De oorsprong en het lot van het heelal
Noot van de redactie
De theorie van alles samenvatting is het meest gestemd door onze lezers. Welk boek moeten we als volgende toevoegen? Stem op onze gratis app.
Het perspectief van Stephen Hawking
Stephen Hawking werd beschouwd als een van de meest briljante theoretische natuurkundigen uit de geschiedenis. Van de oerknal tot zwarte gaten, zijn werk over het ontstaan en de structuur van het universum bracht een revolutie teweeg. Hawking werd geboren in Oxford in een familie van artsen. Hij begon zijn universitaire opleiding aan het University College in Oxford in 1959. Hij behaalde een eerste klas BA in natuurkunde. Hawking begon zijn doctoraalstudie in Trinity Hall, Cambridge, in 1962. Hij behaalde zijn Ph.D. in toegepaste wiskunde en theoretische natuurkunde, met als specialisatie algemene relativiteit en kosmologie, in maart 1966. Net als Isaac Newton was hij van 1979 tot 2009 Lucasian Professor of Mathematics aan de Universiteit van Cambridge. Op 21-jarige leeftijd, toen hij kosmologie studeerde aan de Universiteit van Cambridge, werd bij hem amyotrofische laterale sclerose (ALS) vastgesteld. Een deel van zijn levensverhaal werd verfilmd in 2014. De theorie van alles.
Luister naar de luisterboeksamenvatting van The Theory of Everything
Inleiding
De theorie van alles is een serie lezingen gegeven door Stephen Hawking. Het doel van deze lezingen is te schetsen wat volgens wetenschappers de geschiedenis van het universum is. Zo biedt hij een geschiedenis van het begrip van het universum door de wetenschap. Bovendien legt hij duidelijk uit wat er direct na de oerknal is gebeurd. Hawking behandelt ook het kosmologische gebied waar hij het meest bekend om is: de studie van zwarte gaten.
StoryShot #1: De oorspronkelijke vier ideeƫn over het heelal
Aristoteles
Aristoteles overwoog het idee van een ronde Aarde al in 340 voor Christus. In zijn boek, In de hemelschreef hij over twee theorieƫn die suggereerden dat de Aarde bolvormig was. Ten eerste had hij waargenomen dat de aarde tussen de zon en de maan de maansverduisteringen veroorzaakte. Omdat de schaduw van de Aarde op de Maan altijd rond was, suggereerde dit dat de Aarde rond was. Aristoteles leerde van zijn reizen dat de Poolster lager aan de hemel staat als men naar het zuiden kijkt. Ook dit zou suggereren dat de Aarde bolvormig is in plaats van schijfvormig. Hoewel Aristoteles' conclusies juist waren, waren zijn theorieƫn nog steeds gebrekkig. Hij geloofde bijvoorbeeld dat de aarde stilstond en dat de zon, de maan, de planeten en de sterren cirkelvormige banen om de aarde hadden.
Ptolemaeus
Ptolemaeus bouwde op deze ideeƫn voort in de eerste eeuw na Christus. Hij creƫerde een compleet kosmologisch model met de aarde in het centrum. Acht bollen met daarin de Maan, Zon, sterren en vijf planeten omringden de Aarde. De vijf bekende planeten waren Mercurius, Venus, Mars, Jupiter en Saturnus. Opnieuw maakte Ptolemaeus duidelijke fouten in zijn theorie. Hij ontwikkelde echter de ideeƫn van Aristoteles en leverde een redelijk nauwkeurig systeem om de posities van de 's nachts zichtbare structuren te voorspellen. De christelijke kerk aanvaardde deze theorie algemeen, deels omdat ze de aarde in het centrum van het heelal plaatste.
Copernicus
In 1514 stelde Nicholas Copernicus een veel eenvoudiger model van het heelal voor. Copernicus was een Poolse priester. Hij publiceerde zijn model anoniem uit angst om van ketterij te worden beschuldigd. Copernicus stelde dat de zon stationair was in het centrum van het universum. De aarde en de planeten bewogen in cirkelvormige banen om de zon. Niemand nam dit idee serieus tot ongeveer 100 jaar later. Toen begonnen Johannes Kepler en Galileo Galilei deze theorie publiekelijk te steunen. De pas uitgevonden telescoop ondersteunde Copernicus' opvatting dat de aarde niet het middelpunt van het heelal was. Galileo merkte op dat verschillende manen rond Jupiter draaien. Dit impliceerde dat het niet nodig was dat alle hemellichamen om de Aarde draaien. Sommigen ontkenden echter nog steeds dat de Aarde niet het middelpunt van het heelal was. Zij stelden dat de manen van Jupiter op uiterst ingewikkelde paden rond de Aarde bewogen, wat suggereerde dat zij rond Jupiter draaien.
