Voorwoord
Het heelal, of ‘de hemel’ heeft mij van jongs af aan al gefascineerd. Als we met het gezin wel eens op vakantie in Frankrijk waren, en we kwamen laat in de avond terug van een uitstapje, gingen we gewoon liggen, op de grond, en naar de sterren kijken.
Om zo diep in een heldere sterrennacht kijken, maakt dat je jezelf eerst heel klein, onbenullig voelt, en daarna ontzettend gelukkig dat jij, als klein onbenullig persoontje, toch een deel mag uitmaken van dat immens grote universum. Ik voelde dat altijd, als ik naar de sterren keek, ik denk dat meer mensen dat wel hebben.
De sterrenhemel gaf voor mij ook een hele nieuwe dimensie aan het begrip ‘de nacht’. Vroeger dacht/voelde ik de nacht als een soort donkere waas over het licht, iets dat het licht verstoorde. Naarmate ik ouder werd, en wat meer begrip kreeg over het hoe en wat van het heelal, begon ik het juist andersom te zien. Eigenlijk kunnen we ‘s nachts zoveel verder de realiteit in kijken dan overdag, de dag is een waas van (verblindend) licht over het mysterieuze universum.
Zonder licht kunnen we niet leven, maar de noodzaak van de duisternis is zeker niet minder dan die van het licht; ze zijn allebei onmisbaar, maar ze zijn voor mij in een prachtig evenwicht gekomen. Het is een verschijnsel waar je steeds nieuwe facetten van leert kennen, zowel goede als slechte.
Na het lezen van een boek van Stephen Hawking voor een Engelse spreekbeurt, was mijn interesse gewekt om me te gaan verdiepen in het o zo mysterieuze heelal. Ik wilde het werkstuk eerst de titel ‘regelmaten in het heelal’ geven, maar na wat meer nagedacht en onderzocht te hebben, ging het mij echt voornamelijk om de geschiedenis van het heelal, hoe het was ontstaan, en hoe het nog steeds eigenlijk ontstaat. Dé vraag die ik als klein meisje, op de grond liggend in Frankrijk, voornamelijk aan mezelf stelde, was: “wat was nu het begin van dit alles, heelal (heel-al) betekend tenslotte alles, kan uit niets alles ontstaan?”
Op deze vraag zal er in dit werkstuk geen bevredigend antwoord worden gegeven, ik heb getracht zo dicht mogelijk tot het allereerste begin te komen, maar zelfs dat blijven theorieën, niets of niemand is nog in staat geweest met concrete bewijzen te komen over het begin van ‘alles’.
Zijn er eigenlijk bewijzen nodig...?
Het Ontstaan Van Het Heelal
Het heelal heeft mensen altijd al gefascineerd. Daarom bestaan er ook vele theorieën over het ontstaan ervan. De meeste hebben een religieuze achtergrond, andere zijn gebaseerd op fantasieën van mensen (wat vaak iets weg heeft van een religieuze theorie), en enkele zijn wetenschappelijk onderzocht.
Tegenwoordig komen er steeds meer mensen die de Big Bang theorie aanhangen, maar er blijven nog steeds veel mensen die zeggen ‘God zei: “en er was licht”, en er was ook licht". Maar het probleem blijft, er zijn geen bewijzen om een van beide groepen gelijk of ongelijk te geven. Het is wel zo dat de Big Bang theorie erg waarschijnlijk is, door de tekenen die men in het heelal gevonden heeft, maar of het echt bewezen is ... ? Zoals bewezen is dat de aarde rond is, zo'n 500 jaar geleden, en niemand meer zegt dat ze plat is? Nog lang niet iedereen is overtuigd dat alles begon met een grote oerknal.
Het is ook moeilijk voor mensen om te kunnen geloven, als ze iets verder denken, dat er ooit een compleet "niets" is geweest (want niets is ook eigenlijk "iets").
Want er wordt beweerd, alles begon met de Big Bang, maar de vraag die mensen zich dan stellen (inclusief mijzelf) is "wat was er dan vóór de Big Bang?", waar kwam die materie, kracht vandaan waaruit de Big Bang is ontstaan?
Zelfs de meest slimme wetenschapper heeft hier ook geen helder antwoordt op, wat aangeeft dat het heelal toch nog een hele onbekende 'wereld' voor ons is... Wat wel gezegd wordt (ik citeer Stephen Hawking) : wat er voor de oerknal was, hoeven wij niet te weten, omdat het niet relevant is voor ons heelal nu, het bevat geen informatie voor het onderzoek van ons heelal, dus zouden wij het eigenlijk maar gewoon moeten vergeten?
Voor gelovigen is dat voornamelijk het bewijs dat de wetenschap het fout heeft, en dat niemand, hoe slim ook, kan verklaren hoe uit niets 'iets' ontstaat. De gelovigen kunnen dat echter wel, op hun manier "dat was Gods wil, God is eeuwig".
Je kunt jezelf ook de vraag stellen, waar komt God dan vandaan?
Wetenschappers komen dan weer met de vragen, "bewijs maar eens dat God bestaat", en het is immers nog steeds zo dat dat niet wetenschappelijk te bewijzen is...
Maar dit zijn vragen zonder antwoord, niet voor gelovigen, en niet voor de 'echte' wetenschappers, en misschien voor meer mensen wel niet, Maar is hun antwoord HET antwoord .... ?
De Microkosmos
Terwijl men op aarde steeds beter 'naar binnen' kon kijken, door geavanceerdere middelen, d.w.z. sterkere microscopen, gevoeligere detectors etc. , kon men daarmee de kennis van het heelal ook uitbreiden.
Al in de 5de eeuw voor Christus werd het atoom ontdekt door de Griekse filosoof Demokritos, "na een bepaald aantal verdelingen is er uiteindelijk geen verdeling meer mogelijk. Wat er dan over is, is het atoom. Een atoom zweeft rond in een ruimte en vormt constant met andere atomen onze materie." Dat was de theorie van Demokritos op het vraagstuk waar de aarde uit bestond. Zijn theorie klopte natuurlijk niet met wat wij nu over atomen en dergelijke weten, maar het was wel slim bedacht, zeker voor in die tijd, Zij dachten dat alles op aarde bestond uit vier elementen namelijk aarde, water, lucht en vuur. Nu weten we dat er ongeveer 100 verschillende elementen bestaan, en een atoom een ondeelbaar iets aanvankelijk, wel degelijk deelbaar is.
