De Wonderbaarlijke Eenheid van het Heelal, de Oerknal en het Multiversum Ed P.J. van den Heuvel Universiteit van Amsterdam Universiteit Maastricht 17 Januari 2018
Achtergrond informatie bij deze lezing: Boek: De Wonderbaarlijke Eenheid van het Heelal door Ed van den Heuvel, Uitgegeven door Prometheus, Amsterdam, September 2017.
Leeftijd van het heelal: 13.8 miljard jaar Leeftijd van het Melkwegstelsel: minstens 13 miljard jaar Leeftijd van het Zonnestelsel en de Aarde: 4.65 miljard jaar years Waterstof (H) en helium (He) werden in de Oerknal gemaakt, alle andere elementen zijn in vroegere generaties zware sterren gemaakt Wij zijn van Sterrenstof gemaakt
Golflengte (in nanometers) In de kleurenband van het spectrum zitten bij vaste golflengten lijnen van de verschillende elementen die in de lichtbron voorkomen:
Electron kan in atoom alleen vaste (gequantiseerde) energieniveaux innemen: spectrale lijn ontstaat door quantumsprong Absorptie van foton doet electron van baan van lagere naar hogere energie springen Bij terugval naar lagere baan wordt een foton van dezelfde energie uit- Gezonden (emissie) Licht: golflengte λ 23 E = hν = hc/λ = energieverschil 23 23 23 tussen baan 2 en baan 3 λ 23
In spectra van sterren en sterrenstelsels: dezelfde 90 elementen als op Aarde en in de Zon: Overal in het heelal gelden dezelfde wetten van de natuurkunde
Op Aarde en in zon en sterren worden 90 elementen aangetroffen t/m Uranium (elem. 92) Afwezig in natuur: geen langlevende isotopen
M51, afstand 20 miljoen lichtjaren; 100 miljard sterren (zonnen), middellijn 100 000 lichtjaren
Hercules Cluster, afstand 600 miljoen lichtjaren
The Hubble Ultradeep Field; verste stelsels: licht van 12 à 13 miljard jaar geleden (Oerknal was 13.8 miljard jaar geleden)
Hoe verder weg een sterrenstelsel, hoe meer zijn spectrum naar het rood is verschoven Ver sterrenstelsel: Grote roodverschuiving Nabije ster: geen roodverschuiving
Doppler Effect Stilstaand Bewegend Toon lager of Licht roder Toon hoger of Licht blauwer
Heelal als rijzend krentenbrood Elke krent denkt dat hij zelf in het centrum van de uitdijing staat! Na uitzetting met een factor 2: - krent die op 1 cm afstand zat, zit nu op 2 cm afstand ( dus 1 cm erbij) - krent die op 2 cm afstand zat, zit nu op 4 cm afstand ( dus 2 cm erbij) Deze verplaatsingen traden op in dezelfde tijd: Hoe groter de oorspronkelijke afstand, hoe groter snelheid!
Toen Einstein in 1916 zijn nieuwe zwaartekrachtstheorie toepaste op heelal vond hij: Heelal gaat krimpen (of uitzetten) Einstein geloofde echter in een statisch heelal A. Einstein 1879-1955 Hij voegde toen een extra term toe, aangeduid met Λ (lambda), aan zijn theorie om krimpen van heelal tegen te gaan. Deze term betekent: een afstotende zwaartekracht in de lege ruimte: Vacuum energie
de Sitter (1917): het heelal is ontzettend ijl, laten we daarom de massa-term vergeten, en de vergelijking met Λ er in oplossen : Hij vond een expanderend heelal waarin de schaalfactor a exponentieel toeneemt met de tijd: Einstein en de Sitter omstreeks 1930 (schaalfactor is de fysische afstand tussen twee punten in heelal). Hierbij is de expansie-coëfficient: Dit was het eerste uitdijende model van het heelal
Briefkaart van Einstein aan de Sitter, 14 April 1917
Hubble (1929) dacht dat de waargenomen uitdijing van het heelal het model van de Sitter (1917) met Einstein s lambda bevestigde. Friedmann (1922/23) vond de algemene oplossingen voor de mogelijke evolutie van het heelal, zonder lambda: Werkelijke toestand van het Heelal moet uit dichtheidsmeting blijken!! Ω<1 Positieve Energie Ω=1: Energie nul Ω= dichtheid/ critische dichtheid Ω>1: Neg. Energie Alexander Friedmann (1888-1925)
Heelal bestaat voor 70% van massa uit Waterstof (H) en 28% Helium (He) Alle andere elementen samen: slechts 2 %.
