Kromt energie de ruimte?

Moderator: physicalattraction

Berichten: 369

Kromt energie de ruimte?

Ik heb wel eens gehoort dat ook energie de ruimte kromt, net als massa. Is dat zo? Kromt een foton ook de ruimte (een heel kleine beetje)? Hoe zit het dan met het feit dan energie ook relatief kan zijn?

Berichten: 1.355

Re: Kromt energie de ruimte?

In dit artikel kun je lezen dat bepaalde vormen van energie de ruimte kunnen krommen.
Een voorwaarde is dat de energie een lading heeft. Een foton heeft dat niet dus een foton op zich vervormd de ruimte niet, maar een laserstraal produceert zijn eigen electromagnetisch veld en oefent dus een kracht uit op zijn omgeving.
 
In het artikel kun je evenwel lezen dat vervorming door energie een extraatje is bovenop de vervorming veroorzaakt door het object dat die energie uitstraalt. Het zal dus zeer weinig zijn en een laserstraal die lichtjaren heeft afgelegd zal afgebogen worden door aanwezige massa die het passeert terwijl zijn eigen effect eigenlijk niet meer meetelt. (Hij zwakt immers af omgekeerd evenredig aan het kwadraat van de afgelegde weg)
 
De singulariteit waaruit ons heelal zou zijn ontstaan en waarin ook de ruimte zat 'opgevouwen' bestond uit alleen maar energie, materie (dus massa) kon onder die omstandigheden niet bestaan dus was het hier dus energie die de ruimte in een punt had gevouwen. Uitgaande van een schatting van alle materie en energie in het huidige (zichtbare) heelal kun je dus volgens E=Mc2 een minimale waarde bepalen van deze 'oer energie'.

Gebruikersavatar
Berichten: 2.906

Re: Kromt energie de ruimte?

Bladerunner schreef: Een voorwaarde is dat de energie een lading heeft. 
 
Nee hoor, dat is niet zo, en dat staat ook helemaal niet in dat artikel.
 
Iedere vorm van energie veroorzaakt een tijd-ruimte kromming. Ook als er geen sprake van lading is.
while(true){ Thread.sleep(60*1000/180); bang_bassdrum(); }

Gebruikersavatar
Moderator
Berichten: 8.166

Re: Kromt energie de ruimte?

Ik heb wel eens gehoord dat ook energie de ruimte kromt, net als massa. Is dat zo?
 
Ja. Iedere vorm van energie (dus ook massa) kromt de ruimtetijd.
 
Kromt een foton ook de ruimte (een heel kleine beetje)?
 
Ja, verwaarloosbaar weinig maar niet nul.
 
Hoe zit het dan met het feit dan energie ook relatief kan zijn?
 
Je zou zeggen dat de kromming dan ook relatief (waarnemersafhankelijk) moet zijn. Dat zou dan naar mijn mening bijvoorbeeld inhouden dat als een zwaar object met zeer grote relatieve snelheid langs ons suist, wij een sterkere gravitatie waar zouden moeten nemen dan bij datzelfde object op dezelfde afstand maar in rust t.o.v. van ons.
 
Maar ik ben er niet zeker van hoe je het precies moet interpreteren, want:
 
Stel dat de Zon met een relativistische snelheid instort tot een zwart gat (daarvoor heeft de Zon te weinig massa, maar dat negeren we even). Dan zou er tijdens die ineenstorting sprake zijn van een fors relatief snelheidsverschil tussen die massa en de Aarde. Maar toch denk ik dat de aardbaan niet zal wijzigen tijdens die ineenstorting.
 
Lastige en goede vraag, ik ben niet zeker van het precieze antwoord. Wellicht heeft iemand anders nog een bijdrage.

Gebruikersavatar
Berichten: 2.906

Re: Kromt energie de ruimte?

Michel Uphoff schreef:  
Je zou zeggen dat de kromming dan ook relatief (waarnemersafhankelijk) moet zijn. Dat zou dan naar mijn mening bijvoorbeeld inhouden dat als een object met een bepaalde rustmassa met zeer grote relatieve snelheid langs ons suist, wij een sterkere gravitatie waar zouden moeten nemen dan bij datzelfde object op dezelfde afstand maar in rust t.o.v. van ons.
 
Maar ik ben er niet zeker van hoe je het precies moet interpreteren.
 