Aan het eind van de 19de eeuw werd het atoommodel uitgebreid, allereerst werd het elektron ontdekt. Door het verschijnsel kathodestraling ontstond de theorie dat elektriciteit net als materie uit onzichtbare deeltjes zou moeten bestaan, Michael Faraday noemde elektrisch geladen atomen 'ionen', naar het Griekse woord voor 'gaan'. In kathodestraling zijn elektronen zichtbaar af te buigen door zowel een elektrisch als een magnetisch veld.
Het echte werk begon eigenlijk pas bij Rutherford. In 1911 deed hij experimenten waarbij bij ,ontdekte dat een atoom eigenlijk grotendeels lege ruimte was, hij kwam erachter dat een
atoom bestond uit een kleine kern in een relatief groot oppervlak. De kern noemde hij het proton, en de rest van het atoom zou bestaan uit een bepaald aantal 'schillen' waarin
elektronen hun banen af konden leggen, In 1920 kwam hij erachter dat er nog één deeltje miste. Hij dacht aanvankelijk dat dat een soort elektron moest zijn die niet alleen buiten de kern, maar ook in de ken van een atoom kon voorkomen. Dat deeltje zou dan samen met het proton een neutraal deeltje kunnen vormen, het zogeheten 'neutron'. Later bleek dat het neutron geen mengelmoesje was maar een op zichzelf staand neutraal deeltje. Men besefte nu ook dat de kern van een atoom alleen uit protonen en neutronen kon bestaan, elektronen komen niet voor in de kern.
Deze kleine deeltjes interesseerde de wetenschap enorm, steeds meer nieuwe deeltjes werden ontdekt en onderzocht, men kwam tot de ontdekking dat er ook 'antimaterie' bestond, door de ontdekking van het positron (de positieve tegenhanger van het elektron) in de kosmische straling (zie luier al de relatie tussen micro en makrokosmos).
Daarna werd het neutrino ontdekt, een ontzettend eigenaardig en vreemd deeltje waar hele boeken over geschreven zijn. Het minuscule deeltje heeft geen massa, is te klein om te meten, heeft geen elektrische lading, en wordt door geen enkele vorm van materie tegengehouden!
Het neutrino speelt een grote rol in het ontstaan van het heelal, zij dragen namelijk de zwakke wisselwerking met zich mee, die sommige kernen onstabiel weet te maken...
Aan het einde van de jaren zestig liepen natuurkundigen tegen een probleem op, eerst dacht men dat het atoom het allerkleinste, het meest elementaire deeltje was, terwijl er nu een overvloed van 'nieuwe' elementaire deeltjes was ontdekt, vele malen kleiner dan het atoom. Het probleem was, als er zoveel waren, dan zouden er nóg kleinere, elementairdere deeltjes moeten bestaan ...
En ja hoor, de Quarks werden ontdekt! Murray Gell-Man en de Israëlische natuurkundige Yuval Ne'eman ontdekten bijna gelijktijdig en toch onafhankelijk van elkaar een regelmaat in de +/- 30 bekende deeltjes, Ze konden verdeeld worden in families van 8 (soms 10), en pasten op die manier in bijzondere geometrische vormen. Het was aanvankelijk een puur theoretisch, wiskundig bedenksel, wat iets weg had van een soort subatomair periodiek systeem, omdat het overeenkomsten had met Mendelejevs beroemde elemententabel.
Het leuke was, zoals Mendelejev nieuwe elementen kon voorspellen met zijn systeem, voorspelde Gell-Mann ook het bestaan van een nieuw deeltje, het omega-min deeltje.
hij voorspelde de exacte eigenschappen ervan, en zowaar, in 1963 werd het omega-min deeltje waargenomen in een bellenvat in Brookhaven.
Gell-Mann bewees toen dat de families voortvloeide uit de manieren waarop drie basiscomponenten (deeltjes) gerangschikt zouden kunnen worden.
Die basiscomponenten noemde bij eerst 'quorks', en later quarks. Gebaseerd op de roman "Finnegans Wake" waarin het zinnetje 'three quarks for Muster Mark" stond.
De naam 'quark' heeft dus geen natuurkundige of wiskundige achtergrond, het is gewoon bedacht door een natuurkundige met een gevoel voor humor (ze schijnen te bestaan ... ).
Hij ontdekte drie verschillende soorten quarks, een 'up' quark, een 'down' quark en een vreemde quark. Een proton bijvoorbeeld, bestond uit twee 'up' quarks en één 'down' quark, wat ook meteen de positieve lading van het proton aangaf. (namelijk 2 x +2/3 + 1 x -1/3, maakt een positief getal) Het neutron daarentegen bestaat uit twee 'down' quarks en één 'up' quark, wat de neutrale lading van het neutron aangeeft. (want 2 x - 1/3 + 1 x +2/3, maakt nul, dus neutraal).
Maar hiermee was de ontwikkeling van de quarks nog niet voltooid, er bleken namelijk geen 3 maar wel 6 soorten quarks te bestaan, die samen met de bijbehorende leptonen (zie legenda) onder te verdelen zijn in drie families. Hiermee kunnen we zeggen dat alle materie die er bestaat, bestaat uit 6 quarks en 6 leptonen. Zij zijn de basis van alles wat is.
QUARKS LEPTONEN
up quark elektron
down quark elektron-neutrino
vreemde quark muon
tover quark muon-neutrino
bottom quark tau
top quark tau-neutrino
Dit zijn de drie families waaruit al onze materie bestaat. In principe hebben wij alleen maar te maken met de eerste familie. Want al onze aardse, alledaagse materie bestaat uit deze eerste familie. De vraag rijst vaak bij mensen als "bestaan er dan niet meer families, kunnen er niet nog meer ontdekt worden?" Het antwoord is dat dat erg onwaarschijnlijk zal zijn, omdat deze families alles verklaren op quantumgebied. De regelmaat is perfect, vergelijkbaar met het periodiek systeem van Mendelejev, dat nu ook nog gehanteerd wordt door haar ingenieuze symmetrieën.