Bewijzen voor hete Oerknal als begin van heelal 1. Uitdijing van het heelal 2. Microgolf achtergrondstraling van Oerknal, ontdekt in 1964: dateert van 380 000 jaar na begin, toen werd heelal doorzichtig: temperatuur 3000 Kelvin 3. Heelal is met 72% H + 28% Helium begonnen; (thans ~ 70% H, 28% He en 2% zwaardere elementen).
COBE Cosmic Background Explorer (COBE, gelanceerd 1989) mat deze Planckkromme:Temperatuur 2,735 (± 0.006) Kelvin 9 10 fotonen per materiedeeltje (baryon= proton/neutron) in het heelal Gemeten temperatuur van de microgolf achtergrondstraling: 2.735K toont: Heelal is sinds recombinatie (380 000 jr na Oerknal) factor 1100 (=3000/2.735) uitgezet.
(ESA 2009-13) Temperatuursvariaties over Hemel: minder dan 0.0001 Kelvin Gevolg van dichtheidsvariaties in tijd lang voor Recombinatie (doorzichtig worden)
Grote raadsels: 1. Het horizon-probleem: a. Hoe kan de microgolf achtergrondstraling uit alle richtingen zo exact dezelfde temperatuur hebben (binnen 0.0001 Kelvin), terwijl de delen van het heelal in de verschillende richtingen 380 000 jaar na de Oerknal helemaal niet met elkaar in contact waren? b. Hetzelfde geldt ook voor de natuurwetten, deze zijn overal hetzelfde (ook achter de Horizon)
2. Het vlakheidsprobleem: Al in de jaren 1960-1970 bleek uit metingen van de materiedichtheid in heelal Ω ligt tussen 0.30 en 1.00. GROTE VRAAG: waarom is waarde van Ω zo dicht bij 1? Als hij in het begin maar iets afweek van 1,0000000000 zal hij tijdens de uitdijing snel steeds meer van 1.0000 zijn gaan afwijken (Robert Dicke, omstreeks 1970)
Antwoord op deze Diepe Vragen Inflatie: in een heel vroeg stadium is heelal enorm snel 30 uitgezet: meer dan 10 maal, -36-32 tussen 10 en 10 seconde na begin. Vóór die tijd waren de verschillende delen van heelal WEL in contact met elkaar
De vier basiskrachten van de natuurkunde: Bepalen de eigenschappen van alle materie en straling in Heelal 1. Zwaartekracht 2. Electromagnetische kracht 3. Zwakke kernkracht: bindt proton en electron samen tot neutron 4. Sterke kernkracht: bindt protonen en neutronen samen in atoomkernen Hoogste doel van fundamentele natuurkunde: vinden van theorie die deze vier krachten onder één noemer brengt: Grand-Unified Theory (GUT), bijvoorbeeld: -33 String Theorie: strings met afmetingen van 10 + + Helium kern cm (Planck-lengte)
Grand Unified Theories (GUTs) voorspellen dit beeld voor de unificatie van alle natuur-krachten (naar t Hooft en Vandoren)
Inflatie-idee (Allan Guth, Andrei Linde and Alexei Starobinski, ca 1979) Ter verklaring van ontbreken van Magnetische mono-polen (de Sittermodel)
Inflatie: Ruimte zelf mag veel sneller uitdijen dan met de lichtsnelheid (Guth 1979) Wegens gigantisch opblazen door inflatie kreeg heelal enorme kromtestraal. Wij kunnen slechts een klein stukje overzien: ziet er VLAK uit, (Net als Aarde voor de mens vlak lijkt) Voorspelling van Inflatie-theorie (1979): Heelal is vlak: Ω = 1.00000000000000. Daar was in 1979 echter geen enkele aanwijzing voor
Bijzondere ontdekkingen van de laatste decennia: - Donkere Materie en Donkere Energie: Heelal IS INDERDAAD Vlak (Ω =1.00..) - Er is een cosmologische constante Λ > 0 die heelal versneld doet uitdijen: VACUUM-ENERGIE
Cluster van sterrenstelsels Abell 2218 Afstand 1.5 miljard lichtjaren
Het tot stand komen van een Einstein Ring
Cluster Abell 1689, Gravitational Lense (HST). Einstein-ringen tonen dat er in de clusters ca 6 maal meer donkere materie, met zwaartekracht is, dan gewone materie die uit atomen bestaat.
Brian Schmidt, born 1967 Verre supernovae zwakker dan verwacht volgens de wet: helderheid (:) 1/(afstand)² ~30% Matter + ~70% Dark Energy Saul Perlemutter, Adam Riess, born 1959 born 1969 Nobel Prize Physics 2011
(ESA 2009-13) Temperatuursvariaties over Hemel: minder dan 0.0001 Kelvin Verdeling van de Afmetingen van hetere en koudere gebiedjes past juist bij Heelal met ~70% Donkere energie en ~26 % koude Donkere materie.
