Ons Fysisch Wereldbeeld

Transcriptie

1 Ons Fysisch Wereldbeeld Universiteit Utrecht Overzicht: De wetten van Kepler en Newton als illustratie: Natuurkunde is overal Ruimte en tijd Groot en klein Materie en kracht Natuurkunde en wiskunde: formules Hoe ontstaat ons inzicht De quantum-wereld Atomen en straling De elementaire deeltjes Het Universum: de Big Bang Bekend en onbekend. Waar zijn de grenzen? Unificatie van inzichten en theorieën De samenhang met andere wetenschappen Het onderzoek van vandaag

2 Planeten aan het hemelgewelf

3 Tycho (Tyge) Brahe , geboren in Denemarken. Verloor zijn neus, in een duel met een andere student. Werd beroemd astronoom. Ontdekte "nieuwe ster" in Cassiopeia (1572), en een komeet. Ontwierp en bouwde nieuwe astronomische instrumenten. Deed eerste nauwkeurige metingen van planeetposities (beter dan 2 boogminuten) Copyright Albert van Helden Had assistent: Johannes Kepler.

4

5

6

7 Johannes Kepler ( ) Geboren in Swabia, Zuidwest Duitsland Professor te Graz, Styria (oostenrijk). Publiceerde een theorie over de afstanden van planeten tot de Zon, met regelm. veelvlakken. Werd Tycho Brahe's assistent. Gebruikte Brahe's meetgegevens om de banen van de planeten te berekenen. Kepler toonde aan dat Jezus geboren is in 4 vc (nu algemeen aanvaard). Moest zijn moeder verdedigen die beschuldigd was van hekserij.

8 De wetten van Kepler 1. Iedere planeet draait in een ellipsbaan, met de Zon in één van de twee brandpunten. Planeet b a c a Zon

9 2. De bewegingssnelheid van de planeet over zijn Ellips is zodanig dat ieder tijdsinterval van een vaste tijdsduur de voerstraal (die de planeet met de zon verbindt) dezelfde oppervlakte bestrijkt. B C D Zon A

10 P 3. Als de baanperiode is, en de lange as van de ellips, dan is de verhouding P 2 3 voor iedere planeet dezelfde. / a a Planeet P (jaar) a (AU) P / a 2 3 Mercurius Venus Aarde Mars Jupiter Saturnus Uranus Neptunus Pluto Sedna

11 Isaac Newton ontdekte dat deze wetten van Kepler eenvoudig het gevolg zijn van een universele krachtwet: r F r = ma Zon M M F = G r Aarde Dat hierdoor alle banen ellipsen vormen kun je met goede wiskunde afleiden. Zon

12 Deze ontdekking liet zien dat natuurkunde niet alleen betrekking heeft op verschijnselen op Aarde, maar ook in de Hemel. Tegenwoordig weten we dat alle natuurwetten die wij kennen ook voor de rest van het heelal gelden, tot de verste uithoeken die we met onze telescopen kunnen verkennen. Ook kunnen we die wetten naar het verre verleden extrapoleren. Toen moeten ze ook net zo hebben gewerkt als thans. Er is uitvoerig gezocht naar aanwijzingen dat sommige natuurconstanten wellicht in het verleden andere waarden hadden dan thans. Steeds met negatief resultaat.

13 Ruimte en tijd Een punt in de ruimte geven we aan met coördinaten z r x = ( x, y, z) y z De tijd t is een vierde coördinaat O x y x

14 AFMETINGEN * De lichtsnelheid is km/sec De omtrek van de aarde is km Licht- en radiosignalen doen daar 1/8 seconde over 4000

15 De grote wereld 4000 Zon km 8 min, 19 sec Aarde 40 Afstand tot Pluto: km = 5 uur, 30 min 6700 proxima Centauri: 4 jaar, 80 dagen

16 lichtjaar Afstand: lichtjaar

17 400 ongeveer lichtjaar Afstand tot lichtjaar

18 1 mm De kleine wereld / 500

19 Bacteria 10µ = 0,01 mm / 1000

20 Eiwitten en DNA 0,01 µ = 10 nm / 100

21 Het Atoom 1 A = 0, m / 40000

22 Atoomkern 1 Angstrom = 1 cm electron 1 1 Fermi = Angstrom = cm / 1000

23 LHC Large Hadron Collider Onderzoek tot fermi

24 De snelweg door de woestijn Huidige limiet Veel theoretisch onderzoek naar dit gebied 35 Planck lengte : 10 m m m m m GUTs m m m

25 / : De Supersnaar-theorie Zeer geavanceerde wiskunde

26 Materie Materie hebben we op iedere schaal. In de gewone wereld: vast, vloeibaar, gasvormig of anders! (plasma, ) In de wereld van het grote: Planeten, manen, sterren, melkwegstelsels en in de wereld van het kleine: molekulen, atomen, elementaire deeltjes, Dichtheid: minder dan 1 deeltje / cm³ (in de ruimte) 15 tot 10 maal de dichtheid van water 15 Temperatuur, 0, in het lab, tot 10 en meer, in botsingen tussen deeltjes

