Het duizelingwekkende verband tussen universum en elektron
Naar aanleiding van het gesprek in Doc Talks met Amanda Gefter over haar boek In Einsteins achtertuin keek ik naar de documentaire Everything and nothing. In begrijpelijke
termen zou daarin het wonder van het heelal en het elektron - het grootste en
het kleinste - uit de doeken gedaan en met elkaar in verband gebracht worden. Het blijft moeilijke materie
voor een leek, iets wat niet in een keer te behappen is. Daarom mijn excuses als
de inhoud niet geheel duidelijk is. Des te interessanter om het boek van Amanda Gefter te
gaan lezen om de missing links aan te vullen. Ik verwijs ook nog naar de colleges van Robbert Dijkgraaf over deze onderwerpen (of misschien moet ik zeggen: dit onderwerp).
Everything
Gastheer Jim Al - Khalili, opgegroeid in Bagdad, maar
inmiddels een Engelse professor, staat op het strand en toont een zandkorrel op
zijn vingertop. Stel dat dit de zon is, zegt hij. Er zijn meer sterren in het
heelal dan zandkorrels op alle stranden op de aarde. Het melkwegstelsel heeft
er al honderd miljoen. De vraag is hoe men dat ontdekte. Daarop probeert hij in
dit eerste deel van de tweedelige documentaire Everything and nothing een antwoord te geven.
Vijfhonderd jaar had men een statisch beeld van het heelal.
In 1572 veranderde dit toen een explosie van een supernova te zien was. Volgens
Simon Schaffer dacht men dat de ster van de wijzen teruggekeerd was, de Britse
parlementariër Thomas Digges meende daarentegen met een bewegende ster te doen
te hebben. Hoewel dit onjuist bleek, ontdekte hij wel dat sterren verspreid in
een oneindige ruimte staan.
De paradox van Olbers, die de vraag stelt waarom het ’s
nachts donker is in het heelal, werd pas in de twintigste eeuw verklaard. In
1880 sleep de Duitse musicus William Herschel samen met zijn zus Caroline zijn
telescopen om achter de dynamische complexiteit van het helaal te komen. Ze
ontdekten aldus Uranus en brachten de vorm van het Melkwegstelsel in kaart. Zij
namen daarbij wolkachtige structuren waar, die pas later, toen men de afstand
tot de sterren kon meten, buiten het Melkwegstelsel bleken te liggen. De Andromeda
nevel, onze buur zeg maar, werd waargenomen door de excentrieke Hubble en op
twee tot vijf miljard lichtjaren van ons vandaan gelocaliseerd. Met
niet-euclidische wiskunde kon de vorm van het universum bepaald worden. In de
relativiteitstheorie van Einstein reageerde ruimte op inhoud. Het universum
heeft daardoor een kneedbare structuur die zich uitzet en wel, volgens Hubble, in
steeds snellere mate. Hierdoor kan men terugrekenen naar de oerknal, zo’n 13, 7
miljard jaar geleden. Licht dat ouder is, is niet waarneembaar. Veel sterren
kunnen ons niet bereiken. Daarom is het donker in het heelal.
Nothing
De vraag naar het niets is meer dan een filosofische
kwestie, maar gaat over de realiteit op de grens van onze waarneming en zou ons
bestaan kunnen verklaren in ons universum, zegt Al - Khalili. Aristoteles ging
ervan uit dat de natuur leegte verafschuwde. In de zeventiende eeuw bedacht
Torricelli een truc om leegte te scheppen met een kwikkolom. Blaise Pascal
ontdekte daarna vreemde eigenschappen, zoals dat de luchtdruk afneemt naarmate
men hoger komt.
Leegte is de standaardtoestand in de natuur. Men probeerde de
eigenschappen ervan vast te stellen door de geleiding ervan te bepalen. De
Amerikaan Albert Michelson kwam uit op ether, maar dat hield geen stand. In
1905 ontdekte Einstein dat licht niet geleid hoeft te worden maar zich vrij kan
bewegen. Het veranderde vacuümbegrip leidde tot de ontwikkeling van de
gloeilamp en de televisie. In de natuurkunde leidde meer kennis over het
elektron tot de kwantummechanica. Het gedrag van elektronen verloopt anders dan
we denken. Heisenberg kwam met het onzekerheidsbegrip. In de balans tussen
energie en tijd treden gemakkelijk veranderingen op. Atoomdeeltjes kunnen uit
het niets verschijnen en verdwijnen.
De excentrieke Britse theoretisch fysicus Paul Dirac excelleerde
in meetkundige ideeën en kwam in 1928 tot een vereniging van kwantummechanica
en relativiteitstheorie, die een radicaal nieuw beeld opleverde van het niets.
Op basis van vier vergelijkingen waarbij de eerste twee voorspelbaar waren en
de laatste twee niet, kwam hij tot het inzicht over anti materie, die het
verschijnen en verdwijnen van atomen verklaart. Zijn theorie werd de
kwantumveldtheorie genoemd.
De Amerikaan Willis Lamb ging hierop door en meette de
schommelingen van het electron. Hij ontdekte dat het heelal zich als een
kwantumveld gedraagt. In het eerste licht na de oerknal zijn kleine
temperatuursverschillen terug te vinden, die aantonen dat de materie niet
gelijkmatig verspreid is. De zonnestelstels zijn het product van antimaterie. Elektron en universum zijn twee zijden van dezelfde medaille.
Hier
mijn aantekeningen over de colleges van Robbert Dijkgraaf over het grootste, de
oerknal genoemd, hier
over het kleinste.
Geen opmerkingen:
Een reactie posten