The real Big Bang theory - Vereniging voor Natuurkunde · • Problemen: - de balancerende krachten...

58
The real Big Bang theory … ? Sven De Rijcke 1

Transcript of The real Big Bang theory - Vereniging voor Natuurkunde · • Problemen: - de balancerende krachten...

Page 1: The real Big Bang theory - Vereniging voor Natuurkunde · • Problemen: - de balancerende krachten zijn oneindig sterk - waarom is de nachthemel donker (paradox van Olbers)? •

The real Big Bang theory …

?Sven De Rijcke 1

Page 2: The real Big Bang theory - Vereniging voor Natuurkunde · • Problemen: - de balancerende krachten zijn oneindig sterk - waarom is de nachthemel donker (paradox van Olbers)? •

… bestaat niet.

• De Big Bang is een “feature” van de kosmologie, geen doelop zich

• Kosmologie gebaseerd op AR is een 20e-eeuwse uitvinding

• De ideeën waarop de kosmologie gebaseerd is, zijn veelouder

• Hoe leiden die tot de Big Bang?

2

Page 3: The real Big Bang theory - Vereniging voor Natuurkunde · • Problemen: - de balancerende krachten zijn oneindig sterk - waarom is de nachthemel donker (paradox van Olbers)? •

Het kosmisch centrum

3

Page 4: The real Big Bang theory - Vereniging voor Natuurkunde · • Problemen: - de balancerende krachten zijn oneindig sterk - waarom is de nachthemel donker (paradox van Olbers)? •

• Eén van de populairste heelalmodellen ooit is vernoemdnaar de Atheense filosoof Aristoteles (384-322 VC)

• Leerling aan Plato’s AtheenseAcademie

• Sticht in 335 VC zijn eigenLyceum

• Hij observeert en bestudeertde natuur, formuleertfilosofische principes als“verklaring”

• Geen wetenschapper in onzehuidige betekenis

4School van Athene, Rafaël, 1510

Page 5: The real Big Bang theory - Vereniging voor Natuurkunde · • Problemen: - de balancerende krachten zijn oneindig sterk - waarom is de nachthemel donker (paradox van Olbers)? •

• Het Aristoteliaanse heelalmodel had een duidelijkcentrum, de aarde: het is een geocentrisch model,uiteengezet in 350 VC in zijn boek “Περὶ οὐρανοῦ” (“Overde Hemelen”)

• Rond de aarde roteren de planeten, de zon en desterren op transparante sferen

• Vier ondermaanse elementen(aarde, lucht, water, vuur) enéén “hemels” element (aether)

• Synthese van filosofischeargumenten van veelvoorgangers en tijdgenoten(Plato, Eudoxus van Knidios, …)

5

Page 6: The real Big Bang theory - Vereniging voor Natuurkunde · • Problemen: - de balancerende krachten zijn oneindig sterk - waarom is de nachthemel donker (paradox van Olbers)? •

• Het Aristoteliaanse heelalmodel overleefde tot deCopernicaanse revolutie (1543) het verving door eenheliocentrisch model met de zon als centrum

weer in een oneindig uitgestrekt heelal zonder centrum,vol met sterren, alle met hun eigen planeten. Geloofdedan weer niet in de goddelijkheid van Christus, deheilige drievuldigheid, de maagdelijkheid van Maria, detransubstantiatie, enz. en eindigde op de brandstapel

• Tot in de 17e eeuwbehield het heelal eengoed gedefinieerdcentrum

• De Italiaanse monnikGiordano Bruno (1548-1600) geloofde dan

6

Page 7: The real Big Bang theory - Vereniging voor Natuurkunde · • Problemen: - de balancerende krachten zijn oneindig sterk - waarom is de nachthemel donker (paradox van Olbers)? •

7

• De Franse filosoof/wiskundige René Descartes (1596-1650) gaf de aanzet tot de verwiskundiging van denatuurkunde

• Hij geloofde niet in “actie opeen afstand” en verwierp hetbestaan van atomen/vacuüm(geen lege ruimte!)

• Alle krachten zijn gevolg vandruk/spanning en trekken/duwenbinnen een het volledige heelalvullend fluïdum

• Dit heelal heeft geen centrum …

Page 8: The real Big Bang theory - Vereniging voor Natuurkunde · • Problemen: - de balancerende krachten zijn oneindig sterk - waarom is de nachthemel donker (paradox van Olbers)? •

8

• De Engelse natuur- en wiskundige Isaac Newton (1642-1726) bouwde voort op het werk van Robert Hooke(1635-1703), Edmund Halley (1656-1742), e.a. enformuleerde zijn bekende bewegings- en zwaarte-krachtwetten

• Geloofde aanvankelijk in een oneindig uitgestrekt heelalmet in het centrum het zonnestelsel en daarrond eeneindige wolk van sterren …

• … tot in 1692/1693 zijn uitwisselingvan vier brieven met de theoloogRichard Bentley (1662-1742) hemdeed inzien dat dat een instabielmodel is: het stort onder zijn eigenzwaartekracht in!