De laatste twee duiken alleen op als er sprake is van uitzonderlijk hoge energieën, zoals kosmische straling, laboratoriumexperimenten, of bij de extreem hoge temperaturen van de eerste paar seconden na de Big Bang (bij zo'n 10 tot de 32ste graden dus!). Dat soort deeltjes noemt men ook wel 'exotische' deeltjes omdat ze zo zelden voorkomen. Ze noemen dan de eerste paar seconden na de Big Bang ook wel de 'quantumsoep' omdat er zoveel verschillende deeltjes door elkaar 'geroerd' werden.
Dit is een grove samenvatting van waar het in de 'quantumwereld' over gaat. Het is een vereiste om iets over quantumfoefjes te begrijpen om de oerknal (en de processen die daar bij hoorden) enigszins te kunnen bevatten
De Grote Unificatie
Het is niet alleen nodig om iets te begrijpen van de microkosmos, als je het ontstaan van het heelal wilt kunnen bevatten, maar ook van wisselwerkingen, Energie en materie staan heel dicht bij elkaar, filosofisch bedacht, zou je kunnen zeggen dat ze elkaar zelfs zijn. Energie kan materie worden, en materie kan energie worden. De relativiteitstheorie van Einstein is hier het bewijs van: hij zegt namelijk "energie is massa maal de lichtsnelheid in het kwadraat". Dus onder bepaalde omstandigheden kan massa (en dan worden hier deeltjes mee bedoeld, kleine, elementaire deeltjes) zich omvormen tot energie.
Al het leven, op aarde en ook in het heelal van nu, is onderhevig aan vier wisselwerkingen, om er drie samen te kunnen vatten, zijn er nog maar weinig gelukt (gedeeltelijk dan zelfs), men noemt dat 'de grote geünificeerde theorie'.
Om ze echter alle vier te kunnen omvatten in een 'theorie van alles' (zoals dat genoemd wordt) is een nog moeilijkere opgave, voornamelijk omdat 'nummer vier', de zwaartekracht, niet direct een wisselwerking is. Einstein beschreef de zwaartekracht (anders dan Newton) niet als een wisselwerking maar als een geometrische eigenschap van de ruimte, veroorzaakt door de materie erin. In de buurt van zware voorwerpen wordt de ruimte gekromd, hij heeft deze theorie ook met succes kunnen bewijzen.
Het was Einsteins grootste droom om alle wisselwerkingen inclusief de zwaartekracht te kunnen verzoenen, misschien had hij verder gekomen als hij de quantummechanica (die zich in zijn tijd al ontwikkelde) had aangenomen en bestudeerd, maar hij had een hekel aan quantummechanica en negeerde haar bewust.
De drie wisselwerkingen (elektromagnetisme, zwakke en sterke wisselwerking) zijn onder te brengen in de quantummechanica, alleen de zwaartekracht niet. Tot dusver blijkt het idee van één wisselwerking inderdaad (nog) een droom te zijn, en wij beschikken over te weinig middelen om dit goed uit te kunnen zoeken. De energieniveaus van deze unificaties liggen buiten het bereik van onze laboratoria, de hoop is nu gevestigd op de astrofysica, de oplossing wordt gezocht in outher space....
Dit is van belang voor het ontstaan van het heelal, omdat men ervan uit gaat, dat voor de oerknal, alle wisselwerkingen verenigd waren, in één wisselwerking dus! De oerknal werd veroorzaakt door het feit dat de zwaartekracht zich als eerste van het geheel afscheidde. Door de 'theorie van alles' kunnen wij misschien bevatten wat er zich vóór de oerknal heeft afgespeeld ...
ALLES
EZ= zwaartekracht
S= sterke wisselwerking
ZW= zwakke wisselwerking
E= elektromagnetisme
De Wisselwerkingen
De zwaartekracht:
Alle deeltjes hebben massa, en zijn daarmee onderhevig aan de zwaartekracht. Zelfs deeltjes zonder rustmassa, die als het ware ‘gewichtloos’ zijn, zoals het foton, is onderhevig aan de zwaartekracht. Dit omdat het deeltje dan wel geen massa, maar wel energie bezit. En massa en energie zijn equivalent, dus kan de energie van het foton ook als massa gezien worden. Het krachtvoerend deeltje van de zwaartekracht is het graviton, een compleet theoretisch deeltje, want het bestaat in principe niet, het is alleen om het beestje een naam te geven. De zwaartekracht werkt op een ‘oneindig’ groot niveau, het houd ons zonnestelsel bijeen, door de zwaartekracht kan zelfs licht van sterren worden afgebogen.
Het elektromagnetisme:
Alle deeltjes met een elektrische lading zijn onderhevig aan het elektromagnetisme. In de 19de eeuw werd door Maxwell de theorie ontwikkeld waarin de elektrische en de magnetische wisselwerking geünificeerd worden. Deze wisselwerking is onder andere verantwoordelijk voor de creatie en annihilatie (vernietiging) van deeltjes, en het houdt het atoom bijeen. Het zorgt ervoor als een atoom vervormd is, dat het weer terug in zijn oorspronkelijke vorm komt.
Het elektromagnetisme werkt dus op atomair niveau.
De zwakke wisselwerking:
De zwakke wisselwerking speelt zich in het atoom af. Het zorgt onder meer voor het beta-verval, waarbij een neutron in een proton verandert onder uitzending van een elektron en een anti-e-neutrino. Alle processen waarbij quarks en leptonen veranderen zijn het gevolg van de zwakke wisselwerking. Ook zorgt deze wisselwerking voor de verstrooiing van deeltjes die niet gevoelig zijn voor de sterke wisselwerking of het elektromagnetisme, zoals bijvoorbeeld de verstrooiing van neutrino’s aan elektronen.
De sterke wisselwerking:
De sterke wisselwerking werkt binnenin de atoomkern, het werkt tussen quarks en het deeltje dat quarks met hun antiquark en andere quarks verbind, namelijk het gluon. De sterke wisselwerking zorgt ervoor dat het proton en neutron ‘stabiel’ blijven. Op korte afstand is deze wisselwerking ook sterker dan het elektromagnetisme en dus is de sterke wisselwerking ervoor verantwoordelijk dat de atoomkern bijeen blijft. De wisselwerking tussen quarks wordt de quantumchromodynamica genoemd. Het gluon, wat de quarks verbind, heeft een theoretische kleurkracht toegekend gekregen. Het is te vergelijken met een simpel elastiekje: in ontspannen toestand (kort dus) kunnen de quarks vrijuit bewegen, hoe meer spanning er op het elastiekje of gluon staat, hoe minder vrijheid de quarks hebben.
