Kwantumfysica en Kwantummechanica in stripvorm

Inleiding

De graphic novel “A Wrinkle in Time” van Hope Larson (2012), gebaseerd op het klassieke werk van Madeleine L’Engle uit 1962, combineert fantasie met wetenschappelijke concepten die verbazingwekkend actueel blijven. L’Engle verwevde baanbrekende natuurkundige theorieën uit de jaren ’50 en ’60 in haar verhaal, waardoor het boek niet alleen een spannend avontuur is, maar ook een toegankelijke kennismaking met complexe kwantumfysica. In dit artikel onderzoeken we de wetenschappelijke basis achter de fascinerende concepten in het verhaal.

De Tesseract: Van Geometrie naar Kwantumfysica

Het Geometrische Concept

In het verhaal reizen Meg, Charles Wallace en Calvin door de kosmos via een “tesseract” – een rimpel in de ruimte-tijd. Maar wat is een tesseract precies?

In de wiskunde is een tesseract (ook wel hyperkubus of 8-cel genoemd) een vierdimensionaal geometrisch object, analoog aan hoe een kubus zich verhoudt tot een vierkant. Wikipedia beschrijft het als volgt:

• 0D: Een punt (geen dimensies)
• 1D: Een lijn (twee punten verbonden)
• 2D: Een vierkant (vier lijnen)
• 3D: Een kubus (zes vierkanten)
• 4D: Een tesseract (acht kubussen)

Een tesseract heeft 16 hoekpunten, 32 ribben, 24 vierkante vlakken en 8 kubusvormige cellen – eigenschappen die alleen in vier dimensies kunnen bestaan.

L’Engle’s Creatieve Interpretatie

Madeleine L’Engle nam dit wiskundige concept en voegde er een vijfde dimensie aan toe. In haar verhaal is de vierde dimensie tijd, en de vijfde dimensie wordt de tesseract – een mechanisme waarmee personages instantaan door ruimte en tijd kunnen reizen zonder de “lange weg” te nemen.

Zoals Derek Kimball, natuurkundeprofessor aan Cal State East Bay, benadrukt: “Madeleine L’Engle bleef zeker op de hoogte van wetenschappelijke ontwikkelingen” PBS Nova. De wetenschappelijke concepten in het boek waren hedendaags voor de jaren ’50 en ’60.

Wormgaten: De Wetenschappelijke Basis voor “Tessering”

Einstein-Rosen Bruggen

Het concept van “tessering” in L’Engle’s boek heeft een reële wetenschappelijke tegenhanger: wormgaten (ook wel Einstein-Rosen bruggen genoemd).

In 1935 ontdekten Albert Einstein en Nathan Rosen dat Einstein’s vergelijkingen van de algemene relativiteitstheorie een wiskundige oplossing bevatten die suggereert dat zwarte gaten verbonden zouden kunnen zijn via een “tunnel” door de ruimte-tijd Wikipedia. Deze structuur werd later door natuurkundige John Wheeler een “wormgat” genoemd.

Stephen Hsu, natuurkundige en vice-president voor onderzoek aan Michigan State University, merkt op: “Volgens de beschrijving van L’Engle lijkt ’tessering’ vergelijkbaar met het doorkruisen van een wormgat” Space.com.

Hoe Werkt een Wormgat?

De beroemde illustratie uit het boek – een mier die langs een draad loopt – demonstreert het principe perfect:

1. Normale ruimte: De mier moet de hele afstand langs de draad lopen
2. Gevouwen ruimte: Als de draad wordt gevouwen, is de afstand tussen twee punten plotseling veel korter
3. Wormgat: Een “snelweg” door de ruimte-tijd die twee verre punten met elkaar verbindt

Dit concept wordt ondersteund door Einstein’s vergelijkingen, maar er is een groot probleem…

Het Probleem met Wormgaten

Eric W. Davis, hoofd wetenschappelijk functionaris bij EarthTech International’s Institute for Advanced Studies, legt uit: “Het wormgat is een oplossing van Einsteins vergelijkingen van de algemene relativiteitstheorie, wat mogelijk is. Maar het probleem is dat niemand heeft begrepen hoe zoiets in de natuur zou kunnen ontstaan” Space.com.

Om een wormgat open te houden, zou een enorme hoeveelheid negatieve energie of exotische materie nodig zijn – iets wat we nog nooit hebben waargenomen. Dit maakt wormgaten voorlopig theoretisch mogelijk, maar praktisch onmogelijk met onze huidige technologie.

