Heelal

Het heelal is de naam die wij gebruiken om de verzameling te beschrijven van alle dingen die in de ruimte bestaan. Het bestaat uit vele miljoenen sterren en planeten en enorme gaswolken, gescheiden door een gigantische lege ruimte.

Astronomen kunnen telescopen gebruiken om naar heel verre sterrenstelsels te kijken. Zo kunnen ze zien hoe het heelal er lang geleden uitzag. Dat komt doordat het licht uit verre delen van het heelal er heel lang over doet om ons te bereiken. Uit deze waarnemingen blijkt dat de natuurkundige wetten en constanten van het heelal niet zijn veranderd.

Natuurkundigen weten momenteel niet zeker of er voor de oerknal iets bestond. Zij weten ook niet zeker of de omvang van het heelal oneindig is.

Mythen

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

Een andere interpretatie (manier om te 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 met de aarde als middelpunt; volgens Aristoteles was de rotatie van de buitenste bol verantwoordelijk voor de beweging en verandering van alles binnenin. 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 "heelal" onder de oude Griekse filosofen vanaf Pythagoras was το παν (Het Al), gedefinieerd als alle materie (το ολον) en alle ruimte (το κενον).

Ruimste betekenis

De breedste woordbetekenis van het Universum wordt gevonden in De divisione naturae van de middeleeuwse filosoof Johannes Scotus Eriugena, die het eenvoudigweg definieerde als 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, zowel als alles wat niet bestaat, nooit heeft bestaan en nooit zal bestaan. Deze allesomvattende definitie werd door de meeste latere filosofen niet overgenomen, maar in de kwantumfysica bestaat iets soortgelijks.

Definitie als realiteit

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 in beslag nemen. De twee soorten elementen gedragen zich volgens natuurkundige wetten, waarin wordt beschreven hoe de elementen op elkaar inwerken.

Een soortgelijke definitie van de term heelal is alles wat bestaat op één enkel tijdstip, zoals het heden of het begin der tijden, zoals in de zin "Het heelal was van grootte 0".

In Aristoteles' boek De Fysica verdeelde Aristoteles το παν (alles) in drie ruwweg analoge elementen: materie (de materie waarvan het heelal is gemaakt), vorm (de ordening van die materie in de ruimte) en verandering (hoe materie wordt gecreëerd, vernietigd of veranderd in zijn eigenschappen, en evenzo, hoe vorm wordt veranderd). Natuurkundige wetten waren de regels die de eigenschappen van materie, vorm en hun veranderingen regelden. Latere filosofen zoals Lucretius, Averroes, Avicenna en Baruch Spinoza veranderden of verfijnden deze indelingen. Zo kennen Averroes en Spinoza actieve principes die het heelal besturen en die inwerken op passieve elementen.

Definities van ruimte-tijd

Het is mogelijk ruimtetijden te vormen, die elk bestaan maar elkaar niet kunnen aanraken, verplaatsen of veranderen (op elkaar inwerken). Een gemakkelijke manier om hieraan te denken is een groep van afzonderlijke zeepbellen, waarin mensen die in één zeepbel leven niet kunnen interageren met die in 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 ruimte-tijd wordt aangeduid als het multiversum. In principe kunnen de andere niet onderling verbonden universa verschillende dimensionaliteiten en topologieën van ruimte-tijd, verschillende vormen van materie en energie, en verschillende natuurkundige wetten en natuurkundige constanten hebben, 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 om met ons te interageren en vice versa.

Volgens de algemene relativiteitsgedachte is het mogelijk dat sommige regio's in de ruimte nooit met de onze in wisselwerking treden, zelfs niet tijdens de levensduur van het heelal, als gevolg van de eindige lichtsnelheid en de voortdurende uitdijing van de ruimte. Zo zullen radioberichten die vanaf de aarde worden uitgezonden sommige gebieden in de ruimte misschien nooit bereiken, zelfs als het heelal eeuwig zou bestaan; de ruimte kan sneller uitdijen dan het licht haar kan doorkruisen.

Het is de moeite waard te benadrukken dat deze verre regio's van de ruimte worden geacht te bestaan en evenzeer deel uit te maken van de werkelijkheid als wij; toch kunnen wij nooit met hen in wisselwerking treden, zelfs niet in beginsel. Het ruimtelijke gebied waarbinnen wij invloed kunnen uitoefenen en beïnvloed kunnen worden, wordt aangeduid als het waarneembare universum.

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 is het mogelijk dat zelfs de snelste reiziger niet in staat is om met de hele ruimte in contact te komen. Gewoonlijk wordt met het "waarneembaar heelal" het heelal bedoeld dat gezien wordt vanuit ons gezichtspunt in het Melkwegstelsel.

