Wikisage is op 1 na de grootste internet-encyclopedie in het Nederlands. Iedereen kan de hier verzamelde kennis gratis gebruiken, zonder storende advertenties. De Koninklijke Bibliotheek van Nederland heeft Wikisage in 2018 aangemerkt als digitaal erfgoed.
- Wilt u meehelpen om Wikisage te laten groeien? Maak dan een account aan. U bent van harte welkom. Zie: Portaal:Gebruikers.
- Bent u blij met Wikisage, of wilt u juist meer? Dan stellen we een bescheiden donatie om de kosten te bestrijden zeer op prijs. Zie: Portaal:Donaties.
Gebruiker:SjorsXY/ Oerknal
Oerknal of Big Bang is de populaire benaming van de kosmologische theorie die op basis van de algemene relativiteitstheorie veronderstelt dat 13,7 miljard jaar geleden het heelal ontstond uit een enorm heet punt (ca. 1028ºC), met een oneindig grote dichtheid, ofwel een singulariteit. Tegelijkertijd met de oerknal zouden ruimte en tijd zijn ontstaan. De theorie is onder meer gebaseerd op de waarneming van het voortdurend uitdijende heelal, in het bijzonder de roodverschuiving van de spectraallijn en van licht van verre sterrenstelsels, het dopplereffect. De algemene relativiteitstheorie is op dit punt echter nog niet volledig aangezien het idee van een oneindig grote dichtheid strijdig is met de fundamentele wetten van de natuurkunde.
De term 'Big Bang' werd voor het eerst door Fred Hoyle in 1950 gebruikt als een sarcastische aanduiding om zijn afkeer van de theorie tot uitdrukking te brengen. Hoyle was zelf voorstander van het concurrerende maar thans verlaten steady statemodel.
Voorgeschiedenis
Het dynamische vs. het statische heelal
Voordat de theorie van de Big Bang werd geformuleerd, ging men uit van een statisch heelal: een heelal dat er altijd al was en altijd zal zijn. Uit de zwaartekrachtwet van Newton volgt echter dat zo'n heelal zou instorten. Newton onderkende dat probleem, maar poogde dat in een briefwisseling met Richard Bentley te redden door te stellen dat, als de materie gelijkmatig in een oneindige ruimte verdeeld was, er geen middelpunt zou zijn waar het naar toe zou vallen.
Einstein ging ook uit van een statisch heelal, maar uit zijn algemene relativiteitstheorie bleek onomstotelijk dat het heelal moest uitdijen of ineenstorten. Hij postuleerde toen de kosmologische constante om die ineenstorting tegen te gaan. De Nederlandse astronoom Willem de Sitter kwam met een ander model van het heelal en voorspelde in 1918 aan de hand daarvan een roodverschuiving die evenredig was met de afstand. Het theoretisch model van De Sitter bevatte geen materie maar dijde wel uit. Het idee van De Sitter is tegenwoordig weer actueel in de inflatietheorie van de oerknal. Onafhankelijk vond Alexander Friedmann oplossingen voor de vergelijkingen van de algemene relativiteit, die een uitdijend heelal beschreven. Voortbordurend op het heelal van De Sitter, publiceerde ook de Belgische priester Georges Lemaître oplossingen voor een dynamisch heelal. Men vermoedde dat er vóór de oerknal helemaal niets was, zelfs geen tijd, zodat men niet eens van 'vóór de oerknal' kan spreken.
De eerste die ontdekte dat het licht van sommige sterrenstelsels een roodverschuiving vertoonde, waaruit bleek dat ze van ons af bewogen, was William Huggins.
De oerknal/Big Bang
Aan het begin van de 20e eeuw, begon men met het meten van de spectra van sterrenstelsels. Hierbij merkte men:
- slechts enkele dichtbijgelegen stelsels, zoals de Andromedanevel, hebben een blauwverschuiving en bewegen dus naar ons toe.
