Afgelopen maand Solitair

Nieuws

Op deze pagina’s staat, in lijn met het thema van het hele nummer, een selectie van recent nieuws uit de natuurkunde. Kijk voor actuele berichten op newscientist.nl en op facebook.com/newscientistnl.

12 Quasigeboorte

Wetenschappers zien voor het eerst hoe quasideeltjes ontstaan.

13 Spatvrij

Zacht oppervlak kan spetters neutraliseren.

14 Zwexit

Zwarte gaten hebben mogelijk een uitgang aan de achterkant.

15 Nano-auto’s

Feringa’s moleculaire machines nader verklaard.

Informeel produceerden TU/e-natuurkundigen solitonen al in 2008 bij een experiment in een voetbalstadion. Supporterswaves bleken eveneens ongestoord door elkaar heen te bewegen.

FLICKR/KEN LUND

Team van wetenschappers verklaart solitair golfgedrag

Een vijftig jaar oud raadsel rond golven is opgelost. Wetenschappers hebben in theorie en experiment laten zien hoe sommige golven ongestoord door elkaar heen kunnen bewegen. Het raadsel ontstond in 1965, toen de wiskundigen Norman Zabusky en Martin Kruskal een verrassende oplossing vonden voor de Korteweg-de Vries-vergelijking. Deze vergelijking beschrijft hoe golven voortbewegen over het oppervlak van ondiep water. Volgens de oplossing moeten in het water acht golven bewegen die hun vorm en snelheid behouden als ze zich verplaatsen. Zelfs wanneer deze zogeheten solitonen onderling botsen, blijven hun eigenschappen onveranderd.

De oplossing van Zabusky en Kruskal was echter een vereenvoudigde benadering. Een exacte oplossing bleek alleen met computers te vinden. Daardoor konden wetenschappers de betekenis van de oplossingen niet volledig bevatten. Bovendien lukte het niet om de acht voorspelde solitonen experimenteel te produceren.

Gino Biondini en Guo Deng van de University at Buffalo hebben daar nu verandering in gebracht. Ze ontwikkelden een wiskundige techniek waarmee ze het golvenpatroon beter beschrijven dan Zabusky en Kruskal. Met de techniek kunnen nauwkeurige voorspellingen gedaan worden over het aantal solitonen dat in golvend water kan ontstaan en over eigenschappen zoals amplitude en snelheid.

Om deze wiskundige techniek te testen, deden Italiaanse wetenschappers experimenten in een 110 meter lange watertank in Berlijn. Daarmee slaagden ze er voor het eerst in de verwachte acht solitonen te produceren. Bovendien kwam het golvenpatroon overeen met de theoretische voorspellingen van Biondini en Deng. De theoretische en experimentele resultaten verschenen samen in een artikel in vakblad Physical Review Letters. —DS

10−32 De groeispurt die het heelal vlak na de oerknal doormaakte, duurde volgens de huidige theorieën slechts 10-32 seconde. In die minieme fractie van een seconde werd het heelal minstens 1026 keer zo groot - schattingen lopen zelfs op tot een factor 10100 .

Was het vroege heelal met warm of koud gas gevuld?

NASA

Jonge heelal had het wellicht warm tijdens groeispurt

Kosmologen denken dat de groeispurt van het babyheelal gepaard ging met een dip in temperatuur. Een nieuw model spreekt deze aanname tegen.

Het pasgeboren heelal was mogelijk een stuk warmer dan gedacht. Dat volgt uit een alternatief theoretisch model dat de snelle uitdijing van het heelal vlak na de oerknal beschrijft. Een internationaal team van fysici publiceerde het model in vakblad Physical Review Letters.

Kosmologen gaan ervan uit dat het heelal vrijwel onmiddellijk na de oerknal een ultrakorte periode van razendsnelle uitdijing kende. Volgens de huidige theorieën was het heelal tijdens deze ‘kosmische inflatie’ een stuk kouder dan ervoor en erna.

Twee decennia geleden bedacht fysicus Arjun Berera van de University of Edinburgh een alternatieve theorie, waarbij de inflatie onder warme omstandigheden plaatsvond. Deze theorie is volledig gebaseerd op fundamentele principes uit de fysica.

