Hoe is de wereld opgebouwd? De uitdaging voor de natuurkundigen.

Op zoek naar het fundamentele Waarom hebben zoveel dingen in deze wereld gelijke eigenschappen? Men is gaan beseffen dat de materie opgebouwd is uit enkele fundamentele bouwstenen van de natuur.

Geschiedenis Empedocles (5de eeuw voor C) Democritos (400 BC) Materie bestaat uit ondeelbare deeltjes: atomen.

quiz Atoom betekent:

Middeleeuwen en renaissance Nicolaus Copernicus, het heliocentrische model. revolutionair, omdat het inging tegen het heersende dogma van het wetenschappelijk gezag van Aristoteles een volledige wetenschappelijke en filosofische omwenteling.

1500-1900 Na de Copernicaanse omwenteling wetenschappelijke theorieën niet aanvaard kunnen worden zonder ze rigoureus te testen. De communicatie tussen wetenschapsbeoefenaars nam toe Dit leidde tot nieuwe ontdekkingen. Waarneming en experiment werden daarbij belangrijker gevonden dan geloof in een autoriteit.

Galilei Kepler en Newton Beweging van de planeten gevolg van gravitatiekrachten Newton = grondlegger van de klassieke mechanica

Faraday en Maxwell Elektriciteit Magnetisme Faraday ontdekt principe van de elektromotor en elektrolyse Magnetisme Maxwell legde de basis voor het idee dat licht een elektromagnetische golf is

Becquerel en Curie Becquerel ontdekker radioactiviteit De Curies zonderen als eersten radioaktieve elementen af uit erts

Moderne fysica Men dacht dat fundamentele principes gekend waren. Atomen waren massieve bouwstenen Bewegingswetten van Newton Elektriciteit en magnetisme verklaard. Maar de relativiteitstheorie van Einstein en onderzoek naar radioactiviteit deden de onderzoekers beseffen dat ze nog lang niet klaar waren.

1900 Max Planck Licht bestaat uit energiepakketjes (=quantum) ook fotonen genoemd

Einstein Licht gedraagt zich als een deeltje en als een golf De lichtsnelheid is absoluut, tijd en lengte zijn relatieve grootheden Massa kan omgezet worden in energie en omgekeerd E=mc²

Heisenberg Subatomaire deeltjes gedragen zich niet volgens de wetten van de newtoniaanse fysica, waarin alles keurig kon voorspeld worden. Deeltjes hebben een impuls (m.v), maar hebben ook golfeigenschappen

Quantummechanica geeft de wiskundige basis om het gedrag van subatomaire deeltjes te voorspellen onder de vorm van waarschijnlijkheden.

Voor de Big Bang was er niets, ook geen tijd en ruimte dimensies !! Terug naar het begin … de geboorte van het Universum van de Big Bang (Oerknal) tot het huidig Universum Voor de Big Bang was er niets, ook geen tijd en ruimte dimensies !! Albert Einstein

We beginnen dus van niets… de geboorte van het Universum Theorie : Alles begon uit één enkel punt met oneindig veel energie tijd  10-43 seconden energie  1019 GeV temperatuur  1032 K alle mogelijke deeltjes (ook diegene die we nog niet kennen of nog niet ontdekt hebben) alle krachten en deeltjes hadden dezelfde eigenschappen ... Volledige symmetrie !!

Een korte periode van inflatie… snelle groei van het Universum Big Bang 10-35 s 10-10 s 10-4 s 100 s 300000 jaar nu tijd  10-35 seconden energie  1016 GeV temperatuur  1027 K Het ganse Universum had een grootte van ongeveer 1023 meter na deze periode. Het Universum dat we vandaag zien had toen een grootte van ongeveer 3 meter !!!

Verdere groei van het Universum… symmetrie is bijna weg ! Big Bang 10-35 s 10-10 s 10-4 s 100 s 300000 jaar nu tijd  10-10 seconden energie  102 GeV temperatuur  1015 K Dit is de hoogste energie die we vandaag in laboratoria kunnen bekomen !!

Wel gekende neutronen en protonen worden gevormd Big Bang 10-35 s 10-10 s 10-4 s 100 s 300000 jaar nu tijd  10-4 seconden energie  1 GeV temperatuur  1013 K Het Universum is even groot als het zonnestelsel dat we vandaag kennen !!

Kernen worden gevormd … protonen en neutronen combineren Big Bang 10-35 s 10-10 s 10-4 s 100 s 300000 jaar nu tijd  100 seconden energie  10-4 GeV temperatuur  109 K Bijvoorbeeld Helium kernen worden gevormd. Dezelfde situatie als vandaag in sterren.

Lichtste atomen worden gevormd … Universum wordt transparant Big Bang 10-35 s 10-10 s 10-4 s 100 s 300000 jaar nu tijd  300000 jaar energie  10-9 GeV temperatuur  104 K Licht kan zich vrij door het Universum propageren zonder te botsen met atomen. Sterrenkundige theoriën kunnen vanaf hier toegepast worden.