Dit zijn de vier fùndamentele wisselwerkingen. Een leven zonder ook maar één van hen is onmogelijk.
De Oerknal Van Stap Tot Stap
De hoeveelheid achtergrondstraling (gammastraling) in het heelal is een van de vele bewijzen voor 'de oerknal', de warmte van de oerknal 'hangt' bij wijze van spreken nog rond in het heelal. Maar het vreemde, bizarre haast, is het feit dat overal, in het hele heelal, de achtergrondstraling zo goed als gelijk is (met uitzondering van zwarte
gaten ... ).
Er valt dus niet vast te stellen waar de oerknal plaats heeft gevonden, er is geen plaats in het heelal die heter is dan de rest, astronomen liepen met hun handen in het haar...
Maar in 1979 was er dan eindelijk een uitweg, de jonge Amerikaanse deeltjesfysicus Alan Guth, kwam met een ingenieus idee. hij beweerde dat het jonge heelal een aantal fase overgangen doorgemaakt heeft moeten hebben. Zo'n fase overgang kun je goed begrijpen als je je voorstelt dat damp over kan gaan in water, en water weer in ijs. Bij een fase overgang verandert het patroon van de materie.
Fase overgangen verlopen normaal gesproken heel snel, maar dat hoeft niet per se, als je water héél langzaam afkoelt, bevriest het pas ver onder haar normale vriespunt! Guth beweerde dat het heelal een soortgelijke traagheid had ondervonden, tijdens de oerknal.
Bij 10 tot de -43ste seconde vanaf het begin van de oerknal scheidde de zwaartekracht zich af, de fase overgangen begonnen ook plaats te vinden. Na 10 tot de -35ste seconde was het heelalletje ‘afgekoeld’ tot 10 tot de 17de graden.
Nu had de sterke (nucleaire) wisselwerking zich moeten loskoppelen/uitkristalliseren van de andere wisselwerking die nog geünificeerd waren, maar dat gebeurde niet volledig. Een deel van het heelal maakt een (‘trage’) fase overgang door.
In die minieme fractie van een seconde gebeurde er een hele hoop...
Een kleine quantumbel (het beste is een quantumbel voor te stellen als een exotisch mini-atoom, zonder kern) ontsnapte naar het omringende vacuüm, deze bel dijde
uit, vormde haar eigen ruimte met een eigen energiedichtheid, om de overweldigende energie van de oerknal af te kunnen schudden. Dit belletje dijde sneller uit dan al het andere in het ultrajonge heelal, sneller zelfs dan het licht.
Guth noemde dit 'inflatie'. De bel dijde uit met een factor van 10 tot de 50ste, en verdubbelde haar doorsnede elke 10 tot de -34 seconde (een miljoenste deel van de tijd die het licht nodig heeft om een quark te passeren!). Het minuscule onzichtbare belletje werd verreweg het allergrootste wat er bestond. Zo groot als een tennisbal ongeveer.
Maar toen was het gedaan met de pret. De fase overgang begon zich haar originele taak te 'herinneren'. De sterke wisselwerking kristalliseerde zich uit, de bel stopte met uitdijen, en voerde haar verworven energie af. Hierdoor werd het heelal verhit tot 10 tot de 27ste graden, wat dé kans aangaf om nieuwe deeltjes te laten ontstaan.
Dit verklaarde meteen alles van de achtergrondstraling, het zichtbare heelal ontwikkelde zich uit een klein stuk ruimte waar alle energie uniform verdeeld was. Alle delen van deze minuscule 'hemel' lagen even binnen lichtbereik, totdat ze ontzettend ver uit elkaar werden geblazen ...
Bij 10 tot de -43ste seconde scheidde de zwaartekracht zich dus af, bij een temperatuur van 10 tot de 32ste graden was ons heelal een 'puntje met een doorsnede van 10 tot de -32ste cm.
Het bevatte een exotisch (d.w.z. dingen die niet standaard voorkomen) mengseltje van deeltjes en antideeltjes die geschapen werden en ook weer vernietigd. Het heelal had toen een absurd grote dichtheid, het was minuscuul klein, maar vreselijk zwaar. Toen de zwaartekracht zich afscheidde dijde het heelal dan ook met een zeer grote snelheid uit, en koelde daarmee ook snel af. Toen begon de inflatie met de quantumbel.
Bij 10 tot de -32ste seconde hield de inflatie het voor gezien, de veel langzamere, maar nog steeds machtige expansie van de oerknal nam de touwtjes weer in handen.
Er bestonden op dat moment twee soorten deeltjes, de quarks, die de sterke wisselwerking ondergingen, en de leptonen die de (toen nog geünificeerde) elektrozwakke wisselwerking ondergingen.
Bij 10 tot de - 11 de seconde daalde de temperatuur in het kersverse heelal tot een nieuw vriespunt, 10 tot de 15de graden. Hierdoor krijgt de elektrozwakke wisselwerking ook de kans zichzelf op te splitsen, namelijk in de zwakke wisselwerking en het elektromagnetisme.
Tijdens dit proces wordt ook de symmetrie verbroken. De dragers van de zwakke wisselwerking (het zogeheten W en Z deeltje) namelijk bezitten massa, ze zijn zwaar. De dragers van het elektromagnetisme echter, het foton, heeft geen massa. De symmetrie tussen deze twee deeltjes wordt verbroken omdat de zwakke wisselwerking onderhevig is aan haar omgeving. De W en Z deeltjes onttrekken energie aan hun omgeving (aan het 'Higgs' veld) om te kunnen bewegen, met het nadeel dat ze hiervoor terug een massa krijgen. Het foton heeft hier geen problemen mee, het kan zonder massa bewegen.
Nu koelt het heelal verder af tot 10 tot de 13de graden. Er is niet meer genoeg energie om quarks spontaan te laten ontstaan. Het begint er zelfs naar uit te zien dat de quarks en antiquarks elkaar compleet gaan uitroeien (binnen een kwartiertje hadden ze elkaar allemaal uitgeroeid kunnen hebben!). Maar gelukkig, bij een heelal van 10 tot de -4d' seconde oud, is de temperatuur dermate afgekoeld, dat de quarks die nog over zijn, zich tot protonen en neutronen gaan combineren.