Page 9: The real Big Bang theory - Vereniging voor Natuurkunde · • Problemen: - de balancerende krachten zijn oneindig sterk - waarom is de nachthemel donker (paradox van Olbers)? •

9

• Nieuw idee: een oneindig uitgestrekt heelal, zondercentrum, met uniform verdeelde materie.

• Lokale dichtheidsvariatiesleiden tot structuurvorming

• Problemen: - de balancerende krachten zijn oneindigsterk

- waarom is de nachthemel donker (paradoxvan Olbers)?

• Het idee dat rotatie zijn eindigesterrenwolk ook zou kunnenstabiliseren, kwam blijkbaar niet inNewton op …

Page 10: The real Big Bang theory - Vereniging voor Natuurkunde · • Problemen: - de balancerende krachten zijn oneindig sterk - waarom is de nachthemel donker (paradox van Olbers)? •

10

• >18e eeuw: bepalen van de vorm van de Melkweg(William Herschel, 1738-1822) in 1785 en meten vanafstanden tot de sterren (1784-1846) in 1838 leidde tothet Victoriaans universum:

• De zon zit dichtbijcentrum van deMelkweg, een roterendesterwolk in evenwicht

• Aan de rand van deMelkweg bevinden zichde “nebulae”

• De zon is () het centrumvan dit systeem omringddoor lege ruimte

Page 11: The real Big Bang theory - Vereniging voor Natuurkunde · • Problemen: - de balancerende krachten zijn oneindig sterk - waarom is de nachthemel donker (paradox van Olbers)? •

11

• 20e eeuw: Amerikaanse astronoom Harlow Shapley(1885-1972) ontdekt in 1918 dat de zon ver vanMelkwegcentrum zit terwijl collega Edwin Hubble (1889-1953) in 1925 kan aantonen dat dwerggalaxie NGC6822ver buiten de Melkweg zit

• In 1929 deed hij hetzelfde voor Andromeda

Page 12: The real Big Bang theory - Vereniging voor Natuurkunde · • Problemen: - de balancerende krachten zijn oneindig sterk - waarom is de nachthemel donker (paradox van Olbers)? •

12

• Wij wonen dus hoogst waarschijnlijk op een banaleplaneet naast een banale ster in een banaalsterrenstelsel en niet in een speciaal “centrum”

• Waarnemingen: het heelal ziet er in alle richtingenhetzelfde uit; het is isotroop

• Syllogisme: het heelal is isotroop wij zitten waarschijnlijk niet op een speciale plaats het heelal is waarschijnlijk overal gelijk (is homogeen)

Page 13: The real Big Bang theory - Vereniging voor Natuurkunde · • Problemen: - de balancerende krachten zijn oneindig sterk - waarom is de nachthemel donker (paradox van Olbers)? •

13

• Albert Einstein (1879-1955) formuleert dit in 1931 als “alleplaatsen in het heelal zijn gelijk”

• De Britse astrofysicus en kosmoloog Edward Milne(1896-1950) doopt dit in 1933 het “CosmologicalPrinciple”

• Deze (waarschijnlijke) uniformiteit is één van defundamenten van de kosmologie

Page 14: The real Big Bang theory - Vereniging voor Natuurkunde · • Problemen: - de balancerende krachten zijn oneindig sterk - waarom is de nachthemel donker (paradox van Olbers)? •

De kosmische rand

14

Page 15: The real Big Bang theory - Vereniging voor Natuurkunde · • Problemen: - de balancerende krachten zijn oneindig sterk - waarom is de nachthemel donker (paradox van Olbers)? •

15

• Fundament van de wetenschap: het fysisch universumbevat alles dat fysisch (bedenkbaar, tastbaar,meetbaar, testbaar, herhaalbaar, …) is en niks anders

• Dit is het “Containment Principle”

• Dus wel: hersenprocessen (elektriciteit, chemie, …)• Maar niet: de ziel

• Tijd en ruimte zijn bestudeerbaar en zijn dus onderdeelvan het fysisch universum: het heelal bevat tijd en ruimteen bestaat niet in tijd en ruimte

• “Wat bevindt zich buiten het heelal?” is dan een zinlozevraag. Als we erover kunnen praten is het onderdeel vanhet heelal …

Page 16: The real Big Bang theory - Vereniging voor Natuurkunde · • Problemen: - de balancerende krachten zijn oneindig sterk - waarom is de nachthemel donker (paradox van Olbers)? •

16

• Het Aristoteliaans universum heeft een “harde”buitenrand: de sfeer waarop de sterren zitten

• Dat leidde tot de vraag: “Wat gebeurt er als je eenspeer naar die rand gooit? Kaatst de speer terug opde rand (optie 1) of vliegt ze verder (optie 2)?

• Optie 1: iets wordt altijddoor iets anders begrensd(strand/zee) dus de randvan het heelal moet buitenhet heelal liggen.

