Artikel 59 – Tycho Brahe & Johannes Kepler
Zon: perihelium
Copernicus: Hij had een heliocentrisch wereldbeeld: de planeten en de aarde bewogen om de zon in cirkelbanen, deze uitspraak was revolutionair. Daarvoor gelde het aristotelisch wereldbeeld, dat was geocentrisch: de aarde stond in het middelpunt van het heelal en daaromheen cirkelden de hemelse sferen die drager waren van de zon de maan de planeten en vaste sterren.
Bij het wereldbeeld van Copernicus was het nog niet mogelijk om een precieze afstemming tussen theorie en waarneming te krijgen. Er bleven afwijkingen bestaan tussen de plaats van planeten aan de heel en de hemelpositie volgens de theorie. Ook was er het probleem dat de seizoenen niet precies even lang waren.
Empirisch onderzoeker: onderzoeker die zich voornamelijk bezig houdt met het verrichtten van waarnemingen. Hij wil hiermee bestaande theorieën toetsen aan de praktijk of wil gegevens verzamelen om theorievorming mogelijk te maken.
Dit kost doorgaans veel geld want voor nauwkeurige waarnemingen zijn kostbare meetinstrumenten nodig.
Tycho Brahe: empirisch onderzoeker. Hij was een rijk man en investeerde zijn vermogen in een eiland vol meetinstrumenten ten behoeve van de wetenschap. Het kasteel uranibor werd gebruikt als astronomisch observatiecentrum. Hij en andere astronomen en technici verrichtten er vele waarnemingen. Bijv. de plaats van sterren aan de hemel in 10 boogseconden.
Muurkwadrant: Op muur is een noord-zuid-as aangebracht. Je kan hoogte van een ster aan de hemel mee worden gemeten. Boven o en onder 90. Elke graad in 60 boogminuten en elke boogmin. in 60 boogsec.
Johannes Kepler: hulpje van Tycho Brahe die door Tycho op zijn sterfbed werd gevraagd . Hij kwam erachter dat de planeten in een ellips om de zon bewogen.
De wetten van Kepler:
1. Planeten bewegen in een ellips om de zon waarbij de zon in een van de beide brandpunten staat.
2. In gelijke tijden doorloopt de planeet gelijke oppervlakten. Hij gaat sneller als hij dichter bij de zon is.
3. De omlooptijd van een planeet neemt toe naarmate zijn afstand tot de zon groter is. De omlooptijd neemt sterker toe dan de afstand. Afstand toename x^2 dan omlooptijd toename x^3.
Kometen: Ook kometen beschrijven een ellips om de zon. De ellips is wel heel plat. Een komeet is een soort ijsbol, als hij dicht bij de zon is begint het ijs te verdampen daardoor worden gassen en stoffen door de druk van de zonnestraling weggedrukt: er ontstaat een staart!
De staart is van de zon afgekeerd. Als de komeet dichter bij de zon komt neemt snelheid toe door de aantrekkingskracht. Voorbij de zon neemt de snelheid af (staart blijft van de zon afgekeerd). Edmond Halley vermoedde als eerste dat kometen weer terug kwamen. (om de 75 jaar keerde zijn komeet terug) Het ruimtevaartuig de Giotto passeerde de komeet en maakte er foto’s van.
De wetten van Kepler gelden voor alle planeten satellieten die om een zwaar hemellichaam draaien.
De aarde heeft 2 banen van satellieten: vlak om de aarde circuleren veel satellieten en er bevinden zich ook veel satellieten in een geostationaire baan. (satellieten hangen boven een vast punt op de aarde (Radio en TV))
Artikel 60 – Gravitatie
Aristoteles natuurfilosoof van klassieke oudheid kosmos in 2en gedeeld:
• de onveranderlijke en onvergankelijke hemelen waarin de cirkelbeweging de enig toegestane verandering was.
• Het ondermaanse, de wereld van de vergankelijk andere natuurwetten.
Newton hief deze tweedeling op. Hij herstelde de eenheid van de kosmos met zijn gravitatiewet. De natuurwetten hebben universele geldigheid gekregen ze gelden in het hele universum.
1642: Galilei overleed, Newton werd geboren.
Newton(1642-1727):
19 jarige leeftijd als sizar toegelaten op universiteit van Cambridge. Toen hij 22 was ging hij terug naar Woolsthorpe, waren 2 vruchtbaarste jaren uit zijn leven. Hij deed drie fundamentele ontdekkingen: methode der fluxies, de leer van de samenstelling van het licht en de algemene gravitatiewet. 27 jaar: hoogleraar. 1687(45jaar): publiceerde boek. 1696: belangrijke maatschappelijke functie in monetaire zaken.
Gravitatie:aantrekkingskracht tussen massa’s. (universele aantrekking)
Gravitatiewet: 2 massa’s trekken elkaar altijd aan.
Vijf stappen nodig om te begrijpen hoe de gravitatiekracht de beweging van de planeten regelt:
• Je moet weten wat een kracht is en doet. (Bijdrage door Hooke.)
• Het is nodig in te zien dat voor beweging geen kracht nodig is maar voor bewegingsverandering wel. (Aristoteles deed dit fout, Galilei bewees dit.)
• Je moet inzien dat er voor een cirkelbeweging wel kracht nodig is.
• Je moet de gedachte los laten dat voor hemellichamen andere wetten gelden dan voor oudermaanse zaken.
• Je moet afleiden hoe de kracht waarmee de zon aan een planeet trekt afhangt van de afstand tussen de zon en de planeet. (nog even goed doorlezen).
Gravitatiewet:
Tussen twee massa’s bestaat een aantrekkende kracht is een wisselwerking: er is één kracht en die werkt tegelijkertijd op zowel het ene als op het andere lichaam.
Twee massa’s van 1 kg op een onderlinge afstand van 1 m. een aantrekkende kracht op elkaar uitoefenen met een waarde G.
Kwadratenwet: de kracht tussen twee massa’s is omgekeerd evenredig met het kwadraat van de afstand.
Tot slot: de gravitatie voor twee willekeurige massa’s kan worden gevonden door de kracht tussen de afzonderlijke kilogrammen op te tellen.
Descartes: tegenstander van de aristotelische denkbeelden. Hij ging er vanuit dat de ruimte tussen de zon en de planeten gevuld was met wervels. De zon draaide in dertig dagen om zijn as en deze draaiing werd meegegeven aan de wervels in de ruimte.
Newton was aanvankelijk aanhanger van Descartes, maar later niet meer zo. Hij toonde aan dat de Fw die de wervels moesten uitoefenen op de planeten nooit kon leiden tot de waargenomen omlooptijden. Hij verwierp de wervelruimte van Descartes.
Newtons uitspraak: Ik verzin geen hypothesen, leidde tot het verwerp van Aristotelis’ tweedeling en maakte de weg vrij voor een totale vernieuwing van de natuurwetenschap.
Artikel 61 – Ruimtekolonie
Gravitatieveld: een krachtveld waarin elk voorwerp een kracht ondervindt, in overeenstemming met de grootte van zijn massa en gericht naar het middelpunt van de aarde. (afb. 61-1)
Newton kon de veldsterkte buiten de aarde bepalen door twee regels:
• De massa van de aarde mag geconcentreerd gedacht worden in het middelpunt
• De gravitatiekracht neemt af met het kwadraat van de afstand.
Rond ieder hemellichaam bevindt zich een gravitatieveld. Hoe sterk het gravitatieveld is, hangt af van de massa van het hemellichaam en van de afstand tot het middelpunt van de massa.
Elk voorstel om een langdurige verblijf in de ruimte moet drie hoofdproblemen aanpakken:
• Hoe wordt het Fz-probleem opgelost?
• Hoe wordt voorzien in de levensbehoeften zuurstof, water en voedsel?
• Hoe komt het ruimteschip aan zijn energie?
Fz-probleem:
Zwaartekracht kan alleen worden gesimuleerd door verandering van beweging, zoals versnelling en vertraging of rotatie. Er moet gebruikt gemaakt worden van rotatie, de ruimtevaarders kunnen het gevoel van Fz ervaren in een langzaam roterend ruimteschip.
Levensbehoeften:
Kan niet zomaar worden meegenomen, veel te veel. Plan: een gesloten ecosysteem bouwen. Sprake van symbiose (samenleven van twee verschillende organismen tot wederzijds voordeel) tussen mensen, planten en dieren. Mensen+dieren gebruiken voedsel+O2 en produceren Co2 +H2O planten gebruiken CO2 en H2O en produceren O2 +voedsel. 10m2 plantenoppervlak nodig. Water moet worden gerecycled d.m.v. filtering en biologische zuivering m.b.v. algen.