Op de jubileumleeftijd van 1 seconde oud, vind er een grote neutrino-ontsnapping plaats. De zwakke wisselwerking was niet meer 'sterk' genoeg, had niet meer genoeg energie, om de neutrino's onder controle te houden. Neutrino's hadden de verantwoordelijkheid om van protonen, neutronen te maken. Als er veel soorten neutrino's geweest zouden zijn (er zijn er drie) zouden alle vrije protonen in het heelal omgezet worden in neutronen. Door de invloed van de zwakke wisselwerking werden de neutrino's gedwongen tot interactie met andere deeltjes, door de zwakke wisselwerking werden van protonen neutronen gemaakt. Bij de ontsnapping van de neutrino's werd hier een einde aan gemaakt.
De neutrino's die voortkwamen uit de oerknal zwerven nu nog door het heelal heen, er schijnen zich wel 100 neutrino's op iedere vierkante centimeter heelal te bevinden.
Het is wel opmerkelijk dat deze neutrino's veel moeilijker te traceren zijn dan bijvoorbeeld neutrino's die rechtstreeks van onze zon afkomen. Ze hebben zo weinig energie dat ze ongemerkt langs de gevoeligste detectors 'vliegen'.
Mocht het neutrino toch een massa hebben (men denkt van niet) kan het een verklaring zijn voor (een deel van) de ontbrekende materie in het heelal.
Het is niet onwaarschijnlijk, want deze 'neutrino-achtergrond' van het heelal, is analoog aan de achtergrondstraling van 2,7 Kelvin, die uit fotonen (lichtdeeltjes/golfjes) bestaat die ongeveer tegelijkertijd met de neutrino's zijn ontstaan. De neutrino-achtergrond heeft echter een temperatuur (naar verwachting) van 1,9 Kelvin. Dit is heel goed te verklaren door het feit dat de neutrino's eerder 'zelfstandig' zijn geworden dan de fotonen, en dus gewoonweg meer tijd hebben gehad om af te koelen.
De Eerste Elementen
Als er meer soorten neutrino's hadden bestaan, dan had het heelal na de oerknal uit puur heliuni-4 bestaan. Dit omdat een helium-4kern uit twee neutronen en twee protonen bestaat. Maar er waren niet genoeg soorten neutrino's om dit te kunnen realiseren, de neutronen waren in de minderheid.
Na de ontsnapping van de neutrino's werden de nieuwe groeifasen van het heelal gekenmerkt door kernfusieprocessen. Allereerst verbonden protonen en neutronen zich tot zware waterstofkernen, deuterium (een proton en een neutron), deze zware kernen pikten neutronen op en vormden daardoor nóg zwaardere waterstofkernen, tritium (een proton en twee neutronen). Uit tritium vormde zich dan het helium, de kernen pikten namelijk weer neutronen op en werden helium. Ondertussen ontstonden ook lithium (het derde element in het periodiek systeem), en helium-3 (twee protonen en een neutron).
De neutronen zwierven vrolijk door het heelal heen, maar een neutron is eigenlijk alleen stabiel wanneer het onderdeel uitmaakt van een atoomkern (als het verbonden is aan een proton). Dus terwijl het heelal druk bezig was met elementen te vormen, bleek al snel dat er veel minder neutronen waren dan protonen.
Uiteindelijk, toen de vrije neutronen 'op' waren, waren er nog 12 ongebonden protonen over pér gevormde heliumkern. Dat werden de kernen van de waterstofatomen. En aangezien een heliumkern vier keer zo zwaar is als een waterstofkern (l: 4 => 4+12=16 => 4/16= 1/4, 12/16= 3/4), bestond het heelal voor ongeveer een kwart uit helium-4, en voor drie kwart uit waterstof.
Pas na ongeveer 300 000 jaar na de oerknal was de temperatuur in het heelal zo ver gedaald dat zich neutrale atomen konden vormen: de elektronen zweefden niet langer vrolijk en blij door het heelal maar plakten aan de atoomkernen. Het uitdijende heelal was op dat moment in feite een gigantische, hete expanderende wolk van waterstof en helium.
Het zou een heel boek op zich kunnen zijn over wat er nu nog allemaal in het heelal zou gebeuren, want de ontwikkeling van het heelal houd hier natuurlijk niet op. Toch ga ik mij nu niet verder specificeren over de chronologische volgorde van processen in het heelal. Ik ga nu verder op een onderwerp wat dichter bij de mens zelf staat, waar wij absoluut niet om heen kunnen, hoe sterren ontstaan uit de ‘nakomelingen’ van die gigantische, hete expanderende wolk van gas.
Wat er nu nog gebeurde in het heelal is veel, maar het is een onderwerp op zich, dus zullen we nu gewoon simpelweg zeggen dat het heelal bleef uitdijen en afkoelen. De wolk van waterstof en helium werd dunner en meer verdeeld over het heelal.
Het Ontstaan Van Sterren
In het heelal bevinden zich verdichtingen van waterstofmolekulen en molekulen van andere elementen. Door de zwaartekracht trekken zij elkaar aan en vormen als het ware een gigantische wolk van waterstofgas en ander soort stoffen. Zulke wolken kun je zelfs zien met een goede telescoop, je ziet dan heel veel sterren met daartussen een (of meer) donkere vlekken. Dat is dus een ster ‘in wording’, een gaswolk die het licht van andere sterren niet doorlaat.
Om te beginnen met de samentrekking van de wolk is een ‘verstoring’ van buitenaf nodig. Die verstoring kan veroorzaakt worden door de zwaartekrachtaantrekking van een passerende ster, dichtheidsgolven die door het vlak van een sterrenstelsel spiraliseren, of de schokgolf van een naburig supernova.
Als de wolk aan het ineenstorten is, valt zij uit elkaar in meerdere kleine klontjes, omdat er binnenin de wolk kleine opeenhopingen stof en gas zijn. Deze opeenhopingen zijn dichter dan de rest van de wolk en hebben dus ook een sterkere zwaartekrachtaantrekking. Ze trekken hierdoor meer gas en stof aan. Wanneer zo’n klontje groeit, stijgen zijn druk en temperatuur. Als het een temperatuur heeft bereikt van ongeveer 10 000 000 Kelvin, zullen er kernreacties beginnen en is de ster geboren.