Een van die principes is het Little Higgsmechanisme. Dat mechanisme houdt de massa van higgsdeeltjes stabiel. Berera combineerde het mechanisme met het idee dat in het jonge heelal genoeg energie werd geproduceerd om de temperatuur in de inflatieperiode constant te houden.

Nu heeft Berera met collega-fysici zijn theorie uitgebreid tot een model dat de volledige ontwikkeling van het heelal tijdens de inflatieperiode weergeeft. Het model komt goed overeen met satellietwaarnemingen aan temperatuurfluctuaties in het verre heelal. Meer metingen zijn echter nodig om te weten wat klopt: de huidige theorieën of Berera’s warme alternatief. —YF

Tik tak Onderzoekers hebben een klok ontwikkeld die nauwkeurig loopt tot op enkele femtoseconden (biljardsten van een seconde). De klok werkt op basis van heen en weer bewegende lichtpulsen.

1 minuut

Majorana-neutrino's Natuurkundigen zijn dichter bij uitsluitsel of een neutrino gelijk is aan een antineutrino. Deze theorie is in de jaren dertig bedacht door Ettore Majorana. Japanse fysici hebben de theorie nu voor een deel experimenteel uitgesloten. Als neutrino's wel hun eigen antideeltje zijn, verklaart dat mogelijk waarom er veel meer materie dan antimaterie in het heelal is.

93 dimensies Wetenschappers van de University of Cambridge hebben een nieuwe methode ontwikkeld waarmee je wiskundige berekeningen in hoge dimensies kunt uitvoeren. Ze testten hun methode met succes op een 93-dimensionaal probleem .

Losse atomen Natuurkundigen van MIT in de VS hebben voor het eerst de beweging van losse atomen in een gas microscopisch in beeld gebracht. Normaal bewegen gasatomen daarvoor te snel. De natuurkundigen koelden kaliumgas af tot een paar nanokelvin, waardoor de atomen zo langzaam bewogen dat ze afzonderlijk bestudeerbaar werden. Meer inzicht in hun beweging kan zorgen voor beter geleidende materialen.

Zwaartekrachtshistorie Kosmoloog Jim Peebles heeft een artikel gepubliceerd in The European Physical Journal H waarin hij de historische ontwikkeling van zwaartekrachtsonderzoek beschrijft. Zijn belangrijkste bevinding is dat experimenteel en theoretisch onderzoek evenveel aan de ontwikkeling hebben bijgedragen.

Uitdijing heelal lijkt in alle richtingen gelijk

Britse astronomen hebben vrijwel volledig bewezen dat het heelal naar alle kanten even snel uitdijt. Dat publiceerden ze in Physical Review Letters.

De astronomen onderzochten de kosmische achtergrondstraling. Die straling ontstond vlak na de oerknal en is nog steeds overal in het heelal meetbaar.

De Britten maakten computermodellen die beschrijven hoe de achtergrondstraling eruit zou zien als het heelal draait of in een bepaalde richting meer of minder uitrekt. Die modellen vergeleken ze vervolgens met een warmtekaart van de kosmische nagloed.

Als het heelal roteert, hadden er volgens de astronomen spiraalpatronen zichtbaar moeten zijn in de achtergrondstraling. Als de uitdijing van het heelal een bepaalde voorkeursrichting heeft, had de straling langwerpige warme en koude plekken moeten weergeven.

De astronomen vonden niets dat op het bestaan van dergelijke patronen wijst. De kans dat het heelal een voorkeursrichting heeft, is volgens hen slechts 1 op de 121.000.

Op de aanname van een uniform uitdijend heelal zijn talloze kosmologische theorieën gebaseerd, waaronder het oerknalmodel. Deze theorieën hoeven dus voorlopig niet de prullenmand in. —MP

Quasideeltjes bekeken

Normaal gaat het te rap om waar te nemen: de geboorte van quasideeltjes. Fysici zijn er nu toch in geslaagd.

Door het vormingsproces af te remmen, hebben fysici voor het eerst het ontstaan van quasideeltjes bekeken. Ze publiceerden dat resultaat in Science.

Quasideeltjes zijn geen echte deeltjes, maar verzamelingen materie die zich als los deeltje gedragen. Dat wordt vaak vergeleken met de combinatie van een skiër en opstuivende sneeuw: samen vormen die een systeem dat je als één ding kunt beschrijven.

