Tijdens het 1e Science Café in Ede gaf Prof Henny J.G.L.M. Lamers, emeritus hoogleraar astronomie en ruimteonderzoek aan de universiteiten van Utrecht en Amsterdam een boeiende lezing over een aantal astronomische verschijnsel.
Laten we eens samen afdalen naar het rijk van de atomen. Hebben we er wel enig idee van hoe groot een atoom eigenlijk wel is? Laten we even een vergelijking maken. Er zijn ongeveer 100 miljard sterren in ons melkwegstelsel. En men raamt het aantal sterrenstelsels in het heelal eveneens van de orde van 100 miljard. Dus is het totaal aantal sterren van de grootteorde van een getal met 22 nullen. Maar dit getal is nog steeds kleiner dan het getal van Avogadro met 23 nullen. Dat betekent dat bijvoorbeeld 1 gram silicium meer atomen bevat dan er sterren zijn in het heelal.
En dus kan het afdalen in die wereld even boeiend zijn als de exploratie naar de uiteinden van het universum.
Reeds in 1959 gaf de latere Nobelprijswinnaar en visionair Richard Feynman een zeer opmerkelijke lezing onder de titel: “There's Plenty of Room at the Bottom”. An Invitation to Enter a New Field of Physics
“Wanneer we die zeer kleine wereld betreden dan merken we plots dat de atomen zich niet meer gedragen volgens de klassieke wetmatigheden van onze dagelijks wereld. Ze volgen de wetten van de kwantumechanika. En nieuwe wetten geven ook mogelijkheden om nieuwe dingen te maken…Ik durf zelfs de vraag stellen of we ooit atomen één voor één zouden kunnen stapelen op de plaats waar wij hetzelf willen..”.
Feynman heeft het niet meer mogen meemaken. Maar de dag van vandaag is zijn droom werkelijkheid geworden. Met moderne elektronenmicroskopen slaagt men er in individuele atomen zichtbaar te maken, een prestatie die vergelijkbaar is met het waarnemen van pingpongballetjes op het maanopervlak. Sterker nog, men slaagt er zelfs in individuele atomen te verplaatsen en daarmee nieuwe strukturen te maken met nieuwe eigenschappen. Dus als het ware opbouwen van onderuit. Dat is het terrein van de nanotechnologie.
In de lezing gaan we samen dat onbekend terrein verkennen. En de kwantumechanika is daarbij onze handleiding. Maar het is een hele uitdaging om kwantummechanica uit te leggen zodat een leek die kan begrijpen. Immers zelfs Richard Feynman zei daarover in 1965 “Ik kan gerust stellen dat niemand eigenlijk kwantummechanika begrijpt”.
Toch ben ik die uitdaging aangegaan.
Hand-out van de lezing over het ontstaan van de eerste sterren die Prof. Henny J.G.L.M. Lamers op 26 januari 2014 in Putten heeft gegeven.
http://astraalteria.nl/blog/?p=151&page=4
5e College: Relativiteit uit de 6 dvd box: 'Grote natuurkundige theorieën' door Vincent Icke.
Wanneer u geïnteresseerd bent om niet alleen de presentatie te zien maar ook het bijbehorende college te hebben, kunt u deze bestellen via: http://www.nwtonline.nl/Shop/index.html
Levensloop van Sterren - werkgroep op Woudschoten Natuurkunde 2009Junior College Utrecht
Werkgroep door Florine Meijer en Henny Lamers over de module Levensloop van Sterren, voor de woudschotenconferentie voor natuurkundedidactiek, 12 december 2009.
Informatie over inhoud en opbouw van de module, ervaringen en mogelijkheden, en een inleiding in de sterevolutie.
prof.dr. JT (Han) Zuilhof
Het is moeilijk voor te stellen dat het heelal ooit niet heeft bestaan. Dat zelfs de tijd niet heeft bestaan. Maar Hubble kwam er achter dat sterrenstelsels van ons af bewegen. Hoe verder een stelsel van ons af staat, hoe sneller het stelsel van ons af beweegt. Dit bracht hem op het idee, om terug te rekenen in de tijd. Er moet een moment geweest zijn, dat het hele heelal in één punt samen gepakt was. En vanaf dat moment is het heelal uit gaan dijen. Dit moment wordt de oerknal of big bang genoemd. Volgens de berekening is het heelal iets meer dan dertien en een half miljard jaar oud. Maar tegenwoordig er zijn nog andere manieren om de leeftijd van het heelal te bepalen. Dit geeft twee mogelijkheden:
De eerste mogelijkheid is dat de methodes dezelfde uitkomst geven. Dat is prettig want dan bevestigen de methodes elkaar.
