Het heelal (universum): definitie, oerknal en is het oneindig?

Mensen hebben al lang ideeën om het heelal te verklaren. In de meeste vroege modellen stond de aarde in het centrum van het heelal. Dit staat bekend als geocentrisme. Sommige oude Grieken dachten dat het heelal een oneindige ruimte heeft en altijd heeft bestaan. Zij dachten dat het een aantal hemelbollen had die overeenkwamen met de vaste sterren, de Zon en verschillende planeten. De bollen cirkelden om een ronde maar onbeweeglijke Aarde.

Na honderden jaren leidden betere waarnemingen tot het model van Copernicus waarin de zon centraal staat, bekend als heliocentrisme. Dit was destijds zeer controversieel en werd bestreden door religieuze autoriteiten, met name door de christelijke kerk (zie Giordano Bruno en Galileo).

De uitvinding van de telescoop in Nederland in 1608 was een zeer belangrijk moment in de astronomie. Tegen het midden van de jaren 1800 waren de telescopen goed genoeg om andere sterrenstelsels te zien. De moderne optische (gebruikt zichtbaar licht) telescoop is nog steeds geavanceerder. Ondertussen verbeterde Isaac Newton de ideeën over zwaartekracht en dynamica (vergelijkingen) en liet hij zien hoe het zonnestelsel werkte.

In de jaren 1900 realiseerden nog betere telescopen astronomen zich dat het zonnestelsel zich bevindt in een sterrenstelsel van miljarden sterren, dat wij de Melkweg noemen. Ze realiseerden zich ook dat er daarbuiten andere sterrenstelsels bestaan, voor zover wij kunnen zien. Hiermee begon een nieuwe vorm van astronomie, kosmologie genaamd, waarin astronomen bestuderen waar deze sterrenstelsels van gemaakt zijn en hoe ze verspreid zijn, zodat ze meer te weten kunnen komen over de geschiedenis van het heelal en hoe het werkt. Door de roodverschuiving van sterrenstelsels te meten, ontdekten kosmologen al snel dat het heelal uitdijt (zie: Hubble).

Grote Knal

Het meest gebruikte wetenschappelijke model van het heelal staat bekend als de oerknaltheorie, die stelt dat het heelal zich uitbreidde vanuit een enkel punt dat alle materie en energie van het heelal bevatte. Er zijn vele soorten wetenschappelijk bewijs die het Oerknal-idee ondersteunen. Astronomen denken dat de oerknal ongeveer 13,73 miljard jaar geleden plaatsvond, waardoor het heelal 13,73 miljard jaar oud is. Sindsdien is het heelal uitgebreid tot een diameter van ten minste 93 miljard lichtjaar, ofwel 8,80 ×10 ²⁶meter. Het dijt nog steeds uit, en de uitdijing gaat steeds sneller.

Astronomen weten echter nog steeds niet zeker waardoor het heelal uitdijt. Daarom noemen astronomen de mysterieuze energie die de uitdijing veroorzaakt donkere energie. Door de uitdijing van het heelal te bestuderen, hebben astronomen zich ook gerealiseerd dat de meeste materie in het heelal een vorm heeft die niet kan worden waargenomen met de wetenschappelijke apparatuur die wij hebben. Deze materie wordt donkere materie genoemd. Voor alle duidelijkheid: donkere materie en energie zijn niet rechtstreeks waargenomen (daarom worden ze "donker" genoemd). Veel astronomen denken echter dat ze moeten bestaan, omdat veel astronomische waarnemingen moeilijk te verklaren zouden zijn als ze niet bestonden.

Sommige delen van het heelal dijen zelfs sneller uit dan de lichtsnelheid. Dit betekent dat het licht ons hier op aarde nooit zal kunnen bereiken, dus zullen wij deze delen van het heelal nooit kunnen zien. Het deel van het heelal dat we kunnen zien, noemen we het waarneembare heelal.