Energie
Energie is nodig om de snelheid van het ruimteschip te veranderen, bijsturen en te vertragenkost veel energie. Voor in stand houden van een beweging is nauwelijks energie nodig. Ook energie nodig om ecosysteem in stand te houden. En energie nodig om een technische geavanceerde gemeenschap te ondersteunen. Er zal gebruik worden gemaakt van kernenergie. De benodigde brandstof zal niet veel ruimte in beslag nemen. En er is altijd zonlichtkan met spiegels worden opgevangen.
Artikel 62 – Sterren
William en Caroline Herschel wilden de afstand waarop sterren stonden bepalen. Ze gingen op zoek naar sterren die aan de hemel dicht bij elkaar stonden maar waarvan de een veel verder verwijderd was dan de andere. Vele dubbelsterren werden op die manier geregistreerd. Maar de jaarlijkse parallax (verschil tussen de richting vanuit verschillende punten) werd niet waargenomen sterren te ver weg.
Basis: de afstand tussen twee punten (bijv. je linker en rechteroog). Hoe groter de basis, hoe beter je afstand kunt schatten.
Sterren verplaatsen zich t.o.v. elkaar. Ze draaien om elkaar heen.
Friedrich Wilhelm Bessel, een Duitse astronoom, slaagde erin door parallaxmetingen de afstand tot een ster te bepalen. Ruimte is heel leeg. 100 biljoen km = 10 lichtjaar. Door afstanden, helderheden en kleuren van sterren te combineren groeide het inzicht in de verschillen tussen sterren.
In de 19e eeuw zorgden technologische en wetenschappelijke ontwikkelingen voor een explosieve toename van de kennis over sterren.
Op twee gebieden zorgden technologische ontwikkelingen voor een doorbraak:
• Telescopen: hoe groter hoe beter.
• Ontwikkeling van de fotografie: drukte een blijvend stempel op de astronomie. Voordelen foto’s t.o.v. telescopen: kon met meerdere mensen tegelijk en de lichtgevoelige plaat legde meer en andere informatie vast dan het netvlies van het menselijk oog.
In 1871 organiseerde het Astronomische Gesellschaft een onderzoek om de hemel in kaart te brengen. Werk verdeeld onder 13 observatoria. Uiteindelijk databank van 100.000 sterren
Wetenschappelijke ontwikkelingen
Een belangrijk instrumenten bij het indelen van sterren blijkt het spectrum van een ster te zijn. Newton had laten zien dat het zonlicht ontrafeld kon worden in kleuren m.b.v. een prisma. Fraunhofer paste de methode toe en ontdekte merkwaardige donkere lijntjes in het spectrum van de zon. Later onderzoek toonde aan dat spectra van sterren onderling sterk verschillen.
Annie Jump Cannon slaagde er rond 1900 in sterren in te delen op basis van hun spectrum. Het is een indeling op basis van de oppervlaktetemperatuur van de sterren.
Twee direct meetbare grootheden waren de helderheid en de temperatuur. Van sterren waarvan de afstand bekend was kon nu achterhaald worden hoeveel licht ze uitzonden in vergelijk met de zon.
Meer dan de helft van alle sterren aan de hemel zijn dubbelsterren zijn als het ware gevangen in elkaars gravitatieveld, ze draaien om elkaar heen.
Bekendste dubbelster is Sirius helderst van alle sterren. Sirius beschrijft aan de hemel een ingewikkelde beweging die uit drie componenten bestaat:
• De dubbelster beweegt als geheel tussen de sterren
• De beide sterren van sirius beschrijven een ellips om hun gemeenschappelijk zwaartepuntveroorzaakt de voornaamste schommeling
• De kleine golfjes worden veroorzaakt doordat we vanaf de aarde waarnemen.
Witte dwergen:
sterren die kleiner zijn naarmate ze meer massa hebben. Door de Fz trekt de materie zich samen in de ster. Op een gegeven moment wordt de druk zo groot, dat de atomen bezwijken. De elektronen krijgen vrijheid en zorgen voor een geweldige tegendrukster kan niet nog verder in elkaar ploffen. Hoe meer massa de ster heeft, des te meer krijgt de gravitatie de overhand
Sirius B even groot als de aarde, met een massa van de zon. Sirius A is groter dan B, maar heeft minder massa. Beide zelfde straling.
Pas in de 20e eeuw (na de ontdekking van atoomenergie) werd duidelijk waar de zon en andere sterren hun energie vandaan haalden: de fusie van lichte atoomkernen zoals waterstof en helium. De energie die hieruit vrijkomt zou gedurende honderd miljard jaar toereikend moeten zijn.
Het feit dat een ster energie verbruikt, betekent dat hij een begin en een eind moet hebben. De levensloop van een ster hangt af van zijn massa. Een ster als de zon, zal ong. 10 miljard jaar doen met zijn energie. Dan zal de zon opblazen tot een rode reus de buitenste lagen worden weggeblazen en in het centrum blijft de sterkern over die als witte dwerg zal afkoelen. Zwaardere sterren zullen echter sneller opbranden.
Limiet van Chandrasekhar: bij een massa van 1,5 keer die van de zon zijn de elektronen niet langer opgewassen tegen de gravitatiekracht.
De sterkern zal als de energieproductei stopt, verder ineenstorten tot een neutronenster.
Witte dwerg: even groot als aarde
Neutronenster: even groot als stad
Als de ster nog groter is, zal het instorten niet ophouden bij een neutronenbol. Het gaat door, er ontstaat een zwart gat.
Artikel 63 – De wording van een planeet
• het zonnestelsel is ontstaan uit de restanten van een supernova
• de atomen waaruit de aarde en de mensen zijn opgebouwd zijn ontstaan in het binnenste van sterren
• de belangrijkste twee elementen waar de aarde uit bestaat zijn ijzer en silicium, de basis van gesteenten
Bij levende wezens spelen vijf atomen een hoofdrol:
• waterstof (H, meest voorkomend)
• koolstof (6 protonen en 6 neutronen). Speelt zo’n belangrijke rol dat men wel eens stelt dat de basis van het leven berust op een koolstofchemie.
• Zuurstof (O, 16 deeltjes)
• Stikstof (N)
• Fosfor (P)
Waterstof is gevormd tijdens de oerknal in de 1e minuut. De gebeurtenissen gingen zo snel, dat er geen tijd was om de andere kernen te vormen. De zwaardere kernen zijn totstandgekomen door de samensmelting van waterstofkernen grote temperaturen voor nodig, want anders botsen ze niet tegen elkaar en vormen ze geen samengestelde atoomkernen temp. Om samen te laten smelten komt alleen in sterren voor. In de zon smelten de protonen samen tot heliumkernen. Maar temp. In zon niet hoog genoeg om samensmelting tot een normale zaak te maken. Toch veel protonen die botsen.
Bovendien levert het ontstaan van heliumkernen veel energie op. Bij deze omzettingssnelheid is de energieproductie van de zon groot genoeg om te voorkomen dat de zon onder haar eigen gewicht in elkaar zakt. Omzettingssnelheid is heel klein zon kan heel lang doorgaan, verwacht is 10 miljard jaar.
In de zon zal geen zuurstof ontstaan, daarvoor veel hogere temp. Nodig. De atomen van de stoffen op aarde zijn ontstaan in sterren die zwaarder zijn dan de zon (blauwe reuzen)worden niet zo oud als de zon, brandne veel sneler op.
De levensduur van blauwe reuzen verloopt in fasen die parallel lopen met de productie van zwaardere elementen. Dit levert energie op totdat het element ijzer is gevormd. Vorming van nog zwaardere elementen kost energie.
(Wat Heeft Koos Zachte Slangen ) zie volgende pagina =P
• Fase 1: Waterstoffusie
Duur 10 miljoen jaar, Temp. In kern 10 miljoen C. Uit protonen ontstaat helium, vorming trapsgewijs. De enorme hoeveelheid energie die hierbij vrijkomt, zorgt voor een immense gasdrukvoorkomt dat ster onder eigen gewicht instort. Waterstof op? dan de productie stopt, ster begint in te storten, temp stijgt. Maar ster niet dood
• Fase 2: Heliumfusie:
Duurt 1 miljoen jaar, temp. In kern 100 miljoen C. heliumkernen smelten samenkoolstof ontstaat. Helium openergieproductie stopt, gasdruk valt weg, instorting begint, temp stijgt. Maar ster niet dood.
• Fase 3: Koolstoffusie
duur: 100.000 jaar, temp in kern: 600 miljoen C. koolstofkernen gaan samen, er ontstaat een scala aan kernen van O2 tot Na tot Mgstroomversnelling.
• Fase 4: Zuurstoffusie
duur: 10.000 jaar, temp nadert tot miljard graden. Er ontstaat silicium, en bij nog hogere temp. Ontstaat ook zwavel.