Maar wat als er een heel verschillende uitkomst is!? Is dan één van de methodes beter dan de andere? Of moet je aan beide gaan twijfelen en is er meer onderzoek nodig?
Sommige vragen zijn niet eenvoudig te beantwoorden, maar ze zijn wel boeiend!
Han Zuilhof Hoogleraar Organische Chemie aan Wageningen Universiteit en een amateur astronoom.
23 februari heeft Edwin Mathlener voor sterrenvereniging Astra Alteria een cursus gegeven over 'Kosmische raadselen'.
Bijgaand de pdf van de presentatie.
3e College: Electromagnetisme uit de 6 dvd box: 'Grote natuurkundige theorieën' door Vincent Icke.
Wanneer u geïnteresseerd bent om niet alleen de presentatie te zien maar ook het bijbehorende college te hebben, kunt u deze bestellen via: http://www.nwtonline.nl/Shop/index.html
6. Slipher Hubble, Humason
(Mt Wilson sterrenwacht)
• Slipher kon van ca. 40 ver gelegen spiraalnevels
de verwijderingsnelheid meten; methode:
bepaal de verplaatsing van de spectraallijnen
• Hubble en Humason bevestigden Slipher’s
vondst: sterk rood verschoven spectra; de
meesten blijken zich van ons te verwijderen!
• Daarna bepaalde Hubble de afstanden van die
stelsels: de expansie van het heelal ontdekt!
• Deze ontdekking stamt uit 1929, maar de
metingen van de verwijderingsnelheid waren al
eerder bekend
9. Georges Lemaître (1894 - 1966)
• Speculeerde twee jaar vóór Hubble dat het
Heelal uitzet (op grond van eerdere metingen
van Hubble en de theorie van Einstein, gewijzigd
door Friedmann en De Sitter)
• 1931: theorie - het Heelal begon heel klein
• 1946: hypothese: oeratoom (l’atome primitif)
• 1948: idee verder uitgewerkt door Gamow
• Deze stelde: het oerheelal moet aanvankelijk erg
heet zijn geweest; koelde al expanderend af
11. Een bijzondere denker
• 135 na Chr. Basileides van Alexandrië:
• “Eens was er niets. Maar nu maak ik een
fout. Ik zeg ‘er was’. Dus er was wel iets!
• Namelijk ‘niets’.
• Maar zelfs dat was er niet “.
• En zo ging hij verder: Uit het absolute
niets ontstond de kiem van een heelal
12. DE OERKNAL
“De dag zonder gisteren”
(Lemaître)
Wat gebeurde toen?
13. Schijnbare zijstap: een zwart gat
• Zwart gat is een zodanig samengeperst stuk materie dat
de aantrekking ervan verhindert dat licht hieruit ontsnapt
• Ontsnappingsnelheid V∞
• Schrijf massa M in grammen en straal R in cm dan is
• V∞ = √ (2GM/R), waarin G = gravitatie constante = 6,67
10 -8 dynes cm -2 g -2
• Als V∞ > of = c (= snelheid van het licht = 300.000
km/sec) dan hebben we te doen met een zwart gat
14. Zwarte gaten
• Als de zon tot een bol van 3 km wordt
samengeperst dan is dit een zwart gat
• De Mt. Everest in één nanometer; idem
• De aarde: 18 mm; idem
• Formule: diameter D = 2,96 10-27 M,
waarbij D in meters en massa M in kg
15. Lichtgolf en lichtdeeltje (foton)
• Licht heeft een duaal karakter – het is een
deeltje maar ook een golfbeweging
• Het lichtdeeltje heeft dus ook een
afmeting, dit is ongeveer de golflengte λ
• Licht heeft ook energie (E foton ):
• E foton = 1,99 10-18 / λ erg
= 1,24 10-6 / λ eV (= elektron Volt; een
veel gebruikte eenheid van energie)
16. Een vreemde vraag:
Kan een foton een zwart gat zijn?
Dus: zoek relatie middellijn en
massa voor foton
18. Antwoord is bevestigend – of niet
• Foton heeft een afmeting: golflengte λ
• Foton heeft energie = 1,99 10-25 / λ J
19. Antwoord is bevestigend – of niet
• Foton heeft een afmeting: golflengte λ
• Foton energie: E foton = 1,99 10-25 / λ J
• Einstein: E = m c2 , met m = massa en c
= lichtsnelheid
20. Antwoord is bevestigend – of niet
• Foton heeft een afmeting: golflengte λ
• Foton energie: E foton = 1,99 10-25 / λ J
• Einstein: E = m c2 , met m = massa en c
= lichtsnelheid
• Foton is dus geassocieerd met een massa:
mf = E foton / c2 = ??