Het woord universum komt van het Oudfranse woord Univers, dat afkomstig is van het Latijnse woord universum. Het Latijnse woord werd door Cicero en latere Latijnse auteurs in veel van dezelfde betekenissen gebruikt als het moderne Engelse woord.

Een andere interpretatie (manier van interpreteren) van unvorsum is "alles draaide als één" of "alles draaide door één". Dit verwijst naar een vroeg Grieks model van het heelal. In dat model bevond alle materie zich in roterende bollen gecentreerd op de aarde; volgens Aristoteles was de rotatie van de buitenste bol verantwoordelijk voor de beweging en verandering van alles daarbinnen. Het was voor de Grieken vanzelfsprekend om aan te nemen dat de Aarde stilstond en dat de hemelen om de Aarde draaiden, omdat zorgvuldige astronomische en natuurkundige metingen (zoals de slinger van Foucault) nodig zijn om het tegendeel te bewijzen.

De meest gebruikelijke term voor "Universum" onder de oude Griekse filosofen vanaf Pythagoras was το παν (Het Alles), gedefinieerd als alle materie (το ολον) en alle ruimte (το κενον).

Breedste betekenis

De breedste woordbetekenis van het Universum is te vinden in De divisione naturae van de middeleeuwse filosoof Johannes Scotus Eriugena, die het definieert als simpelweg alles: alles wat bestaat en alles wat niet bestaat.

Tijd wordt in Eriugena's definitie buiten beschouwing gelaten; zijn definitie omvat dus alles wat bestaat, heeft bestaan en zal bestaan, evenals alles wat niet bestaat, nooit heeft bestaan en nooit zal bestaan. Deze allesomvattende definitie werd niet overgenomen door de meeste latere filosofen, maar iets soortgelijks komt wel voor in de kwantumfysica.

Definitie als werkelijkheid

Gewoonlijk wordt gedacht dat het heelal alles is wat bestaat, heeft bestaan en zal bestaan. Volgens deze definitie bestaat het heelal uit twee elementen: ruimte en tijd, samen bekend als ruimte-tijd of het vacuüm; en materie en verschillende vormen van energie en momentum die de ruimte-tijd bezetten. De twee soorten elementen gedragen zich volgens natuurkundige wetten, waarin wordt beschreven hoe de elementen op elkaar inwerken.

Een soortgelijke definitie van de term universum is alles wat bestaat op een enkel moment in de tijd, zoals het heden of het begin van de tijd, zoals in de zin "Het universum was van grootte 0".

In Aristoteles' boek De fysica verdeelde Aristoteles το παν (alles) in drie ruwweg analoge elementen: materie (het materiaal waaruit het heelal is opgebouwd), vorm (de ordening van die materie in de ruimte) en verandering (hoe materie wordt geschapen, vernietigd of in haar eigenschappen wordt veranderd, en evenzo hoe vorm wordt veranderd). Fysische wetten waren de regels voor de eigenschappen van materie, vorm en hun veranderingen. Latere filosofen zoals Lucretius, Averroes, Avicenna en Baruch Spinoza hebben deze indeling gewijzigd of verfijnd. Averroes en Spinoza hebben bijvoorbeeld actieve principes die het heelal besturen en die inwerken op passieve elementen.

Ruimte-tijd definities

Het is mogelijk om ruimtetijden te vormen, die elk bestaan maar elkaar niet kunnen aanraken, bewegen of veranderen (interactie met elkaar hebben). Een gemakkelijke manier om dit te zien is een groep afzonderlijke zeepbellen, waarin mensen die op één zeepbel leven geen interactie kunnen hebben met mensen op andere zeepbellen. Volgens een gangbare terminologie wordt elke "zeepbel" van ruimte-tijd aangeduid als een universum, terwijl onze specifieke ruimte-tijd wordt aangeduid als het universum, net zoals wij onze maan de maan noemen. De hele verzameling van deze afzonderlijke ruimtetijden wordt het multiversum genoemd. In principe kunnen de andere niet-verbonden universa verschillende dimensies en topologieën van ruimte-tijd hebben, verschillende vormen van materie en energie, en verschillende natuurkundige wetten en natuurkundige constanten, hoewel dergelijke mogelijkheden speculaties zijn.