Hoe kan de rand (buitenhet tastbare heelal) dan despeer (binnen het tastbareheelal) tegenhouden?

Page 17: The real Big Bang theory - Vereniging voor Natuurkunde · • Problemen: - de balancerende krachten zijn oneindig sterk - waarom is de nachthemel donker (paradox van Olbers)? •

17

• Het Aristoteliaans universum heeft een “harde”buitenrand: de sfeer waarop de sterren zitten

• Dat leidde tot de vraag: “Wat gebeurt er als je eenspeer naar die rand gooit? Kaatst de speer terug opde rand (optie 1) of vliegt ze verder (optie 2)?

• Optie 2: als de speerverder vliegt dan verlegt zede rand van wat in onsheelal zit.

Blijkbaar is de rand tochniet echt de rand want hijkan verplaatst worden …

Page 18: The real Big Bang theory - Vereniging voor Natuurkunde · • Problemen: - de balancerende krachten zijn oneindig sterk - waarom is de nachthemel donker (paradox van Olbers)? •

18

• Het Middeleeuws christendom bracht een uitkomst.Buiten de Aristoteliaanse stersfeer bevindt zich hetEmpyreum: de oneindiguitgestrekte woonplaatsvan God & Engelen (ziebvb. De GoddelijkeKomedie van DanteAlighieri uit ~1320)

• Voorbij de laatste sfeerkom je in het Goddelijke,het aetherische terecht

• Het christelijk heelalschendt bijgevolg hetContainment Principle!

Page 19: The real Big Bang theory - Vereniging voor Natuurkunde · • Problemen: - de balancerende krachten zijn oneindig sterk - waarom is de nachthemel donker (paradox van Olbers)? •

19

• Het Victoriaanse heelal heeft geen rand: voorbij deMelkweg strekt zich een oneindige, lege ruimte uit

• De “schepping” had wel een rand. Je kon een raketnemen, ver genoeg reizen, stoppen, omkijken … en devolledige creatie in ogenschouw nemen.

• In de 20e eeuw is de rand van het heelal samen met hetcentrum verdwenen: het heelal is een uniforme wolk vansterrenstelsels zonder speciale plaatsen (geen centrum,geen rand).

Page 20: The real Big Bang theory - Vereniging voor Natuurkunde · • Problemen: - de balancerende krachten zijn oneindig sterk - waarom is de nachthemel donker (paradox van Olbers)? •

Wat betekent uniformiteit?

20

Page 21: The real Big Bang theory - Vereniging voor Natuurkunde · • Problemen: - de balancerende krachten zijn oneindig sterk - waarom is de nachthemel donker (paradox van Olbers)? •

21

• Als het heelal nu uniform is dan zijn alle waarnemers inheelal nu gelijkberechtigd

• Hun klokken tikken nu allen aan hetzelfde tempo

• Als de natuurwetten universeel zijn (overal en altijddezelfde) dan evolueert het heelal overal op dezelfdemanier (dezelfde wetten gevolgd over gelijketijdsspannes geven dezelfde uitkomst) …

• … het heelal is bijgevolg altijd uniform!

• Dit laat meteen een kosmische tijdsrekening toewaarover alle waarnemers in het heelal het eens zijn.

Page 22: The real Big Bang theory - Vereniging voor Natuurkunde · • Problemen: - de balancerende krachten zijn oneindig sterk - waarom is de nachthemel donker (paradox van Olbers)? •

Het heelal expandeert

22

Page 23: The real Big Bang theory - Vereniging voor Natuurkunde · • Problemen: - de balancerende krachten zijn oneindig sterk - waarom is de nachthemel donker (paradox van Olbers)? •

23

• In 1929 ontdekten de Amerikaanse astronomen EdwinHubble (1889-1953) en Milton Humason (1891-1972) datde sterrenstelsels isotroop van ons wegbewegen meteen snelheid evenredig met hun afstand.

Page 24: The real Big Bang theory - Vereniging voor Natuurkunde · • Problemen: - de balancerende krachten zijn oneindig sterk - waarom is de nachthemel donker (paradox van Olbers)? •

24

• Blijkbaar zitten wij in het speciale centrum van eengrote, kosmische explosie …

• wat strijdig zou zijn met het Cosmological Principle

• Veel waarschijnlijker: elke galaxie ziet zichzelf als hetcentrum van een grote, kosmische explosie

• Of: het heelal is waarschijnlijk in uniforme expansie (allegalaxieën vliegen van elkaar weg).

Page 25: The real Big Bang theory - Vereniging voor Natuurkunde · • Problemen: - de balancerende krachten zijn oneindig sterk - waarom is de nachthemel donker (paradox van Olbers)? •

De donkere nachthemel

25

Page 26: The real Big Bang theory - Vereniging voor Natuurkunde · • Problemen: - de balancerende krachten zijn oneindig sterk - waarom is de nachthemel donker (paradox van Olbers)? •

26

• In 1824 formuleerde de Duitse amateurastronoomHeinrich Olbers (1758-1840) de naar hem vernoemde(maar niet door hem bedachte) paradox.