De wolk stof (en kleine klontjes) wentelt nu rond de inkrimpende centrale ster. De rotatie van de wolk verhinderd hem naar binnen te vallen, en de wolk vormt zichzelf tot een afgeplatte schijf. Tijdens het afkoelen van deze schijf, zal de materie in de wolk gaan klonteren. De jonge ster kan hier heftig op reageren en een sterke sterrenwind uitzenden. Als de klompjes materie echter groot genoeg zijn om niet te worden weggeblazen zullen het misschien planeten worden.
Een ster zet gedurende bijna heel haar leven waterstof om in helium, binnen in de kern van de ster vind kernfusie plaats. Iets wat in de normale natuur niet zo één, twee drie zal gebeuren, maar onder de extreme omstandigheden binnenin een sterkern, kan kernfusie goed plaatsvinden.
Vóór en ná de fusie van twee lichte kernen is het aantal nucleonen (kerndeeltjes, dus protonen en neutronen) gelijk, maar de bindingsenergie per nucleon na de fusie is kleiner. Er komt bij kernfusie dus bindingsenergie vrij, die hoeveelheid is te berekenen met de formule van Einstein E = mc². Hierin is ‘delta m’ het bij de kernfusie optredende ‘massadefect’, protonen en neutronen zijn ook verschillend in gewicht namelijk (dit gebeurt allemaal onder invloed van de zwakke wisselwerking).
Het leven van een ster is dus ontzettend boeiend. Wetenschappers praten dan ook over de ‘geboorte’ van een ster, en niet ‘het ontstaan van...’, maar ja, sterren zijn dan ook erg belangrijk. Zeker voor ons, want zonder onze ster ‘de zon’ zouden wij nu niet leven...
De Diversiteit Tussen Sterren
Als je in (populair) wetenschappelijke boeken leest over sterren, denk je dat je in een sprookje bent beland. Allerlei kleuren en benamingen als ‘reuzen’ en ‘dwergen’ komen voorbij. Dit heeft natuurlijk alles te maken met de temperatuur, grootte en het dichtheid van de desbetreffende ster. Voor sterren gelden allerlei wetmatigheden en regels, maar lang niet iedere ster heeft dezelfde regels.
In 1913 werd door dhr. Russell de kennis over alle sterren waarvan de stralingsintensiteit en de afstand (d.w.z. de lichtsterkte) bekend was, samengevat in een diagram. Het Hertzsprung-Russell diagram, of afgekort, het HRD. Dit diagram zat behoorlijk ingenieus in elkaar, het wordt nog steeds gebruikt om sterren als het ware te ‘sorteren’. De plaats van een ster in het diagram geeft namelijk aan wat voor soort ster het is.
Ongeveer bovenin het HRD bevinden zich de superreuzen of de blauwe superreuzen. Zij hebben een grote lichtsterkte, een hoge tot zeer hoge oppervlaktetemperatuur en een grote afmeting.
Onze zon behoort op dit moment tot de hoofdreeks, in het HRD staat hij natuurlijk precies op lichtsterkte 1, ook de Wega en de Sirius A (Sirius B is een witte dwerg) behoren tot deze hoofdreeks. Enkele rode reuzen zijn: Aldebaran, Arcturus en Capella. Bekende superreuzen zijn Betelgeuze, Antares en Rigel.
Omdat sterren hun bijna hun hele leven besteden aan het omzetten van waterstof in helium, staan ze bijna heel hun leven (tje) in de hoofdreeks van het HRD. Russell veronderstelt dat het HRD de levensloop van een ster weergeeft. Een ster wordt dus rechtsonderin het diagram ‘geboren’ als een relatief koud en dof sterretje. Naarmate er meer waterstof in helium wordt omgezet, zal de ster heter en stralender worden. Het hangt dus alleen van de grootte van de ster af, waar en hoe deze ster de hoofdreeks gaat verlaten. De sterren die zich niet in de hoofdreeks bevinden zijn stervende, of zijn net geboren.
Het Stervensproces Van Sterren
Sterren ontstaan allemaal op dezelfde manier, maar gaan op heel verschillende manieren dood, eigenlijk net als mensen dus.
Zoals in het begin al gezegd: “klein is fijn, maar groot gaat snel dood”. Kleine een grote sterren hebben ieder hun eigen fascinerende manier van sterven.
Omdat een ster gedurende heel zijn leven waterstof omzet in helium, is het logisch dat een grote ster veel meer waterstof omzet dan een kleine ster. De grote ster is daarom veel sneller door zijn ‘voorraadje’ heen, en begint dus veel sneller aan het stervensproces.
Het sterven van een kleine ster verloopt dus altijd rustig, en duurt heel lang. Een kleine ster verandert meteen in een witte dwerg. Wanneer in een ster met weinig massa alle kernbrandstof in het centrum van de ster is opgebruikt, zal de sterkern ineenstorten totdat er zogeheten ‘degeneratie’ van de elektronen optreedt. De krachten tussen de elektronen onderling zijn dan zo groot dat verdere ineenstorting verhinderd wordt.
Deze toestand treedt alleen op als de druk heel erg groot is. De materie van de sterkern heeft dan ook een veel grotere dichtheid dan de gewone stermaterie. Doordat alle atomen in de ster zo tegen elkaar geperst worden, is het goed voor te stellen dat een stukje ‘witte dwerg’ materie ontzettend zwaar zal zijn. Om precies te zijn: een luciferdoosje met dit soort materie zal ongeveer 15 000 kilo wegen. Het gewicht van 15 auto’s!
Het is echter niet zo dat alleen kleine sterren in witte dwergen kunnen veranderen, onze zon zal naar alle waarschijnlijkheid ook uiteindelijk een witte dwerg worden. Onze zon, een middelgrote ster, zal eerst veranderen in een rode reus (over zo’n vijf miljard jaar zal onze zon de aarde totaal verbranden, als hij sterft, zet hij namelijk ontzettend uit).
