Het Heelal Bespreking Claeys Martha - Werkstuk \"Bespreking van een boek (verplichte opdracht)\" - cijfer 18 PDF

Preview

Summary

Bespreking van een boek (verplichte opdracht)...

Description

Martha Claeys |

1

Het heelal: Verleden en toekomst van ruimte en tijd Bespreking van het boek van Stephen Hawking

De Britse natuurkundige Stephen Hawking poogt met dit boek een heldere introductie te geven tot de belangrijkste fysische theorieën over het heelal. Hiervoor kiest hij duidelijk een historische insteek, zo wordt voor de lezer ook duidelijk hoe en waarom die theorieën vorm kregen. Hawking koos er naar eigen zeggen bewust voor het aantal wiskundige vergelijkingen in het boek te beperken tot slechts één, zijnde e=mc2, dit met de toegankelijkheid voor een lekenpubliek in gedachten. Het heelal behandelt een reeks grote thema’s in de fysica: van kwantummechanica, over de herkomst van het heelal tot een uitgebreid deel over zwarte gaten en de richting van de tijd. 1. Ons beeld van het heelal Vanuit een historische introductie, die nog zeer toegankelijk en niet al te theoretisch is, stimuleert Hawking de lezer zich een beeld van ons heelal voor ogen te halen. Hij appelleert hier aan de voorkennis en ‘common sense’ van de lezer. Hawking vat traditioneel aan bij de Griekse filosoof Aristoteles. Die geloofde reeds dat de aarde rond was, maar meende dat die in het middelpunt van het universum stond. In dit wereldbeeld werd Aristoteles gevolgd door Ptolemaeus, en het geocentrisme werd tot diep in de vijftiende eeuw behouden. Uiteindelijk werd het Ptolemeïsch wereldbeeld onder invloed van wetenschappers als Copernicus, Galileo Galilei en Kepler verworpen en werd plaats gemaakt voor een heliocentrisch wereldbeeld. Uiteindelijk werden de drie wetten van Kepler nog door Newton geünificeerd en verfijnd in de universele gravitatiewet. Hawking benadrukt in dit hoofdstuk echter dat hiermee de mouw nog niet af is in de moderne wetenschap. Hij introduceert al enkele thema’s in de postNewtoniaanse wetenschap die hij in dit boek zal belichten: onder meer de kwantummechanica, Einsteins relativiteitstheorie, het ontstaan en de uitdijing van ons heelal. 2. Ruimte en tijd Het tweede hoofdstuk vat aan met een introductie in de wetten van de zwaartekracht, die onder meer verantwoordelijk is voor de baan van de planeten. Ook de valbeweging wordt door Hawking aangehaald. Vervolgens legt Hawking uit hoe snelheid relatief is, afhankelijk van de bewegingstoestand van de toeschouwer. Dit impliceert ook dat er niet zoiets is als een absoluut rustpunt in de ruimte, dat als standaard geldt voor alle meting van beweging en rust. Vandaaruit kan Hawking de sprong maken naar Einsteins algemene en bijzondere relativiteitstheorie, daarvoor legt hij eerst de idee van lichtsnelheid uit. Die werd in 1676 door Ole Rømer vastgesteld. Om te verklaren hoe licht zich voortplant in de ruimte, werd aangenomen dat er een stof bestond die de hele ruimte vult: de ether. Einstein toonde echter aan dat dit idee van ether overbodig werd zodra men bereid was afstand te nemen van het begrip absolute tijd. Dit werd duidelijk in de relativiteitstheorie, die stelt dat alle waarnemers dezelfde lichtsnelheid meten, ongeacht hun eigen bewegingstoestand. Deze vaststelling impliceert dat tijd relatief is: ze is namelijk afhankelijk van de bewegingstoestand van de waarnemer. De relativiteitstheorie beschrijft ook dat de natuurwetten opgaan voor alle met constante snelheid bewegende waarnemers, ongeacht hun snelheid. Dit wordt begrijpelijk eens men ervan uitgaat dat absolute ruimte of tijd onbestaande zijn. Een andere belangrijke implicatie van Einsteins theorie is dat licht ook onderhevig lijkt te zijn aan de wetten van de zwaartekracht, en dus omgebogen kan worden in de ruimte. Dit betekent ook dat de tijd trager

