1. TOEN HET LICHT KWAM Hoe ontstond de oerknal C. de Jager

2. Edwin Hubble (1889 – 1953)

3. Hubble’s probleem: wat is een spiraal”nevel” ?

4. Dieper in het heelal: veel meer! Ca. 100 miljard stelsels in het heelal

5. Dichtbij of veraf? Hoe ver wel?

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

7. Hubble’s relatie afstand - snelheid (1929) Toonde dat het heelal uitzet!

8. Latere, meer gedetailleerde versie

9. Georges Lema î tre (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

10. Het model van Lema î tre - Gamow

11. DE OERKNAL “ De dag zonder gisteren” (Lema î tre) Wat gebeurde toen?

12. 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 ∞ = c (snelheid van het licht = 300.000 km/sec) dan hebben we te doen met een zwart gat

13. 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 Formule: diameter D = 2,96 10 -27 M, waarbij D in meters en massa M in kg

14. Lichtgolf en lichtdeeltje (foton) Licht heeft een duaal karakter – het is een deeltje maar ook een golfbeweging Het lichtdeeltje heeft 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)

15. Een vreemde vraag: Kan een foton een zwart gat zijn? Dus: zoek relatie middellijn en massa voor foton

16. Antwoord is bevestigend – of niet Foton heeft een afmeting: golflengte λ

17. Antwoord is bevestigend – of niet Foton heeft een afmeting: golflengte λ Foton heeft energie = 1,99 10 -25 / λ J

18. Antwoord is bevestigend – of niet Foton heeft een afmeting: golflengte λ Foton energie: E foton = 1,99 10 -25 / λ J Einstein: E = m c 2 , met m = massa en c = lichtsnelheid

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 c 2 , met m = massa en c = lichtsnelheid Foton is dus geassocieerd met een massa: m f = E / c 2 = ??

20. 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 10 9 Joule; dit is 1,2 x 10 28 eV (= elektron Volt)

21. 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.

22. 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

23. Nieuw begrip Kwantumfluktuaties

24. Kwantumfluctuaties Heisenberg’s onzekerheidsrelatie : Het product van de onzekerheden in tijd en in energie is groter des te korter het tijdinterval is; Δ E. Δ t < h/4 π In tijdspannes korter dan de Planck-tijd kan dus de energie zeer sterk variëren; men noemt dit kwantumfluctuaties

25. Kwantumfluctuaties in vacuüm Een kwantumfluctuatie duurt niet langer dan de Planck tijd: t P = 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

26. Het ontstaan van energiebellen tijdens kwantumfluctuaties DE kwantum fluctuaties leidt tot zeer korte vorming van energiebellen 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

27. Vorming en annihilatie binnen de Planck-tijd. Let op: ook fluctuaties in de tijd

28. 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 10 32 Kelvin (want 1 eV ~ 11600 K ~ 10 4 K) Dit was de vermoedelijke temperatuur direct na de oerknal

29. ACHTEREENVOLGENDE EPISODEN IN DE EERSTE (MICRO-)SECONDE De Planck episode Inflatie Deeltjesvorming

30. 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

31. Krachten na de oerknal Er zijn vier krachten werkzaam in de natuur; niet meer! 1. De zwakste kracht: zwaartekracht 2. elektromagnetische kracht 3. de zwakke kernkracht 4. de sterke kernkracht Alle krachten die we in de natuur waarnemen, zijn te herleiden tot één van deze vier

32. Vereniging van krachten ? Maxwell (ca. 1850): verenigde elektrische en magnetische krachten tot één: de elektromagnetische kracht Dat is een intrigerend voorbeeld! Vraag: kunnen de drie andere krachten hiermee verenigd worden tot één? De Grote Universele Theorie (GUT) ! Schijnt te kunnen bij zeer grote energieën in het heelal; daar wordt hard aan gewerkt!