- alle andere sterrenstelsels hadden een roodverschuiving.
- de roodverschuiving neemt toe naarmate het stelsel verder weg staat. Deze vaststelling werd door Edwin Hubble beschreven in een artikel dat in 1929 werd gepubliceerd. Met de Wet van Hubble kan de uitdijingsnelheid van sterrenstelsels berekend worden.
Dit was aanleiding voor de hypothese dat er een oerknal is geweest. In het verre verleden hebben de sterrenstelsels dus niet alleen dichter bij elkaar gelegen, maar bovendien is de uitdijing begonnen met een oerknal. Aan het begin van de oerknal was het hele heelal geconcentreerd in een enkel punt met oneindige dichtheid. Dit punt noemt men een singulariteit. De eerste theorie van het heelal dat met een geweldige explosie uit een oeratoom moet zijn ontstaan, werd in 1931 geformuleerd door Lemaître. Lemaître kwam ook tot een bijna juiste schatting van het moment waarop het heelal zou zijn ontstaan: ongeveer 15 miljard jaar geleden.
Onderzoek met de Wilkinson Microwave Anisotropy Probe heeft de leeftijd van het heelal met een onnauwkeurigheid van 1 procent op 13,7 miljard jaar weten te bepalen.
Hete oerknal
In 1948 werd de hete oerknaltheorie door George Gamow samen met Ralph Alpher geformuleerd. De theorie beschrijft hoe het heelal is ontstaan uit een heet puntvormig begin (singulariteit).
De theorie beschrijft verder nauwkeurig welke chemisch elementen na 1 seconde, toen het heelal nog een temperatuur had van 10 miljard Kelvin, werden gevormd en in welke verhoudingen. De elementen die tijdens de oerknal werden gevormd zijn waterstof, helium en lithium, nauwkeuriger gezegd de isotopen waterstof, deuterium, tritium, helium-3, helium-4 en lithium-7. De theorie voorspelde dat de gewichtsverhouding helium en waterstof 1:3 zou zijn, heel dicht bij de huidige waargenomen samenstelling.
Gamov had een vriend, de natuurkundige Hans Bethe, gevraagd om zijn achternaam ook aan het artikel toe te voegen (hoewel hij hieraan niet had meegewerkt) omdat de namen Alpher, Bethe en Gamov ongeveer hetzelfde klinken als alfa, bèta en gamma, de eerste 3 letters van het Griekse alfabet. Sindsdien staat dit artikel dan ook bekend als het Alpher-Bethe-Gamov-artikel of alfa-bèta-gamma-artikel.
Gamov en zijn medewerkers Alpher en Robert Herman voorspelden verder dat de straling van de oerknal nu nog aanwezig zou moeten zijn en een temperatuur zou moeten hebben van ongeveer 3 K. Deze kosmische achtergrondstraling werd door Arno Allan Penzias en Robert Woodrow Wilson in 1964 ontdekt. Voor hun werk aan de achtergrondstraling ontvingen zij in 1978 de Nobelprijs voor de Natuurkunde.
Tegenwoordig wordt algemeen aangenomen dat in het allereerste begin het heelal een korte periode van extreme expansie doormaakte. Deze periode wordt ook wel De Sitter inflatie genoemd. De theorie die dit beschrijft heet de inflatietheorie en werd in 1979 ontwikkeld door Alan Guth en Andrei Linde.
Argumenten
Er zijn vier belangrijke argumenten die aantonen waarom het heelal uit een Oerknal moet zijn ontstaan:
- Spectroscopische waarnemingen van sterrenstelsels duiden erop dat het heelal uitdijt. Dit kan alleen verklaard worden als sterrenstelsels oorspronkelijk in één punt zijn ontstaan. De belangrijkste aanwijzing hiervoor is dat hoe verder sterrenstelsels van ons af staan, hoe sneller ze zich van ons verwijderen. De roodverschuiving is de belangrijkste indicatie hiervan.