27 kracht Materie karakteriseren we door te bestuderen hoe zij reageert op krachten en hoe zij krachten teweegbrengt Actie = reactie Een object dat een kracht teweegbrengt, ondergaat zelf die kracht ook. Newton: MM r 1 2 r F = G ; F = m a 2 r Euler, Lagrange, Hamilton

28 De meest elementaire krachten zijn: - zwaartekracht - elektriciteit en magnetisme - zwakke kernkracht - sterke kernkracht Newton Coulomb, Faraday, Maxwell Fermi Feynman, Gell-Mann Zeer veel andere krachten zijn hiervan af te leiden: - Van der Waalskracht - Wrijving - oppervlaktespanning, etc. De elementaire krachten worden altijd via een kracht veld overgebracht De veld-vergelijking is een wiskundige formule die zegt hoe een veld zich in de ruimte verspreidt.

29 De electro-magnetische kracht

30 Hoe ontstaat ons inzicht Moderne natuurkunde is een samenspel van enerzijds geavanceerde experimenteermethoden, detectietechniek en metingen, en anderzijds theoretische analyse en wiskundige berekeningen. Beide maken veel gebruik van snelle computers.

31 SN 1987 A Hubble Space Telescope Super Kamiokande, Japan

32

33 Natuurkunde kan zeer scherpe precisie bereiken: Het magnetisch moment van het electron kon worden gemeten: g / 2 = 1, ± 76 Hieruit afgeleid: 2 e α = = 1/137, hc ± 96 Vgl: afstand tot de Maan tot op 0,3 mm nauwkeurig Vgl: afstand tot de Maan tot op 30 cm nauwkeurig

34 screen detector holes Wat is Quantum-mechanica?

35 De golfvergelijking

36 Korte geschiedenis van het heelal Tijd Grootte" Energie/deeltje. Temperatuur Tijdperk sec cm GeV sec cm GeV sec 1cm GeV μ 10 km 1μ sec 10 km 1 GeV 10 km 10 sec 0. 1 ly 300 kev 15 min 1 ly 30 kev yr 6 10 ly 2eV yr 7 10 ly 0.35 ev yr ly ev sec GeV msec 100 MeV K K K K K K K K K 3500K 3 K Planck Grand Unification Inflatie Woestijn Quarks + Leptonen Hadronen Leptonen Nucleosynthese e.m. straling Plasma Materie

37 Ontstaan Heelal: Ontstaan van ons melkwegstelsel: Ontstaan van Zon en Aarde Ontstaan van de Maan Ontstaan van leven 13.7 miljard jaar geleden ~ 9 miljard jaar geleden 4.56 miljard jaar geleden enige 100 miljoenen jaren later, door botsing ~ 3.5 miljard jaar geleden Leven op land Zoogdieren Homo Sapiens meer dan 543 miljoen jaar geleden ~ 100 miljoen jaar geleden ~ jaar geleden

38 Bekend en onbekend Wat weten we, en wat weten we niet? We weten uit wat voor materie wij bestaan We kennen de fundamentele krachten die daar op werken En hoe informatie zich er voortplant Maar de situatie kan dikwijls zeer complex worden materialen: collectief gedrag (supergeleiding), chaos,... Dan gelden nog steeds behoudswetten Energie impuls kracht informatie Onbekend: extreme situaties: druk, temperauur veldsterkte, energie/deeltje Onbekend: uiterst zwak interagerende deeltjes en velden: donkere materie, donkere energie, 5 th force BIG BANG

39 Electriciteit Magnetisme Unificatie Maxwell theorie Zwakke Kracht electro-zwakke kracht Optica Statistische Mechanica Speciale Relativiteitstheorie quantumveldentheorie Sterke Kracht Klassieke Mechanica Zwaartekracht Quantum mechanica Algemene Relativiteit Algemene geunificeerde theorie?

40 1. De fundamentele natuurwetten zelf: a) kleine afstanden : Energie/deeltje zo groot mogelijk. Thans: tot ca Vgl: N evolt 5 c h G = Het onderzoek van vandaag Waar zijn thans de grenzen? λ hc/ E (CERN) Volt e De woestijn van 16 grootte-ordes b) Grote astanden : Cosmologie. Vorm van het heelal, 9 Geschiedenis ( Big Bang ) (13, 7 10 jaar) 2. Complexe afgeleide verschijnselen: - lage temperatuur (supergeleiding, B.E. condensatie,...) - kritisch gedrag (fase-overgangen) - (ander) complex quantum gedrag (quantum computation, e.a.) 3. (Andere) toegepaste verschijnselen. (Talloze voorbeelden: nanoscience, klimaat, kernfusie, zonnecellen, biofysica,...)

41 Samenhang met andere wetenschappen Natuurkunde Theoretisch & computationeel Wiskunde Modellen Cosmologie Snarentheorie Wiskunde Scheikunde Gecondenseerde materie Hoge energie fysica deeltjes, velden Lage temperatuur atomen, moleculen hydrodynamica plasmafysica Nanofysica Quarks en gluonen Verdere unificatie, Cosmische stralen Biofysica Astrofysica Geofysica kernfysica Meteorologie Aardwetenschappen Astronomie Biologie

42 Ons fysisch wereldbeeld