Giancoli - Hoofdstuk 44 Astrofysica en kosmologie


Inleiding
In het vorige hoofdstuk bestudeerden we de kleinste objecten in het heelal: de elementaire deeltjes. Nu maken we een sprong naar de allergrootste objecten in het heelal: sterren, sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels. Deze twee uitersten, elementaire deeltjes en de kosmos, behoren tot de meest intrigerende en opwindende onderwerpen in de wetenschap. En, verrassend genoeg, blijkt er tussen deze twee uitersten een fundamenteel verband te zijn, zoals we al aangaven in hoofdstuk 43.
Het benutten van de technieken en ideeën van de natuurkunde om het hemelgewelf te bestuderen, wordt vaak astrofysica genoemd. Van groot belang voor ons huidige theoretisch inzicht in het heelal (of kosmos) is de algemene relativiteitstheorie van Einstein, de theorie met de meest volledige beschrijving van de zwaartekracht. Ook veel andere aspecten van de natuurkunde spelen een rol, van elektromagnetisme en thermodynamica tot atoom- en kernfysica, en deeltjesfysica.
De algemene relativiteitstheorie dient ook als de grondslag van de moderne kosmologie, de studie van het heelal als geheel. De kosmologie houdt zich in het bijzonder bezig met de zoektocht naar een theoretisch kader om het waargenomen heelal, zijn oorsprong en zijn toekomst te begrijpen.

De door de kosmologie opgeworpen vragen gaan diep en zijn lastig; de mogelijke antwoorden stellen de verbeelding op de proef. Dit zijn vragen als 'Heeft het heelal altijd bestaan, of had het een begin in de tijd?' Beide mogelijkheden zijn moeilijk voor te stellen: tijd die oneindig ver teruggaat in het verleden, of een feitelijk moment waarop het heelal is begonnen (maar dan is de vraag, 'wat was er dan voor die tijd?'). En hoe zit het met de grootte van het heelal? Heeft het oneindige afmetingen? Het is moeilijk om je oneindigheid voor te stellen. Of heeft het heelal eindige afmetingen? Ook dat is moeilijk voor te stellen, omdat het bij een eindig heelal zinloos is om je af te vragen wat er buiten is, omdat het heelal alles is wat er is. De laatste tijd is er in de astrofysica en de kosmologie zo veel vooruitgang geboekt dat veel wetenschappers het recente onderzoek een 'gouden eeuw' voor de kosmologie noemen.
Ons overzicht zal kwalitatief zijn, maar we zullen desondanks ingaan op de belangrijkste ideeën. We beginnen met een blik op wat er buiten de aarde te zien is.

§ 44.11 Ten slotte...
Wanneer we omhoog kijken naar de nachtelijke hemel, zien we sterren; en met de beste telescopen zien we sterrenstelsels en de exotische lichamen die we eerder hebben besproken, waaronder zeldzame supernova's. Maar zelfs met onze beste instrumenten kunnen we niet de processen zien waarvan we veronderstellen dat ze zich binnen sterren en supernova's afspelen. We zijn afhankelijk van briljante theoretici die gefundeerde theorieën en verifieerbare modellen ontwikkelen. We zijn ook afhankelijk van gecompliceerde computermodellen waarvan de parameters worden gevarieerd totdat de output goed overeenstemt met onze waarnemingen en analyses van wMAP en andere experimenten.
En inmiddels hebben we een verbluffend nauwkeurig idee over sommige aspecten van ons heelal: het is homogeen, het is circa l4 miljard jaar oud, het bevat slechts 5% 'normale' baryonische materie (voor atomen) enzovoort.
De vragen die worden opgeworpen door de kosmologie zijn lastig en gaan zeer diep, en lijken ver af te staan van de dagelijkse 'realiteit'. We kunnen altijd zeggen: "De zon schijnt, hij blijft onvoorstelbaar lang schijnen, niets aan de hand." Toch zijn de vragen van de kosmologie de diepe vragen die het menselijk intellect fascineren.

Antropisch principe
Een aspect dat bijzonder intrigerend is, is het volgende: er zijn berekeningen over de vorming en evolutie van het heelal uitgevoerd waarbij de waarden van bepaalde fundamentele natuurconstanten bewust enigszins waren gewijzigd. Het resultaat? Een heelal waarin leven zoals we het kennen, niet zou kunnen bestaan!
Een voorbeeld: als het verschil in massa tussen proton en neutron nul zou zijn, of klein (kleiner dan de massa van het elektron, 0,511 MeV/c²), dan zouden er geen atomen zijn: elektronen zouden worden gevangen door protonen en nooit meer vrijkomen.
Dergelijke resultaten hebben bijgedragen tot een filosofisch idee dat het antropisch principe wordt genoemd en zegt dat als het heelal ook maar iets anders zou zijn dan het is, we er niet zouden kunnen zijn. Wij natuurkundigen proberen te ontdekken of er inderdaad onontdekte fundamentele wetten zijn die de omstandigheden die ons bestaan mogelijk maakten, hebben bepaald. Een dichter zou zeggen dat het heelal zeer verfijnd is afgesteld, haast alsof het voor ons verblijf bedoeld was.


terug naar het antropisch principe

terug naar de woordenlijst






^