33. Aanvankelijk scenario: krachten zijn even sterk en verenigd bij zeer grote energieën ( 10 16 GeV = 10 25 eV = 10 29 K)

34. Verbeterd: bij < 2 x 10 11 eV zijn twee van de vier reeds gescheiden

35. Afscheiding van zwaartekracht Hypothese: tijdens de oerknal in de Planck fase werd de zwaartekracht van de overige krachten gescheiden Daarbij kwam de (latente) energie vrij die de zwaartekracht aan die krachten gebonden hield Dit leidde tot het begin van de expansie van het heelal

36. 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

37. 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

38. 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

39. Het horizon probleem (1) Inflatie verklaart het ‘horizon probleem’: Waarneming toont dat in twee tegenover liggende richtingen het heelal vrijwel exact dezelfde temperatuur heeft

40. De kosmische microgolf achtergrond straling N.B.: fluctuaties overdreven groot getekend

41. Het horizon probleem (2) Temperatuurgelijkheid is alleen mogelijk als die twee delen eens zo dicht bijeen waren dat ze (door een lichtstraal) konden communiceren Toch is de reistijd van een signaal tussen die twee tegenover liggende delen ca. tweemaal de leeftijd van het heelal: het ‘horizon probleem’.

42. Inflatie lost het horizonprobleem op De communicatie tussen ‘verre’ delen van het oerheelal was wèl mogelijk vóór de inflatie Zo tekent de huidige verdeling van temperaturen over het heelal nog steeds de situatie van vóór de inflatie Dit is dus de periode vóór en tot 10 -35 s

43. 3. EPISODE VAN DEELTJESVORMING In alle theorieën moeten de krachten zich gescheiden hebben toen de temperatuur gezakt was tot 10 15 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

44. Vorming van quarks en gluonen Quarks zijn de bestanddelen van protonen en neutronen. Ze worden bijeengehouden door gluonen Bij te hoge temperaturen zal de reactie: deeltje + antideeltje = twee gamma kwanten naar rechts overheersen; het heelal bestaat uit straling Het omgekeerde proces: paarproductie treedt pas op bij lagere temperaturen; dan vormen deeltjes zich vorming van quarks en gluonen in de periode van 10 -12 tot 10 -5 seconde Dan is temperatuur tenslotte gezakt tot 3 x 10 12 K

45. DIT IS WELLICHT TOETSBAAR! In versnellers zoals de Relativistic Heavy Ion Collider en de Large Hadron Collider zijn experimenten in voorbereiding Idee: laat zware atoomkernen (bijv. goud) op elkaar botsen bij heel grote energieën Bij voldoend grote energieën moeten zich dan - heel kort - quarks en gluonen vormen

46. Eerste resultaten reeds gevonden! Frontale botsingen van zware goudkernen in R.H.I.C. bij energie van boven 2 x 10 13 eV Deze grote kernen bevatten ca. 200 protonen en neutronen Botsing leidt gedurende 5 x 10 -23 sec tot vuurbol van duizenden quarks en gluonen die zich snel herenigen Onverwacht resultaat: deze wolk heeft karakter van een vloeistof en niet van een gasplasma Vraag: gedroeg beginnend heelal zich ook als vloeistof?

47. Vorming van protonen en neutronen Onder temperaturen van ca. 10 12 K zullen quarks en gluonen zich kunnen samenvoegen tot protonen en neutronen – de baryonen Daaruit 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 aantalverhoudingen met berekende? - ja!

48. Verhouding deeltjes aantallen in oerheelal

49. Probleem van de baryonen Er zouden in het heelal evenveel baryonen als fotonen moeten zijn Maar: er zijn ruim 10 9 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 materie + antimaterie 200 fotonen gevormd worden en blijft een materiedeeltje over

50. 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

51. SAMENVATTING Planck ‘episode’, oerknal: 10 -43 sec; 10 32 K Inflatie begint: 10 -35 sec; 10 28 K Inflatie eindigt: 10 -32 sec; 10 27 K Laatste krachtscheiding: 10 -10 sec; 10 15 K Quark – gluon ‘vloeistof’: 10 -6 sec; 10 13 K Baryogenese (protonen; neutronen): 10 -6 sec; 10 13 K Vorming lichtste vier atoomkernen: 300 s; 10 9 K