Het bekendste voorbeeld van een quasideeltje is het majoranadeeltje dat TU Delftfysicus Leo Kouwenhoven in 2012 bouwde. Dat deeltje kan een basisbouwblokje van de toekomstige quantumcomputer zijn. In dit geval bekeken fysici de vorming van een ander quasideeltje, het Fermi-polaron. Dat ‘deeltje’ bestaat uit kaliumatomen gehuld in een wolk lithium. Normaal duurt het ontstaan van Fermi-polaronen ongeveer 100 attoseconden, een bijna onvoorstelbaar korte tijd. Het verschil tussen 100 attoseconden en een seconde is namelijk van dezelfde ordegrootte als het verschil tussen een seconde en 3,7 miljard jaar.

Doordat de fysici het quasideeltje lieten ontstaan in een in een ultrakoud gas, lukte het om de vorming te vertragen tot enkele microseconden. Daarom konden ze de vorming voor het eerst live volgen.

In de toekomst hopen de fysici het gedrag van quasideeltjes realtime te bekijken. Dat opent volgens hen de deur naar de ontwikkeling van hypersnelle elektronica. —GvH

Quaskideeltje

Stukje taart Wiskundigen hebben een methode ontwikkeld om een taart eerlijk te verdelen over een arbitrair aantal mensen, zonder dat de taart door een buitenstaander gesneden wordt.

70% Onderzoekers vergeleken de val van druppels op materialen van verschillende hardheid. Op de zachtste materialen hadden de druppels 70 procent meer bewegingsenergie nodig om te spetteren dan op de hardste materialen.

Spetter spieter spater, nooit meer spatjes water.

LUKE PETERSON

Verzachting maakt oppervlakken spatloos

Natuurkundigen hebben een manier gevonden om te voorkomen dat vloeistofdruppels opspatten als ze ergens op vallen. Bepaalde materialen met zacht oppervlak blijken gespetter volkomen te neutraliseren. De uitvinding kan laboranten en chirurgen helpen geknoei tot een minimum te beperken.

Eerder hadden onderzoekers al aangetoond dat je gespetter kunt verminderen door het oppervlak waarop een druppel valt opzij te bewegen. Ook kun je dit bereiken door de luchtdruk te verlagen. Dat is echter niet handig als er mensen aanwezig zijn die moeten ademen.

De natuurkundigen, werkzaam bij de universiteit van Oxford, lieten eerst druppels ethanol op een hard acryloppervlak terechtkomen. Ze zagen dat er op de plek waar de druppel neerkwam, kleine straaltjes de lucht in stuiterden. Eenmaal in de lucht vielen die straaltjes weer in druppeltjes uiteen, zodat de vloeistof uiteindelijk verspreid over meerdere plekken op het oppervlak kwam. Toen de natuurkundigen het acryloppervlak inruilden voor zachte siliconen, gebeurde er iets anders. Het oppervlak vervormde bij de inslag van de druppels en absorbeerde de energie van de ontstane straaltjes. Daardoor hadden de straaltjes niet genoeg energie om van de druppel af te breken en bleef er slechts één plasje vloeistof over.

Hoe sneller de druppels vallen, hoe zachter het oppervlak moet zijn om spetters te neutraliseren.

Het onderzoek legt voor het eerst de oorsprong van vloeistofopspatting bloot. Om toepassingen mogelijk te maken, moeten natuurkundigen eerst andere factoren onderzoeken die het spatproces beïnvloeden, zoals de ruwheid van het oppervlak.

Spatloze oppervlakken kunnen van pas komen voor mensen die met gevaarlijke chemicaliën of lichaamsvloeistoffen werken. Als deze vloeistoffen opspatten, kunnen giftige of ziekteverwekkende stoffen in de lucht blijven. Tevens kan de uitvinding toiletten en urinoirs schoonhouden. —MW/YF

Gevangen in licht doen deeltjes rare dingen

Deeltjes in een rooster van licht vertonen nieuwe materiaaleigenschappen. Dat blijkt uit theoretisch onderzoek van Cristiane Morais Smith van de Universiteit Utrecht. Het resultaat is gunstig voor de ontwikkeling van quantumcomputers.