Waarneembare werkelijkheid

Volgens een nog restrictievere definitie is het heelal alles binnen onze verbonden ruimte-tijd dat een kans zou kunnen hebben op interactie met ons en vice versa.

Volgens de algemene relativiteitsgedachte zullen sommige delen van de ruimte zelfs tijdens de levensduur van het heelal nooit met de onze in contact komen, vanwege de eindige lichtsnelheid en de voortdurende uitdijing van de ruimte. Bijvoorbeeld, radioberichten die vanaf de aarde worden verzonden zullen sommige delen van de ruimte nooit bereiken, zelfs als het heelal eeuwig zou bestaan; de ruimte kan sneller uitdijen dan het licht kan doorkruisen.

Het is de moeite waard te benadrukken dat die verre ruimteregio's geacht worden evenzeer te bestaan en deel uit te maken van de werkelijkheid als wij; toch kunnen wij er nooit mee interageren, zelfs niet in principe. Het ruimtelijke gebied waarbinnen wij kunnen beïnvloeden en beïnvloed kunnen worden, wordt het waarneembare universum genoemd.

Strikt genomen hangt het waarneembare heelal af van de plaats waar de waarnemer zich bevindt. Door te reizen kan een waarnemer in contact komen met een groter gebied van de ruimte-tijd dan een waarnemer die stil blijft staan, zodat het waarneembare heelal voor de eerste groter is dan voor de tweede. Toch kan zelfs de snelste reiziger niet met de hele ruimte in contact komen. Gewoonlijk wordt met het "waarneembare heelal" het heelal bedoeld gezien vanaf ons standpunt in het Melkwegstelsel.

Het heelal is enorm groot en mogelijk oneindig in volume. De materie die kan worden gezien, is verspreid over een ruimte van minstens 93 miljard lichtjaar. Ter vergelijking: de diameter van een typisch sterrenstelsel is slechts 30.000 lichtjaar, en de typische afstand tussen twee naburige sterrenstelsels is slechts 3 miljoen lichtjaar. Ons Melkwegstelsel heeft bijvoorbeeld een diameter van ongeveer 100.000 lichtjaar, en ons dichtstbijzijnde zusterstelsel, het Andromedastelsel, bevindt zich op ongeveer 2,5 miljoen lichtjaar afstand. Het waarneembare heelal bevat meer dan 2 biljoen (10¹² ) sterrenstelsels en in totaal naar schatting 1×10²⁴ sterren (meer sterren dan alle zandkorrels op de planeet Aarde).

Typische sterrenstelsels variëren van dwergstelsels met slechts tien miljoen (10⁷ ) sterren tot reuzen met een triljoen (10¹² ) sterren, die allemaal rond het massamiddelpunt van het stelsel draaien. Volgens een zeer ruwe schatting op basis van deze getallen zijn er dus ongeveer een sextiljoen (10²¹ ) sterren in het waarneembare heelal; een studie van astronomen van de Australian National University uit 2003 kwam echter uit op een getal van 70 sextiljoen (7 x 10²² ).

De materie die kan worden waargenomen, is verspreid over het heelal wanneer het gemiddelde wordt genomen over afstanden van meer dan 300 miljoen lichtjaar. Op kleinere lengteschalen wordt echter waargenomen dat materie "klonters" vormt, dat veel atomen zijn gecondenseerd tot sterren, dat de meeste sterren zijn gecondenseerd tot sterrenstelsels, dat de meeste sterrenstelsels zijn gecondenseerd tot groepen en clusters van sterrenstelsels en ten slotte dat de grootschalige structuren zoals de Grote Muur van sterrenstelsels worden gevormd.