Een rode reus ontstaat wanneer een ster alle waterstof in de kern heeft omgezet tot helium. De ster gaat dan op zoek naar meer waterstof om te kunnen omzetten, en gaat de waterstof in haar schil verbranden. Doordat het verbrandingsproces dan minder centraal is, meer buiten de kern wordt gebracht, zet de ster uit tot een indrukwekkende rode reus. Een ster als onze zon zal niet verder komen dan een rode reus, grotere, zwaardere sterren kunnen echter nog veel indrukwekkendere stadia in het stervensproces bereiken, compleet van neutronensterren tot zwarte gaten. De zon zal na het ‘rode reus’ zijn, ineenstorten tot een witte dwerg, en dat zal zijn einde zijn, na enige tijd (op kosmisch niveau gezien...) zal ook de witte dwerg vervagen.
Sterren groter dan de zon zullen als rode reus het wat langer kunnen volhouden. De kern van de ster zal wel ineenstorten, net zoals wat bij de zon zal gebeuren in zijn transformatie naar witte dwerg, maar op een gegeven moment zijn de druk en de temperatuur zo hoog dat de kernfusie van het helium op gang wordt gebracht. Bij een temperatuur van 6 à 7 keer 10 tot de 8ste Kelvin, wordt de koolstoffusie op gang gebracht. Tijdens dit proces kan de temperatuur zelfs oplopen tot 10 tot de 9de Kelvin. Het gas neon, fuseert hierbij tot nog zwaardere elementen. Het zwaarste element dat met kernfusie gevormd kan worden is ijzer. Om andere, zwaardere elementen te kunnen vormen, is juist energie nodig, in plaats van dat het dat levert. Bij kernfusie gaat het om de energie die geleverd wordt.
Een superreus zal door zijn grote massa verder ineen kunnen storten dan een witte dwerg. De ster wordt eerst een rode reus, in zijn kern vind er al koolstoffusie plaats, terwijl er in de schil nog waterstof wordt omgezet in helium. Als de kern van de ster voor een groot deel uit ijzer bestaat, stopt de kernfusie en krijgt de zwaartekracht vrij spel, de ster stort ineen. Door dit abrupte verschil in zwaartekracht neemt de vrijkomende energie explosief toe. De temperatuur en daarmee de lichtsterkte loopt in een paar dagen tijd zeer hoog op. Er is dan sprake van een supernova, een opeens opvlammende ‘nieuwe’ ster. Er zijn nog helemaal niet zoveel supernovae waargenomen. De bekendste is de supernova SN 1987A, maar ook in het jaar 1054 was er waarschijnlijk een supernova explosie (dat blijkt uit waarnemingen van Chinese astronomen), de restanten ervan worden nu de Krabnevel genoemd. Maar supernovae blijven niet lang supernovae... ze gaan verder dan de witte dwergen. Door het grote gewicht van de ineenstortende materie kan de degeneratiedruk van de elektronen overwonnen worden en gaat de ster verder met ineenstorten.
Vervolgens zullen de neutronen gedegenereerd worden en zal de degeneratiedruk van de neutronen de ineenstorting van de ster tot stand brengen. Een ster die dit stadium heeft bereikt wordt een neutronenster genoemd. Een luciferdoosje met ‘neutronenstermaterie’ zal zo ongeveer 15 x 10¹¹ kg wegen. Het gewicht van anderhalf miljoen miljoen auto’s. Kortom, de ster heeft een dichtheid van 10 tot de 18de kg/m³. Mits de ster niet bijzonder groot is koelt de neutronenster geleidelijk af, verdwijnt langzaam in het niets.
Als de ster nu zo groot en zwaar was, is het mogelijk dat hij zelfs de degeneratiedruk van de neutronen kan overwinnen, en dan is er werkelijk niets meer dat de sterkern nog voor verdere ineenstorting behoed. De ster zal steeds verder inkrimpen en steeds dichter worden totdat het een zwart gat is, en dus zo’n gigantisch sterk zwaartekrachtveld heeft dat zelfs het licht, de fotonen, er niet meer uit kunnen ontsnappen.
Het Einde Van Het Heelal ?
Hoe het heelal, en of het heelal aan haar einde komt, is nog lang niet zeker. We weten nog niet eens zeker hoe het heelal is ontstaan, laat staan hoe het aan haar einde komt. Er zijn wetenschappers die beweren dat ze resten van sterren hebben gevonden op een afstand van meer dan 13 miljard lichtjaar, of resten die ouder zijn dan 13 miljard jaar. Want aanvankelijk werd berekent dat ons heelal zo’n 12 à 13 miljard jaartjes telt. Hoe zou men zoiets kunnen vinden als het heelal toen pas is ontstaan, dat maakt een van beide theorieën dus onmogelijk. Vreemd genoeg wordt nu steeds gezegd dat het heelal geen 12 à 13 miljard jaar oud is, maar 15 miljard jaar. Je kunt jezelf afvragen of dat verschuiven van het probleem of oplossen van het probleem is geweest. Het zou goed mogelijk zijn dat ons heelal misschien uit een veel groter heelal, of uit iets anders is ontstaan wat geen invloed op de ontwikkeling van ons heelal had, maar het nu misschien begint te krijgen.
Zo zijn er vele theorieën over het ontstaan van het heelal, maar het zal nog wel een tijdje bij hersenspinsels blijven, want de mens van nu beschikt (nog) niet over de middelen om te bewijzen wat er gebeurde voor de oerknal.
Wat men wel weet is dat het heelal drie, eigenlijk twee, mogelijkheden heeft om door te gaan of aan haar einde te komen.
Het is het makkelijkst uit te leggen door een simpel voorbeeld.
Het heelal maakte bij haar ontstaan een sprong, in een bepaalde zin, dat het heelal vanuit energie zichzelf uitbreidde (in ‘menselijke’ termen betekend een sprong ‘verplaatsen’). Stel je voor dat je als mens op de aard staat, en je bent benieuwd hoe hoog je kunt springen, en hoe hard. Als je niet hoog genoeg, of met een te kleine snelheid/kracht springt, kom je weer naar beneden. We denken hierbij wel in ‘een ruimte’ zonder wrijving.
Zo is het ook in ons heelal, als ons heelal haar eigen materie niet te baas kan, zal ons heelal eindigen in wat de ‘Big Crunch’ wordt genoemd. De onderlinge zwaartekracht van de materie in ons heelal remt de expansie van het heelal af. Boven een bepaalde waarde van dichtheid zal de expansie tot stilstand komen en zal het heelal zich beginnen samen te trekken.
