211service.com
Zwaartekracht, kwantumobjecten en schendingen van het equivalentiebeginsel
Hoe reageren kwantumobjecten op zwaartekracht? Het lijkt een eenvoudig genoeg vraag en toch een die theoretici achter hun oren laat krabben. En zo zou het ook moeten. De analyse tot nu toe impliceert dat kwantumobjecten het fundamentele idee schenden dat zwaartekracht en traagheidsmassa hetzelfde zijn, een idee dat bekend staat als het equivalentieprincipe.
Dit is het denken zoals vandaag uiteengezet door Timir Datta van de Universiteit van South Carolina en vriend Ming Yin: In het tweede decennium van de 20e eeuw begon een groep bij Caltech te puzzelen over de traagheidseigenschappen van elektronen in geleiders. Ze voerden aan dat het achterste uiteinde van een versnellende metalen staaf negatief geladen zou zijn omdat de elektronen zouden achterblijven bij het geleidende rooster als het versnelde. Evenzo vermoedden ze dat de omtrek van een roterende schijf ook negatief geladen zou zijn met elektronen die in de periferie worden geslingerd.
Door deze analyse is het effect van een lineaire of radiale versnelling op een kwantumvloeistof hetzelfde als op een Newtonse vloeistof, zoals water in een draaiende emmer. Richard Tolman en anderen beweerden zelfs deze opbouw van lading te hebben gemeten.
Maar volgens het equivalentieprincipe, als een versnelling dit effect op elektronen kan hebben, kan een zwaartekrachtveld dat ook.
Hier worden de dingen een beetje ingewikkelder. Het berekenen van het evenwicht dat optreedt wanneer de zwaartekracht inwerkt op een vast kristal gevuld met geleidende elektronen is geen gemakkelijke taak.
Het blijkt dat als het kristal stijf is, de zwaartekracht de elektronen naar beneden trekt, waardoor een kleine opeenhoping van negatieve lading op de bodem van het kristal ontstaat en een klein elektrisch veld dat naar beneden wijst. Dat is precies zoals het equivalentieprincipe impliceert.
Als het kristal echter vervormbaar is, heeft de zwaartekracht een groter effect op het rooster dan op de elektronen. In dit geval comprimeert de zwaartekracht het rooster, waardoor een positieve ladingsdichtheid naar de onderkant van de geleider ontstaat. Nu is het elektrische veld enkele ordes van grootte groter en wijst het in de tegenovergestelde richting.
Dat is een verontrustend resultaat, want het betekent dat het mogelijk zou moeten zijn om het verschil te zien tussen een traagheidsversnelling en een zwaartekracht door de richting van het elektrische veld dat zich opbouwt te meten. En volgens de algemene relativiteitstheorie is dat niet mogelijk. De algemene relativiteitstheorie, een van de hoekstenen van de moderne natuurkunde, kan op dit punt zeker niet verkeerd zijn. Dus wat is er misgegaan?
Een voor de hand liggende vraag die onbeantwoord is (althans door Datta en Yin) is waarom een traagheidsversnelling het kristalrooster niet op dezelfde manier comprimeert als een zwaartekrachtveld, waardoor dezelfde soort positieve ladingsdichtheid ontstaat.
De metingen van Tolman en anderen suggereren dat dit soort compressie niet optreedt.
Tenzij de metingen verkeerd zijn. Zou het kunnen dat dit raadsel alleen ontstaat door een paar foutieve metingen?
Als dat zo is, is het misschien tijd dat iemand ze opnieuw probeert.
Referentie: arxiv.org/abs/0908.3885 : Breken kwantumsystemen het equivalentieprincipe?