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

Planeten aan het hemelgewelf

Tycho (Tyge) Brahe 1546-1601, 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) Had assistent: Johannes Kepler. Copyright Albert van Helden

Johannes Kepler (1571-1630) Geboren in Swabia, Zuidwest Duitsland. 1594 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.

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

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

Als de baanperiode is, en de lange as van de ellips, dan is de verhouding voor iedere planeet dezelfde. Planeet Mercurius Venus Aarde Mars Jupiter Saturnus Uranus Neptunus Pluto Sedna 0.999996 0.999999 1 1.000000 0.999 0.987 (jaar) 0.241 0.615 1.881 11.86 29.44 83.53 163.8 247.9 10806 (AU) 0.3871 0.7233 1.5237 5.2034 9.537 19.191 30.069 39.481 489

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

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.

Ruimte en tijd Een punt in de ruimte geven we aan met coördinaten De tijd t is een vierde coördinaat z x O y

* De lichtsnelheid is 299 792 km/sec De omtrek van de aarde is AFMETINGEN * De omtrek van de aarde is 40 000 km Licht- en radiosignalen doen daar 1/8 seconde over 4000 ×

Afstand tot Pluto: 5 906 376 272 km = 5 uur, 30 min 4000 × De grote wereld 149 600 000 km 8 min, 19 sec Zon Aarde 40 × Afstand tot Pluto: 5 906 376 272 km = 5 uur, 30 min 6700 × proxima Centauri: 4 jaar, 80 dagen 30 000 ×

30 000 × 130 000 lichtjaar Afstand: 2 700 000 lichtjaar

ongeveer 50 000 000 lichtjaar Afstand 2 000 000 000 tot 400 × ongeveer 50 000 000 lichtjaar Afstand 2 000 000 000 tot 10 000 000 000 lichtjaar

De kleine wereld 1 mm / 500

Bacteria 10µ = 0,01 mm / 1000

Eiwitten en DNA 0,01 µ = 10 nm / 100

Het Atoom 1 Å = 0, 000 000 000 1 m / 40000

Atoomkern electron / 1000

LHC Large Hadron Collider Onderzoek tot 0.001 fermi

De snelweg door de woestijn Veel theoretisch onderzoek naar dit gebied Planck lengte : De snelweg door de woestijn GUTs Huidige limiet …

De Supersnaar-theorie / 10 000 000 000 000 000 : De Supersnaar-theorie Zeer geavanceerde wiskunde …

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) tot 10 maal de dichtheid van water … 15 Temperatuur, 0,000 0001° in het lab, tot 10 en meer, in botsingen tussen deeltjes 15

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: Euler, Lagrange, Hamilton …

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.

De electro-magnetische kracht

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.

SN 1987 A Hubble Space Telescope Super Kamiokande, Japan

Natuurkunde kan zeer scherpe precisie bereiken: Het magnetisch moment van het electron kon worden gemeten: Vgl: afstand tot de Maan tot op 0,3 mm nauwkeurig Hieruit afgeleid: Vgl: afstand tot de Maan tot op 30 cm nauwkeurig

Wat is Quantum-mechanica ? screen detector holes Wat is Quantum-mechanica ?

De golfvergelijking

Korte geschiedenis van het heelal Tijd “Grootte" Energie/deeltje. Temperatuur Tijdperk Planck Grand Unification Inflatie Woestijn Quarks + Leptonen Hadronen Leptonen Nucleosynthese e.m. straling Plasma Materie

Ontstaan Heelal: 13.7 miljard jaar geleden Ontstaan van ons melkwegstelsel: ~ 9 miljard jaar geleden Ontstaan van Zon en Aarde 4.56 miljard jaar geleden Ontstaan van de Maan enige 100 miljoenen jaren later, door botsing Ontstaan van leven ~ 3.5 miljard jaar geleden Leven op land meer dan 543 miljoen jaar geleden Zoogdieren ~ 100 miljoen jaar geleden Homo Sapiens ~ 200 000 jaar geleden

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, 5th force “BIG BANG”

Unificatie Zwakke Kracht electro-zwakke kracht Electriciteit Maxwell theorie Magnetisme Optica Speciale Relativiteits- theorie Sterke Kracht Statistische Mechanica quantum- veldentheorie Klassieke Mechanica Quantum mechanica Algemene geunifi- ceerde theorie ? Algemene Relativiteit Zwaartekracht

Het onderzoek van vandaag Waar zijn thans de grenzen ? 1. De fundamentele natuurwetten zelf: “kleine afstanden”: Energie/deeltje zo groot mogelijk. Thans: tot ca (CERN) Vgl: De “woestijn” van 16 grootte-ordes b) “Grote astanden”: Cosmologie. Vorm van het heelal, Geschiedenis (“Big Bang”) Complexe afgeleide verschijnselen: - lage temperatuur (supergeleiding, B.E. condensatie,...) - kritisch gedrag (fase-overgangen) - (ander) complex quantum gedrag (quantum computation, e.a.) (Andere) toegepaste verschijnselen. (Talloze voorbeelden: nanoscience, klimaat, kernfusie, zonnecellen, biofysica, ...)

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

Ons fysisch wereldbeeld