De huidige totale dichtheid van het heelal is zeer laag, ruwweg 9,9 × 10⁻³⁰ gram per kubieke centimeter. Deze massa-energie blijkt te bestaan uit 73% donkere energie, 23% koude donkere materie en 4% gewone materie. De dichtheid van atomen is ongeveer één waterstofatoom per vier kubieke meter volume. De eigenschappen van donkere energie en donkere materie zijn niet bekend. Donkere materie vertraagt de uitdijing van het heelal. Donkere energie maakt de uitdijing sneller.

Het heelal is oud, en verandert. De beste goede schatting van de leeftijd van het heelal is 13,798±0,037 miljard jaar oud, gebaseerd op wat is gezien van de kosmische microgolf-achtergrondstraling. Onafhankelijke schattingen (gebaseerd op metingen zoals radioactieve datering) komen overeen, hoewel ze minder nauwkeurig zijn en variëren van 11 tot 20 miljard jaar. tot 13-15 miljard jaar.

Het heelal is niet altijd hetzelfde geweest. Dit groter worden verklaart waarom mensen op aarde het licht van een sterrenstelsel op 30 miljard lichtjaar afstand kunnen zien, ook al heeft dat licht slechts 13 miljard jaar gereisd; de ruimte ertussen is groter geworden. Deze expansie komt overeen met de waarneming dat het licht van verre sterrenstelsels roodverschoven is; de uitgezonden fotonen zijn tijdens hun reis uitgerekt tot langere golflengten en een lagere frequentie. De snelheid van deze ruimtelijke expansie neemt toe, volgens studies van Type Ia supernovae en andere gegevens.

De relatieve hoeveelheden van verschillende chemische elementen - vooral de lichtste atomen zoals waterstof, deuterium en helium - lijken identiek te zijn in het hele heelal en gedurende de hele geschiedenis ervan die wij kennen. Het heelal lijkt veel meer materie dan antimaterie te hebben. Het heelal lijkt geen netto elektrische lading te hebben. Zwaartekracht is de dominante interactie op kosmologische afstanden. Het heelal lijkt ook geen netto momentum of hoekmomentum te hebben. De afwezigheid van netto lading en impulsmoment is te verwachten als het heelal eindig is.

Het heelal lijkt een glad ruimte-tijdcontinuüm te hebben dat bestaat uit drie ruimtelijke dimensies en één tijdelijke dimensie. Gemiddeld genomen is de ruimte bijna vlak (bijna nul kromming), wat betekent dat de Euclidische meetkunde in het grootste deel van het heelal experimenteel met grote nauwkeurigheid klopt. Het heelal kan echter meer dimensies hebben, en de ruimtetijd kan een meervoudig verbonden globale topologie hebben.

Het heelal heeft overal dezelfde natuurkundige wetten en natuurkundige constanten. Volgens het heersende Standaardmodel van de fysica bestaat alle materie uit drie generaties leptonen en quarks, die beide fermionen zijn. Deze elementaire deeltjes reageren op elkaar via ten hoogste drie fundamentele interacties: de elektrozwakke interactie die elektromagnetisme en de zwakke kernkracht omvat; de sterke kernkracht die wordt beschreven door de kwantumchromodynamica; en de zwaartekracht, die momenteel het best wordt beschreven door de algemene relativiteit.

Speciale relativiteit geldt in het hele heelal in lokale ruimte en tijd. Anders geldt de algemene relativiteit. Er is geen verklaring voor de bijzondere waarden die natuurkundige constanten in ons heelal lijken te hebben, zoals de constante h van Planck of de gravitatieconstante G. Er zijn verschillende behoudswetten vastgesteld, zoals behoud van lading, behoud van impuls, behoud van impulsmoment en behoud van energie.