Zichtbare en onzichtbare ingredienten van ons vreemde heelal 96 % onbekend! kromming nul positief negatief Λ groter dan 0 Heelal is Vlak (kromming nul) : Ω =1.000 dus totale energie NUL: The best free lunch
Het Anthropisch Cosmologisch Principe: Is geinspireerd door een aantal bijzondere coincidenties: bijvoorbeeld: de leeftijden van het Heelal, ons zonnestelsel en intelligent leven zijn vrijwel gelijk. Waarom zou dit zo zijn? Brandon Carter (1974): We kunnen alleen maar over ONS Heelal praten omdat WIJ als waarnemers in dit Heelal aanwezig zijn. Het feit dat WIJ hier zijn bepaalt wat de waarden van de basis natuur-constanten van ONS Heelal moeten zijn, want die moeten zodanig zijn dat ze het ontstaan van leven mogelijk maken. 1/19/2018 Anthropic Principle NNV
Wat betreft de natuurconstanten zijn er een aantal heel bijzondere coincidenties, al opgemerkt in de Jaren 1950, Door Fred Hoyle (Cambridge University, UK)
7.37 MeV In Helium-kern van Rode Reuzensterren: Helium fusie gebeurt by T~ 100 miljoen K en produceert C. Bij iets hogere T fuseert C verder met He tot O
Een atooomkern is voor te stellen als een een energie-put. Hierin bevinden zich energie-niveaux, Een atoomkern die zich in een energie-niveau boven de grondtoestand bevindt heet aangeslagen. Een fusie-reactie waarbij een kern in een aangeslagen (resonant) niveau gevormd kan worden heeft een veel hogere waarschijnlijkheid dan één waarbij de kern zich alleen in de grondtoestand kan vormen.
Maken van Koolstof en Rode Reuzen Fred Hoyle (1915-2001): HET BESTAAN VAN KOOLSTOF (C) IN DE NATUUR IS EEN GEVOLG VAN TWEE BYZONDERE TOEVALLIGHEDEN: 12 1. Het maken van C in het inwendige van sterren: 2 4 He 8 Be 8 Be + 4 He 12 C + 7.37 MeV (Energie) Voorspelde in 1953 dat deze reactie alleen een voldoend grote hoeveelheid Koolstof kan produceren in een ster, als er een resonant energie niveau in de atoomkern van Koolstof is BOVEN 7.37 MeV, dus: bij ca 7.7MeV. W.Fowler ontdekte hierna in het lab precies dat niveau! 1/19/2018 Willy Fowler, 1911-1995, Nobel Pr.1983 12 4 16 2. C + He O + 7.1616 MeV 16 De resonantie in O ligt hier ONDER: 7.1187 MeV Had hij boven 7.1616 gelegen, dan was alle C in O omgezet Had Anthropic the basic Principle constants NNV of nature: ħ (Planck), c (velocity of light), m e and m p been a few per cent different: No Carbon and No Life!!
Belangrijke natuurconstantenhebben bepaalde waarden, Maar niemand weet waarom. Dit geldt voor ħ (Planck), G (gravitatieconstante), c (lichtsnelheid), e (lading van electron), m e en m p, Λ, etc., (in totaal 26 natuurconstanten) en voor belangrijke dimensieloze combinaties hiervan: 2 α = e /ħc= 1/137 (fijnstructuur constante, bepaalt de eigenschappen van de atomen 1/19/2018
Met de 16 deeltjes uit het Standaard-Model, plus het Higgs-boson kan men alles wat we weten van de structuur van materie en krachten in de natuur verklaren Maar de CONSTANTEN (massa s, sterkten van krachten, etc.) in dit Model worden NIET door dit model voorspeld. Niemand weet waar die waarden vandaan komen.