Relativiteitstheorie en de Snelheid van het Licht

E=mc² en de Lichtbarrière

Einstein’s beroemde vergelijking E=mc² legt fundamentele beperkingen op aan reizen door de ruimte. Volgens de speciale relativiteitstheorie kan niets sneller reizen dan het licht (ongeveer 299.792 kilometer per seconde) omdat:

• De massa van een object oneindig zou worden bij lichtsnelheid
• Er oneindige energie nodig zou zijn om die massa te verplaatsen
• Causaliteit (oorzaak en gevolg) zou worden geschonden

Dit is waar L’Engle’s tesseract creatief wordt: in plaats van sneller dan het licht te reizen, suggereert het concept van tessering dat je de ruimte-tijd zelf vouwt om afstanden te verkleinen.

Tijddilatatie

Een ander aspect van Einstein’s relativiteitstheorie dat relevant is: tijddilatatie. Zoals uitgelegd op Space.com, als je dicht bij de snelheid van het licht zou reizen, zou je terugkeren naar de aarde met bijna geen veroudering, terwijl iedereen om je heen veel, veel ouder zou zijn.

Dit fenomeen is experimenteel bewezen met atomaire klokken in vliegtuigen en satellieten – tijd verloopt inderdaad langzamer bij hogere snelheden.

Extra Dimensies: Snaartheorie en Calabi-Yau Ruimten

Dimensies Voorbij Onze Waarneming

L’Engle’s gebruik van een vijfde dimensie was opmerkelijk vooruitstrevend. Moderne snaartheorie suggereert dat ons universum mogelijk 10 of zelfs 11 dimensies heeft, waarvan de meeste “opgerold” zijn in microscopisch kleine structuren.

Calabi-Yau Ruimten

In de snaartheorie worden de extra dimensies vaak voorgesteld als Calabi-Yau variëteiten – complexe zesdimensionale geometrische structuren Wikipedia. Deze ruimten zijn:

• Compact: Opgerold tot subatomaire schaal
• Complex: Met drie complexe dimensies (zes reële dimensies)
• Essentieel voor deeltjesfysica: De vorm van deze extra dimensies bepaalt de eigenschappen van elementaire deeltjes

Hoewel Calabi-Yau ruimten niet direct in L’Engle’s boek voorkomen, illustreert haar intuïtie over extra dimensies hoe dicht sciencefiction bij echte theoretische fysica kan komen.

Kwantumverstrengeling: Geen Sneller-dan-Licht Communicatie

Het Misverstand

Veel mensen denken dat kwantumverstrengeling (quantum entanglement) sneller-dan-licht communicatie mogelijk zou maken – een perfecte basis voor tessering! Helaas klopt dit niet helemaal.

Wat is Kwantumverstrengeling?

Kwantumverstrengeling is een fenomeen waarbij twee deeltjes zodanig met elkaar verbonden zijn dat het meten van de toestand van het ene deeltje onmiddellijk de toestand van het andere deeltje bepaalt, ongeacht de afstand Caltech Science Exchange.

De Beperkingen

Echter, zoals Phys.org uitlegt: “Hoewel verstrengeling deeltjes toestaat elkaar sneller dan het licht te beïnvloeden, kan het niet worden gebruikt om informatie sneller dan het licht te versturen” Phys.org.

De reden:

• Het meten van een verstrengeld deeltje geeft een willekeurige uitkomst
• Je kunt niet bepalen welk resultaat je krijgt
• Dus je kunt geen gecodeerde boodschap versturen

Experimenten tonen aan dat de verstrengeling zelf minstens 10.000 keer sneller dan het licht gebeurt, maar dat betekent niet dat we het kunnen gebruiken voor communicatie.

Donkere Materie: “The Black Thing”

L’Engle’s Duistere Mysterie

In het verhaal ontmoeten de personages “The Black Thing” – een duistere, kwaadaardige kracht die planeten in haar greep houdt. Dit concept toont opmerkelijke parallellen met donkere materie.

De Ontdekking van Donkere Materie

In de jaren 1930 concludeerde Caltech-astronoom Fritz Zwicky dat er onzichtbare massa nodig was om sterrenstelsels bij elkaar te houden. In de jaren 1950-60 (toen L’Engle schreef) bevestigden wetenschappers zoals Vera Rubin dat er iets onzichtbaars – donkere materie – ongeveer 25% van de materie in het universum uitmaakt PBS Nova.