Martha Claeys |

2

verloopt in de buurt van een grote massa, en sneller voor wie verder van die massa verwijdert is. Deze idee gaf de stof tot het beroemde tweelingen gedachte-experiment. Hawking introduceert in dit hoofdstuk ook de idee van lichtkegels, kegelvormige diagrammen dit het ruimtelijk bereik van licht uit een bepaalde lichtbron in de tijd beschrijven. Hoe meer de tijd vordert, hoe groter dit bereik. 3. Het uitdijende heelal Vandaag de dag heerst er onder fysici consensus dat het heelal geen statisch en afgerond geheel is, maar wel op een continue manier uitdijt. Hawking legt uit hoe men tot deze vaststelling is gekomen. Licht beweegt zich voort in golven, die dus een bepaalde golflengte en frequentie hebben. Die golven zijn onderhevig aan het dopplereffect, namelijk het effect dat de bewegingstoestand heeft op de golflengte die men kan gewaarworden. Als een geluidsbron – geluid wordt ook beschreven door golven – naar je toe beweegt zal de golflengte veel korter zijn dan wanneer die bron van je weg beweegt. Voor licht gaat hetzelfde op. Als het heelal werkelijk uitdijt, zou volgens de voorspellingen van het dopplereffect, de golflengte langer moeten worden, en zouden wetenschappers in het lichtspectrum van zichtbare golflengtes een roodverschuiving moeten waarnemen (het rode licht op het lichtspectrum heeft de grootste golflengte van de zichtbare golflengtes). Als een lichtbron naar ons toe zou bewegen, zouden we een shift naar blauw verwachten. Wetenschappers nemen echter een roodverschuiving waar, wat er dus op wijst dat sterren van ons weg bewegen, en het heelal uitdijt. Als het heelal uitdijt, verwachten we ook dat het op een bepaald moment in de tijd enorm klein was. De kracht die ervoor zorgt dat het heelal steeds groter blijft worden, moet zeer groot geweest zijn, en noemt men de oerknal. Het zou kunnen dat het heelal voor altijd blijft uitdijen, en een open heelal is. Wetenschappers houden echter ook de mogelijkheid open dat het heelal uiteindelijk terug zal inkrimpen, eens de zwaartekracht de bovenhand krijgt, en ineen zal storten in een ‘eindkrak’. In dit laatste geval zou ons heelal een gesloten heelal zijn. 4. Het onzekerheidsprincipe Het onzekerheidsprincipe is een van de belangrijkste wetten uit de kwantummechanica, het zegt dat je nooit tegelijk de snelheid van een golf en de positie van een deeltje op de golf kan weten. Vanaf je namelijk het deeltje lokaliseert, door er licht met een zeer korte golflengte op te schijnen, wordt de snelheid van het deeltje op onvoorspelbare wijze verandert. Wanneer we dus de positie bepalen van een deeltje in een golf is zijn snelheid onzeker, en omgekeerd kunnen we, wanneer we de snelheid van een golf meten, nooit tegelijk de positie van een deeltje op die golf kunnen traceren, want dit zou zijn snelheid opnieuw onvoorspelbaar veranderen. Vanuit dit principe kan Hawking een heleboel kwantummechanische fenomenen beschrijven. Zo beschrijft hij de golf/deeltje dualiteit bij lichtgolven aan de hand van het ‘double slith’ experiment. Als een lichtfoton op twee sleuven wordt afgevuurd, zien we op de wand erachter een interferentiepatroon verschijnen. Dit patroon is kenmerkend voor golven, aangezien twee golven elkaar versterken als ze in fase zijn (gelijk lopen, dallen en toppen vallen samen), of neutraliseren als ze niet in fase zijn (gespiegeld lopen). Het ‘double slith’ experiment wijst erop dat licht zich als golf gedraagt, toch zien we het licht als een deeltje als we het proberen te lokaliseren.