Weak Anthropic Principle (WAP):: De waargenomen waarden van de natuurconstanten en van de ouderdom van het heelal zijn niet de meest waarschijnlijke. Ze zijn beperkt door 2 eisen: (1) op koolstof gebaseerd leven kon evolueren (2) Heelal moet oud genoeg zijn om evolutie van waarnemers mogelijk te maken. [Anders waren wij er niet geweest om hierover na te denken] Strong Anthropic Principle (SAP): Het Heelal heeft van nature al precies die waarden van de natuurconstanten die nodig zijn om op een zeker moment leven te doen ontstaan, Dit kan men lezen als : Er bestaat precies één mogelijk Heelal, ontworpen met het doel om leven en het ontstaan van waarnemers mogelijk te maken 1/19/2018
De meest extreme aanhangers van het Weak Anthropic Principle zijn tegenwoordig sommige van de String-theoretici, bijv. Leonard Susskind (Stanford University): String Theory and the Illusion of Intelligent Design (2006) Menen: er zijn statistisch van orde 10 Universums nodig om er toevallig één zoals het ONZE te doen ontstaan. Deze verzameling is: een Multiversum. In elk Universum: waarden van de fundamentele natuurconstanten door het toeval bepaald. Ons Universum heeft toevallig precies de juiste combinatie van natuurconstanten om Intelligent Leven mogelijk te maken. De andere Universa zijn steriel. 1/19/2018 500 Mogelijkerwijs Multiversum gerealiseerd in string theorie Strings hebben afmetingen van Planck schaal (10-33 cm). Veel claims, weinig bewijzen (voorspelt een Λ waarde die 10120 te groot is)
echt Alan Guth, in 1979, met Starobinsky en Linde: idee van Inflatie Grand Unified Theories (GUTs): bij energieen boven 10 GeV zijn de sterke en electrozwakke kracht even sterk en weergegeven door een combinatie van energievelden (Higgs velden) met enorme energieën. Zolang de ruimte in kuiltje bij de top van de Mexicaanse hoed blijft hangen, in het False Vacuum,heeft het een enorme cosmologische constante, en zet het exponentieel (continue inflatie). Als het door QM ruis de top verlaat, vervalt het naar echt vacuum, en produceert daarbij alle soorten deeltjes en stralingen, die we als de Big Bang waarnemen. 16
Multiversum of super-heelal Het overkoepelende super-heelal is in toestand van False Vacuum en zet exponentieel uit. Op elke plaats is er een zekere quantummechanische waarschijnlijkheid om te vervallen naar gewoon vacuum (de bal rolt dan naar beneden), en daar ontstaat dan een Big Bang heelal. Omdat de ruimte tussen de uitdijende heelallen continu exponentieel uitzet met een snelheid veel groter dan de lichtsnelheid c, zullen deze heelallen nooit iets van elkaar merken (zijn niet in causaal contact)
Symmetry breaking Als waterdamp (volledig isotroop en homogeen, met geen enkele voorkeursrichting) sublimeert tot sneeuwkristallen, ontstaan er voorkeursrichtingen van de kristallen, volgens toeval: De oorspronkelijke volledige symmetrie van de damp is gebroken Iets dergelijks gebeurt met het Heelal bij de overgang naar echt vacuum: de waarden van de Higgs-parameters, en dus de natuurconstanten ontstaan door symmetry-breaking (toeval).
echt De waarden van de Higgs-parameters waarmee het heelal ( het balletje ) volgens toeval als Echt Vacuum eindigt, bepalen de sterkten van de drie verschillende interacties, en de waarden van de 26 parameters van het Standaardmodel van de elementaire deeltjes, plus Λ, G. In elk heelal zullen deze weer anders zijn, en het zal zeer zelden voorkomen dat ze een heelal met LEVEN toelaten, zoals het onze. Snaar-theoreten schatten die kans één op 10500. Zie L.Susskind(Stanford): The Cosmic Landscape: String Theory and the Illusion of Intelligent Design (Back Ray 2006)
Ons heelal als onderdeel van een Multiversum
Let wel: De onderstelling in deze Multiverse modellen is wel dat het Standaard Model van de elementaire deeltjes in dit gehele Multiversum geldig is. Alleen de natuurconstanten in dit model verschillen van heelal tot heelal.
Paul Steinhardt (Princeton University): The Anthropic Principle makes an enormous number of assumptions regarding the existence of multiple Universes.. Why do we have to postulate an infinite number of universes with all sorts of different properties just to explain our ONE? Multiversum theorie voorspelt GEEN ENKELE waarde v. een constante, Maar zegt: de waarden zijn gevolg van selectie-proces. Vraag: is dit nog wel wetenschap? We waren gewend dat echte wetenschap toetsbare voorspellingen doet, die later blijken uit te komen: - Bestaan van planeet Neptunus; van het Tau-deeltje; van Technetium, etc.
Conclusies Deeltjesfysica (GUTs) voorspelde INFLATIE: Ω = 1.00000000..(vlak heelal) Dit loste het Horizon-probleem en Vlakheids-probleem op Bevestigd door ontdekking Donkere materie en Donkere Energie GUTs suggereren: Waarden v. natuurconstanten: gevolg v. symmetrie-breking Dit betekent: waarden v. natuur-constanten door TOEVAL bepaald: Ons heelal, met LEVEN, gevolg van selectieproces uit > 10500 heelallen (?) MULTIVERSUM past bij het Zwak Anthropische principe OF, VRAAG: Missen we toch nog iets? - Is er nog een onderliggende laag van fundamentele wetten die PRECIES de waarden van de natuur-constanten voorspelt? [Sterk Anthropisch principe].