Kenmerken van de Big Bang-theorie, stadia, bewijzen, problemen

1653
Philip Kelley
Kenmerken van de Big Bang-theorie, stadia, bewijzen, problemen

De oerknaltheorie Het is een kosmologische theorie om de oorsprong van het universum te verklaren en degene die momenteel meer wordt geaccepteerd in de wetenschappelijke gemeenschap. Het stelt dat het universum begon met een oerknal, ongeveer 13,8 miljard jaar geleden, en sindsdien voortdurend uitbreidt..

Uit deze grote explosie kwamen materie, tijd en ruimte voort, die later sterrenstelsels en sterrenstelsels werden, inclusief onze eigen Melkweg, het zonnestelsel en tenslotte wijzelf..

De oerknal of grote explosie, artistieke opvatting

De theorie is ontstaan ​​in 1915, met de relativiteitsvergelijkingen van Albert Einstein, die onder andere de uitbreiding van het universum voorspellen, een feit waarmee de Duitse wetenschapper zich nooit op zijn gemak voelde..

Bij het bestuderen van de relativiteitstheorie suggereerde de Belgische astronoom George Lemaitre echter dat als de expansie waar zou zijn, het universum uiteraard een startpunt moet hebben. In 1927 publiceerde Lemaitre een artikel waarin hij zijn ideeën presenteerde over de oorsprong van het universum, dat hij 'het oeratoom' noemde..

De Amerikaanse astronoom Edwin Hubble promootte de nieuwe theorie en bevestigde in 1929 dat sterrenstelsels zich van elkaar en ook van ons af bewegen.

Als we teruggaan in de tijd, moeten de sterrenstelsels zeker veel dichterbij zijn geweest dan ze nu zijn. En daarom moet er een moment zijn geweest waarop alle materie ongelooflijk werd samengeperst en een oneindig kleine ruimte innam: een singulariteit.

Artikel index

  • 1 Kenmerken van de oerknaltheorie
    • 1.1 Hoofdpostulaat van de theorie 
    • 1.2 Toen het gebeurde 
    • 1.3 Waar het is gebeurd 
    • 1.4 Wat er daarna gebeurde
  • 2 Theoretische grondslagen van de oerknal
  • 3 stadia van het heelal volgens de oerknaltheorie
    • 3.1 Stadium van straling
    • 3.2 Overheersing van materie
  • 4 Bewijs
    • 4.1 Kosmische stralingsachtergrond
    • 4.2 De wet van Hubble-Lemaitre
    • 4.3 Uniforme verdeling van verre sterrenstelsels
    • 4.4 Schijnbare omvang van verre melkwegstelsels
  • 5 Problemen en kritiek
    • 5.1 Entropieprobleem
    • 5.2 Horizonprobleem
    • 5.3 Probleem van vlakheid
    • 5.4 Probleem van magnetische monopolen
  • 6 referenties

Kenmerken van de Big Bang-theorie

Illustratie van de oerknal

De term "oerknal" werd in 1940 bedacht door natuurkundige Fred Hoyle, die niet sympathiek stond met het idee, dus verwees hij er spottend naar en noemde het "die oerknal". Hoyle was ervan overtuigd dat het universum stationair was.

Hoewel de naam ons doet denken aan een of andere catastrofale gebeurtenis, geloven natuurkundigen en kosmologen nu dat het noch een grote ramp was, noch een ramp van waaruit melkwegstelsels in alle richtingen vlogen..

Maar het was zo krachtig dat de vier fundamentele interacties van de natuurkunde tijdens die eerste momenten werden verenigd.

Hoofdpostulaat van de theorie 

Het hele universum bevond zich oorspronkelijk in een ongelooflijk hete en dichte staat, en toen breidde het zich plotseling uit terwijl het langzaam afkoelde. Die uitbreiding gaat vandaag door.

De oerknal verklaart niet hoe de oorspronkelijke singulariteit is ontstaan, en zeker niet wat ervoor bestond. Wat het verklaart, is wat er met het universum is gebeurd tijdens de vroege dagen toen de singulariteit ophield te bestaan..

Wanneer is het gebeurd 

Wetenschappers schatten dat de oerknal 13,8 miljard jaar geleden plaatsvond en het is niet mogelijk om te weten wat er eerder is gebeurd, aangezien tijd, samen met ruimte en materie, precies op dat moment zijn ontstaan..

Waar gebeurde het 

Het was geen gelokaliseerde gebeurtenis. Het blijkt dat hoe verder de objecten die we zien met de krachtigste telescopen zijn, hoe verder we teruggaan naar de tijd dat de oerknal plaatsvond, ongeacht in welke richting we ernaar kijken.. 

Wat er daarna gebeurde

Na de oerknal daalde de temperatuur en werden de subatomaire deeltjes die we kennen gevormd: protonen, neutronen en elektronen, om atomen te doen ontstaan.