Galaxiën en zware atomen worden gevormd Big Bang 10-35 s 10-10 s 10-4 s 100 s 300000 jaar nu tijd  1 miljard jaar temperatuur  18 K Bijvoorbeeld ijzer atomen worden gevormd. Nog geen menselijk leven mogelijk.

De mens begint zich af te vragen van waar het allemaal komt !! Vandaag… de mensheid Big Bang 10-35 s 10-10 s 10-4 s 100 s 300000 jaar nu tijd  15 miljard jaar temperatuur  3 K Chemische reacties overheersen en moleculen worden gevormd met atomen. De mens begint zich af te vragen van waar het allemaal komt !!

Sterrenkunde Chemie Biologie ... Natuur : Het verhaal van de Big Bang tot vandaag symmetrie “chaos” Elementaire deeltjes fysica of hoge energie fysica Sterrenkunde Chemie Biologie ... Verschillende theorieën beschrijven verschillende aspecten van de Natuur Eén enkele theorie die alles beschrijft

Het verhaal van de Big Bang tot vandaag symmetrie “chaos” Experimenteel niet toegankelijk vandaag : andere theorieën trachten deze periode te beschrijven maar vandaag kunnen we die nog niet verifiëren !! vandaag Eén theorie die alles beschrijft tot ~200 GeV : Het Standaard Model

CERN Centre Européen pour la Recherche Nucléaire In Zwitserland opgericht door verschillende landen. Men gebruikt een deeltjesversneller (cyclotron) Daardoor krijgen de deeltjes veel energie. (zoals kort na big bang)

Rita Van Peteghem

Men versnelt deeltjes tot ze een grote snelheid (bijna de lichtsnelheid) hebben en laat ze dan op elkaar botsen. Tijdens de botsing vallen de deeltjes uit elkaar in elementaire deeltjes .

- Deeltjesversnellers laten bij heel hoge energieën toe nog veel dieper in de materie door te dringen: Rita Van Peteghem

Het standaardmodel voor de materie Wereld wordt beschreven in materiedeeltjes krachtvoerende pakketjes (quantum)

Materiedeeltjes Quarks (vormen groepjes) Leptonen (blijven alleen) Up (+2/3) charm (+2/3) top(+2/3) down (-1/3) strange (-1/3) bottom(-1/3) Leptonen (blijven alleen) Elektron(-1) muon(-1) tau(-1) E-neutrino(0) m-neutrino(0) t-neutrino(0) + hun antideeltjes hebben dezelfde massa maar een tegengestelde lading

Alle zichtbare materie is gemaakt van deeltjes van de eerste generatie

Hadronen Hadronen: de quark-groepjes Baryonen: alle hadronen met drie quarks (qqq). Bijvoorbeeld: het proton (uud), en het neutron (udd). Mesonen: een quark met een antiquark

quiz Hoeveel jaar weten we al dat er meer is dan alleen protonen, neutronen, elektronen en fotonen? 10? 30? 70? 100? 70jaar in1930 kende men neutrino’s en muon

"waarvan is de wereld gemaakt?" Het antwoord is: "quarks en leptonen Nu komt de vraag:

"wat houdt de wereld bijeen?" De wereld die we kennen kan alleen verklaard worden door wisselwerking van de fundamentele deeltjes: een aantrekkende of afstotende kracht van een deeltje op een ander deeltje, verval van een deeltje in twee of meer andere, annihilatie van een deeltje en zijn anti-deeltje.

quiz Hoe heet dit beeldhouwwerk, en wie was de maker?

quiz Welke bestaat uit quarks? Baryon Ja 3 quarks Baron Ja zelfs een echte edelman bestaat uit quarks Lepton Neen

wisselwerking Gravitationele wisselwerking Zeer zwak Boodschapperdeeltje is graviton Twee massa’s trekken elkaar aan, ze wisselen gravitonen uit Zeer weinig over bekend op subatomaire schaal

wisselwerking Elektromagnetisme De krachten die men dagelijks ervaart: voorwerpen vallen niet uit elkaar, wrijving, normaalkracht enz Boodschapperdeeltje is foton (licht bestaat ook uit fotonen)

wisselwerking Sterke wisselwerking Houdt quarks bij elkaar Boodschapperdeeltje= gluonen.

wisselwerking Zwakke wisselwerking Zorgt ervoor dat quarks en leptonen vervallen in lichtere deeltjes Uitwisselingsdeeltjes zijn bosonen

quiz Welke wisselwerking veroorzaakt: Wrijvingskracht Elektromagnetische rest ww Planeetbanen Gravitatie tussen zon en planeet Betaverval Zwakke wisselwerking

verval Behoudswetten Bv β-verval Behoud van lading Behoud van massa/energie Behoud van hoeveelheid beweging Behoud van baryongetal Behoud van leptongetal Bv β-verval n→p+ + e- + ve

annihilatie Deeltje + antideeltje levert energie die dan later terug kan omgezet worden in een deeltje en een antideeltje

Elektron en positron racen met veel energie hun ondergang tegemoet. Botsing en annihilatie, waarbij alle energie vrijkomt. Uit de energie is een foton of een boson ontstaan, een boodschapperdeeltje Een charm-quark en een charm-antiquark ontstaan uit het boodschapperdeeltje