• Fase 5: Siliciumfusie
Duur: 1 dag. In deze dag ontstaan de ijzeratomen, ijzer is het stabielste element. Deeltjes in de ijzerkern zijn zo stevig gebonden dat verdere fusie geen energie oplevert maar energie kost. Alle voorgaande fasen waren uitstel van het ineenstorten, maar nu is de instorting van de ster niet meer te voorkomen.
Silicium op? druk in sterkern daalt en instorting begint. Temp tot 5 miljard C. dichtheid wordt enorm, duizenden tonnen in een cm3. Nu implodeert de kern zo groot als de aarde in 1 sec. tot een bol met een diameter van 20 km.
Toch heeft natuur nog één verdediging. Als dichtheid opgelopen is tot 100 miljoen ton per cm3 zitten voormalige atoomkernen tegen elkaar. Protonen zijn veranderd in neutronen grote neutronenbol. Krachten die nodig zijn om de neutronen te verbrijzelen zijn zo groot dat de instorting tot stilstand komt. Voor de buitenlagen rond de kern is steun weggevallen, bestaat uit ijzeratomen. Die beginnen pijsnel te vallen. De materie botst tegen neutronenbol, materie slaat terug en ploegt zich tegen de invallende materie in een weg. Een golf van materie voortgeduwd door nieuw uitgespuwd materiaal dat steeds minder weerstand ondervindt komt steeds sneller naar buiten ster explodeert. Ster zal maanden schijnen met grote helderheid. Op plek waar eerst ster stond is nu en grote nevel te zien met in het centrum een kleine rondtollende neutronenster
Stukje onder phoenix doorlezen
Ontstaan zonnestelsel,spelen drie natuurkundige processen een rol bij:
- gravitatiecontractie: alle deeltjes worden door elkaar aangetrokkennettokracht gericht naar midden van de wolk. Deeltjes bewegen langzaam naar midden vd wolk. Snelheid neemt toezorgt voor temp. Stijging
- het pirouette-effect: grote gaswolk had eerst een kleine draaibeweging, maar naarmate de massa zich samenbalde in het centrum werd de draaisnelheid groter
- Het pizza-effect: door de toenemende draaisnelheid raakte de materieschijf afgeplat (pizza)
Adelaarsnevel
heeft vingervormige uitsteeksels die sterke verdichtingen van materie zijn. Hierin ontstaan nieuwe sterren. Op zeker moment temp binnen protoster zover opgelopen, dat kernfusie ontbreekt. Enorme stralingsenergie blaast omgeving verder schoon. Alleen materieschijf in de directe omgeving van de ster is te sterk gevonden nieuwe ster geboren
de jonge aarde
eerst werd de aarde bekogeld met brokstukken uit de ruimte (1e miljard jaar). Geen kans om af te koelen. De zwaardere elementen, met name ijzer, zakten naar het centrum en de lichtere elementen, silicium, kwamen bovendrijven. Langzaam minder inlagen. Er kwam een korst en zeeën. Stabiele rust leven mogelijk
ontstaan leven
Charles Darwin: levende wezens zijn niet door god geschapen. Idee ontstaan leven:een kleine warme poel, met allerlei ammoniakgassen en fosforhoudende zouten, licht, hitte, elektriciteit enz.
Alexander Oparin en J.B.S. Haldane gingen op Darwins ideeen in in jaren 20.
Oersoep: idee van Haldane. Door vele regens werd het water van de zee verrijkt met allerlei ingewikkelde moleculen tot ‘de consistentie van een hete, waterige soep’
John van Neumann maakte vergelijking tussen levende wezens en mechanische automaten. Hij onderscheidde twee essentiële componenten:
• Software: bevat informatie
• Hardware: verwerkt informatie
Om te onderzoeken hoe het leven is ontstaan, concentreren geleerden zich op twee basale eigenschappen van het leven.
• Replicatie (correspondeert met software van het leven)
• Metabolisme (correspondeert met hardware van het leven)
Replicatie:
het instrument waarmee het leven zijn eigenschappen doorgeeft aan de volgende generatie.
Voor replicatie zijn nucleïnezuren nodig waarvan de bouwstenen, nucleiotiden, niet gemakkelijk zullen ontstaan.
Metabolisme:
Het proces van informatievermeerdering met behulp van energie. Het metabolisme van levende wezens op aarde vindt plaats doordat met behulp van bijzondere moleculen de chemische synthese van andere moleculen wordt gestuurd.
Voor het metabolisme zijn proteïnen nodig. De bouwstenen zijn een twintigtal aminozuren die vermoedelijk ruim voorradig waren op de jonge aarde.
Een van de belangrijkste wetten van de natuurkunde is de tweede hoofdwet van thermodynamica. stelt dat bij alles wat er aan veranderingen in de natuur plaatsvindt, de entropie (wanorde) moet toenemen.
Toenemende entropie is afnemende informatie
Alle leven vertoont de merkwaardige eigenschap dat het in staat is om tegen het verloren gaan in te gaan.
Eiwitten spelen een grote rol bij het instandhouden van de levensfuncties. Ze spelen een grote rol, zowel als bouwmateriaal als bij de sturing van chemische processen en activiteiten in het levend wezen. De bouwstenen van de eiwitten zijn aminozuren.
1953: experiment door Harold Urey.
Hij testte de theorie van de oersoep van Haldane. Hij nam aan dat de atmosfeer van de vroege aarde een mengsel was van de gassen methaan, waterstof en ammoniak. Hij stimuleerde het geheel met elektrische ladingen, om onweer na te simuleren. Een week later had het een roodbruine kleurhij trof diverse aminozuren aan.
Men ontdekte later dat aminozuren ook in meteorieten voorkwamen, blijkbaar ontstaan aminozuren zelfs in de ruimte
Theorieën over het eerste leven
Een alternatief voor de oersoep werd geleverd door het pizzamodel van Wächtershäuser. Hij ging ervan uit dat grote organische moleculen elektrisch gebonden zouden kunnen worden aan een metaalachtige ondergrond zoals pyriet. Zo’n tweedimensionale omgeving zou vele meer kansen bieden voor de synthese van grote proteïnen uit aminozuren. De energie werd gehaald uit chemische energie.
Zwarte rokers:
onderzeese vulkanische gaten. Uit deze schoorsteenachtige structuren stromen wolkachtige vloeistoffen de zee in. Rondom de schoorstenen wemelt het van leven. alles ontdekt eind jaren 70 door het Woods Oceanograpic Institute
Autotroof: zelf voedsel aanmaken; van anorganische organische stoffen maken
Heterotroof: niet zelf voedsel maken; hebben organische stoffen nodig
Artikel 65 – Relativiteit
Albert Einstein(1879-1955): Bekende natuurwetenschapper, hij had en heeft een enorme bekendheid en een grote populariteit. Zijn bekendheid is niet echt te verklaren want zijn theorieën zijn tamelijk ontoegankelijk ondanks de vele populaire werkjes die over zijn werk verschenen zijn. Zijn leraar op de universiteit Weber had geen belangstelling voor de nieuwe ontwikkelingen in de natuurkunde die Einstein onderzocht. Bekend geworden door zijn relativiteitstheorieën.
Hij deed in 1905 3 publicaties:
• Brownbeweging: De beweging van stuifmeelkorrels in een vloeistof, door de voortdurende botsingen van de korrels en de vloeistofmoleculen staat de korrel te dansen. Die dans maakte het mogelijk het getal van avogadro te bepalen. Dit was de brug tussen de macroscopische wereld van de meetbare verschijnselen en de microscopische wereld van moleculen en atomen. (je kon met het getal de atomaire schaal bepalen. De brownbeweging overtuigde de natuurkundigen van het bestaan van moleculen en atomen.
• Verhandeling over het foto-elektrisch effect: licht heeft behalve een golf karakter ook een deeltjes karakter. Hij opende hierdoor de poort naar de kwantummechanica. Het leverde hem de Nobelprijs op.
• Speciale relativiteitstheorie:
Einstein poneerde dat ook de wetten van de optica, de wetten van elektriciteit en magnetisme en alle andere natuurwetten in een beweegt systeem blijven gelden, Ook in deze formules hoeft de snelheid van het voorwerp niet te worden opgenomen.
• Eerste postulaat: Alle beweging is beweging ten opzichte van iets anders, alle beweging is relatief.
• Tweede postulaat: licht heeft voor alle waarnemers, ongeacht hun beweging dezelfde snelheid. Lichtsnelheid is een natuurconstante.
Hierdoor bleek ook tijd niet meer absoluut. (voorbeeld boek blz. 303 plaatje 65-3 en tekst daarbij)
Algemene relativiteitstheorie
Het is een gravitatietheorie. Einstein kwam hierop doordat hij een oplossing wou weten voor dit probleem: zware stenen vallen even snel als lichte stenen. Hoe kan dat als de aarde veel harder aan de zware steen trekt?
Het antwoord werd gegeven door newton: De zware kogel heeft meer massa wordt meer aangetrokken maar hij heeft door die massa ook meer traagheid. De zware massa en de trage massa zijn dus gelijk. Maar waarom? Dat trok de aandacht van Einstein.