 
Ja, dat klopt. Je kan het ook zo zien: stel ik heb een "black box" ergens in de ruimte hangen, met daarin een object dat van links naar rechts beweegt. Nu wil ik de snelheid van de doos als geheel laten toenemen met 1 m/s.  Dat wil zeggen, niet alleen de doos, maar ook het bewegende object binnenin. 
 
Hoe harder dat object binnenin de doos beweegt, hoe meer energie het voor mij kost om dit voor elkaar te krijgen. Immers, als het object binnenin al bijna de lichtsnelheid heeft, moet ik ontzettend veel energie toevoegen om hem ook maar een klein beetje extra te versnellen.
 
Nu is het leuke dat ik het object binnenin niet kan zien. Ik beschouw de doos als een volkomen stil object, en het feit dat het veel energie kost om hem te doen versnellen wordt door mij geinterpreteerd alsof de doos een enorm grote massa heeft. Terwijl het in werkelijkheid best zo kan zijn dat de doos en het object binnenin eigenlijk een heel kleine massa hebben.
 
Wat we dus zien, is dat een hoge energie door een waarnemer kan worden geinterpreteerd als een grote massa. En omdat we weten dat trage massa gelijk is aan zware massa, zullen we dus ook moeten waarnemen dat onze doos een grote zwaartekracht zal uitoefenen.
while(true){ Thread.sleep(60*1000/180); bang_bassdrum(); }

Gebruikersavatar
Berichten: 2.906

Re: Kromt energie de ruimte?

Michel Uphoff schreef:  
Stel dat de Zon met een relativistische snelheid instort tot een zwart gat (daarvoor heeft de Zon te weinig massa, maar dat negeren we even). Dan zou er tijdens die ineenstorting sprake zijn van een fors relatief snelheidsverschil tussen die massa en de Aarde. Maar toch denk ik dat de aardbaan niet zal wijzigen tijdens die ineenstorting.
 
Dat is inderdaad een lastige vraag omdat hierbij een heleboel verschillende effecten een rol spelen, dus het hangt er vanaf welke effecten je mee telt.
 
Anyway, in de context van dit topic zou ik zeggen dat de aardbaan inderdaad niet zal wijzigen. Het is weliswaar zo dat er een groot snelheidsverschil ontstaat op het moment dat de zon instort, maar die kinetische energie moet natuurlijk wel ergens vandaan komen. In totaal zal de hoeveelheid energie/impuls van de zon niet veranderen. Er zal hooguit potentiele energie worden omgezet in kinetische energie. En aangezien de potentiele energie net zoveel bijdraagt aan de tijd-ruimte kromming als de kinetische energie zal het voor de baan van de aarde niet uitmaken. (maar dit is slechts een gedachte die bij mij opkomt, ik durf mijn hand er niet voor in het vuur te steken dat het klopt).
while(true){ Thread.sleep(60*1000/180); bang_bassdrum(); }

Gebruikersavatar
Moderator
Berichten: 8.166

Re: Kromt energie de ruimte?

maar die kinetische energie moet natuurlijk wel ergens vandaan komen
 
Inderdaad, potentiële energie (daar keek ik even overheen) naar kinetische energie, vestzak-broekzak. De totale energie-inhoud blijft onveranderd en daarmee de kromming.
 
Het lijkt mij zo helemaal correct.

Gebruikersavatar
Berichten: 2.906

Re: Kromt energie de ruimte?

Nog een manier om er tegenaan te kijken: de zwaartekracht van de aarde wordt veroorzaakt door de gezamenlijke massa's van alle atomen van de aarde.
De massa van ieder atoom wordt niet alleen bepaald door de massa's van de protonen, neutronen en elektronen, maar gedeeltelijk ook door de bindingsenergieen tussen de protonen en neutronen. 
 
Dat wil dus zeggen dat de zwaartekracht die wij voelen is mede het gevolg van de bindingsenergie tussen subatomaire deeltjes.
while(true){ Thread.sleep(60*1000/180); bang_bassdrum(); }

Berichten: 369

Re: Kromt energie de ruimte?

Dus als we een electron in een deeltjesversneller steeds meer energie geven zal het (vooral dichtbij) een steeds sterkere ruimtekromming geven?
Dat zou buiten de versneller een (zeer geringe) zwaartekrachtgolf moeten geven met de frequentie waarin het electron ronddraait.

Berichten: 1.355

Re: Kromt energie de ruimte?