Derek Kimball legt uit: “Donkere materie is een enorm mysterie – een van de grootste in de moderne natuurkunde. De enige manier waarop we zijn effecten kunnen zien, is door zijn gravitationele aantrekkingskracht op sterrenstelsels en sterren”.

Wetenschappelijke Nauwkeurigheid: Het Eindoordeel

Wat Klopt

✅ Wormgaten zijn theoretisch mogelijk volgens Einstein’s vergelijkingen
✅ Extra dimensies zijn een serieuze hypothese in de moderne fysica
✅ Ruimte-tijd kan worden gebogen door massa en energie
✅ Donkere materie bestaat en blijft mysterieus
✅ Kwantumverstrengeling is een reëel fenomeen

Creatieve Vrijheden

⚠️ Tesseract als vijfde dimensie: In werkelijkheid is een tesseract vierdimensionaal, niet vijfdimensionaal
⚠️ Instantaan reizen: Wormgaten zijn theoretisch, maar onmogelijk met huidige technologie
⚠️ Menselijk gebruik: Zelfs als wormgaten bestaan, zou het stabiliseren ervan een beschaving type III vereisen

Patrick Johnson, assistent-natuurkundeprofessor aan Georgetown University, vat het mooi samen: “Als dat [wormgat-reizen] tijdens het leven van Elon Musk gebeurt, zal ik oprecht verbaasd zijn” Space.com.

Educatieve Waarde

Waarom Dit Belangrijk Is

Tracy Drain, flight systems engineer bij NASA’s Jet Propulsion Laboratory, benadrukt: “Het gaat om nieuwsgierigheid en verkenning – en je hoeft de wetten van de natuurkunde niet te buigen en breken om dat te doen” PBS Nova.

De kracht van “A Wrinkle in Time” ligt niet in perfecte wetenschappelijke nauwkeurigheid, maar in het inspireren van nieuwsgierigheid naar de diepere mysteries van het universum.

Boodschap voor Jonge Lezers

Het boek toont dat:

• Wetenschap en verbeelding hand in hand gaan
• Kwetsbaarheden sterke punten kunnen zijn (Meg’s onvolmaaktheden zijn haar kracht)
• Nieuwsgierigheid belangrijker is dan perfectie
• Iedereen – ongeacht achtergrond of geslacht – een wetenschapper, ontdekker of denker kan zijn

Conclusie

“A Wrinkle in Time” blijft een meesterwerk dat de kloof tussen wetenschap en fantasie overbrugt. Madeleine L’Engle’s gebruik van concepten zoals tesseracts, wormgaten, extra dimensies en donkere materie was opmerkelijk goed geïnformeerd voor haar tijd. Hoewel het verhaal creatieve vrijheden neemt, rust het op een solide fundament van echte natuurkundige theorieën.

De graphic novel van Hope Larson (2012) maakt deze wetenschappelijke concepten visueel toegankelijk voor een nieuwe generatie, en bewijst dat complexe ideeën uit de kwantumfysica en relativiteitstheorie kunnen worden gebruikt om verhalen te vertellen die zowel intellectueel stimulerend als emotioneel resonant zijn.

Of tessering ooit mogelijk zal zijn blijft een open vraag – maar de reis naar dat antwoord is al een fascinerend avontuur op zich.

Bronnen en Verder Lezen

Primaire Bronnen

• PBS Nova: “This Article Arrived To You Via Tesseract” – Uitgebreid artikel over de wetenschap in A Wrinkle in Time
• Space.com: “Want to ‘Tesser’? Ironing Out ‘Wrinkle in Time’s’ Wild Space-Travel” – Interviews met natuurkundigen over wormgaten en tessering

Wetenschappelijke Concepten

• Wikipedia: Tesseract – Geometrische definitie
• Wikipedia: Wormhole / Einstein-Rosen Bridge – Theoretische natuurkunde
• Wikipedia: Calabi-Yau Manifolds – Extra dimensies in snaartheorie
• Phys.org: “Can entangled particles communicate faster than light?” – Kwantumverstrengeling uitgelegd

Graphic Novel

• Larson, Hope (2012). A Wrinkle in Time: The Graphic Novel. Naar het boek van Madeleine L’Engle (1962)