Die bepaalde waarde wordt de kritische dichtheid genoemd, met een berekende waarde van 5 x 10 tot de -27ste kg/m³. Astronomen van nu komen uit op een geschatte dichtheid die iets kleiner is dan de kritische dichtheid. Dat zou er op wijzen dat ons heelal altijd blijft uitdijen.
Toch is die geschatte waarde allesbehalve betrouwbaar, sommige dingen kunnen niet gemeten worden, zoals zwarte gaten en donkere materie. Van het neutrino is ook nog altijd niet bekend of zij nu wel of geen massa heeft. Dat zijn waarschijnlijk grote hoeveelheden materie die niet in de schatting zijn opgenomen. Het is dus onzeker hoe ons heelal aan haar einde komt, en of het aan haar einde komt.
Of het heelal blijft eeuwig uitdijen (wat geen leven meer mogelijk zou maken, het heelal wordt dan veel te koud), of we blijven eeuwig op de kritische dichtheid zitten of het heelal stopt op een dag (kosmische dag...) met expanderen en gaat zich samentrekken, imploderen
Nawoord
Dit werkstuk is allesbehalve volgens de regeltjes gegaan. In de 11de klas had het ingeleverd moeten worden, ongeveer eind april. Nu is het een half jaar later.
Doordat een half jaar geleden mijn privéleven nogal op zijn kop stond, ben ik niet in staat geweest mijn werkstuk te maken, laat staan op tijd in te leveren.
In de zomervakantie ben ik echt begonnen met lezen, lezen en nog eens lezen, daarvoor had ik me al wel georiënteerd op het onderwerp, en wist er wel het een en ander vanaf, maar nog lang niet genoeg.
Al snel botste ik op een hoop hindernissen. Ik kon niet zomaar opzoeken wat er tijdens de oerknal gebeurde, want daar begreep ik helemaal niets van. Het was dus nodig voor mij om eerst de basisbegrippen van de quantummechanica, en van fundamentele wisselwerkingen te begrijpen. Ik heb veel gehad aan boeken die zowel de micro als de makrokosmos beschreven, omdat je het verband dan goed ziet tussen die twee.
Ik heb de meeste tijd besteed aan het begrip. De boeken en informatie over de geschiedenis van het heelal zijn niet bepaald ontspannend om te lezen, maar wel erg boeiend. Toch is het met zulke ‘zware’ kost moeilijk om steeds je concentratie vast te houden, want het is vreselijk als je iets maar niet kunt bevatten. Aan de andere kant geeft het een ontzettende kick, als je werkelijk begrijpt dat alles wat bestaat opgebouwd is uit 6 quarks en 6 leptonen (als voorbeeld). Je bekijkt de wereld en het heelal dan toch met andere ogen.
Dit werkstuk heeft mij ontzettend veel plezier gegeven, doordat ik zelf veel voldoening kreeg van de inzichten die ik opdeed. Je voelt je dan toch een echt zelfstandig denkend mens, ook al ben je geen Einstein, Rutherford of Keppler. De fascinatie als je naar de gigantische lichamen in het heelal kijkt, kan iedereen voelen, daarvoor hoef je geen genie te zijn.
Toch heeft het ook een hoop frustraties opgeleverd. Ten eerste omdat ik het niet op tijd af kreeg, wat toch een ongewenste druk op je zet. En zoals eerder gezegd, als het je maar niét lukt om een onderwerp te begrijpen, en je je blind staart op details, niet in staat om de rode draad te zien.
Ook werkte mijn gezondheid niet helemaal mee, en daarmee ook mijn computer omdat ik met een versuft hoofd vol verkoudheid per ongeluk heel mijn werkstuk had gewist. Gelukkig had ik ongeveer 2/3 van het geheel al uitgeprint en was iemand zo vriendelijk om dat even voor mij in te scannen.
Ik heb ontzettend veel geleerd van dit werkstuk. Niet alleen over het onderwerp, maar ook over mezelf, hoe mijn concentratievermogen werkt, wat ik aan informatie kan verwerken, en wat ik kan bevatten, en wat niet meer.
Ik heb enigszins geprobeerd mijn werkstuk zo begrijpelijk mogelijk te maken, maar dat is helaas niet goed genoeg gelukt. Bij het doorlezen van het werkstuk vond ik het zelf begrijpelijk en overzichtelijk, maar als een van mijn klasgenootjes het zou lezen, zou nog extra uitleg nodig zijn op sommige gebieden, denk ik. Het is moeilijk om bij dit onderwerp het jargon van de wetenschappers buiten je te laten. Ik heb mijn best gedaan.
Literatuuropgave
Het onbegrensde universum
‘de micro en makrokosmos in beeld gebracht’
door: Gordon Fraser, Egil Lillestøl, Inge Sellevåg
Klein en Groot
‘de wonderlijke relatie tussen micro en makrokosmos’
door: Govert Schilling
De oerknal
‘feiten en hypothesen over de oerknaltheorie’
door: Dr. Norbert Pailer
Het heelal onthuld
door: Pam Spence
Het ongrijpbare neutrino
‘een subatomair detectiveverhaal’
door: Nickolas Solomey
Interactie
‘fysica in thema’s’ deel 6vwo
door: de PLON-vereniging
Andere bronnen zijn:
Discovery channel
websites van de NASA
websites van Stephen Hawking
REACTIES
1 seconde geleden
B.
B.
Ik ben een website aan het maken over het heelal en daarvoor zou ik graag per e-mail toestemming willen hebben om gebruik te maken van het verslag dat op scholieren.com staat
24 jaar geleden
AntwoordenY.
Y.
Weet je nog sites waar ik nog informatie kan vinden over het ontstaan. en als het kan ook kennis maken.
22 jaar geleden
AntwoordenS.
S.
Heej, ff vraagje, wat voor cijfer had mevrouw voor dit prachtige werkstuk, we zijn trots op je
erruggg handig
wij wachten met smart op een antwoordje
byebye
21 jaar geleden
AntwoordenR.
R.
whoo ik ben altijd al geintereseerd geweest in het heelal en jij had net die informatie die ik wou weten. echt mooi en groot werkstuk
groetjes Roald
20 jaar geleden
Antwoorden