Hij deed een nieuw postulaat: Het equivalentieprincipe. Dit betekent dat er in een vrijvallende lift geen gravitatieveld is, niks heeft er een versnelling. Een lichtstraal zou ook als een kogel moeten vallen. (Zie ook plaatje lichtstraal 65-4)
In de buurt van een grote massa zal de tijd langzamer gaan lopen luidt de voorspelling volgends de algemene relativiteitstheorie. In de buurt van een grote massa is de loop van een lichtstraal alleen recht voor wie vrij valt in het gravitatieveld van die massa, voor de andere waarnemers loopt hij krom. We merken hier op aarde niks van omdat het gravitatieveld te zwak is. Bij een zonsverduistering klopt dit wel. Sterren die eigenlijk nog niet zichtbaar moeten zijn worden wel zichtbaar, dit komt omdat het licht dat langs de zon gaat een beetje afbuigt.
Een ander voorbeeld is de baan van Mercurius om de zon. Mercurius beweegt zo dicht bij de zon dat de vervorming van de ruimte daar echt geld. De algemene relativiteitstheorie voorspelde de afwijking van de baan van Mercurius om de zon bijna precies goed.
De gravitatie theorie van Newton faalt maar in 2 gevallen:
• Als het gravitatieveld heel sterk is (daar wordt ruimtetijd zo sterk vervormd dat onze notities van tijd en ruimte niet meer opgaan)
• Voor verschijnselen op een schaal van miljoenen lichtjaren over zulke afstanden gaat afbuiging van lichtstralen een rol spelen.
(voorbeeld hiervan plaatje 65-7)
getal van Avogadro: vormt de brug tussen de macroscopische wereld van de meetbare verschijnselen en de microscopische wereld van de moleculen en de atomen. Maakt het mogelijk de atomaire schaal te bepalen: hoe groot een atoom is, hoe zwaar enz.
Louis Pasteur: bekend omdat zijn vinding directe invloed had op dagelijks leven
Charles Darwin opvatting dat mens afstamt van apen
Foton: lichtdeeltje
Quantum; min. mogelijke hoeveelheid lichtenergie
Artikel-66 De geschiedenis van het heelal
De gedachte dat het heelal een geschiedenis heeft is ontstaan in de twintigste eeuw.
Roodverschuiving: Het verschijnsel dat de lichtgolven die door een lichtbron worden uitgezonden langer worden. De roodverschuiving is voor sterrenkundigen een aanduiding dat de lichtbron zich van ons verwijderd. Hoe groter de roodverschuiving, hoe sneller de lichtbron zich verwijdert. De roodverschuiving kan worden vastgesteld doordat bekende absorptielijnen in het spectrum zijn opgeschoven.
Edwin Hubble: onderzoeker die in het Mount Wilson Observatorium probeerde afstanden van sterrenstelsels te bepalen. Dat lukte hem ook hij bracht van 24 sterrensteels de afstand en verwijderingsnelheid in kaart. Zijn conclusie was dat hoe verdeer een stelsel stond hoe groter de verwijderingsnelheid. (1 Megaparsec (3,26 lichtjaar) verwijderingsnelheid 500 kilometer per seconde)= Hubble constante.
Willem de Sitter: Nederlandse astronoom die voorstelde om de theorie van Einstein toe te passen op de hele kosmos.
Toen dit plan voltooid was merkte Einstein dat het heelal met de theorie niet constant was, de ruimte nam in omvang toe. Dit was onmogelijk voor hem en daarom paste hij zijn vergelijkingen aan en voegde een term toe met een kosmologische constante.
De constante die had een waarde die groot genoeg was om expansie van het heelal tegen te gaan en klein genoeg om de voorspellingen van de gravitatietheorie op de schaal van het zonnestelsel of een melkwegstelsel onberoerd te laten.
Einstein zou deze beslissen later de blunder van zijn leven noemen
De Sitter ontwierp een heelal zonder materie, het heelal expandeerde, hij liet zien dat in het expanderende heelal de lengte van het licht mee uitrekt.
Alexandr Friendmann: publiceerde in 1922 een oplossing van de veldvergelijkingen van Einstein die een expanderend heelal impliceerde
George Lemaître: (1894-1966) Belgisch priester legde verband tussen roodverschuivingen en de expansie van heelal. Hij had veel kennis van de relativiteitstheorie en daarom kon hij het verband leggen dat anderen niet zagen. Voor hem waren de roodverschuivingen het bewijs van expansie van het heelal, dat ooit moest zijn begonnen als oeratoom. Hij publiceerde in 1927 het artikel: Een homogeen universum met constante massa en toenemende straal, rekening houdend met de radiële snelheid van extragalactische nevels. Hij had het artikel ook gewoon de oerknal kunnen noemen.
George Gamow: Veronderstelde dat heelal vroeger heet moest zijn geweest:
• Het eerste argument heeft betrekking op de hoeveelheid helium en waterstof. Helium ontstaat door de fusie van waterstofkernen bij een temperatuur die alleen voorkomt in het binnenste van sterren. Hij stelde vast dat helium in het heelal onmogelijk alleen in de sterren kon zijn geproduceerd. Het heelal moest ooit zo heet als de zon zijn geweest.
• Zijn tweede argument was dat in een expanderend heelal de temperatuur moet dalen. De straling die werd uitgezonden in de heette fase moet nu nog te detecteren zijn. In 1965 werd de fossiele straling door onderzoekers van Bell Telephone ontdekt.
Fossiele straling:
Penzias en Wilson wilden met een hoornreflector (die had een ruis die hem geschikt maakte voor sterrenkundig onderzoek) radiostraling onderzoeken. Ze wilden die ruis beter leren kennen en probeerden het apparaat uit bij een golflente van 7,35 waar de bijdrage van de melkweg verwaarloosbaar zou zijn. Tot hun verbazing hoorden ze een helder signaal in alle richtingen.
Het kwam niet van de aarde anders zou het bij de horizon groter zijn dan bij het zenit.
Het zou eerst kunnen komen door de vogelpoep op antenne maar ook nadat die was verwijderd bleef het geluid.
Penzias en Wilson berekenden de equivalente temperatuur van hun radioruis en vonden tussen de 4,5 en 2,5 K. Equivalente temp: temp waarbij materie door de thermische beweging van elektronen juist die radioruis gaat voortbrengen.
Peebles deed ondertussen onderzoek naar radiostraling uit de oertijd met een equivalente temp van 10 K .
Ze deden gelijktijdig publicatie, Penzias en Wilson van hun rare ontdekking bij golflengte van 7,35 (4080 MHz) maar lieten verwijzing naar Kosmos weg.
Peebles legde verband tussen achtergrondstraling van heelal en radioruis van Penzion en Wilson. Penzion en Wilson wonnen de Nobelprijs.
Geschiedenis heelal
Gamow was de eerste die de geschiedenis wou afleiden uit natuurkundige wetten. Hoe moest die geschiedenis eruit hebben gezien om huidige heelal te verklaren?
Uit vrijwel alle studies blijkt dat de belangrijkste gebeurtenissen in het heelal hebben plaatsgevonden in de eerste minuten na de oerknal.
Plaatje 66-8 wordt geschiedenis heelal weergegeven
Hieraan zie je ook dat de hubble constante (expansiesnelheid) afneemt en niet constant is. Oorzaak is de gravitatiekracht die voor afremming van constante zorgt. Alleen in een heelal zonder materie is de constante constant.
Artikel 67- Begin en einde van de kosmos
Het heelal is ongeveer 14/15 miljard jaar oud (boek zegt 14 antwboek 15)
Naar het heelal kijken is kijken naar het verleden, als je kijkt naar een ster die 3 miljoen lichtjaar van de aarde verwijderd is kijk je dus naar een licht wat 3 miljoen jaar geleden is uitgezonden. Hoe verder je kijkt hoe ouder het beeld wat we zien.
Quasars: Objecten die ongelofelijk ver weg staan, ze stammen uit een tijd dat het heelal nog maar eenderde van de leeftijd van het huidige heelal had. Het gaat om bijzondere sterrenstelsels die in het huidige heelal niet meer voorkomen. Wij zien ze zoals ze er toen het heelal nog jong was eruitzagen.
Het huidige heelal: alleen de directe omgeving, de rest is een overblijfsel uit het verleden.
Oudste straling waarover een mens kan beschikken stamt uit de tijd dat het heelal nog een temperatuur had van 3000 graden (300000 jaar na oerknal). Bij een hogere temperatuur zijn er te veel losse elektronen die een wisselwerking aangaan met straling. Bij temp van 3000 zijn elektronen gevangen door atoomkernen, dus straling kan vrij reizen.