In een deeltjesversneller heerst sowieso een zeer sterk elektromagnetisch veld. Hoe meer je het deeltje wilt versnellen hoe sterker dat veld dient te zijn. De LHC b.v. geeft een protonbundel een energie van zo'n 6,5 TeV, maar de veldsterkte van de magneten is 7,7 Tesla (ter vergelijking: een zonnevlek heeft iets van 0,25 T)
Aangezien het elektronvolt zelf een zeer kleine eenheid is (1,6.10-19 Joule) en de Tesla gelijk is aan 10.000 Gauss zal wat het deeltje zelf dus eventueel toevoegt niet te onderscheiden zijn van wat de LHC zelf veroorzaakt want zelfs 6,5 TeV is nog maar 0,0000004 Joule.
 
Voor het doen ontstaan van een echte zwaartekrachtgolf is energie alleen bij lange na niet voldoende, je hebt er een behoorlijke hoeveelheid massa voor nodig en een bepaalde gebeurtenis zoals de twee botsende en zich vermengende zwarte gaten waarvan wij de golf detecteerden in 2015. De golf die wij konden meten hier op Aarde was extreem zwak en zorgde voor een verandering in de 4km lange 'arm' van het meetinstrument van slechts een 1/1000e van een proton.
Natuurlijk was de golf zwak vanwege de afstand, maar het ging hier om zwarte gaten van 30-36 maal de massa van de zon en hoewel je 'dichtbij' de LHC kan staan hebben deeltjes zoals protonen een min of meer omgekeerd evenredig kleine massa c.q. energie t.o.v. zo'n zwart gat en zal een eventueel effect net zo klein zijn.
 
En dan heb ik het nog over protonen die haast 1900 keer zwaarder zijn dan een elektron.

Gebruikersavatar
Moderator
Berichten: 8.166

Re: Kromt energie de ruimte?

Dat zou buiten de versneller een (zeer geringe) zwaartekrachtgolf moeten geven met de frequentie waarin het electron ronddraait.
 
In theorie wel. De praktijk is dat er een slordige 300 biljoen protonen (geen elektronen) in die LHC (klik) ronddraaien die een ring vormen die om zijn symmetrie-as draait. Dat soort rotaties veroorzaakt geen gravitatiegolven. Maar zelfs al zouden al die protonen in een klein balletje met een gezamenlijke energie-inhoud van 360 Megajoule gebundeld en rondgeslingerd kunnen worden, dan nog zouden de gravitatiegolven extreem ver onder het meetbare bereik liggen (en is de LHC in een flits naar de knoppen).

Berichten: 369

Re: Kromt energie de ruimte?

Het ging mij inderdaad alleen om het principe, voor het begrip, net als:
 
- Een gravitatiegolf lijkt mij dan ook energie te bevatten, die uitgezonden wordt (extreem weinig natuurlijk).
 
- En dan nog kleiner: een electron die om een atoomkern draait zou dan ook een zwaartekrachtgolf/energie uitzenden, maar doet dan niet. Is dat het gevolg van dat een electron niet echt draait om de atoomkern?
 
- Als zo'n versneld electron op een atoom botst wordt de r2 heel klein en de gravitatie-kromming dus veel sterker.Is het dan nog steeds verwaarloosbaar?

Gebruikersavatar
Moderator
Berichten: 8.166

Re: Kromt energie de ruimte?

- Een gravitatiegolf lijkt mij dan ook energie te bevatten, die uitgezonden wordt (extreem weinig natuurlijk).
 
Klopt. Zo'n golf bestaat uit gravitatie-energie. Maar extreem weinig hoeft het niet te zijn. Bij de eerste detectie van gravitatiegolven werd berekend dat er een whopping 3 zonmassa's aan energie het heelal in werd gezonden. Gedurende de zeer korte tijd van de fusie was de uitgestraalde gravitatie-energie a.g.v. het samensmelten van de twee black holes veel groter dan alle energie die door alle sterren in het waarneembare heelal werd uitgestraald. Zie ook dit topic.
 
- En dan nog kleiner: een electron die om een atoomkern draait zou dan ook een zwaartekrachtgolf/energie uitzenden, maar doet dan niet. Is dat het gevolg van dat een electron niet echt draait om de atoomkern?
 
Dan komen we in het domein van de kwantummechanica, bepaald niet mijn comfort zone. Elektronen draaien geen rondjes om de kern van een atoom zoals de planeten rond de Zon, dat is een klassiek inzicht. Elektronen hebben lading, en als je een lading versnelt (de snelheid of de richting wijzigt) dan zendt het elektromagnetische straling uit. Als een elektron baantjes rond de kern zou trekken, dan verlies het energie aan die straling en stort op de kern. En zo zou ook het uitzenden van gravitatie-energie rap leiden tot het einde van het elektron.
 