In een oneindig uitgestrekt heelal eindigt elkegezichtslijn uiteindelijk op een steroppervlak.

• Het aantal sterren in eenbeeldveld stijgt kwadratisch metafstand terwijl hun ontvangen fluxkwadratisch met afstand daalt(Edmund Halley, 1720).

• Je ontvangt van elke schil sterrenevenveel licht wat in een oneindigheelal een oneindige totale fluximpliceert en toch is denachthemel donker …

Page 27: The real Big Bang theory - Vereniging voor Natuurkunde · • Problemen: - de balancerende krachten zijn oneindig sterk - waarom is de nachthemel donker (paradox van Olbers)? •

27

• Reeds in 1576 legt de Engelse wis- en sterrenkundigeThomas Digges (1543-1595) de vinger op deze zerewonde. Hij meent het probleem op te lossen door testellen dat de meeste sterren onzichtbaar zijn wegenshun grote afstand.

• Zoals we net aantoonden, werkt dat argument niet.

Page 28: The real Big Bang theory - Vereniging voor Natuurkunde · • Problemen: - de balancerende krachten zijn oneindig sterk - waarom is de nachthemel donker (paradox van Olbers)? •

28

• In 1610 stelt de Duitse sterrenkundige Johannes Kepler(1571-1630) de zaken scherp: ofwel een oneindiguniversum en een heldere nachthemel ofwel een eindiguniversum (met een buitenrand) en een donkerenachthemel.

Zelf gaat hij voor de muur: de “gaten” tussen de sterrenzijn donker omdat ze echt leeg zijn.

Page 29: The real Big Bang theory - Vereniging voor Natuurkunde · • Problemen: - de balancerende krachten zijn oneindig sterk - waarom is de nachthemel donker (paradox van Olbers)? •

29

• De Zwitserse sterren- en wiskundige Jean-Philippe Loysde Chéseaux (1718-1751) suggereert in 1744 dat het lichtvan de verre sterren door stof wordt geabsorbeerd enons dus niet bereikt.

Dat is ook de oplossing die Olbers naar voor schuift in1823.

Dit wordt in 1848 ontkracht doorJohn Herschel (zoon van) (1792-1871): door deze absorptie wordthet stof opgewarmd tot het netzo warm is als de ontvangenstraling en bijgevolg even hardgaat schijnen.

Page 30: The real Big Bang theory - Vereniging voor Natuurkunde · • Problemen: - de balancerende krachten zijn oneindig sterk - waarom is de nachthemel donker (paradox van Olbers)? •

30

• De gemiddelde massadichtheid van het heelal (hetgewone spul) is ongeveer 0.25 waterstofatomen perkubieke meter. Dat vertegenwoordigt eenenergiedichtheid 𝜌𝐻𝑐

2~4 × 10−11 ΤJoule m3

• Als je die massa-energie plots helemaal in stralingomzet dan krijg je een uniform stralingsbad met eentemperatuur van ongeveer 15 Kelvin. Dat is ververwijderd van de verwachte oneindige flux …

• Het is dus onmogelijk om de nachthemel fel te doenoplichten: in ons heelal is hiervoor niet voldoendeenergie voorradig.

• Wat is er dan mis met de traditionele argumentatie?

Page 31: The real Big Bang theory - Vereniging voor Natuurkunde · • Problemen: - de balancerende krachten zijn oneindig sterk - waarom is de nachthemel donker (paradox van Olbers)? •

31

• Wat eigenlijk van belang is, is de kijklimiet. Elke sterheeft een eindig oppervlak op de hemel en verstoptbijgevolg de achterliggende sterren.

De kijklimiet is de gemiddelde afstand waarop jegezichtslijn een ster raakt.

• Bomen-in-het-bos-analogie

• Als je de kijklimiet haalt dan isde oppervlaktehelderheid van dehemel = die van de zon

• De verwachte temperatuur vande straling is dan ~5000 Kelvin,wat energetisch onmogelijk is.

• Waarom halen we de kijklimietniet?

Page 32: The real Big Bang theory - Vereniging voor Natuurkunde · • Problemen: - de balancerende krachten zijn oneindig sterk - waarom is de nachthemel donker (paradox van Olbers)? •

32

• Stel je een cylinder met volume 𝑉, vooroppervlak 𝐴, enlengte 𝑑 voor.

• Als daar 𝑁 sterren in zitten dan is de sterdichtheid 𝑛 =Τ𝑁 𝑉, of 𝑁 = 𝑛 × 𝐴 × 𝑑

• Als elke ster een oppervlak 𝑠 heeft dan beslaan allesterren samen een oppervlak 𝑆 = 𝑁 × 𝑠 = 𝑛 × 𝐴 × 𝑑 × s

𝐴

𝑑

𝑠

Page 33: The real Big Bang theory - Vereniging voor Natuurkunde · • Problemen: - de balancerende krachten zijn oneindig sterk - waarom is de nachthemel donker (paradox van Olbers)? •

33

• Stel je een cylinder met volume 𝑉, vooroppervlak 𝐴, enlengte 𝑑 voor.