Het beeld van heelal van dat moment werd in straling opgeslagen (hier hebben ze een foto van weten te maken) We noemen de straling achtergrondstraling. Door uitdijing van de ruimte is straling uitgerekt en heeft grotere golflengte.
Neutrino’s zijn de enige deeltjes die vrijwel geen wisselwerking ondergaan. Elke seconde vliegen miljarden neutrino’s door een vierkante meter aarde. Ze hebben nergens een wisselwerking mee en dat zou wel nodig zijn om ze te kunnen detecteren.
Al zou het mogelijk zijn om ze te detecteren zou t=0 nog niet onderzocht kunnen worden want neutrino’s stammen uit t=0,01 s.
Superkamiokande: neutrinotelescoop in Japan, kan nog niet kijken tot 0,01s.
Graviton: drager van zwaartekracht, is nog nooit aangetoond, raakten ontkoppeld in de plancktijd t=10^-43 s.
Waarnemingshorizon: Grens van waarneembare heelal, wordt bepaald door de afstand die licht heeft kunnen afleggen tijdens de levensduur van het heelal. Naar mate de tijd verstrijkt bereikt ouder licht de aarde (dus van verder weg).
Lichtsnelheid bepaald ligging van de waarnemingshorizon.
Toekomst heelal:
1. Open heelal: gravitatie is te klein om het heelal tot stoppen te dwingen, het blijft eeuwig uitzetten. De stralingsenergie die wordt door sterren uitgezonden over een steeds groter wordende ruimte. Alle sterren zullen uiteindelijk doven. (heelal sterft warmte dood)
2. Gesloten heelal: Meer materie meer gravitatie. Er is een zekere kritische materiedichtheid. Boen de waardeheelal tot stilstand. Door gravitatie wordt heelal samengetrokken (kleiner) Uiteindelijk volgt grote eindkrak.
3. Kritisch heelal: Heelal blijft kritische dichtheid bezitten en het zal eeuwig expanderen.
In een heelal met een lage materiedichtheid (ijl heelal) kan gravitatie haar werk niet doen en ook in heelal met te veel materie kunnen nooit sterren ontstaan.
Ook als de expansiesnelheid in het begin van heelal maar een biljardste van een triljoenste procent had afgeweken van kritieke snelheid was nooit leven ontstaan. Als de gravitatieconstante maar een beetje had afgeweken hadden wij nooit bestaan.
Sommigen vinden dit de reden dat God bestaat.
Antropisch principe: het is niet verbazingwekkend dat het heelal de juiste natuurconstanten heeft, wij zouden er immers niet zijn geweest als ze een andere waarde hadden.
Zon: perihelium
Copernicus: Hij had een heliocentrisch wereldbeeld: de planeten en de aarde bewogen om de zon in cirkelbanen, deze uitspraak was revolutionair. Daarvoor gelde het aristotelisch wereldbeeld, dat was geocentrisch: de aarde stond in het middelpunt van het heelal en daaromheen cirkelden de hemelse sferen die drager waren van de zon de maan de planeten en vaste sterren.
Bij het wereldbeeld van Copernicus was het nog niet mogelijk om een precieze afstemming tussen theorie en waarneming te krijgen. Er bleven afwijkingen bestaan tussen de plaats van planeten aan de heel en de hemelpositie volgens de theorie. Ook was er het probleem dat de seizoenen niet precies even lang waren.
Dit kost doorgaans veel geld want voor nauwkeurige waarnemingen zijn kostbare meetinstrumenten nodig.
Tycho Brahe: empirisch onderzoeker. Hij was een rijk man en investeerde zijn vermogen in een eiland vol meetinstrumenten ten behoeve van de wetenschap. Het kasteel uranibor werd gebruikt als astronomisch observatiecentrum. Hij en andere astronomen en technici verrichtten er vele waarnemingen. Bijv. de plaats van sterren aan de hemel in 10 boogseconden.
Muurkwadrant: Op muur is een noord-zuid-as aangebracht. Je kan hoogte van een ster aan de hemel mee worden gemeten. Boven o en onder 90. Elke graad in 60 boogminuten en elke boogmin. in 60 boogsec.
Johannes Kepler: hulpje van Tycho Brahe die door Tycho op zijn sterfbed werd gevraagd . Hij kwam erachter dat de planeten in een ellips om de zon bewogen.
De wetten van Kepler:
1. Planeten bewegen in een ellips om de zon waarbij de zon in een van de beide brandpunten staat.
2. In gelijke tijden doorloopt de planeet gelijke oppervlakten. Hij gaat sneller als hij dichter bij de zon is.
3. De omlooptijd van een planeet neemt toe naarmate zijn afstand tot de zon groter is. De omlooptijd neemt sterker toe dan de afstand. Afstand toename x^2 dan omlooptijd toename x^3.
Kometen: Ook kometen beschrijven een ellips om de zon. De ellips is wel heel plat. Een komeet is een soort ijsbol, als hij dicht bij de zon is begint het ijs te verdampen daardoor worden gassen en stoffen door de druk van de zonnestraling weggedrukt: er ontstaat een staart!
De wetten van Kepler gelden voor alle planeten satellieten die om een zwaar hemellichaam draaien.
De aarde heeft 2 banen van satellieten: vlak om de aarde circuleren veel satellieten en er bevinden zich ook veel satellieten in een geostationaire baan. (satellieten hangen boven een vast punt op de aarde (Radio en TV))
Artikel 60 – Gravitatie
Aristoteles natuurfilosoof van klassieke oudheid kosmos in 2en gedeeld:
• de onveranderlijke en onvergankelijke hemelen waarin de cirkelbeweging de enig toegestane verandering was.
• Het ondermaanse, de wereld van de vergankelijk andere natuurwetten.
Newton hief deze tweedeling op. Hij herstelde de eenheid van de kosmos met zijn gravitatiewet. De natuurwetten hebben universele geldigheid gekregen ze gelden in het hele universum.
1642: Galilei overleed, Newton werd geboren.
19 jarige leeftijd als sizar toegelaten op universiteit van Cambridge. Toen hij 22 was ging hij terug naar Woolsthorpe, waren 2 vruchtbaarste jaren uit zijn leven. Hij deed drie fundamentele ontdekkingen: methode der fluxies, de leer van de samenstelling van het licht en de algemene gravitatiewet. 27 jaar: hoogleraar. 1687(45jaar): publiceerde boek. 1696: belangrijke maatschappelijke functie in monetaire zaken.
Gravitatie:aantrekkingskracht tussen massa’s. (universele aantrekking)
Gravitatiewet: 2 massa’s trekken elkaar altijd aan.
Vijf stappen nodig om te begrijpen hoe de gravitatiekracht de beweging van de planeten regelt:
• Je moet weten wat een kracht is en doet. (Bijdrage door Hooke.)
• Het is nodig in te zien dat voor beweging geen kracht nodig is maar voor bewegingsverandering wel. (Aristoteles deed dit fout, Galilei bewees dit.)
• Je moet inzien dat er voor een cirkelbeweging wel kracht nodig is.
• Je moet de gedachte los laten dat voor hemellichamen andere wetten gelden dan voor oudermaanse zaken.
• Je moet afleiden hoe de kracht waarmee de zon aan een planeet trekt afhangt van de afstand tussen de zon en de planeet. (nog even goed doorlezen).
Tussen twee massa’s bestaat een aantrekkende kracht is een wisselwerking: er is één kracht en die werkt tegelijkertijd op zowel het ene als op het andere lichaam.
Twee massa’s van 1 kg op een onderlinge afstand van 1 m. een aantrekkende kracht op elkaar uitoefenen met een waarde G.
Kwadratenwet: de kracht tussen twee massa’s is omgekeerd evenredig met het kwadraat van de afstand.
Tot slot: de gravitatie voor twee willekeurige massa’s kan worden gevonden door de kracht tussen de afzonderlijke kilogrammen op te tellen.
Descartes: tegenstander van de aristotelische denkbeelden. Hij ging er vanuit dat de ruimte tussen de zon en de planeten gevuld was met wervels. De zon draaide in dertig dagen om zijn as en deze draaiing werd meegegeven aan de wervels in de ruimte.
Newton was aanvankelijk aanhanger van Descartes, maar later niet meer zo. Hij toonde aan dat de Fw die de wervels moesten uitoefenen op de planeten nooit kon leiden tot de waargenomen omlooptijden. Hij verwierp de wervelruimte van Descartes.
Artikel 61 – Ruimtekolonie
Gravitatieveld: een krachtveld waarin elk voorwerp een kracht ondervindt, in overeenstemming met de grootte van zijn massa en gericht naar het middelpunt van de aarde. (afb. 61-1)
Newton kon de veldsterkte buiten de aarde bepalen door twee regels:
• De massa van de aarde mag geconcentreerd gedacht worden in het middelpunt
• De gravitatiekracht neemt af met het kwadraat van de afstand.