Tijdens de oerknal kwam de zwaartekracht naar voren, de verenigende kracht van aantrekking van materie, evenals de andere fundamentele interacties.

De eerste gevormde chemische elementen waren waterstof, de eenvoudigste van allemaal, en vervolgens helium en lithium, in een proces genaamd nucleosynthese. Na verloop van tijd leidden enorme wolken van deze elementen tot de eerste sterrenstelsels.

Theoretische grondslagen van de oerknal

Deep-field-opname van het heelal, gemaakt met de Hubble-ruimtetelescoop. Bron: Wikimedia Commons.

De oerknal is gebaseerd op:

-De vergelijkingen van de relativiteitstheorie voorgesteld door Einstein.

-De standaardmodel van deeltjes, die de structuur van materie beschrijft in termen van de fundamentele deeltjes en de interacties daartussen.

-De kosmologisch principe, wat bevestigt dat het universum homogeen en isotroop is, als we het op grotere schaal zien. Dit betekent dat de eigenschappen ervan in alle richtingen identiek zijn en dat de wetten van de natuurkunde overal hetzelfde zijn..

Natuurlijk weten we dat er opeenhopingen van materie zijn, gescheiden door ruimtes met veel minder dichtheid. Vanuit dat oogpunt verschillen de eigenschappen van het universum zeker. Maar de schaal die het kosmologische principe omvat, is veel groter dan dat..

Volgens het kosmologische principe heeft het universum geen centrum, noch grenzen of grenzen, omdat voorkeursplaatsen simpelweg niet bestaan..

Daarom wordt geconcludeerd dat het universum een ​​oorsprong heeft in de tijd en dus een eindige leeftijd, hoewel het nog niet duidelijk is of de uitbreiding ervan eindig of oneindig is..

Stadia van het heelal volgens de oerknaltheorie

De evolutie van het heelal volgens de oerknal. Bron: Wikimedia Commons.

Wetenschappers onderscheiden drie hoofdfasen, de eerste van een universum heel primair, het tweede van het eigenlijke oorspronkelijke universum en het derde het stadium van het structuurvorming

Tijdens de eerste twee werd het universum eerst gedomineerd door straling en daarna door materie. 

Stralingsfase

Gedurende dit tijdperk was energie in de vorm van fotonen, massaloze elementaire deeltjes waaruit licht bestaat. Dankzij hen werden de elektron-positron-paren van materie en antimaterie gecreëerd, die vernietigen wanneer ze elkaar ontmoeten en weer energie uitzenden in de vorm van fotonen..

Op een gegeven moment overheerste materie echter enigszins boven antimaterie, wat later leidde tot het verschijnen van de eerste subatomaire deeltjes..

Kosmologen geloven dat deze fase ongeveer 700.000 jaar heeft geduurd, en daarin worden de volgende periodes onderscheiden:

Beginstadium

Begint vanaf 10-43 seconden nadat de oerknal plaatsvond en omvat:

-Het Planck-tijdperk, toen de vier fundamentele interacties - elektromagnetisch, sterk nucleair, zwak nucleair en zwaartekracht - een enkele fundamentele kracht vormden. 

-Het tijdperk van eenwording vond plaats 10-36 seconden later, wanneer de zwaartekracht is gescheiden van de andere krachten, maar de anderen bleven gefuseerd in wat GUT wordt genoemd (grote verenigde theorie) terwijl het universum zich uitbreidde en afkoelde.

De grote inflatie

Vanaf 10-36 tot 10-33 seconden, waarin het heelal een versnelde groei onderging, afkoelde en de dichtheid snel afnam als gevolg van de expansie.

Dit is hoe het universum groeide van iets minder dan de punt van een speld, tot een bol ter grootte van verschillende zonnen zoals de onze, allemaal met grote snelheid.

Deeltjesvorming

De groei van het heelal vertraagde zonder te stoppen en de eerste elementaire deeltjes kwamen tevoorschijn: protonen, elektronen en neutronen..

Creatie van de lichte atomen

Na drie minuten botsten protonen en neutronen om de eerste kernen te vormen. Toen ontmoetten deze kernen elkaar en werden de lichte atomen gevormd.

Verschijning van licht

Paradoxaal genoeg lieten de hoge temperaturen van het vroege universum het licht pas ongeveer 380.000 jaar na de oerknal verschijnen..

Maar toen was het heelal al voldoende afgekoeld om de vorming van neutraal waterstof mogelijk te maken, waarmee fotonen - lichtdragers - zonder obstakels grote afstanden konden afleggen.

Dominantie van materie

Het universum, dat voorheen ondoorzichtig was vanwege zijn hoge dichtheid, werd transparant voor straling en materie werd overheersend.

Op deze manier werden de eerste conglomeraten gevormd, dankzij de werking van de zwaartekracht, en begon het universum zijn huidige vorm te krijgen. Het is de fase van de vorming van structuren.