Topologische isolatoren zijn van binnen niet geleidend, maar kunnen aan de randen wel stroom geleiden. Voor het ontwikkelen van een theorie over topologische materialen wonnen drie fysici dit jaar de Nobelprijs voor de Natuurkunde.

Topologische effecten in materialen leiden tot verrassende eigenschappen. Zo maken ze spintronica mogelijk: een techniek om de hoeveelheid informatie op een computerchip te verdubbelen. Daarbij wordt niet alleen de elektrische stroom van elektronen gebruikt, maar ook een stroom veroorzaakt door hun superkleine magneetveld.

Voor gewone materialen zijn topologische eigenschappen al veel bestudeerd. Dat ook exotischer materiaal topologisch gedrag kan vertonen, toonde Morais Smith aan samen met haar promovendus Marco Di Liberto. Ze berekenden hoe deeltjes zich gedragen als ze opgesloten zitten in een rooster van licht. Dit rooster ziet eruit als een soort eierdoos, met energieheuvels en -dalen. De deeltjes zitten net als eieren ‘gevangen’ in de dalen.

Morais Smith en Di Liberto rekenden uit dat deeltjes in zo’n rooster – in tegenstelling tot eieren – gaan ronddraaien om de energieheuvels. Dat wekt een bijzondere stroming op waarbij bijna geen wrijving is tussen deeltjes onderling. Daardoor verplaatst de stroom zich erg gemakkelijk in het materiaal, wat veelbelovende mogelijkheden biedt voor quantumcomputers.

Morais Smith en Di Liberto hebben inmiddels contact met een Oostenrijkse onderzoeksgroep die een experimentele opstelling probeert te maken waarin ze deeltjes daaadwerkelijk in een rooster van licht opsluiten. —DS

Gekerm, gekrijs en gekreun

Is er licht aan het eind van de tunnel?

NASA

Zwarte gaten hebben mogelijk een achterdeur

Wat gebeurt er als je in een zwart gat valt? Volgens een nieuw model beland je dan doodleuk elders in het heelal.

Zwarte gaten hebben in hun binnenste mogelijk een achterdeur, waardoor de materie verdwijnt die via de voordeur is binnengekomen. Dit volgt uit een nieuw theoretisch model voor zwarte gaten dat onderzoekers uit Valencia publiceerden in Classical and Quantum Gravity. Hiermee komt het beeld van het zwarte gat als oneindig klein punt met een oneindige dichtheid op losse schroeven te staan.

De onderzoekers haalden inspiratie uit de kristalstructuur van chemische verbindingen zoals grafeen. Net zoals dergelijke structuren kleine afwijkingen bevatten, zitten er ook afwijkingen in de structuur van de ruimtetijd. Volgens de onderzoekers is een zwart gat zo'n ruimtetijd-afwijking.

Voor het beschrijven van een dergelijke imperfectie is een andere geometrie nodig dan voor de rest van de structuur. De onderzoekers maakten een model waarin zwarte gaten in het centrum een bolvormig oppervlak hebben. Ze interpreteren dit oppervlak als de opening van een wormgat: een tunnel voor tijd en ruimte. Materie aangetrokken door een zwart gat vliegt volgens deze beschrijving door het wormgat en belandt elders in het heelal.

Het mogelijke bestaan van wormgaten is niet alleen belangrijk vanwege de verbinding tussen verschillende punten in het heelal. Wormgaten kunnen ook een verklaring bieden voor quantummechanische fenomenen zoals verstrengeling. —JoJ

Wiskunst Wiskundige technieken hielpen bij de restauratie van de 14e-eeuwse Johannesretabel van Francescuccio Ghissi. Voor het eerst sinds een eeuw is de retabel te zien in museum NCMA (VS).

Jupiter stoot horrorgeluiden uit naar Juno

Nasa-ruimtesonde Juno heeft tijdens haar omloop rond de gasreus Jupiter vreemde geluiden opgevangen. De spookachtige tonen komen van Jupiters aurora’s: lichtshows vergelijkbaar met het poollicht op aarde. Ze geven inzicht in het immense magneetveld van de gasreus.