Algemene relativiteitstheorie

Voor nauwkeurige voorspellingen van het verleden en de toekomst van het heelal is een nauwkeurige theorie over gravitatie nodig. De beste beschikbare theorie is de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein, die tot nu toe alle experimentele tests heeft doorstaan. Aangezien er echter geen rigoureuze experimenten zijn uitgevoerd op kosmologische lengteschalen, is het denkbaar dat de algemene relativiteitstheorie onnauwkeurig is. Niettemin lijken haar voorspellingen te stroken met de waarnemingen, zodat er geen reden is om een andere theorie aan te nemen.

De algemene relativiteit bevat een reeks van tien niet-lineaire partiële differentiaalvergelijkingen voor de ruimtetijdmetriek (Einsteins veldvergelijkingen) die moeten worden opgelost uit de verdeling van massa-energie en momentum in het heelal. Aangezien deze niet exact bekend zijn, zijn kosmologische modellen gebaseerd op het kosmologische principe, dat stelt dat het heelal homogeen en isotroop is. In feite stelt dit principe dat de zwaartekrachtseffecten van de verschillende sterrenstelsels waaruit het heelal bestaat, gelijk zijn aan die van een fijn stof dat uniform over het heelal is verdeeld met dezelfde gemiddelde dichtheid. De aanname van een uniforme stof maakt het gemakkelijk om de veldvergelijkingen van Einstein op te lossen en het verleden en de toekomst van het heelal op kosmologische tijdschalen te voorspellen.

De veldvergelijkingen van Einstein bevatten een kosmologische constante (Lamda: Λ), die gerelateerd is aan de energiedichtheid van de lege ruimte. Afhankelijk van het teken kan de kosmologische constante de uitdijing van het heelal vertragen (negatieve Λ) of versnellen (positieve Λ). Hoewel veel wetenschappers, waaronder Einstein, hadden gespeculeerd dat Λ nul was, hebben recente astronomische waarnemingen van type Ia supernovae een grote hoeveelheid donkere energie ontdekt die de uitdijing van het heelal versnelt. Voorlopige studies suggereren dat deze donkere energie verband houdt met een positieve Λ, hoewel alternatieve theorieën nog niet kunnen worden uitgesloten.

Big Bang model

Het gangbare oerknalmodel verklaart veel van de hierboven beschreven experimentele waarnemingen, zoals de correlatie tussen afstand en roodverschuiving van sterrenstelsels, de universele verhouding tussen waterstof- en heliumatomen, en de alomtegenwoordige, isotrope microgolfstralingsachtergrond. Zoals hierboven opgemerkt, komt de roodverschuiving voort uit de metrische uitdijing van de ruimte; naarmate de ruimte zelf uitdijt, neemt de golflengte van een foton dat door de ruimte reist eveneens toe, waardoor zijn energie afneemt. Hoe langer een foton heeft gereisd, hoe meer uitzetting het heeft ondergaan; daarom zijn oudere fotonen van verder weg gelegen sterrenstelsels het meest roodverschoven. Het bepalen van het verband tussen afstand en roodverschuiving is een belangrijk probleem in de experimentele natuurkundige kosmologie.

Andere experimentele waarnemingen kunnen worden verklaard door de totale uitdijing van de ruimte te combineren met kern- en atoomfysica. Naarmate het heelal uitdijt, neemt de energiedichtheid van de elektromagnetische straling sneller af dan die van de materie, omdat de energie van een foton afneemt met zijn golflengte. Hoewel de energiedichtheid van het heelal nu wordt gedomineerd door materie, werd het ooit gedomineerd door straling; poëtisch gesproken was alles licht. Naarmate het heelal zich uitbreidde, nam de energiedichtheid af en werd het koeler; daardoor konden de elementaire deeltjes van de materie zich stabiel verenigen in steeds grotere combinaties. Zo vormden zich in het begin van het door materie gedomineerde tijdperk stabiele protonen en neutronen, die zich vervolgens verenigden tot atoomkernen. In dit stadium was de materie in het heelal voornamelijk een heet, dicht plasma van negatieve elektronen, neutrale neutrino's en positieve kernen. Kernreacties tussen de kernen leidden tot de huidige overvloed aan lichtere kernen, met name waterstof, deuterium en helium. Uiteindelijk combineerden de elektronen en kernen zich tot stabiele atomen, die transparant zijn voor de meeste golflengten van straling; op dit punt werd de straling losgekoppeld van de materie en vormde de alomtegenwoordige, isotrope achtergrond van microgolfstraling die vandaag wordt waargenomen.