Vorming van sterren en sterrenstelsels

De zwaartekracht deed de gaswolken instorten om de eerste sterren te vormen, die later werden geassocieerd met sterrenstelsels. Deskundigen denken dat dit ongeveer 400 miljoen jaar na de oerknal is gebeurd..

Tijdperk van donkere materie

De expansie van het universum is niet gestopt, integendeel, het lijkt te zijn versneld.

Nu geloven wetenschappers dat er een zaak is die verschilt van de zaak die we kunnen zien, genaamd donkere materie, die verantwoordelijk is voor deze versnelde expansie.

Bewijs

Illustratie van de WMAP-satelliet die gegevens verzamelt om de oerknal te begrijpen

Kosmische straling achtergrond

De oerknal is vandaag de dag nog steeds waarneembaar, ondanks de verstreken tijd, door straling die afkomstig is van de meest afgelegen plaatsen in het universum.. 

De kosmische microgolfstraling achtergrond (kosmische microgolfachtergrond) werd halverwege de jaren zestig ontdekt door twee onderzoekers van Bell Laboratories: Arno Penzias en Robert Wilson.

Het is de gloed die de oerknal achterliet, iets waar de theorie van tevoren al op had gewezen, maar pas bij de experimenten van Penzias en Wilson was ontdekt..

De wet van Hubble-Lemaitre

In 1929 bevestigde Edwin Hubble dat het universum zich uitbreidt, en acht jaar lang had hij de leiding over het verzamelen van de nodige gegevens om het te bewijzen op het Mount Wilson Observatory, Californië..

Op deze manier verkondigde hij de volgende wet, waarin de snelheid v waarmee sterrenstelsels van ons af bewegen, is evenredig met de afstand R, wezen H. Hubble's constante:

v = HR

Waar H = 22 x 10-3 m / (lichtjaar). Deze eenvoudige vorm van de wet is geldig als het gaat om sterrenstelsels die niet te ver weg zijn..

Uniforme verdeling van verre sterrenstelsels

De Hubble-ruimtetelescoop bevestigt dat verre sterrenstelsels homogeen verdeeld zijn, in overeenstemming met het kosmologische principe.

Schijnbare omvang van verre sterrenstelsels

Hoe groter de roodverschuiving, hoe groter de schijnbare magnitude van een ver sterrenstelsel, wat betekent dat de golflengte van het licht langer wordt naarmate het door een uitdijend universum reist..

Problemen en kritiek

In theorie zijn er veel punten die onduidelijk blijven, wetenschappers weten bijvoorbeeld nog steeds niet wat de aanleiding was voor de grote inflatie.

Aan de andere kant zijn veel experts niet tevreden met het feit dat vóór de oerknal tijd, materie en ruimte niet bestonden, aangezien sommigen denken dat tijd altijd heeft bestaan.

Kosmologische theorieën wijzen natuurlijk op grootschalige verschijnselen en worden verfijnd of verworpen dankzij nieuwe ontdekkingen. Wetenschappers hopen discrepanties zoals de volgende op te lossen:

Entropie probleem

De entropie was abnormaal laag tijdens de eerste momenten van het universum en kosmologen kunnen de toename van entropie tot de huidige niveaus niet verklaren..

Horizon-probleem

Dit probleem verwijst naar het feit dat de lichtsnelheid eindig is en niets sneller reist dan het. Gebieden die tijdens de oerknal echter niet in contact konden zijn vanwege hun scheiding, blijken zich in thermisch evenwicht te bevinden.. 

Vlakheid probleem

Er wordt aangenomen dat we in een plat universum leven, maar de oerknaltheorie biedt geen fysiek mechanisme dat de reden bevredigend verklaart.

Magnetisch monopoolprobleem

De oerknaltheorie voorspelt het bestaan ​​van magnetische monopolen, maar tot nu toe zijn ze niet gevonden. Elke keer dat we het proberen, krijgen we door een magneet te snijden altijd kleinere magneten met noord- en zuidpool, nooit aparte magnetische polen (monopolen).

Andere zorgen over de theorie zijn: waar komt de singulariteit vandaan? En hoe kwam het dat materie de overhand kreeg over antimaterie? Of hoe en waarom vond de grote inflatie plaats? Er is nog een lange weg te gaan.

Referenties

  1. Carroll, B. An Introduction to Modern Astrophysics. 2e. Editie. Pearson.
  2. Falcón, N. Kritische bespreking van de oerknal. Hersteld van: researchgate.net.
  3. Seeds, M. 2011. Foundations of Astronomy. 11e. Ed. Cengage Learning.
  4. Serway, R., Jewett, J. 2019. Physics for Science and Engineering. Deel 2. 10e. Ed. Cengage Learning.
  5. Wikipedia. Microgolf achtergrondstraling. Hersteld van: es.wikipedia.org.

Niemand heeft nog op dit artikel gereageerd.