• Als daar 𝑁 sterren in zitten dan is de sterdichtheid 𝑛 =Τ𝑁 𝑉, of 𝑁 = 𝑛 × 𝐴 × 𝑑

• Als elke ster een oppervlak 𝑠 heeft dan beslaan allesterren samen een oppervlak 𝑆 = 𝑁 × 𝑠 = 𝑛 × 𝐴 × 𝑑 × s

• Als de cylinder zo lang is dat het volledigevooroppervlak opgevuld raakt met sterschijfjes dan hebje de kijklimiet bereikt.Met andere woorden,

𝑆 = 𝑛 × 𝐴 × 𝑑 × s = A → 𝑑 =1

𝑛 × 𝑠=

𝑉

𝑁 × 𝑠=𝑉1𝑠

met 𝑉1 =𝑉

𝑁=

1

𝑛het gemiddeld volume dat 1 ster bevat.

𝐴

𝑑

𝑠

Page 34: The real Big Bang theory - Vereniging voor Natuurkunde · • Problemen: - de balancerende krachten zijn oneindig sterk - waarom is de nachthemel donker (paradox van Olbers)? •

34

• We kunnen tot een kijklimiet 𝑑 =𝑉1

𝑠sterren zien …

• Het volume dat we kunnen waarnemen is bijgevolg

𝑉obs =4𝜋

3𝑑3 =

4𝜋

3

𝑉13

𝑠3

en het totale aantal sterren dat we kunnen zien is

𝑁tot = 𝑛𝑉obs =𝑉obs𝑉1

=4𝜋

3

𝑉12

𝑠3

• Sterren zitten opgesloten in galaxieën met tusseningigantische volumes lege ruimte

• De gemiddelde massadichtheid van het heelal isongeveer 0.25 waterstofatomen per kubieke meter. Ditcorrespondeert met 𝑽𝟏 = 𝟏𝟓𝟎 × 𝟏𝟎𝟔 𝐩𝐜𝟑.

Page 35: The real Big Bang theory - Vereniging voor Natuurkunde · • Problemen: - de balancerende krachten zijn oneindig sterk - waarom is de nachthemel donker (paradox van Olbers)? •

35

• De zon heeft een straal van 700.000 kmwat een schijfjemet oppervlak 𝑠 = 2 × 10−15 pc2 geeft. Dit impliceerteen kijklimiet

𝑑 =𝑉1𝑠= 7.5 × 1022 pc

Bolshoi, 250 Mpc box

- galaxie: ~0.02 Mpc- Lokale Groep: ~1 Mpc- galaxiecluster: ~5 Mpc- void: ~50 Mpc

De kijklimiet 𝑑 is 300biljoen (300 × 1012) Bolshoiboxen lang!

Bolshoi box op één A4:𝑑~400 × aarde-zon …

40 Mpc

5 Mpc

250 Mpc

1 Mpc

Page 36: The real Big Bang theory - Vereniging voor Natuurkunde · • Problemen: - de balancerende krachten zijn oneindig sterk - waarom is de nachthemel donker (paradox van Olbers)? •

36

• De gemiddelde massadichtheid van het heelal isongeveer 0.25 waterstofatomen per kubieke meter. Ditcorrespondeert met 𝑽𝟏 = 𝟏𝟓𝟎 × 𝟏𝟎𝟔 𝐩𝐜𝟑.

• De zon heeft een straal van 700.000 kmwat een schijfjemet oppervlak 𝑠 = 2 × 10−15 pc2 geeft. Dit impliceerteen kijklimiet

𝑑 =𝑉1𝑠= 7.5 × 1022 pc

• Dat stemt overeen met een limietlichtreistijd

𝑡~𝑑

𝑐~2 × 1023 jaar

• Het totale aantal sterren binnen de kijklimiet is

𝑁tot =4𝜋

3

𝑉12

𝑠3~1061

Page 37: The real Big Bang theory - Vereniging voor Natuurkunde · • Problemen: - de balancerende krachten zijn oneindig sterk - waarom is de nachthemel donker (paradox van Olbers)? •

37

• Wat kan er nu voor zorgen dat we niet tot aan dekijklimiet kunnen kijken en dus geen volledig met sterrenbedekte hemel zien?

1. het heelal is kleiner dan de kijklimiet

De Duitse wiskundige Bernhard Riemann (1826-1866)onwikkelde de meetkunde van gekromde ruimtes.Mogelijkheid dat ons heelal een positief gekromderuimte is: uniform, centrum- en randenloos(Cosmological Principle) maar eindig, een 3D“boloppervlak”. Lichtstralen moeten binnen dit “opper-vlak” bewegen (Containment Principle).