Dat gebeurt echter niet, dus is er geen sprake van een klassieke omloopbaan. In plaats daarvan bevindt een elektron zich in een wolk rond de kern (een orbitaal) waarin het met een bepaalde waarschijnlijkheid aangetroffen kan worden.

Berichten: 1.355

Re: Kromt energie de ruimte?

DParlevliet schreef: - En dan nog kleiner: een electron die om een atoomkern draait zou dan ook een zwaartekrachtgolf/energie uitzenden, maar doet dan niet. Is dat het gevolg van dat een electron niet echt draait om de atoomkern?
Een elektron wordt beschouwd als een fundamenteel deeltje en dit soort deeltjes hebben geen fysieke vorm. Je kunt in zo'n geval dus niet zeggen "daar heb je een elektron". De lading is er, maar niet op een voorspelbare plek zoals een planeet rond de zon.
 
Zouden elektronen wél echt rond de kern cirkelen, dan hebben we een probleem op te lossen. Elektronen behoren tot de groep der Fermionen en dat zijn deeltjes die onderhevig zijn aan het 'Pauli exclusion principle'. In de praktijk betekend dit dat twee (of meer) elektronen zich niet op de zelfde plek kunnen bevinden (in tegenstelling tot b.v. fotonen). In dat geval zou er dus een 'mechanisme' moeten bestaan dat botsingen rond de kern voorkomt (anders zou geen enkel element stabiel zijn en vaste chemische eigenschappen hebben) of elektronen zouden geen Fermionen zijn.
 
Elke massa hoe klein ook vervormd de ruimte maar een deel van die massa is feitelijk energie. De kern waar het elektron mee verbonden is bevat die energie. Een waterstofkern b.v. (dus één proton die dus wel een fysieke vorm heeft) is haast 1900 keer zo zwaar als een elektron, maar slechts 1% van dat gewicht uitgedrukt in eV (elektronvolt) komt voor rekening van de 3 quarks waaruit het proton is opgebouwd. De rest bestaat uit de energie dat het gluon (ook een fundamenteel deeltje) bezit, de sterke kernkracht waarmee quarks en daarmee dus ook het proton bijeengehouden wordt.
 
Dus als je een heleboel waterstof atomen hebt die een gaswolk vormen waaruit later eventueel door samentrekking een ster kan uit ontstaan dan vervormd de massa van die ster de ruimte maar ook daarin heb je dan een behoorlijk aandeel aan energie in zitten die mede verantwoordelijk is voor die vervorming. Het grote verschil echter tussen vervorming door massa t.o.v. energie is dat terwijl de uit de massa voortgekomen zwaartekracht een oneindig bereik heeft de sterke kernkracht in een proton een reikwijdte heeft van slechts 10-15 m.
Maar omdat dit net iets groter is dan de radius van het proton kunnen protonen ondanks dat ze elkaar willen afstoten 'aan elkaar kleven' en zwaardere kernen vormen.
 
Indirect is het dus de energie van de sterke kernkracht die de ruimte vervormd door de massa die er mee gevormd kan worden.

Berichten: 369

Re: Kromt energie de ruimte?

Met dank voor de uitleg die mij veel duidelijk maakt. Maar nog een enkele details:
Bladerunner schreef: slechts 1% van dat gewicht uitgedrukt in eV (elektronvolt) komt voor rekening van de 3 quarks waaruit het proton is opgebouwd.
Ik neem aan dat je massa bedoelt i.p.v. gewicht? Die moet je uitdrukken in gram, niet in eV. Wat ik hieruit begrijp is dat de totale energie van een proton die wij als massa zien slechts 1% echte massa is en 99% pure energie? Klopt dat? Dus E=mc2 geldt voor die 1%, de rest is al energie?
 
Bladerunner schreef: Het grote verschil echter tussen vervorming door massa t.o.v. energie is dat terwijl de uit de massa voortgekomen zwaartekracht een oneindig bereik heeft de sterke kernkracht in een proton een reikwijdte heeft van slechts 10-15 m..
Maar de kromming van de ruimtetijd door energie is toch gelijk aan die door massa? De sterke kernkracht heeft een kort bereik maar de ruimtekromming die zij veroorzaakt heeft het bereik van de zwaartekracht. Toch?

Reageer