Basisgegevens over het heelal

Het heelal is enorm en mogelijk oneindig in volume. De materie die kan worden waargenomen is verspreid over een ruimte van ten minste 93 miljard lichtjaar. Ter vergelijking: de diameter van een doorsnee melkwegstelsel is slechts 30.000 lichtjaar, en de typische afstand tussen twee naburige melkwegstelsels is slechts 3 miljoen lichtjaar. Ons Melkwegstelsel heeft bijvoorbeeld een diameter van ongeveer 100.000 lichtjaar, en ons dichtstbijzijnde zusterstelsel, het Andromedastelsel, is ongeveer 2,5 miljoen lichtjaar van ons verwijderd. 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 zo weinig als tien miljoen (107) sterren tot reuzen met een biljoen (1012) sterren, die allemaal rond het massamiddelpunt van het sterrenstelsel draaien. Een zeer ruwe schatting op basis van deze getallen zou dus suggereren dat er ongeveer een sextiljoen (1021) sterren zijn in het waarneembare heelal; hoewel een onderzoek uit 2003 door astronomen van de Australian National University uitkwam op een getal van 70 sextiljoen (7 x 1022).

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

De huidige totale dichtheid van het heelal is zeer laag, ruwweg 9,9 × 10-30 gram per kubieke centimeter. Deze massa lijkt te bestaan uit 73% donkere energie, 23% koude donkere materie en 4% gewone materie. De dichtheid van atomen is ongeveer één waterstofatoom voor elke 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 zorgt voor een snellere uitdijing van het heelal.

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 men heeft gezien van de kosmische microgolf-achtergrondstraling. Onafhankelijke schattingen (gebaseerd op metingen zoals radioactieve dateringen) komen overeen, hoewel ze minder nauwkeurig zijn, variërend van 11-20 miljard jaar. tot 13-15 miljard jaar.

Het heelal is in de loop van zijn geschiedenis 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 tussen hen in is groter geworden. Deze uitdijing is in overeenstemming 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, gebaseerd op studies van Type Ia supernovae en andere gegevens.

De relatieve hoeveelheden van de verschillende chemische elementen - vooral de lichtste atomen zoals waterstof, deuterium en helium - lijken identiek te zijn in het hele heelal en in 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. De zwaartekracht is de dominante interactie op kosmologische afstanden. Het heelal lijkt ook geen netto momentum of impulsmoment te hebben. De afwezigheid van netto lading en momentum wordt verwacht als het heelal eindig is.

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

Het heelal kent overal dezelfde natuurkundige wetten en natuurkundige constanten. Volgens het heersende Standaardmodel van de natuurkunde is alle materie samengesteld uit drie generaties leptonen en quarks, die beide fermionen zijn. Deze elementaire deeltjes werken op elkaar in via ten hoogste drie fundamentele wisselwerkingen: de elektrozwakke wisselwerking 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.

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

Het heelal zou voor het grootste deel bestaan uit donkere energie en donkere materie, die beide op dit moment niet worden begrepen. Minder dan 5% van het heelal bestaat uit gewone materie.
Het heelal zou voor het grootste deel bestaan uit donkere energie en donkere materie, die beide op dit moment niet worden begrepen. Minder dan 5% van het heelal bestaat uit gewone materie.

De elementaire deeltjes waaruit het heelal is opgebouwd. Zes leptonen en zes quarks vormen het grootste deel van de materie; de protonen en neutronen van atoomkernen bijvoorbeeld zijn samengesteld uit quarks, en het alomtegenwoordige elektron is een lepton. Deze deeltjes werken op elkaar in via de ijkbosonen in de middelste rij, die elk overeenkomen met een bepaald type ijksymmetrie. Het Higgs boson wordt verondersteld massa te verlenen aan de deeltjes waarmee het verbonden is. Het graviton, een verondersteld ijkboson voor de zwaartekracht, is niet afgebeeld.
De elementaire deeltjes waaruit het heelal is opgebouwd. Zes leptonen en zes quarks vormen het grootste deel van de materie; de protonen en neutronen van atoomkernen bijvoorbeeld zijn samengesteld uit quarks, en het alomtegenwoordige elektron is een lepton. Deze deeltjes werken op elkaar in via de ijkbosonen in de middelste rij, die elk overeenkomen met een bepaald type ijksymmetrie. Het Higgs boson wordt verondersteld massa te verlenen aan de deeltjes waarmee het verbonden is. Het graviton, een verondersteld ijkboson voor de zwaartekracht, is niet afgebeeld.

Theoretische modellen

Algemene relativiteitstheorie

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

De algemene relativiteit voorziet in een reeks van tien niet-lineaire partiële differentiaalvergelijkingen voor de metriek van de ruimtetijd (Einsteins veldvergelijkingen) die moeten worden opgelost aan de hand van de verdeling van massa-energie en momentum in het heelal. Aangezien deze in detail onbekend zijn, zijn kosmologische modellen gebaseerd op het kosmologisch principe, dat stelt dat het heelal homogeen en isotroop is. In feite stelt dit principe dat de gravitatie-effecten 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 uniform 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 een energiedichtheid van de lege ruimte. Afhankelijk van het teken kan de kosmologische constante de uitdijing van het heelal vertragen (negatief Λ) of versnellen (positief 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 aan het licht gebracht die de uitdijing van het heelal versnelt. Voorlopige studies suggereren dat deze donkere energie verband houdt met een positieve Λ, hoewel alternatieve theorieën vooralsnog niet kunnen worden uitgesloten.