Is de hemel donker als het heelal kleiner is dan dekijklimiet?

Page 38: The real Big Bang theory - Vereniging voor Natuurkunde · • Problemen: - de balancerende krachten zijn oneindig sterk - waarom is de nachthemel donker (paradox van Olbers)? •

38

1. het heelal is kleiner dan de kijklimiet

Stel je een sferische wereld vol bomen voor, met dekijklimiet half zo groot als de omtrek van deze wereld.

Dan zie je de antipode-boom in elke kijkrichtingstaan, 360° rond

Je kunt hem dus van allekanten bekijken!

Page 39: The real Big Bang theory - Vereniging voor Natuurkunde · • Problemen: - de balancerende krachten zijn oneindig sterk - waarom is de nachthemel donker (paradox van Olbers)? •

39

1. het heelal is kleiner dan de kijklimiet

Stel je een sferische wereld vol bomen voor, met dekijklimiet half zo groot als de omtrek van deze wereld.

Andere bomen zie jeenkel binnen eenbeeldveld kleiner dan360°

Die kan je niet van allekanten bekijken

Hoe dan ook is jevolledige beeldveldbedekt met bomen(=heldere nachthemel)

Page 40: The real Big Bang theory - Vereniging voor Natuurkunde · • Problemen: - de balancerende krachten zijn oneindig sterk - waarom is de nachthemel donker (paradox van Olbers)? •

40

1. het heelal is kleiner dan de kijklimiet

Stel je een sferische wereld vol bomen voor, met dekijklimiet gelijk aan de omtrek van deze wereld.

Als de kijklimiet gelijk isaan de omtrek van dewereld dan zie je elkeboom in elke kijkrichtingstaan.

Je kan ze allemaal vanalle kanten bekijken!

Je volledige beeldveld isbedekt met bomen(=heldere nachthemel)

Page 41: The real Big Bang theory - Vereniging voor Natuurkunde · • Problemen: - de balancerende krachten zijn oneindig sterk - waarom is de nachthemel donker (paradox van Olbers)? •

41

1. het heelal is kleiner dan de kijklimiet

Stel je een sferische wereld vol bomen voor, met dekijklimiet groter dan de omtrek van deze wereld.

Dan zie je elke boom inelke kijkrichting staan.

Je kan ze allemaal vanalle kanten bekijken.

Van sommige bomen zalje in sommige richtingenzelfs meer dan éénbeeld zien (als dezelfdelichtbundel je meermaalspasseert)!

2 beelden

Page 42: The real Big Bang theory - Vereniging voor Natuurkunde · • Problemen: - de balancerende krachten zijn oneindig sterk - waarom is de nachthemel donker (paradox van Olbers)? •

42

1. het heelal is kleiner dan de kijklimiet

Stel je een sferische wereld vol bomen voor, met dekijklimiet groter dan de omtrek van deze wereld.

Dan zie je elke boom inelke kijkrichting staan.

Je kan ze allemaal vanalle kanten bekijken.

Van sommige bomen zalje in sommige richtingenzelfs meer dan éénbeeld zien (als dezelfdelichtbundel je meermaalspasseert)!

1 beeld

Page 43: The real Big Bang theory - Vereniging voor Natuurkunde · • Problemen: - de balancerende krachten zijn oneindig sterk - waarom is de nachthemel donker (paradox van Olbers)? •

43

2. het heelal is jonger dan de limietlichtreistijd

Het licht van sterren aan de kijklimiet doet er ~1023

jaar over om ons te bereiken

Willen we nu licht ontvangen van sterren aan dekijklimiet dan moeten er ~1023 jaar geleden sterrenbestaan hebben …

of: het heelal moet minstens ~1023 jaar oud zijn omsterlicht van de kijklimiet te kunnen ontvangen.

Als het heelal jonger is dan dat dan kijken we niet totaan de kijklimiet en zijn er “donkere plekken” tussen desterren: zichtslijnen die niet op een steroppervlakeindigen.

Page 44: The real Big Bang theory - Vereniging voor Natuurkunde · • Problemen: - de balancerende krachten zijn oneindig sterk - waarom is de nachthemel donker (paradox van Olbers)? •

het heelal moet minstens ~1023 jaar oud zijn omsterlicht van de kijklimiet te kunnen ontvangen.

Als het heelal jonger is dan dat dan kijken we niet totaan de kijklimiet en zijn er “donkere plekken” tussen desterren: zichtslijnen die niet op een steroppervlakeindigen.

44

2. het heelal is jonger dan de limietlichtreistijd

Hoe jonger het heelal, hoe meer zichtslijnen niet opeen steroppervlak eindigen en hoe groter de fractiedonkere hemel is.

De donkere nachthemel impliceert dus een heelal meteen eindige leeftijd!

