële’ heelal. Ik realiseer me dat het bestaan van een dergelijke achtergrond veel weerstand zal oproepen of naar het rijk van de metafysica verwezen zal worden. Iets dergelijks zal misschien als een ‘perpetuum mobile’ gekenschetst worden. Dat is niet juist, een perpetuum mobile draait op ‘niets’, (eigenlijk lijkt een heelal ‘ex nihilo’ eerder op een perpetuum mobile). Dat is niet zo in een dergelijke universele achtergrond. De energie daarvan zal oneindig moeten zijn en dat is wat anders. Die oneindige achtergrond zal dus als de externe bron van energie functioneren, zoals de eerste wet dat vereist. Het is dus niet zo dat je het probleem van wat een geïsoleerd systeem is opschuift, want deze externe energiebron is oneindig én buiten het heelal inclusief het vacuüm, dus echt extern.

 

De ‘eerste wet’ in een groter verband.

 

Wel beschouwt hebben de bedenkers van de eerste wet niet voor niets gewerkt. Nu stelde ik dat de drie wetten niet absoluut konden zijn, dat is waar ten aanzien van hun toepassing op een eindig, discontinu heelal, echter de eerste wet kunnen we wel in een groter verband plaatsen: ‘Energie is in een geïsoleerd systeem een behouden grootheid. Voor een systeem zijn de veranderingen in de interne energie gelijk aan de opgenomen warmte plus de arbeid die op het systeem wordt uitgeoefend.’ En ‘het is onmogelijk om een machine te construeren die arbeid verricht zonder energie uit een externe bron te betrekken.’ Nu zal U misschien denken dat ik mezelf tegenspreek, want ik had het toch over een discrepantie in de eerste wet? Jawel, maar herinner u dat ik het over een nader onderzoek van de drie wetten had dat tot meer inzicht zou kunnen leiden. Dat is nu wat we bereikt hebben. Deze hele visie is niét tegenstrijdig met de eerste wet in tegendeel ze plaatst hem in een groter verband. Want we kunnen nu het ons bekende heelal, inclusief het vacuüm, als een geïsoleerd systeem beschouwen, zodat de energie als een behouden grootheid geldig blijft. Binnen dat heelal blijft de totale energie gelijk! Maar wacht eens er werd toch geopperd dat er energie uit die externe bron, die universele achtergrond, opgenomen zou worden? Zodat er geen onomkeerbare entropie zal ontstaan, met een koude dood voor het heelal als gevolg. Dat is inderdaad beredeneerd en de conclusie is dan óók dat er een terugkeer van die opgenomen energie moét zijn, zodat de totale energie inderdaad een behouden grootheid kán blijven. Tegelijkertijd wordt ook voldaan aan het tweede deel van de eerste wet, er is geen ‘machine’ mogelijk die zijn energie niét uit een externe bron betrekt.

 

Dat de opgenomen hoeveelheid energie uit die externe bron weer opgenomen wordt door die universele achtergrond is natuurlijk een idee dat uitgewerkt dient te worden. Dat zal ook worden gedaan, o.a. in het deel dat over zwaartekracht, zwarte gaten en zwartgatachtige mechanismen zal gaan. In verdere delen zullen ook de begrippen eindig en oneindig verder belicht worden, U zult dus even geduld moeten hebben. De slotconclusie van dit deel is in ieder geval het volgend uitgangspunt: ‘Het heelal zou een eindig systeem kunnen zijn dat gebed ligt in een oneindig systeem. Een continuüm van tijd en energie waarin geen van beide gequantificeerd zijn, niet discontinu dus.’