- De kosmische achtergrondstraling die in 1965 door Arno Penzias en Robert Wilson is waargenomen, lijkt van alle kanten te komen. De Oerknaltheorie biedt een consistente verklaring voor deze straling.
- De Oerknaltheorie beschrijft nauwkeurig de verhouding van lichte elementen als waterstof en helium die tijdens de oerknal zijn ontstaan.
- Uit de Algemene Relativiteitstheorie van Einstein kan een Oerknal worden afgeleid, mits de materie in het heelal homogeen verspreid is.
Over 100 miljard jaar zullen de huidige pijlers waarop de theorie van de Oerknal rust bijna volledig zijn uitgewist. De kosmische achtergrondstraling is dan zodanig afgezwakt dat zij in het geheel niet meer waarneembaar is. Ook de uitdijing van het heelal zal dan niet langer waarneembaar zijn, doordat alle sterrenstelsels achter de waarnemingshorizon zijn verdwenen en de intergalactische ruimte dus nagenoeg leeg is. De materie in het heelal lijkt hierdoor ook niet meer homogeen verspreid, waardoor een Oerknal niet meer kan worden gededuceerd uit een herontdekte relativiteitstheorie. Tevens is de verhouding tussen de verschillende elementen zodanig veranderd dat zij niet veel meer wegheeft van die tijdens de Oerknal en in de huidige situatie.
Fundamentele problemen
Hoewel de theorie van de oerknal sinds de ontdekking van de kosmische achtergrondstraling door veel kosmologen aanvaard werd als de theorie die de beste verklaringen geeft over het ontstaan en de evolutie van het heelal, waren er toch een paar belangrijke vraagstukken waar de theorie geen antwoord op kon geven. Die problemen waren:
- het horizonprobleem
- het vlakheidsprobleem
- het monopoolprobleem
De inflatietheorie van Alan Guth en Andrei Linde kon hier in de jaren tachtig een antwoord op geven. Dit is dan ook een aanvulling op de theorie van de Oerknal, en niet een volkomen onafhankelijk alternatief. Verder is het hele idee van een oneindig grote dichtheid natuurlijk in strijd met de quantummechanica.
Van Oerknal tot heden
| Tijd | Omschrijving van het heelal |
|---|---|
| Plancktijd 10-43 seconden na de Oerknal | Er kan niet gesproken worden over tijd of over ruimte of over de temperatuur. De fysica op dit niveau is onbekend. Alle 4 oerkrachten zijn verenigd. |
| Vlak hierna was een periode van inflatie. De ruimte expandeerde met een factor 1032 in een zeer korte periode. Theoretisch is het beschreven door Alan Guth. Inflatie geeft antwoord op een aantal fundamentele problemen van de klassieke hete oerknaltheorie, zoals het vlakheidsprobleem en het horizonprobleem. Vlak voor de inflatie is de zwaartekracht ontstaan, vlak erna de sterke kernkracht en de elektrozwakkekracht (die later uiteenvalt in de twee overige oerkrachten; zwakke kernkracht en elektromagnetische kracht) | |
| tussen 10-12 en 10-10 seconde. | In deze periode is het eigenlijke begin. Ook de laatste twee oerkrachten zijn nu ontstaan en de natuurkunde is nu van kracht zoals wij die kennen. Het heelal bevindt zich in een kleine, hete, dichte kwantumtoestand. Uit de vacuümenergie ontstaan fotonen. Het heelal bestaat dus uit stralingsenergie. |
| 10-11 seconden | Het heelal is koud genoeg voor het ontstaan van deeltjes (quarks) en antideeltjes (anti-quarks) uit straling. Voor elk deeltje is er één antideeltje. |