Page 45: The real Big Bang theory - Vereniging voor Natuurkunde · • Problemen: - de balancerende krachten zijn oneindig sterk - waarom is de nachthemel donker (paradox van Olbers)? •

45

2. het heelal is jonger dan de limietlichtreistijd

Hoe jonger het heelal, hoe meer zichtslijnen niet opeen steroppervlak eindigen en hoe groter de fractiedonkere hemel is.

De donkere nachthemel impliceert dus een heelal meteen eindige leeftijd!

Page 46: The real Big Bang theory - Vereniging voor Natuurkunde · • Problemen: - de balancerende krachten zijn oneindig sterk - waarom is de nachthemel donker (paradox van Olbers)? •

46

2. het heelal is jonger dan de limietlichtreistijd

Kwantitatief:sterbedekte hemelfractie

=gemiddelde oppervlaktehelderheid nachthemel

oppervlaktehelderheid zonneschijf

=tijd met sterren

limietlichtreistijdwant herinner je dat 𝑆 ∝ 𝑑 ∝ 𝑡.

of:tijd met sterren

=gemiddelde oppervlaktehelderheid nachthemel

oppervlaktehelderheid zonneschijf× limietlichtreistijd

Page 47: The real Big Bang theory - Vereniging voor Natuurkunde · • Problemen: - de balancerende krachten zijn oneindig sterk - waarom is de nachthemel donker (paradox van Olbers)? •

2. het heelal is jonger dan de limietlichtreistijd

Waarnemingen met deHubble Space Telescope

Instrument Science ReportACS/WFC 2017-12

oppervlaktehelderheid nachthemel ~24.6 mag arcsec−2

~10 Τzonnen parsec2

~4 × 10−6 Wm−247

Page 48: The real Big Bang theory - Vereniging voor Natuurkunde · • Problemen: - de balancerende krachten zijn oneindig sterk - waarom is de nachthemel donker (paradox van Olbers)? •

48

2. het heelal is jonger dan de limietlichtreistijd

Waarnemingen van de zon:vermogen ≈ 3.8 × 1026 Wstraal ≈ 700.000 km

geeft:oppervlaktehelderheid zonneschijf ≈ 6 × 107 Wm−2

en dus:tijd met sterren

=gemiddelde oppervlaktehelderheid nachthemel

oppervlaktehelderheid zonneschijf× limietlichtreistijd

~4 × 10−6

6 × 107× 2 × 1023 jaar~13 × 109 jaar

De donkere nachthemel impliceert dus een heelal meteen leeftijd van de orde tien miljard jaar!

Page 49: The real Big Bang theory - Vereniging voor Natuurkunde · • Problemen: - de balancerende krachten zijn oneindig sterk - waarom is de nachthemel donker (paradox van Olbers)? •

Alles samen …

49

Page 50: The real Big Bang theory - Vereniging voor Natuurkunde · • Problemen: - de balancerende krachten zijn oneindig sterk - waarom is de nachthemel donker (paradox van Olbers)? •

50

1. Cosmological Principle: het heelal heeft geen centrumof rand en is (waarschijnlijk) overal hetzelfde als hier

2. Deze uniformiteit laat een kosmische tijdsrekening toe

3. Donkere nachthemel: het heelal heeft een eindigeleeftijd van de orde 10 miljard jaar

4. Het heelal is (waarschijnlijk) in uniforme expansie: allesvliegt van alles weg en zat vroeger dus dichter bijelkaar dan nu

5. Als je de uniforme expansie van een homogeen heelalterugvolgt in het verleden dan worden de dichtheid entemperatuur steeds hoger

Page 51: The real Big Bang theory - Vereniging voor Natuurkunde · • Problemen: - de balancerende krachten zijn oneindig sterk - waarom is de nachthemel donker (paradox van Olbers)? •

51

5. Als je de uniforme expansie van een homogeen heelalterugvolgt in het verleden dan worden de dichtheid entemperatuur steeds hoger …

6. De aantrekkende zwaartekracht van straling enmaterie kan de expansie enkel vertraagd hebben dusde expansie moet vroeger sneller verlopen hebben dannu …

kosmische tijd

afs

tand

Page 52: The real Big Bang theory - Vereniging voor Natuurkunde · • Problemen: - de balancerende krachten zijn oneindig sterk - waarom is de nachthemel donker (paradox van Olbers)? •

52

6. De aantrekkende zwaartekracht van straling enmaterie kan de expansie enkel vertraagd hebben dusde expansie moet vroeger sneller verlopen hebben dannu …

7. Op een eindig tijdstip in het verleden wordt deafstand tussen elke twee willekeurige deeltjes nul ende dichtheid en temperatuur worden oneindig hoog.Dat moment wordt de Big Bang genoemd.

kosmische tijd

afs

tand

Page 53: The real Big Bang theory - Vereniging voor Natuurkunde · • Problemen: - de balancerende krachten zijn oneindig sterk - waarom is de nachthemel donker (paradox van Olbers)? •

53

8. De Big Bang is een rand van de ruimtetijd, eensingulariteit. Je kan niet verder naar het verledendoorrekenen.

9. We verwachten niet dat onze fysica werkt bij dieultrahoge temperaturen en dichtheden (Planck-tijdperk), dus: best afblijven!