Andere waarnemingen worden niet duidelijk beantwoord door de bekende fysica. Volgens de heersende theorie was er een kleine onbalans van materie ten opzichte van antimaterie bij de schepping van het heelal, of ontstond die kort daarna. Hoewel de materie en antimaterie elkaar grotendeels vernietigden en daarbij fotonen produceerden, bleef er een klein restje materie over, waardoor het huidige door materie gedomineerde heelal ontstond.

Verschillende bewijzen wijzen er ook op dat een snelle kosmische inflatie van het heelal zeer vroeg in zijn geschiedenis heeft plaatsgevonden (ruwweg 10⁻³⁵ seconden na zijn ontstaan). Recente waarnemingen suggereren ook dat de kosmologische constante (Λ) niet nul is, en dat de netto massa-energie-inhoud van het heelal wordt gedomineerd door een donkere energie en donkere materie die niet wetenschappelijk zijn gekarakteriseerd. Zij verschillen in hun gravitatie-effecten. Donkere materie zwaartekracht zoals gewone materie, en vertraagt dus de uitdijing van het heelal; donkere energie daarentegen versnelt de uitdijing van het heelal.

Multiversum-hypothese

Sommige mensen denken dat er meer dan één universum is. Zij denken dat er een reeks universa is die het multiversum wordt genoemd. Per definitie kan niets in het ene universum iets in een ander universum beïnvloeden. Het multiversum is nog geen wetenschappelijk idee omdat er geen manier is om het te testen. Een idee dat niet kan worden getest of niet op logica is gebaseerd, is geen wetenschap. Het is dus niet bekend of het multiversum een wetenschappelijk idee is.

Dit is een wetenschappelijk onderwerp genaamd "Het uiteindelijke lot van het universum". Het is een onderwerp in de kosmologie. Er zijn mogelijke scenario's voor de evolutie ervan. De fundamentele vraag is of het bestaan ervan eindig of oneindig is.

De toekomst van het heelal is een mysterie. Er zijn echter een paar theorieën gebaseerd op de mogelijke vormen van het heelal:

• Als het heelal een gesloten bol is, zal het stoppen met uitdijen. Het heelal zal het tegenovergestelde doen en een singulariteit worden voor een volgende Big Bang. Dit is de Big Crunch of Big Bounce theorie.
• Als het heelal een open bol is, zal de uitdijing versnellen. Na 22.000.000.000 (22 miljard) jaar zal het heelal door de kracht uit elkaar scheuren. Dit is de Big Rip theorie.
• Als het heelal plat is, zal het eeuwig uitdijen. Alle sterren zullen hun energie verliezen.
• Na een googol jaar zullen de zwarte gaten ook verdwenen zijn. Dit is de Hittedood van het heelal, of Big Freeze theorie.
• Een toevallig "brein van Boltzmann" kan verschijnen, en willekeurige kwantumfluctuaties en kwantumtunneling zouden na een ongelofelijke tijd een nieuwe Oerknal kunnen genereren. Over een oneindige tijd zou er ook een entropieafname kunnen plaatsvinden door het Poincaré-recurrentietheorema of door thermische fluctuaties.

Er is een sterke consensus onder kosmologen dat de vorm van het universum als "plat" wordt beschouwd (parallelle lijnen blijven parallel) en voor altijd zal blijven uitdijen.