Dat zagen onderzoekers niet aankomen…

De quantummechanica is eigenlijk niets anders dan een set vergelijkingen die onderzoekers gebruiken om de natuur te beschrijven. Maar dan alleen op de subatomaire schaal: de vergelijkingen zijn niet relevant op grotere schaal. Tenminste: dat dachten we. Want onderzoekers hebben nu ontdekt dat de Schrödingervergelijking, een basisformule voor het beschrijven van een quantummechanisch systeem, opmerkelijk nuttig is voor het beschrijven van de evolutie van bepaalde, grote astronomische structuren.

Grote astronomische objecten
Dergelijke grote astronomische structuren worden vaak omringd door kleinere objecten die om hen heen draaien. Zo worden supermassieve zwarte gaten bijvoorbeeld omringd door sterrengroepen, die op hun beurt weer omringd worden door enorme hoeveelheden gesteente, ijs en ander puin. Door de zwaartekracht worden deze enorme volumes materiaal in een platte, ronde schijf gedwongen. Deze schrijven – die dus zijn opgebouwd uit ontelbare deeltjes – kunnen net zo groot zijn als het zonnestelsel, maar ook een diameter hebben die vele lichtjaren bestrijkt.

Verstoringen
Nu is het zo dat deze schijven niet hun hele leven een simpele, ronde vorm hebben; de schijven evolueren. Het betekent heel concreet dat ze over een periode van miljoenen jaren grootschalige verstoringen ontwikkelingen, die een beetje vergelijkbaar zijn met de rimpels die in een vijver ontstaan wanneer je er een steen in gooit. Astronomen proberen het ontstaan en de ontwikkeling van deze verstoringen al jaren te doorgronden. Zonder al te veel succes; zelfs computersimulaties geven geen uitsluitsel.

Quantummechnica
De quantummechnica is fascinerend, maar tegelijkertijd onbegrijpelijk. Zelfs voor de slimste mensen op aarde. “Ik denk dat ik rustig kan zeggen dat niemand de kwantummechanica begrijpt,” aldus Richard Feynman, natuurkundige én Nobelprijswinnaar. Vorig jaar deden we een poging om toch een beetje een beeld te krijgen van de quantummechnica door professor Ton van Leeuwen erover aan de tand te voelen. Het resultaat kun je hier lezen en is het beste samen te vatten als quantummechanica voor dummies. Have fun!

Verrassing
In een poging het ontstaan en de ontwikkeling van de verstoringen over een lange periode te bestuderen, maakte onderzoeker Konstantin Batygin gebruik van een zogenoemd perturbatietheorie, waarbij de individuele deeltjes waaruit zo’n schijf is opgebouwd gemodelleerd worden als een serie concentrische draden die onderling van invloed zijn op elkaars baanimpulsmoment. En terwijl Batygin daarmee bezig was, ontdekte hij iets bijzonders. “Wanneer we dit doen met al het materiaal in de schijf kunnen we steeds nauwkeuriger worden, waarbij de schijf vertegenwoordigd wordt door een steeds groter wordend aantal steeds dunner wordende draden. Uiteindelijk kun je inschatten dat het aantal draden in de schijf oneindig groot is, wat je in staat stelt om ze wiskundig samen te vegen, zodat een continuüm ontstaat. Toen ik dat deed ontstond er – verbazingwekkend genoeg – een Schrödingervergelijking in mijn berekeningen.”

WIST JE DAT…

…we vorig jaar Batygin een aantal vragen voorlegden? Niet over ingewikkelde vergelijkingen, maar over ‘zijn’ Planeet X. Lees het interview hier!

Golven
De Schrödingervergelijking ligt aan de basis van de quantummechanica en beschrijft het niet-intuïtieve gedrag van systemen op atomisch en subatomair niveau. Eén van die niet-intuïtieve gedragingen is dat subatomaire deeltjes zich meer gedragen als golven dan als deeltjes. Het onderzoek van Batygin suggereert dat grootschalige verstoringen in de schijf beschreven kunnen worden met dezelfde wiskundige vergelijkingen. “In feite handelt de Schrödingervergelijking over de evolutie van golfachtige verstoringen. In zekere zin verschillen de golven die de vervorming van astrofysische schijven vertegenwoordigen niet zo sterk van de golven op een trillende snaar, die weer niet zo heel verschillend zijn van de bewegingen van een quantumdeeltje in een doos.” In retrospectief mag het dan een tamelijk voor de hand liggende ontdekking zijn: Batygin was toch verbaasd over zijn bevindingen. “De ontdekking is verrassend, omdat de Schrödingervergelijking geen voor de hand liggende vergelijking is als je kijkt naar afstanden in de orde van lichtjaren. De vergelijkingen die relevant zijn voor subatomaire deeltjes zijn vaak niet relevant voor grote, astronomische fenomenen. Dus het fascineerde me dat ik een situatie had gevonden waarin een vergelijking die doorgaans alleen voor heel kleine systemen gebruikt wordt, ook werkt om heel grote systemen te beschrijven.”

De Schrödingervergelijking is al uitgebreid bestudeerd en dat deze nu ook de evolutie van astrofysische schijven kan beschrijven, is dan ook een meevaller voor onderzoekers die deze schijven bestuderen. Het volledige onderzoek is verschenen in het blad Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.