| 10-10 seconden | De temperatuurdaling maakt het nu mogelijk dat bosonen (W-, W+ en Z) ontstaan die verantwoordelijk zijn voor het overbrengen van de zwakke wisselwerking. De zwakke wisselwerking werkt maar over een zeer kleine afstand. De zwakke wisselwerking verbreekt de pariteitsymmetrie tussen deeltjes en antideeltjes. Dit noemt men de spontane symmetriebreking. Daardoor veranderde de verhouding deeltjes: antideeltjes volgens Steven Weinberg naar 300.000:299.999. Nadien annihileren deeltjes en antideeltjes elkaar. Dit verklaart waardoor er nu bijna geen antimaterie meer voorkomt in het heelal. |
| 10-4 seconden. | Gluonen ontstaan, die de sterke kernkracht overbrengen. Quarks vormen daardoor grotere deeltjes: onstabiele mesonen (twee quarks) en stabiele baryonen (drie quarks) (protonen en neutronen). Volgens de Kwantumchromodynamica (QCD) kunnen quarks en gluonen los van elkaar bestaan, mits de temperatuur hoog genoeg is. |
| 1 seconde | De verhouding protonen en neutronen wordt stabiel: 7 staat tot 1. Daarvoor vallen neutronen uiteen tot protonen, elektronen en antineutrino's. Die verhouding bepaalt ook de latere verhouding waterstof en helium. |
| 100 seconden. | Oerknal-nucleosynthese. Neutronen binden zich aan protonen en vormen zo kernen van deuterium, tritium, helium-3, helium-4 en lithium-7. |
| 10.000 jaar. | Fotonen zijn nu zwart-lichaamstraling, dus in evenwicht met de temperatuur, 2,725 Kelvin van materie volgens de wet van Planck. Die straling wordt nu nog in het microgolfspectrum bij 23 GHz waargenomen als kosmische achtergrondstraling. |
| 379.000 jaar. | De elektromagnetische kracht bindt elektronen aan atoomkernen en vormt zo waterstof-, helium- en lithiumatomen. Zo wordt het heelal doorzichtig. |
| 2•108 jaar. | De zwaartekracht trekt waterstofgas samen. Zo ontstaan de eerste sterren. |
| 2•108 tot 13,7•109 jaar. | Nucleosynthese: Kernfusie vormt in sterren zwaardere elementen van Be tot Fe. Supernovaexplosies maken het mogelijk dat ons zonnestelsel wordt gevormd met nog zwaardere elementen van Fe tot U. |
| 13,7•109 jaar(nu) | Het baryongetal is uiteraard nog steeds 1078. Dit is maar 4% van de totale massa: 23% is donkere materie en 73% is donkere energie. Deze donkere energie wordt ook wel vacuümenergie genoemd, hieruit kunnen deeltjes ontstaan. In de natuurkunde geldt energie ook als massa aangezien het eveneens de ruimte om zich heen kromt en het een uit het ander kan ontstaan en andersom. |
Toekomst
De oerknal is een theorie over het ontstaan van het heelal. Voor de toekomst van het heelal zijn er een aantal mogelijkheden:
- Het heelal zal eeuwig uitdijen en deze uitdijing zal zich in een versneld tempo voortzetten (Big Rip).
- De uitdijing van het heelal zal afgeremd worden door de zwaartekracht, en daardoor na verloop van tijd instorten, exact zoals bij de oerknal maar dan achteruit (Big Crunch).
- Het heelal zal uitdijen, maar er zijn meerdere ruimten die dat ook doen en zo elkaar op den duur kruisen. Dit hangt nauw samen met het idee van een multiversum. Er ontstaan nieuwe centra, waar materie zich opnieuw samenvoegt, en waar zodoende ook nieuwe oerknallen kunnen ontstaan. Zo ontstaat er een soort "superheelal".
Recente waarnemingen en afstandsmetingen pleiten voor de versnelde uitdijing van het heelal, waartoe een nog slecht begrepen verschijnsel moet worden ingevoerd dat bekend staat als donkere energie.