Rond ieder hemellichaam bevindt zich een gravitatieveld. Hoe sterk het gravitatieveld is, hangt af van de massa van het hemellichaam en van de afstand tot het middelpunt van de massa.
Elk voorstel om een langdurige verblijf in de ruimte moet drie hoofdproblemen aanpakken:
• Hoe wordt het Fz-probleem opgelost?
• Hoe komt het ruimteschip aan zijn energie?
Fz-probleem:
Zwaartekracht kan alleen worden gesimuleerd door verandering van beweging, zoals versnelling en vertraging of rotatie. Er moet gebruikt gemaakt worden van rotatie, de ruimtevaarders kunnen het gevoel van Fz ervaren in een langzaam roterend ruimteschip.
Levensbehoeften:
Kan niet zomaar worden meegenomen, veel te veel. Plan: een gesloten ecosysteem bouwen. Sprake van symbiose (samenleven van twee verschillende organismen tot wederzijds voordeel) tussen mensen, planten en dieren. Mensen+dieren gebruiken voedsel+O2 en produceren Co2 +H2O planten gebruiken CO2 en H2O en produceren O2 +voedsel. 10m2 plantenoppervlak nodig. Water moet worden gerecycled d.m.v. filtering en biologische zuivering m.b.v. algen.
Energie is nodig om de snelheid van het ruimteschip te veranderen, bijsturen en te vertragenkost veel energie. Voor in stand houden van een beweging is nauwelijks energie nodig. Ook energie nodig om ecosysteem in stand te houden. En energie nodig om een technische geavanceerde gemeenschap te ondersteunen. Er zal gebruik worden gemaakt van kernenergie. De benodigde brandstof zal niet veel ruimte in beslag nemen. En er is altijd zonlichtkan met spiegels worden opgevangen.
Artikel 62 – Sterren
William en Caroline Herschel wilden de afstand waarop sterren stonden bepalen. Ze gingen op zoek naar sterren die aan de hemel dicht bij elkaar stonden maar waarvan de een veel verder verwijderd was dan de andere. Vele dubbelsterren werden op die manier geregistreerd. Maar de jaarlijkse parallax (verschil tussen de richting vanuit verschillende punten) werd niet waargenomen sterren te ver weg.
Basis: de afstand tussen twee punten (bijv. je linker en rechteroog). Hoe groter de basis, hoe beter je afstand kunt schatten.
Sterren verplaatsen zich t.o.v. elkaar. Ze draaien om elkaar heen.
Friedrich Wilhelm Bessel, een Duitse astronoom, slaagde erin door parallaxmetingen de afstand tot een ster te bepalen. Ruimte is heel leeg. 100 biljoen km = 10 lichtjaar. Door afstanden, helderheden en kleuren van sterren te combineren groeide het inzicht in de verschillen tussen sterren.
In de 19e eeuw zorgden technologische en wetenschappelijke ontwikkelingen voor een explosieve toename van de kennis over sterren.
• Telescopen: hoe groter hoe beter.
• Ontwikkeling van de fotografie: drukte een blijvend stempel op de astronomie. Voordelen foto’s t.o.v. telescopen: kon met meerdere mensen tegelijk en de lichtgevoelige plaat legde meer en andere informatie vast dan het netvlies van het menselijk oog.
In 1871 organiseerde het Astronomische Gesellschaft een onderzoek om de hemel in kaart te brengen. Werk verdeeld onder 13 observatoria. Uiteindelijk databank van 100.000 sterren
Wetenschappelijke ontwikkelingen
Een belangrijk instrumenten bij het indelen van sterren blijkt het spectrum van een ster te zijn. Newton had laten zien dat het zonlicht ontrafeld kon worden in kleuren m.b.v. een prisma. Fraunhofer paste de methode toe en ontdekte merkwaardige donkere lijntjes in het spectrum van de zon. Later onderzoek toonde aan dat spectra van sterren onderling sterk verschillen.
Annie Jump Cannon slaagde er rond 1900 in sterren in te delen op basis van hun spectrum. Het is een indeling op basis van de oppervlaktetemperatuur van de sterren.
Meer dan de helft van alle sterren aan de hemel zijn dubbelsterren zijn als het ware gevangen in elkaars gravitatieveld, ze draaien om elkaar heen.
Bekendste dubbelster is Sirius helderst van alle sterren. Sirius beschrijft aan de hemel een ingewikkelde beweging die uit drie componenten bestaat:
• De dubbelster beweegt als geheel tussen de sterren
• De beide sterren van sirius beschrijven een ellips om hun gemeenschappelijk zwaartepuntveroorzaakt de voornaamste schommeling
• De kleine golfjes worden veroorzaakt doordat we vanaf de aarde waarnemen.
Witte dwergen:
sterren die kleiner zijn naarmate ze meer massa hebben. Door de Fz trekt de materie zich samen in de ster. Op een gegeven moment wordt de druk zo groot, dat de atomen bezwijken. De elektronen krijgen vrijheid en zorgen voor een geweldige tegendrukster kan niet nog verder in elkaar ploffen. Hoe meer massa de ster heeft, des te meer krijgt de gravitatie de overhand
Sirius B even groot als de aarde, met een massa van de zon. Sirius A is groter dan B, maar heeft minder massa. Beide zelfde straling.
Het feit dat een ster energie verbruikt, betekent dat hij een begin en een eind moet hebben. De levensloop van een ster hangt af van zijn massa. Een ster als de zon, zal ong. 10 miljard jaar doen met zijn energie. Dan zal de zon opblazen tot een rode reus de buitenste lagen worden weggeblazen en in het centrum blijft de sterkern over die als witte dwerg zal afkoelen. Zwaardere sterren zullen echter sneller opbranden.
Limiet van Chandrasekhar: bij een massa van 1,5 keer die van de zon zijn de elektronen niet langer opgewassen tegen de gravitatiekracht.
De sterkern zal als de energieproductei stopt, verder ineenstorten tot een neutronenster.
Witte dwerg: even groot als aarde
Neutronenster: even groot als stad
Als de ster nog groter is, zal het instorten niet ophouden bij een neutronenbol. Het gaat door, er ontstaat een zwart gat.
Artikel 63 – De wording van een planeet
• het zonnestelsel is ontstaan uit de restanten van een supernova
• de atomen waaruit de aarde en de mensen zijn opgebouwd zijn ontstaan in het binnenste van sterren
• de belangrijkste twee elementen waar de aarde uit bestaat zijn ijzer en silicium, de basis van gesteenten
Bij levende wezens spelen vijf atomen een hoofdrol:
• koolstof (6 protonen en 6 neutronen). Speelt zo’n belangrijke rol dat men wel eens stelt dat de basis van het leven berust op een koolstofchemie.
• Zuurstof (O, 16 deeltjes)
• Stikstof (N)
• Fosfor (P)
Waterstof is gevormd tijdens de oerknal in de 1e minuut. De gebeurtenissen gingen zo snel, dat er geen tijd was om de andere kernen te vormen. De zwaardere kernen zijn totstandgekomen door de samensmelting van waterstofkernen grote temperaturen voor nodig, want anders botsen ze niet tegen elkaar en vormen ze geen samengestelde atoomkernen temp. Om samen te laten smelten komt alleen in sterren voor. In de zon smelten de protonen samen tot heliumkernen. Maar temp. In zon niet hoog genoeg om samensmelting tot een normale zaak te maken. Toch veel protonen die botsen.
In de zon zal geen zuurstof ontstaan, daarvoor veel hogere temp. Nodig. De atomen van de stoffen op aarde zijn ontstaan in sterren die zwaarder zijn dan de zon (blauwe reuzen)worden niet zo oud als de zon, brandne veel sneler op.
De levensduur van blauwe reuzen verloopt in fasen die parallel lopen met de productie van zwaardere elementen. Dit levert energie op totdat het element ijzer is gevormd. Vorming van nog zwaardere elementen kost energie.
(Wat Heeft Koos Zachte Slangen ) zie volgende pagina =P
• Fase 1: Waterstoffusie
Duur 10 miljoen jaar, Temp. In kern 10 miljoen C. Uit protonen ontstaat helium, vorming trapsgewijs. De enorme hoeveelheid energie die hierbij vrijkomt, zorgt voor een immense gasdrukvoorkomt dat ster onder eigen gewicht instort. Waterstof op? dan de productie stopt, ster begint in te storten, temp stijgt. Maar ster niet dood
• Fase 2: Heliumfusie:
• Fase 3: Koolstoffusie
duur: 100.000 jaar, temp in kern: 600 miljoen C. koolstofkernen gaan samen, er ontstaat een scala aan kernen van O2 tot Na tot Mgstroomversnelling.
• Fase 4: Zuurstoffusie
duur: 10.000 jaar, temp nadert tot miljard graden. Er ontstaat silicium, en bij nog hogere temp. Ontstaat ook zwavel.