21. Antwoord is dus bevestigend:
• Pas de formule voor diameter van een
zwart gat toe op fotonen en wat blijkt?
• Een foton is een zwart gat als de
golflengte is: 4,05 x 10-35 m
• Men noemt deze lengte de Planck lengte
• Deze korte golflengte komt overeen met
een zeer grote energie: 2 x 109 Joule; dit
is 1,2 x 1028 eV (= elektron Volt)
22. Antwoord is ook ontkennend:
• Als een foton een zwart gat is, of kleiner, dan is
het geen foton meer – het is een deeltje waaruit
geen licht kan ontsnappen
• Begrippen ‘golflengte’, ‘foton’, ‘afmeting’ en
‘massa’ verliezen zin bij een ‘lichtdeeltje’ dat,
kleiner dan de Planck lengte, geen ‘licht’ meer is
• Dus: bij golflengten onder de Planck lengte
hebben ‘licht’ en ‘deeltje’ geen betekenis
• Dit geldt ook voor de natuurkundige wetten, die
immers gebaseerd zijn op begrippen zoals
massa, lengte, tijd, enz.
23. Intermezzo: Planck eenheden
• Planck lengte = 4,05 x 10 -35 meter
• Planck massa = 5,46 x 10 -8 kilogram
• Planck tijd = 1,35 x 10 -43 seconde
• Planck energie = 2 x 10 9 Joule
• Planck temperatuur = 3,55 x 10 32 Kelvin
• En zo meer. Fundamenteel is de
• Planck constante h = 6,63 x 10 -34 Joule.sec
25. Een bijzondere voorspelling
• 1948: Hendrik Casimir en Dirk Polder
voorspelden dat het absolute niets toch
energie heeft
• Het kan dus druk uitoefenen
• “Dirk leg me dat eens uit” (vraag van mij
aan Polder, omstreeks 1995)
• Antwoord: “Daar is toch niet aan uit te
leggen”
26. Kwantumfluctuaties
• Heisenberg’s onzekerheidsrelatie :
• Het product van de onzekerheden in tijd
en in energie is groter des te korter het
tijdinterval is; ΔE.Δt < h/4π
• In tijdspannes korter dan de Planck-tijd
kan dus de energie zeer sterk variëren;
men noemt dit kwantumfluctuaties
27. Kwantumfluctuaties in vacuüm
• Een kwantumfluctuatie duurt niet langer
dan de Planck tijd: tP = 5,4 x 10 - 44
seconde
• Ook in het absolute vacuüm zullen
zulke fluctuaties optreden
• Dit kan leiden tot vorming en daarop
volgende annihilatie van deeltjes en
antideeltjes binnen de Planck-tijd
28. Het ontstaan van energiebellen
tijdens kwantumfluctuaties
• DE kwantum fluctuaties leidt tot zeer korte
vorming van energie’bellen’
• Een ‘bel’ energie leidt tot de vorming van
een deeltje plus antideeltje
• Binnen een Planck-tijd zijn ze weer
verdwenen
• Ook de tijd fluctueert, zowel positief als
negatief, in een Planck interval
29. Oerknal hypothese
• De hypothese: een uitzonderlijke fluctuatie
in het absolute niets leidde tot de oerknal
• De energie van een Planck ‘deeltje’ komt
overeen met een temperatuur van 1032
Kelvin (want 1 eV ~ 11600 K ~ 104 K)
• Dit was de vermoedelijke temperatuur
direct na de oerknal
30. Hannes Alfvén
• Alfvén was een Zweedse natuurkundige
die de Nobelprijs kreeg voor zijn
ontdekking van de leer van de
magnetohydrodynamica
• Ik hoorde hem eens zeggen: “Het heelal
zo klein als een zandkorreltje ? Geloven
jullie dat? Ik niet! “
32. 1. DE PLANCK EPISODE
• De periode waarin de relativiteitstheorie (theorie
van structuren en zwaartekracht in het heelal)
en de kwantummechanica (theorie van het
kleinste en puntvormige) onverenigbaar zijn
• Ook de periode waarin het begrip ‘kracht’ niet te
definiëren is, omdat de natuurkundige wetten
dat niet zijn
• Voorgestelde oplossingen: geen trillende
deeltjes maar trillende snaartjes en ‘branen’
(trillende vlakjes): de ‘snaartheorie’
• Deze hypothese is nog niet bevestigd
33. Toen kwam het licht
• Tijdens en direct na de oerknal bestond
het heelal uitsluitend uit straling
• Materie kon (nog) niet gevormd worden
• Die straling zou voor onze ogen niet
zichtbaar zijn: want ze was van enorm
korte golflengte en grote energie
34. 2. KORTDURENDE PERIODE VAN
INFLATIE
• Na 10-35 seconde werd de sterke
kernkracht afgescheiden. De vrijkomende
bindingsenergie leidde tot zeer versnelde
expansie van het heelal: de inflatie.