10. De Big Bang is een fenomeen dat zich binnen hetfysische heelal afspeelt (Containment Principle) en zichoveral (Cosmological Principle) op hetzelfde tijdstip(kosmische tijdsrekening) voordoet.

11. Het heelal is niet noodzakelijk klein bij de Big Bang:een oneindig uitgestrekt heelal is altijd oneindiguitgestrekt.

Page 54: The real Big Bang theory - Vereniging voor Natuurkunde · • Problemen: - de balancerende krachten zijn oneindig sterk - waarom is de nachthemel donker (paradox van Olbers)? •

54

Is de Big Bang de geboorte/creatie van ons heelal?Heel moeilijke vraag …

Het fysisch heelal bevat tijd en ruimte en kan niet zelfgelokaliseerd worden in tijd en ruimte. Net zo kan je deBig Bang niet lokaliseren in tijd en ruimte: het is geengebeurtenis.

Je kan niet zeggen “eerst was er niks en dan was er plotseen heelal” want dan zou er een tijd buiten het heelalmoeten bestaan (strijdig met Containment)

De Big Bang singulariteit maakt géén onderdeel uit vande ruimtetijd.De natuurkunde beschrijft enkel wat er gebeurt in hetfysisch heelal. We kunnen dichtbij de Big Bang gerakenmaar ze niet bereiken …

Page 55: The real Big Bang theory - Vereniging voor Natuurkunde · • Problemen: - de balancerende krachten zijn oneindig sterk - waarom is de nachthemel donker (paradox van Olbers)? •

55

Is de Big Bang de geboorte/creatie van ons heelal?Heel moeilijke vraag …

Sommige kosmologische theorieën (bvb. de Steady StateTheory van o.a. Fred Hoyle, 1915-2001) stellen een heelalmet oneindige levensduur voor (altijd al bestaan, zal altijdblijven bestaan, eeuwig en onveranderlijk).

Dergelijke modellen hebben geen Big-Bangsingulariteit inhun verleden.

Dat helpt echter niet: hetbestaan van de ruimtetijd,oneindig in de tijd of niet,blijft onverklaard ...

Page 56: The real Big Bang theory - Vereniging voor Natuurkunde · • Problemen: - de balancerende krachten zijn oneindig sterk - waarom is de nachthemel donker (paradox van Olbers)? •

56

Is de Big Bang de geboorte/creatie van ons heelal?Heel moeilijke vraag …

Een moderne variant hierop zijn de Inflatietheorieën vanAlan Guth, Andrei Linde, Andreas Albrecht, PaulSteinhardt, Viatsjeslav Mukhanov, Stephen Hawking, AlexeiStarobinsky, en vele andere.

Deze bevatten kwantummechanismen die het heelalultrasnel exponentieel doen expanderen, wat bepaaldeproblemen in de kosmologie oplost.

Vaak zijn die “future-eternal”: de ultrasnelle expansie stoptslechts hier en daar (waar een heelal als het onzegeboren wordt zonder BB singulariteit) terwijl ze elderseeuwig doorgaat.

Page 57: The real Big Bang theory - Vereniging voor Natuurkunde · • Problemen: - de balancerende krachten zijn oneindig sterk - waarom is de nachthemel donker (paradox van Olbers)? •

57

Is de Big Bang de geboorte/creatie van ons heelal?Heel moeilijke vraag …

Vaak zijn die Inflatietheorieën “future-eternal”.

Gezien het aantal “heelallen” almaar vlugger stijgt, zijn er“later” ontzettend veel meer waarnemers dan “vroeger”.

Leonard Susskind (1940-), van string theory faam, put zichin 2012 uit in statistische spitsvondigheden om te besluitendat“[…] in any kind of inflating cosmology the odds strongly (infinitely)

favor the beginning to be so far in the past that it is effectively at

minus infinity. More precisely, given any 𝑇 the probability is unity

that the beginning was more than 𝑇 time-units ago.”

Inflatie is voor alle praktische doeleinden “past-eternal”

Opnieuw, dat verklaart nog steeds niet waarom deruimtetijd überhaupt bestaat …

Page 58: The real Big Bang theory - Vereniging voor Natuurkunde · • Problemen: - de balancerende krachten zijn oneindig sterk - waarom is de nachthemel donker (paradox van Olbers)? •

58

“Why does the world exist?” vanJim Holt, 2014

Interviews met fysici (Linde,Deutsch, Weinberg, Penrose),filosofen (Grunbaum, Leslie, Parfit),schrijvers (Updike), en theïsten(Swinburne) in een (futiele) pogingde vraag

Waarom is er iets in plaats van niets?

te beantwoorden.