• Fase 5: Siliciumfusie
Duur: 1 dag. In deze dag ontstaan de ijzeratomen, ijzer is het stabielste element. Deeltjes in de ijzerkern zijn zo stevig gebonden dat verdere fusie geen energie oplevert maar energie kost. Alle voorgaande fasen waren uitstel van het ineenstorten, maar nu is de instorting van de ster niet meer te voorkomen.
Silicium op? druk in sterkern daalt en instorting begint. Temp tot 5 miljard C. dichtheid wordt enorm, duizenden tonnen in een cm3. Nu implodeert de kern zo groot als de aarde in 1 sec. tot een bol met een diameter van 20 km.
Toch heeft natuur nog één verdediging. Als dichtheid opgelopen is tot 100 miljoen ton per cm3 zitten voormalige atoomkernen tegen elkaar. Protonen zijn veranderd in neutronen grote neutronenbol. Krachten die nodig zijn om de neutronen te verbrijzelen zijn zo groot dat de instorting tot stilstand komt. Voor de buitenlagen rond de kern is steun weggevallen, bestaat uit ijzeratomen. Die beginnen pijsnel te vallen. De materie botst tegen neutronenbol, materie slaat terug en ploegt zich tegen de invallende materie in een weg. Een golf van materie voortgeduwd door nieuw uitgespuwd materiaal dat steeds minder weerstand ondervindt komt steeds sneller naar buiten ster explodeert. Ster zal maanden schijnen met grote helderheid. Op plek waar eerst ster stond is nu en grote nevel te zien met in het centrum een kleine rondtollende neutronenster
Ontstaan zonnestelsel,spelen drie natuurkundige processen een rol bij:
- gravitatiecontractie: alle deeltjes worden door elkaar aangetrokkennettokracht gericht naar midden van de wolk. Deeltjes bewegen langzaam naar midden vd wolk. Snelheid neemt toezorgt voor temp. Stijging
- het pirouette-effect: grote gaswolk had eerst een kleine draaibeweging, maar naarmate de massa zich samenbalde in het centrum werd de draaisnelheid groter
- Het pizza-effect: door de toenemende draaisnelheid raakte de materieschijf afgeplat (pizza)
Adelaarsnevel
heeft vingervormige uitsteeksels die sterke verdichtingen van materie zijn. Hierin ontstaan nieuwe sterren. Op zeker moment temp binnen protoster zover opgelopen, dat kernfusie ontbreekt. Enorme stralingsenergie blaast omgeving verder schoon. Alleen materieschijf in de directe omgeving van de ster is te sterk gevonden nieuwe ster geboren
de jonge aarde
eerst werd de aarde bekogeld met brokstukken uit de ruimte (1e miljard jaar). Geen kans om af te koelen. De zwaardere elementen, met name ijzer, zakten naar het centrum en de lichtere elementen, silicium, kwamen bovendrijven. Langzaam minder inlagen. Er kwam een korst en zeeën. Stabiele rust leven mogelijk
ontstaan leven
Alexander Oparin en J.B.S. Haldane gingen op Darwins ideeen in in jaren 20.
Oersoep: idee van Haldane. Door vele regens werd het water van de zee verrijkt met allerlei ingewikkelde moleculen tot ‘de consistentie van een hete, waterige soep’
John van Neumann maakte vergelijking tussen levende wezens en mechanische automaten. Hij onderscheidde twee essentiële componenten:
• Software: bevat informatie
• Hardware: verwerkt informatie
Om te onderzoeken hoe het leven is ontstaan, concentreren geleerden zich op twee basale eigenschappen van het leven.
• Replicatie (correspondeert met software van het leven)
• Metabolisme (correspondeert met hardware van het leven)
Replicatie:
het instrument waarmee het leven zijn eigenschappen doorgeeft aan de volgende generatie.
Voor replicatie zijn nucleïnezuren nodig waarvan de bouwstenen, nucleiotiden, niet gemakkelijk zullen ontstaan.
Metabolisme:
Voor het metabolisme zijn proteïnen nodig. De bouwstenen zijn een twintigtal aminozuren die vermoedelijk ruim voorradig waren op de jonge aarde.
Een van de belangrijkste wetten van de natuurkunde is de tweede hoofdwet van thermodynamica. stelt dat bij alles wat er aan veranderingen in de natuur plaatsvindt, de entropie (wanorde) moet toenemen.
Toenemende entropie is afnemende informatie
Alle leven vertoont de merkwaardige eigenschap dat het in staat is om tegen het verloren gaan in te gaan.
Eiwitten spelen een grote rol bij het instandhouden van de levensfuncties. Ze spelen een grote rol, zowel als bouwmateriaal als bij de sturing van chemische processen en activiteiten in het levend wezen. De bouwstenen van de eiwitten zijn aminozuren.
1953: experiment door Harold Urey.
Men ontdekte later dat aminozuren ook in meteorieten voorkwamen, blijkbaar ontstaan aminozuren zelfs in de ruimte
Theorieën over het eerste leven
Een alternatief voor de oersoep werd geleverd door het pizzamodel van Wächtershäuser. Hij ging ervan uit dat grote organische moleculen elektrisch gebonden zouden kunnen worden aan een metaalachtige ondergrond zoals pyriet. Zo’n tweedimensionale omgeving zou vele meer kansen bieden voor de synthese van grote proteïnen uit aminozuren. De energie werd gehaald uit chemische energie.
Zwarte rokers:
onderzeese vulkanische gaten. Uit deze schoorsteenachtige structuren stromen wolkachtige vloeistoffen de zee in. Rondom de schoorstenen wemelt het van leven. alles ontdekt eind jaren 70 door het Woods Oceanograpic Institute
Autotroof: zelf voedsel aanmaken; van anorganische organische stoffen maken
Artikel 65 – Relativiteit
Albert Einstein(1879-1955): Bekende natuurwetenschapper, hij had en heeft een enorme bekendheid en een grote populariteit. Zijn bekendheid is niet echt te verklaren want zijn theorieën zijn tamelijk ontoegankelijk ondanks de vele populaire werkjes die over zijn werk verschenen zijn. Zijn leraar op de universiteit Weber had geen belangstelling voor de nieuwe ontwikkelingen in de natuurkunde die Einstein onderzocht. Bekend geworden door zijn relativiteitstheorieën.
Hij deed in 1905 3 publicaties:
• Brownbeweging: De beweging van stuifmeelkorrels in een vloeistof, door de voortdurende botsingen van de korrels en de vloeistofmoleculen staat de korrel te dansen. Die dans maakte het mogelijk het getal van avogadro te bepalen. Dit was de brug tussen de macroscopische wereld van de meetbare verschijnselen en de microscopische wereld van moleculen en atomen. (je kon met het getal de atomaire schaal bepalen. De brownbeweging overtuigde de natuurkundigen van het bestaan van moleculen en atomen.
• Verhandeling over het foto-elektrisch effect: licht heeft behalve een golf karakter ook een deeltjes karakter. Hij opende hierdoor de poort naar de kwantummechanica. Het leverde hem de Nobelprijs op.
• Speciale relativiteitstheorie:
• Eerste postulaat: Alle beweging is beweging ten opzichte van iets anders, alle beweging is relatief.
• Tweede postulaat: licht heeft voor alle waarnemers, ongeacht hun beweging dezelfde snelheid. Lichtsnelheid is een natuurconstante.
Hierdoor bleek ook tijd niet meer absoluut. (voorbeeld boek blz. 303 plaatje 65-3 en tekst daarbij)
Algemene relativiteitstheorie
Het is een gravitatietheorie. Einstein kwam hierop doordat hij een oplossing wou weten voor dit probleem: zware stenen vallen even snel als lichte stenen. Hoe kan dat als de aarde veel harder aan de zware steen trekt?
Het antwoord werd gegeven door newton: De zware kogel heeft meer massa wordt meer aangetrokken maar hij heeft door die massa ook meer traagheid. De zware massa en de trage massa zijn dus gelijk. Maar waarom? Dat trok de aandacht van Einstein.
In de buurt van een grote massa zal de tijd langzamer gaan lopen luidt de voorspelling volgends de algemene relativiteitstheorie. In de buurt van een grote massa is de loop van een lichtstraal alleen recht voor wie vrij valt in het gravitatieveld van die massa, voor de andere waarnemers loopt hij krom. We merken hier op aarde niks van omdat het gravitatieveld te zwak is. Bij een zonsverduistering klopt dit wel. Sterren die eigenlijk nog niet zichtbaar moeten zijn worden wel zichtbaar, dit komt omdat het licht dat langs de zon gaat een beetje afbuigt.
Een ander voorbeeld is de baan van Mercurius om de zon. Mercurius beweegt zo dicht bij de zon dat de vervorming van de ruimte daar echt geld. De algemene relativiteitstheorie voorspelde de afwijking van de baan van Mercurius om de zon bijna precies goed.