• De periode van de inflatie duurde tot ca.
10-32 seconde
35. Snelle groei tijdens inflatie
• In die periode moet de omvang van het
heelal gegroeid zijn tot ca. 10 tot 20 cm!
Heelal reeds zo groot als een kokosnoot.
• Expansiesnelheid was tijdens inflatie veel
groter dan de lichtsnelheid: de ruimte
expandeerde en nam materie met zich
mee
36. 3. EPISODE VAN DEELTJESVORMING
• De verschillende krachten moeten zich
gescheiden hebben toen de temperatuur gezakt
was tot 1015 K (na 10-12 seconde)
• Daarna werd geleidelijk deeltjesvorming
mogelijk
• Deeltjesvorming lijkt wat op condensatie: in
waterdamp boven 100 ºC zullen waterdruppels
niet blijvend bestaan; onder die grens zijn
druppels stabieler
37. Vorming van protonen en neutronen
• Onder temperaturen van ca. 1012 K vormden
zich tussen 300 sec. en 30 minuten de lichtste
elementen: waterstof, deuterium, helium-3,
helium-4 en lithium
• Nu is toetsing mogelijk: kloppen waargenomen
aantal-verhoudingen met de berekende? - ja!
38. Probleem van de baryonen
• Er zouden in het heelal evenveel baryonen als
fotonen moeten zijn
• Maar: er zijn ruim 109 maal meer fotonen
• Antwoord: er vormde zich materie en
antimaterie in bijna even grote hoeveelheden;
die annihileerde en slechts fotonen bleven over
• Voorbeeld: als 101 materiedeeltjes en 100
deeltjes antimaterie gevormd wordt, dan zullen
bij annihilatie van materie + antimaterie 200
fotonen gevormd worden en blijft één
materiedeeltje over
39. Waarom is er materie in het heelal?
• Er werd echter niet een extra deeltje
gevormd op 200, maar ca. één op meer
dan miljard deeltjes materie - antimaterie.
• Nog onbegrepen waarom
• Als dat niet het geval was geweest dan
bestond het heelal nu uitsluitend uit
straling zonder materie
40. Eerste samenvatting (tijden en temperaturen)
• Planck ‘episode’, oerknal: 10-43 sec; 1032 K
• Inflatie begint: 10-35 sec; 1028 K
• Inflatie eindigt: 10-32 sec; 1027 K
• Baryogenese (protonen; neutronen): 10-6 sec;
1013 K
• Vorming lichtste vier atoomkernen: 300 s; 109 K
41. De eerste sterren
• Ontstonden toen het heelal afgekoeld was
tot onder 10 000 graden
• Reusachtige objecten die slechts uit
waterstof en helium bestonden – ca. 100
tot 1000 maal zo zwaar als de zon
• Planeten als de aarde en het leven konden
toen niet ontstaan – daar zijn zwaardere
elementen voor nodig
42. In eindexplosies ontstonden
zwaardere elementen
• Die zware sterren explodeerden aan het eind
van hun korte bestaan – hypernova explosies
• In de extreem hoge temperaturen die bij deze
explosie tijdelijk heersten konden zwaardere
elementen gevormd worden – iets dat doorgaat
tot de dag van vandaag: supernova explosies.
• Zo werd de basis gelegd voor vorming van
planeten en voor het ontstaan van het leven
43. Verdere samenvatting
• Heelal bestaat 13,8 miljard jaar
• Na 400 miljoen jaren: materie klontert tezamen
• 600 miljoen jaren: eerste hyperreuzen: sterren
met veel meer massa dan de zon 800 miljoen
jaren: eerste hedendaagse melkwegstelsels
• Na 1 tot 2 miljard jaar: eerste zon-achtige
sterren
44. Wij bestaan dank zij de sterren
• Over ca. 5 miljard jaar komt de zon aan
zijn eind: kernbrandstof is dan opgebruikt
• In een explosie verspreidt het zonne-materiaal
en dat van de binnenste
planeten zich over de ruimte
• Onze moleculen en atomen ontstonden in
sterren en keren zo terug tot de ruimte
45. Deze presentatie is na te zien
• Ga naar www.cdejager.com en daar naar
presentaties; daar naar 10. oerknal
• Er is daar ook een parallelle presentatie:
10. het eerste licht
• Deze laatste bespreekt grotendeels hetzelfde
maar gaat wat dieper in op de inflatie en de
betekenis daarin van de vier krachten in ons
heelal; ook : de rol van quarks, gluonen, fotonen