6.21 Warmte informatie

In de paragraaf over massa en zwaartekracht ging het al even over het volume van materie. Binnen baryonische materie valt niet alles samen. Er is altijd ruimte, al was het maar de ruimte tussen atoomkernen en hun elektronenschillen. In relatiefysica wordt dit gerepresenteerd door ruimte-informatie, of afstand-informatie.

Daarnaast heeft materie ook een temperatuur. Wat is warmte in termen van relatiefysica? We weten dat fotonen bosonen zijn die, in tegenstelling tot fermionen, dezelfde kwantumtoestanden met elkaar kunnen bezetten. Ze zijn bijvoorbeeld gesuperponeerd op ruimte, zowel die van het neutrale veld als binnen materie. Op deze manier kunnen fotonen gesuperponeerd zijn op de ruimtetijd van het neutrale veld (zoals we de fotonen kennen). Maar dat kunnen ze ook op de afstand-informatie binnen materie. Zo kunnen fotonen ook binnen materie dragers en verdelers van informatie zijn. Dit maakt materie dynamischer door de aanwezigheid van meer opties voor herverdeling van informatie. Fotonen creëren zo warmte. Want hoe meer fotonen, hoe meer potentiële verandering en dus meer potentiële energie. Laten we de gesuperponeerde informatie binnen baryonische materie warmte-informatie noemen. Daarbuiten noemen we het fotonen.

Warmte van materie kan toenemen bij absorptie van EM-straling (fotonen). De energie van deze straling kan – in macroscopische termen – weergegeven worden door de vergelijking E=hν, waarbij h de constante van Planck is, en ν de frequentie van de straling. Omgekeerd zal – in termen van relatiefysica – eenvoudig verstrengelde warmte-informatie ontsnappen uit materie naar de laagcomplexe omgeving zodra het de kans krijgt. Materie koelt af door uitstraling van warmtestraling. Ook dit is EM-straling. De temperatuur van een object is de resultante van de combinatie van geabsorbeerde en uitgestraalde fotonen.

In ons gedachte-experiment is warmte-informatie georiënteerd, net als de fotonen die gesuperponeerd zijn op het neutrale veld. In een inhomogeen magnetisch veld heeft warmte-informatie die matcht met elektronen een specifieke oriëntatie. Een magnetisch veld kan zich dus zowel buiten als binnen materie manifesteren.

Warmte, weerstand en supergeleiding
Hendrik Lorentz stelde dat de elektrische weerstand van een metaal wordt veroorzaakt doordat de geleidingselektronen worden verstrooid door het trillen van het ionenrooster. Dat zou verklaren waarom deze weerstand afneemt bij lage temperaturen, omdat dan de atomaire of moleculaire deeltjes langzamer/minder trillen. Men gebruikt vaak de metafoor van trillende deeltjes als beschrijving van warmte. Elektrische weerstand veroorzaakt op zichzelf ook warmte wanneer een elektrische stroom door een materiaal gevoerd wordt. Warmte is overigens niet de enige factor die bijdraagt aan weerstand. Naast de storende trillingen van het ionenrooster wordt elektrische geleiding van een materiaal ook bepaald door onzuiverheden van bijvoorbeeld een metaal.

Weerstand in termen van relatiefysica
Hierboven noemden we al dat warmte te beschrijven is als warmte-informatie die gesuperponeerd is op ruimte-informatie binnen baryonische materie. Stel je hebt een materiaal dat elektrische stroom kan geleiden. We weten dat er materialen zijn waarbij bij afname van temperatuur de weerstand kan afnemen tot nul, zodat er sprake is van supergeleiding. Stel we vatten de dynamiek van de warmte-informatie op als de parallel van het trillen van het ionenrooster van Lorentz. Kan er bij afname van warmte-informatie een moment ontstaan waarbij een optimale architectuur bereikt wordt voor supergeleiding?

Meissner effect
Voor experimenten waarbij men het moment van supergeleiding opzoekt wordt een geleidend materiaal in een magnetisch veld van een permanente magneet gebracht. Het veld bevindt zich dan zowel buiten als binnen het object, en veroorzaakt hier een elektrische stroom die zijn ontstaan tegenwerkt, en zo een spiegelbeeldig magnetisch veld opwekt. Men laat vervolgens het materiaal afkoelen. Bij een bepaalde temperatuur, de kritische temperatuur, ontstaat supergeleiding in het materiaal. De stroom ondervindt dan geen weerstand meer. Tegelijk met dit fenomeen verdwijnt het magnetisch veld binnen het materiaal. Het van buitenaf aangebrachte veld – dat overigens niet te groot en niet te klein mag zijn – is dan alleen nog buiten het materiaal actief. Het veld dat aanvankelijk het object ook binnendrong is nu volledig geneutraliseerd van binnenuit.

Meissner-effect en supergeleiding in termen van relatiefysica
Veel warmte-informatie binnen een materiaal betekent veel opties voor herverdeling van informatie. Herverdeling naar willekeurige richtingen veroorzaakt verstoring/verstrooiing van elektronen die door het materiaal stromen; een elektrische weerstand. Bij afname van warmte-informatie neemt die verstoring af.

Een van buitenaf aangebracht magnetisch veld doet een stroom van elektronen in het materiaal ontstaan die op zijn beurt een spiegelbeeldig magnetisch veld genereert dat het binnendringende veld neutraliseert. Wanneer dit zich afspeelt in een dunne oppervlakkige laag van het materiaal, zoals de broers Fritz en Heinz London lieten zien, wordt het inwendige afgeschermd en kan hier een optimale en stabiele organisatie van georiënteerde warmte-informatie ontstaan. Deze optimaal georiënteerde warmte-informatie vormt de perfecte match/architectuur voor elektronen. Onder deze condities kunnen elektronen rechtstreeks van het ene atoom naar het volgende springen. Zodra ze in beweging zijn gebracht kunnen ze eindeloos blijven doorstromen. Voilá, het Meissner-effect en supergeleiding.

Iets over druk
Supergeleiding is gerelateerd aan temperatuur en druk. We weten dat bij toename van druk eerder de kritische temperatuur voor supergeleiding bereikt wordt. Druk zegt iets over de hoeveelheid potentiële energie per volume. Bij toename van druk en gelijkblijvende energie binnen een systeem is het volume van dat systeem kleiner. Bij minder volume wordt eerder de optimale architectuur voor supergeleiding bereikt.