Martha Claeys |

3

5. Elementaire deeltjes Dit hoofdstuk behandelt de kleinste deeltjes van ons heelal, die het onderwerp zijn van de kwantummechanica. Men spreekt in deze context over quarks, deeltjes die nog kleiner zijn dan protonen of neutronen, en de bouwstenen zijn van alle materie. Hawking beschrijft dat er zes verschillende smaken quarks zijn, met elk ook een antiquark. Deze zijn nog eens onderscheiden in up-quarks en down-quarks. Ieder deeltje heeft een spin, een draaiing, van een welbepaalde grootte. De spin beschrijft hoe het deeltje eruit ziet van verschillende oogpunten, spin 0 betekent dat het er van ieder oogpunt gelijk uitziet, spin 1 betekent dat het deeltje 360 graden gedraaid moet worden om er opnieuw hetzelfde uit te zien (zoals bijvoorbeeld bij een pijl), spin 2 wijst erop dat het deeltje slechts 180 graden gedraaid moet worden (bijvoorbeeld een pijl met twee punten). Deze drie spingroottes onderscheiden zich van deeltjes met spin ½, deeltjes die er pas na twee volledige toeren, of 720 graden, opnieuw hetzelfde uitzien. De eerste soort deeltjes, met spin 1, 2 of 0, zijn verantwoordelijk voor het overbrengen van kracht tussen materie. De uitwisseling van gravitonen, bijvoorbeeld, veroorzaakt de gravitatiekracht tussen twee massa’s. Virtuele fotonen, anderzijds, brengen elektromagnetische wisselwerkingen over, deze kunnen zowel aantrekkend als afstotend zijn. Naast de gravitatie en de elektromagnetische kracht, zijn er in de natuur nog twee overige krachten aan het werk: de zwakke kernkracht, verantwoordelijk voor radioactiviteit, en de sterke kernkracht, die de quarks in het proton en net neutron bijeenhoudt en die de protonen en de neutronen in de kern van het atoom bijeenhoudt. Vandaag worden in de wetenschap pogingen gedaan om tot een Grote Geünificeerde Theorie te komen (GUT), een theorie die uiteindelijk alle grote natuurkrachten kan verzoenen en omvatten. Men is op zoek naar één ultieme kracht of theorie die de vier voorgenoemde krachten verklaart, en toont hoe zij uitingen zijn van eenzelfde wet of kracht, net zoals gravitatie ook verschillende fenomenen onder een noemer wist te brengen. 6. Zwarte gaten In dit hoofdstuk komt Hawking aan bij zijn eigen vakgebied binnen de fysica: zwarte gaten. Deze gaten zijn het gevolg van sterren die onder hun eigen massa en de kracht van de zwaartekracht bezwijken, en zichzelf letterlijk opslokken. Ze storten ineen tot een singulariteit. Aangezien de aantrekkingskracht van zo’n zwart gat zeer groot is, slokt ze ook alles binnen bereikbare afstand op. Ook licht kan opgeslokt worden, daarom worden de gaten aanvankelijk zwart genoemd (in het volgende hoofdstuk legt Hawking echter uit dat deze gaten toch licht afgeven, in de vorm van een waarnemingshorizon). Een ster moet minstens anderhalf maal de massa van de zon hebben om genoeg zwaartekracht uit te kunnen oefenen voor de vorming van een zwart gat. Kleinere sterren storten ineen tot ‘witte dwergen’, ‘bruine dwergen’ of neutronensterren. Het getal, dat het kantelpunt beschrijft tussen sterren die mogelijks ineenstorten tot zwarte gaten en andere sterren, werd ontdekt door Chandrasekhar, en is ook naar hem vernoemd. Zwarte gaten kunnen verschillende vormen aannemen, afhankelijk van massa en rotatie. Een nul-rotatie levert een perfect sferische of bolvormig zwart gat op, naarmate rotatie toeneemt vertoont het zwart gat echter een uitbulking op zijn ‘evenaar’. Als een zwart gat andere materie opzuigt, zoals een naburige ster, komt energie vrij in de vorm van röntgenstralen. De