Jupiters magnetische veld is zo’n tien keer sterker dan dat van de aarde. Daardoor buigen de geladen deeltjes die de zon de ruimte in vuurt af als zij langs Jupiter schieten. Als de deeltjes sterk genoeg afbuigen om in de atmosfeer van de gasreus te komen, botsen ze op gassen. Daarbij komt energie vrij in de vorm van een kleurrijk aurora.

Bij de interactie tussen atmosfeer en geladen deeltjes komen ook radiogolven vrij. Met haar WAVES-instrument heeft Juno die golven gemeten. Wetenschappers van de universiteit van Iowa zetten die data om in geluidsgolven, met als resultaat iets wat niet zou misstaan in een horrorfilm.

Juno maakt in totaal 35 ronden rond Jupiter. Astronomen willen met haar gegevens de precieze effecten van het magneetveld in kaart brengen. —ID

10.000 Feringa liet zijn moleculaire motoren in een vloeistof draaien. De stroming die dit veroorzaakte, bleek sterk genoeg om een glazen cilinder te roteren die 10.000 keer groter was dan de motoren; alsof een zandkorrel een mens laat ronddraaien.

De moleculaire wagentjes van Ben Feringa en zijn mede-Nobellaureaten zijn al heel lang onderweg, maar niemand weet hun eindbestemming.

RICE UNIVERSITY

De nano-auto's die Feringa de Nobelprijs bezorgden

Mechanische moleculen leverden Ben Feringa van de RU Groningen de Nobelprijs voor de Scheikunde op. Hoe werken die nanomachines?

Om het onderzoek van Feringa in kaart te brengen, moeten we eerst naar het werk van zijn medeNobellaureaten kijken. In 1983 klikte de Fransman Jean-Pierre Sauvage op effectieve wijze moleculaire ringen in elkaar door een geladen koperdeeltje in een van de ringen te zetten. Op die manier maakte hij een ketting van moleculen die los van elkaar kunnen bewegen.

In 1994 maakte James Fraser Stoddart zijn paradepaardje: een moleculaire constructie van een ring om een as. Die constructie doopte hij rotaxaan. Op de as zitten twee blokkades met deeltjes die een sterke negatieve lading hebben ten opzichte van de ring. Door de lading in de blokkades met kleine stroompjes aan te passen, kon Stoddart de ring naar wens over de as laten bewegen. Hij paste dit bijvoorbeeld toe op een structuur waarbij de ring als een soort nanolift fungeerde voor een 0,7 nanometer hoog gebouw.

Bovenaan het verlanglijstje van scheikundigen stond daarna een structuur die een werkelijke nanomachine mogelijk zou maken: een motor die continu in dezelfde richting draait. Dit bereikte Ben Feringa in 1999. Hij maakte een cirkelvormig, tweedelig molecuul en verbond dat met een ronddraaiende as.

Ronddraaiende moleculen bestonden al, maar Feringa was de eerste die een controleerbaar exemplaar maakte. Door uv-licht kunnen de twee helften 180 graden draaien ten opzichte van elkaar. Beide helften hebben bovendien een klein uitstekend stukje dat, als een ribbel van een tiewrap, maar in één richting kan doorschieten. Daardoor draait het molecuul eenmaal over het randje niet meer terug. Met een nieuwe puls uvlicht schiet het molecuul vervolgens verder door tot een volledige rotatie.

Door vier van zulke motoren als wielen vast te maken aan een moleculair chassis, maakte Feringa een moleculaire fourwheeldrive. Daarmee behaalde hij in 2011 de voorpagina van vakblad Nature.

In 2014 liet Feringa de wielen 12 miljoen rotaties per seconde maken. Hij demonstreerde de kracht van deze moleculaire motoren door ze in een kristalachtige vloeistof te laten draaien. De ronddraaiende stroming die dit veroorzaakte, bleek sterk genoeg om een glazen cilinder die 10.000 keer groter is dan de motoren te roteren – vergelijkbaar met een zandkorrel die een mens laat ronddraaien.

De nanomotoren kunnen mogelijk in de toekomst dienen als gereedschap, als onderdeel of simpelweg als inspiratie voor toekomstige moleculaire machines. Feringa opperde zelf het gerichte transport van medicijnen als toepassing. Je zou zo’n medicijn op de moleculaire fourwheeldrive kunnen laden en die naar bijvoorbeeld een kankercel kunnen sturen. —ID