De gravitatie theorie van Newton faalt maar in 2 gevallen:
• Als het gravitatieveld heel sterk is (daar wordt ruimtetijd zo sterk vervormd dat onze notities van tijd en ruimte niet meer opgaan)
• Voor verschijnselen op een schaal van miljoenen lichtjaren over zulke afstanden gaat afbuiging van lichtstralen een rol spelen.
(voorbeeld hiervan plaatje 65-7)
getal van Avogadro: vormt de brug tussen de macroscopische wereld van de meetbare verschijnselen en de microscopische wereld van de moleculen en de atomen. Maakt het mogelijk de atomaire schaal te bepalen: hoe groot een atoom is, hoe zwaar enz.
Louis Pasteur: bekend omdat zijn vinding directe invloed had op dagelijks leven
Foton: lichtdeeltje
Quantum; min. mogelijke hoeveelheid lichtenergie
Artikel-66 De geschiedenis van het heelal
De gedachte dat het heelal een geschiedenis heeft is ontstaan in de twintigste eeuw.
Roodverschuiving: Het verschijnsel dat de lichtgolven die door een lichtbron worden uitgezonden langer worden. De roodverschuiving is voor sterrenkundigen een aanduiding dat de lichtbron zich van ons verwijderd. Hoe groter de roodverschuiving, hoe sneller de lichtbron zich verwijdert. De roodverschuiving kan worden vastgesteld doordat bekende absorptielijnen in het spectrum zijn opgeschoven.
Edwin Hubble: onderzoeker die in het Mount Wilson Observatorium probeerde afstanden van sterrenstelsels te bepalen. Dat lukte hem ook hij bracht van 24 sterrensteels de afstand en verwijderingsnelheid in kaart. Zijn conclusie was dat hoe verdeer een stelsel stond hoe groter de verwijderingsnelheid. (1 Megaparsec (3,26 lichtjaar) verwijderingsnelheid 500 kilometer per seconde)= Hubble constante.
Toen dit plan voltooid was merkte Einstein dat het heelal met de theorie niet constant was, de ruimte nam in omvang toe. Dit was onmogelijk voor hem en daarom paste hij zijn vergelijkingen aan en voegde een term toe met een kosmologische constante.
De constante die had een waarde die groot genoeg was om expansie van het heelal tegen te gaan en klein genoeg om de voorspellingen van de gravitatietheorie op de schaal van het zonnestelsel of een melkwegstelsel onberoerd te laten.
Einstein zou deze beslissen later de blunder van zijn leven noemen
De Sitter ontwierp een heelal zonder materie, het heelal expandeerde, hij liet zien dat in het expanderende heelal de lengte van het licht mee uitrekt.
Alexandr Friendmann: publiceerde in 1922 een oplossing van de veldvergelijkingen van Einstein die een expanderend heelal impliceerde
George Lemaître: (1894-1966) Belgisch priester legde verband tussen roodverschuivingen en de expansie van heelal. Hij had veel kennis van de relativiteitstheorie en daarom kon hij het verband leggen dat anderen niet zagen. Voor hem waren de roodverschuivingen het bewijs van expansie van het heelal, dat ooit moest zijn begonnen als oeratoom. Hij publiceerde in 1927 het artikel: Een homogeen universum met constante massa en toenemende straal, rekening houdend met de radiële snelheid van extragalactische nevels. Hij had het artikel ook gewoon de oerknal kunnen noemen.
George Gamow: Veronderstelde dat heelal vroeger heet moest zijn geweest:
• Zijn tweede argument was dat in een expanderend heelal de temperatuur moet dalen. De straling die werd uitgezonden in de heette fase moet nu nog te detecteren zijn. In 1965 werd de fossiele straling door onderzoekers van Bell Telephone ontdekt.
Fossiele straling:
Penzias en Wilson wilden met een hoornreflector (die had een ruis die hem geschikt maakte voor sterrenkundig onderzoek) radiostraling onderzoeken. Ze wilden die ruis beter leren kennen en probeerden het apparaat uit bij een golflente van 7,35 waar de bijdrage van de melkweg verwaarloosbaar zou zijn. Tot hun verbazing hoorden ze een helder signaal in alle richtingen.
Het kwam niet van de aarde anders zou het bij de horizon groter zijn dan bij het zenit.
Het zou eerst kunnen komen door de vogelpoep op antenne maar ook nadat die was verwijderd bleef het geluid.
Penzias en Wilson berekenden de equivalente temperatuur van hun radioruis en vonden tussen de 4,5 en 2,5 K. Equivalente temp: temp waarbij materie door de thermische beweging van elektronen juist die radioruis gaat voortbrengen.
Peebles deed ondertussen onderzoek naar radiostraling uit de oertijd met een equivalente temp van 10 K .
Peebles legde verband tussen achtergrondstraling van heelal en radioruis van Penzion en Wilson. Penzion en Wilson wonnen de Nobelprijs.
Geschiedenis heelal
Gamow was de eerste die de geschiedenis wou afleiden uit natuurkundige wetten. Hoe moest die geschiedenis eruit hebben gezien om huidige heelal te verklaren?
Uit vrijwel alle studies blijkt dat de belangrijkste gebeurtenissen in het heelal hebben plaatsgevonden in de eerste minuten na de oerknal.
Plaatje 66-8 wordt geschiedenis heelal weergegeven
Hieraan zie je ook dat de hubble constante (expansiesnelheid) afneemt en niet constant is. Oorzaak is de gravitatiekracht die voor afremming van constante zorgt. Alleen in een heelal zonder materie is de constante constant.
Artikel 67- Begin en einde van de kosmos
Het heelal is ongeveer 14/15 miljard jaar oud (boek zegt 14 antwboek 15)
Naar het heelal kijken is kijken naar het verleden, als je kijkt naar een ster die 3 miljoen lichtjaar van de aarde verwijderd is kijk je dus naar een licht wat 3 miljoen jaar geleden is uitgezonden. Hoe verder je kijkt hoe ouder het beeld wat we zien.
Het huidige heelal: alleen de directe omgeving, de rest is een overblijfsel uit het verleden.
Oudste straling waarover een mens kan beschikken stamt uit de tijd dat het heelal nog een temperatuur had van 3000 graden (300000 jaar na oerknal). Bij een hogere temperatuur zijn er te veel losse elektronen die een wisselwerking aangaan met straling. Bij temp van 3000 zijn elektronen gevangen door atoomkernen, dus straling kan vrij reizen.
Het beeld van heelal van dat moment werd in straling opgeslagen (hier hebben ze een foto van weten te maken) We noemen de straling achtergrondstraling. Door uitdijing van de ruimte is straling uitgerekt en heeft grotere golflengte.
Neutrino’s zijn de enige deeltjes die vrijwel geen wisselwerking ondergaan. Elke seconde vliegen miljarden neutrino’s door een vierkante meter aarde. Ze hebben nergens een wisselwerking mee en dat zou wel nodig zijn om ze te kunnen detecteren.
Al zou het mogelijk zijn om ze te detecteren zou t=0 nog niet onderzocht kunnen worden want neutrino’s stammen uit t=0,01 s.
Superkamiokande: neutrinotelescoop in Japan, kan nog niet kijken tot 0,01s.
Graviton: drager van zwaartekracht, is nog nooit aangetoond, raakten ontkoppeld in de plancktijd t=10^-43 s.
Waarnemingshorizon: Grens van waarneembare heelal, wordt bepaald door de afstand die licht heeft kunnen afleggen tijdens de levensduur van het heelal. Naar mate de tijd verstrijkt bereikt ouder licht de aarde (dus van verder weg).
Toekomst heelal:
1. Open heelal: gravitatie is te klein om het heelal tot stoppen te dwingen, het blijft eeuwig uitzetten. De stralingsenergie die wordt door sterren uitgezonden over een steeds groter wordende ruimte. Alle sterren zullen uiteindelijk doven. (heelal sterft warmte dood)
2. Gesloten heelal: Meer materie meer gravitatie. Er is een zekere kritische materiedichtheid. Boen de waardeheelal tot stilstand. Door gravitatie wordt heelal samengetrokken (kleiner) Uiteindelijk volgt grote eindkrak.
3. Kritisch heelal: Heelal blijft kritische dichtheid bezitten en het zal eeuwig expanderen.
In een heelal met een lage materiedichtheid (ijl heelal) kan gravitatie haar werk niet doen en ook in heelal met te veel materie kunnen nooit sterren ontstaan.
Ook als de expansiesnelheid in het begin van heelal maar een biljardste van een triljoenste procent had afgeweken van kritieke snelheid was nooit leven ontstaan. Als de gravitatieconstante maar een beetje had afgeweken hadden wij nooit bestaan.
Sommigen vinden dit de reden dat God bestaat.
REACTIES
1 seconde geleden