Martha Claeys |

4

detectie van deze stralen betekent dus een argument voor het bestaan van zwarte gaten. In 1967 werden regelmatige pulsen van radiogolven uit de ruimte gedetecteerd door Jocelyn Bell-Burnell, wat wijst op het bestaan van neutronensterren. Als sterren al kunnen instorten tot een relatief kleine neutronenster, is het aannemelijk te aanvaarden dat ze ook tot nog kleinere omvang kunnen instorten, namelijk die van zwarte gaten. Als het bestaan van zwarte gaten mogelijk is, geeft dit ons ook al een eerste hint in de richting van het ontstaan van het heelal. Als iets oneindig klein kan inkrimpen, is deze beweging ook in de omgekeerde richting mogelijk: de oerknal. 7. Zwarte gaten zijn zo zwart nog niet Hawking ontdekte dat de paden van een lichtstraal op de waarnemingshorizon van een zwart gat onderling steeds parallel of van elkaar af moeten lopen. Ze kunnen nooit naar elkaar toe bewegen. Dat impliceert dat de waarnemingshorizon enkel gelijk kan blijven, of groter kan worden, maar nooit kleiner. Hetzelfde gaat op voor twee zwarte gaten die versmelten: hun waarnemingshorizon moet altijd gelijk aan of groter dan de som van de aparte waarnemingshorizonten zijn, nooit kleiner. Het feit dat de waarnemingshorizon van een zwart gat niet kleiner kan worden doet sterk denken aan een natuurkundige grootheid die entropie genoemd wordt, waarmee de mate van wanorde van een systeem wordt uitgedrukt. De tweede wet van de thermodynamica stelt dat de entropie van een geïsoleerd systeem altijd toeneemt en dat bij een samenvoeging van twee systemen de entropie van de gecombineerde systemen groter is dan de som van beide afzonderlijke systemen. Als we er echter vanuit gaan dat zwarte gaten entropie bezitten, moeten ze ook temperatuur bezitten, en dus ook in zekere mate straling afgeven. Dit is echter verrassend, aangezien van zwarte gaten verwacht wordt dat ze alle naburige massa opslokken, en dus zeker helemaal zelf niets uitzenden. Hawking werkt een theorie uit die dit zou moeten uitleggen: hij stelt dat de straling afkomstig is van materieparen die bestaan uit een deeltje en een antideeltje. Normaal gezien annihileert zo’n duo elkaar, maar als het zwarte gat toevallig enkel het antideeltje opslokt, ontsnapt het deeltje in het oneindige zonder dat het geannihileerd wordt door zijn anti-tegenhanger. Op deze manier lijkt het of het zwart gat straling uitzendt. 8. Oorsprong en toekomst van het heelal In vorige hoofdstukken bouwt Hawking eigenlijk op naar de grote vraag van dit boek: hoe is het heelal ooit ontstaan (als het al is ontstaan) en hoe zou het mogelijks kunnen eindigen? In hoofdstuk 3 raakte Hawking al even de idee aan dat de uitdijing van het heelal zou kunnen wijzen op een moment dat het heelal oneindig klein was. De idee van zwarte gaten en singulariteiten zou kunnen verklaren wat die kleine vorm geweest kan zijn, en toont aan dat het überhaupt mogelijk is dat zo’n vorm bestaat. Deze combinatie van entiteiten mondt uit in het ‘hete-oerknalmodel’. Deze naam heeft te maken met de idee dat materie en straling afkoelt als het uitdijt, de beginsingulariteit moet dus oneindig heet geweest zijn. Bij het afkoelen is de materie samen beginnen klonteren, tot het uiteindelijk de vorm had die het nu heeft. In het hete-oerknalmodel neemt de mate van uitdijing gestaag af met verloop van tijd. Een ander model, het inflatoire model, beschrijft echter dat de uitdijing in een vroege fase (milliseconden na de knal) eerst razendsnel toeneemt, en daarna pas weer afneemt. (Noot van mezelf: dit model is trouwens enkele weken geleden bewezen en bevestigt, dus alles wijst er