Big Bang model

Het overheersende Big Bang model verklaart veel van de experimentele waarnemingen die hierboven zijn beschreven, zoals de correlatie tussen afstand en roodverschuiving van melkwegstelsels, de universele verhouding van waterstof:helium atomen, en de alomtegenwoordige, isotrope achtergrond van microgolfstraling. Zoals hierboven is opgemerkt, is de roodverschuiving het gevolg van de metrische uitdijing van de ruimte; naarmate de ruimte zelf uitdijt, neemt ook de golflengte van een foton dat door de ruimte reist toe, waardoor de energie ervan afneemt. Hoe langer een foton onderweg is geweest, hoe meer het is uitgezet; daarom zijn oudere fotonen van verder weg gelegen sterrenstelsels het meest roodverschoven. Het bepalen van de correlatie tussen afstand en roodverschuiving is een belangrijk probleem in de experimentele fysische kosmologie.

Andere experimentele waarnemingen kunnen worden verklaard door de algemene uitdijing van de ruimte te combineren met kernfysica en atoomfysica. Naarmate het heelal uitdijt, neemt de energiedichtheid van de elektromagnetische straling sneller af dan die van de materie, aangezien de energie van een foton afneemt met zijn golflengte. Hoewel de energiedichtheid van het heelal nu dus wordt gedomineerd door materie, werd zij vroeger gedomineerd door straling; poëtisch gesproken was alles licht. Naarmate het heelal uitdijde, nam de energiedichtheid af en werd het koeler; daardoor konden de elementaire materiedeeltjes zich op stabiele wijze verenigen tot steeds grotere combinaties. Zo vormden zich in het begin van het door materie gedomineerde tijdperk stabiele protonen en neutronen, die zich vervolgens tot atoomkernen verenigden. In dit stadium was de materie in het heelal hoofdzakelijk een heet, dicht plasma van negatieve elektronen, neutrale neutrino's en positieve kernen. Kernreacties tussen de kernen leidden tot de huidige overvloed van de 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 ontkoppelde de straling zich van de materie en vormde de alomtegenwoordige, isotrope achtergrond van microgolfstraling die vandaag de dag wordt waargenomen.

Andere waarnemingen worden niet duidelijk beantwoord door de bekende natuurkunde. Volgens de heersende theorie was er een kleine onevenwichtigheid tussen materie en antimaterie aanwezig bij de schepping van het heelal, of ontwikkelde zich zeer kort daarna. Hoewel de materie en antimaterie elkaar grotendeels vernietigden en daarbij fotonen produceerden, bleef een klein restje materie over, waardoor het huidige, door materie gedomineerde heelal ontstond.

Verschillende lijnen van bewijsmateriaal suggereren ook dat een snelle kosmische inflatie van het heelal zeer vroeg in zijn geschiedenis plaatsvond (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 gedomineerd wordt door een donkere energie en donkere materie die nog niet wetenschappelijk gekarakteriseerd zijn. Zij verschillen in hun gravitatie-effecten. Donkere materie heeft dezelfde zwaartekracht als gewone materie en vertraagt dus de uitdijing van het heelal; donkere energie daarentegen versnelt de uitdijing van het heelal.

Belangrijkste kernreacties die verantwoordelijk zijn voor de relatieve hoeveelheden lichte atoomkernen die in het heelal worden waargenomen.
Belangrijkste kernreacties die verantwoordelijk zijn voor de relatieve hoeveelheden lichte atoomkernen die in het heelal worden waargenomen.

Multiverse

Sommige mensen denken dat er meer dan één heelal is. Zij denken dat er een verzameling universa is die het multiversum wordt genoemd. Per definitie kan iets in het ene universum op geen enkele manier 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 dat niet op logica is gebaseerd, is geen wetenschap. Het is dus niet bekend of het multiversum een wetenschappelijk idee is.

Toekomst

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 nieuwe oerknal.
  • Als het heelal een geopende bol is, zal de uitdijing versnellen. Na 22.000.000.000 (22 miljard) jaar zal het heelal door de kracht uit elkaar scheuren.
  • Als het heelal plat is, zal het eeuwig uitdijen. Alle sterren zullen daarvoor hun energie verliezen en een dwergster worden. Na een googol jaar, zullen de zwarte gaten ook verdwenen zijn.

Verwante pagina's

 


AlegsaOnline.com - 2020 / 2021 - License CC3