Martha Claeys |

5

nu op dat de cruciale uitdijing voornamelijk in de eerste milliseconden na de oerknal plaats heeft gevonden. In de tijd dat de tweede editie van Het heelal uitgegeven werd was dit inflatoire model nog slechts een hypothese). Dit model werd ontwikkeld om te kunnen verklaren dat het heelal er in alle richtingen hetzelfde uitziet. Of je nu tien miljard lichtjaren in de ene of in de andere richting kijkt, de temperatuur in de microgolfachtergrondstraling zal aan beiden kanten min of meer gelijk zijn (met geringe fluctuaties, in de hetere plekken zijn uiteindelijk sterren ontstaan). Aangezien er echter twintig miljard lichtjaar tussen beiden locaties zit, is communicatie onmogelijk. Dit wijst erop dat, zoals in het inflatoire model, alles in het heelal ooit met elkaar in contact heeft moeten staan in een singulariteit. Aangezien het heelal nog maar 14 miljard jaar bestaat, moet het heelal in die eerste milliseconde met een snelheid uitgedijd zijn die groter is dan de lichtsnelheid. Hawking bespreekt in dit hoofdstuk ook het antropische principe, dat stelt dat er veel mogelijke vormingen van een heelal mogelijk zijn. Deze gebeuren toevallig, maar de reden dat het onze eruit ziet zoals het eruit ziet is dat er in andere mogelijke heelallen geen menselijk leven mogelijk is. Het zou bijvoorbeeld kunnen dat een heelal te snel uitdijt, en zo te leeg wordt voor menselijk leven, of te traag uitdijt en zo terug ineenstort voor menselijk leven zich heeft gevormd. Verder haalt Hawking het voorstel van onbegrensdheid aan. Men zou de (imaginaire) tijd van ons heelal kunnen voorstellen als een globe, een ronde bol, eigenlijk zoals de aarde. Van de aarde kunnen we ook niet zeggen dat die op een bepaald punt begint of eindigt, toch is de aarde een en eindig geheel. Zo zou men het heelal in imaginaire tijd ook kunnen voorstellen: eindig in omvang maar onbegrensd. 9. De pijl van de tijd Stephen Hawking introduceert drie tijdpijlen: de thermodynamische pijl, de richting waarin de entropie toeneemt, de psychologische pijl, de richting waarin we het verstrijken van de tijd ondergaan en de kosmologische pijl, de richting waarin het heelal in omvang toeneemt. In onze ervaring wijzen alle drie de pijlen dezelfde richting uit, maar is dit ook noodzakelijk en altijd zo? Kan het, met andere woorden, dat een van de drie pijlen op een bepaald moment van richting verandert. Hawking toont in dit hoofdstuk aan dat de psychologische en de thermodynamische pijl onvermijdelijk altijd in dezelfde richting wijzen. De thermodynamische en kosmologische pijl hebben evenwel niet gedurende de hele geschiedenis dezelfde kan op gewezen, maar enkel wanneer ze in dezelfde richting wijzen is intelligent leven mogelijk. Hawking beroept zich dus op het antropische principe: de drie pijlen wijzen voor ons in dezelfde richting omdat wij alleen dan kunnen bestaan. Als ze dat niet deden zouden wij hier ook niet zijn om de tijdpijlen te bevragen. Om aan te tonen dat de thermodynamische pijl en de psychologische pijl in dezelfde richting wijzen beroept Hawking zich op de tweede wet van de thermodynamica: de wet van de toenemende entropie. De wanorde neemt in de tijd noodzakelijk toe en niet af, ook psychologisch geldt dit: iedere psychologische ervaring of activiteit, bijvoorbeeld in de vorm van een herinnering, brengt energie voort die de wanorde in de ruimte verhoogt. Men kan aantonen dat deze verhoging van wanorde altijd groter is dan de toename van orde in het geheugen. De thermodynamische pijl en de psychologische pijl zijn dus in wezen hetzelfde, zo bepleit Hawking. Dit toont meteen aan waarom de mens alleen in de uitdijingsfase kan bestaan, en waarom de kosmologische pijl voor ons dus in dezelfde richting moet wijzen als de twee andere tijdspijlen. De samentrekkingsfase is niet geschikt omdat die de

Martha Claeys |

6

thermodynamische pijl omkeert of onduidelijk maakt, terwijl de menselijke activiteit de entropie noodzakelijk doet toenemen. 10. Wormgaten en reizen door de tijd Dit hoofdstuk voegde Hawking pas toe in een tweede, gereviseerde versie van Het heelal. Na de conclusie dat de drie tijdspijlen in dezelfde richting moeten wijzen, volgt de vraag of wij daar ooit tegenin kunnen gaan. Met andere woorden: is tijdreizen mogelijk? Hawking legt uit dat, als we in staat zouden zijn om met een grotere snelheid dan die van het licht voort te bewegen, tijdreizen in theorie mogelijk is. Dit heeft te maken met de idee dat er geen algemene tijdsstandaard bestaat, zoals de relativiteitstheorie impliceert. Stel dat men aan deze snelheid naar een andere planeet reist en terugkeert, dan kan het voor de waarnemers in theorie lijken alsof de terugkomst voor het vertrek plaatsvond. Hawking legt echter eerder in het boek al uit dat een dergelijke snelheid niet mogelijk is, omdat er oneindig veel energie voor nodig zou zijn. Er is echter misschien nog wel een uitweg: het is mogelijk dat tijd en ruimte zo gekromd zou zijn dat ze als het ware in lagen naast elkaar liggen, en er shortcuts bestaan tussen die lagen. Die verbindingen zouden de vorm hebben van een smalle buis, en noemt men wormgaten. Deze theorie vindt zijn oorsprong al bij Einstein, die in dit verband van ‘bruggen’ sprak. Voorlopig lijkt het er echter op dat zo een verbinding nooit lang genoeg openblijft om kleine materie, laat staan een ruimteschip door te laten. Tijdreizen zou bovendien nog andere complicaties met zich mee brengen, die Hawking bespreekt in de vorm van een aantal paradoxen. Stel nu bijvoorbeeld dat je terug kan gaan in de tijd, en je grootvader vermoordt, hoe kan je dan nog geleefd hebben om vervolgens je grootvader te vermoorden, enzovoort. We krijgen met tegenstrijdigheden te maken als we onbelemmerd in het verleden zouden kunnen ingrijpen. Hawking stelt dat dit opgelost zou zijn als we ervan uitgaan dat er heel veel alternatieve geschiedenissen zijn die zich bij sommige cruciale gebeurteniss...