Newton
In 1687 publiceerde Newton zijn Wiskundige principes van natuurlijke filosofiey. Hawking beschrijft dit als misschien wel het meest cruciale werk ooit gepubliceerd in de natuurwetenschappen. In dit boek stelde Newton een theorie voor over hoe lichamen in ruimte en tijd bewogen. Deze theorie verklaarde ook een nieuw idee van universele zwaartekracht. Newton stelde voor dat elk hemellichaam in het universum werd aangetrokken door elk ander lichaam. Hoe groter het lichaam, hoe sterker de zwaartekracht. Newton toonde verder aan dat de maan door de zwaartekracht in een elliptische baan om de aarde draait. Evenzo zorgt de zwaartekracht ervoor dat de aarde en de planeten een elliptische baan om de zon volgen.
Ondanks deze vooruitgang was er vĆ³Ć³r de twintigste eeuw nog steeds geen aanwijzing voor een uitdijend of inkrimpend heelal. Algemeen werd aangenomen dat ofwel het universum voor altijd in een stabiele toestand bestond, ofwel in een eindige tijd in het verleden was geschapen. Verschillende academici trokken echter de mogelijkheid van een oneindig, statisch universum in twijfel. Heinrich Olbers stelde bijvoorbeeld dat bijna elke lijn of zijde zou eindigen op het oppervlak van een ster in een oneindig, statisch heelal. Bijgevolg zou men verwachten dat de hele hemel even helder zou zijn als de zon, zelfs 's nachts. De enige manier om deze conclusie te vermijden zou zijn als de sterren niet eeuwig zouden schijnen. Ze zouden bijvoorbeeld op een eindig tijdstip in het verleden kunnen zijn aangegaan.
StoryShot #2: Het uitdijende heelal
Meerdere sterrenstelsels
Onze zon en de nabije sterren maken allemaal deel uit van de Melkweg. Lange tijd was men het erover eens dat de Melkweg het hele heelal was. In 1925 toonde Edwin Hubble echter aan dat de Melkweg niet het enige sterrenstelsel was. Hij vond vele andere sterrenstelsels met enorme hoeveelheden ruimte ertussen. Om de legitimiteit van zijn theorie te bewijzen, moest hij vaststellen hoe groot deze lege ruimten waren.
EĆ©n manier om de afstand van een ster tot de aarde direct te bepalen is aan de hand van de helderheid. De helderheid van een ster is gebaseerd op de helderheid van de ster en zijn afstand. Als we dus de helderheid van een ster kunnen bepalen, kunnen we de schijnbare helderheid gebruiken om de afstand te berekenen. Hubble stelde dat bepaalde sterren altijd dezelfde helderheid hadden als ze dichtbij genoeg waren om door ons te worden gemeten. Als we zulke sterren in een ander sterrenstelsel zouden vinden, zouden we kunnen aannemen dat ze dezelfde helderheid hadden. Zo konden we de afstand tot dat sterrenstelsel berekenen. We kunnen er redelijk zeker van zijn dat onze schatting nauwkeurig is als veel sterren in hetzelfde sterrenstelsel dezelfde afstand aangeven. Hubble berekende de afstanden van negen sterrenstelsels op deze manier. We weten nu dat ons sterrenstelsel slechts een van de honderdduizend miljoen is die moderne telescopen kunnen waarnemen. Binnen elk sterrenstelsel bevinden zich zo'n honderdduizend miljoen sterren.
Uitbreidend Universum
Hubble stelde vast dat de sterrenstelsels die hij waarnam allemaal roodverschoven leken. Roodverschuiving is een sleutelbegrip voor astronomen. We kunnen het letterlijk begrijpen: De golflengte van het licht wordt uitgerekt, zodat het licht wordt gezien als... verschoven naar het rode deel van het spectrum. Dit betekent dat elk van deze sterrenstelsels zich van ons verwijdert. Bovendien hing de snelheid waarmee elk sterrenstelsel zich van ons verwijderde af van zijn afstand. Hoe verder weg een sterrenstelsel was, hoe sneller het zich van ons verwijderde. Hawking beschrijft deze bevinding als een van de enorme intellectuele openbaringen van de twintigste eeuw.
Voortbouwen op algemene relativiteit en de Friedmann-vergelijkingen
Alexander Friedmann, een Sovjet-natuurkundige en wiskundige, ontwikkelde modellen van algemene relativiteit om de uitdijende heelal-hypothese te verklaren.
Friedmann toonde aan dat het heelal zo langzaam uitdijt dat de zwaartekracht tussen de verschillende sterrenstelsels de uitdijing van het heelal afremt. Daardoor zou de uitdijing kunnen stoppen. Dan zullen de sterrenstelsels naar elkaar toe gaan bewegen als het heelal krimpt.
Friedmann suggereerde ook dat het heelal zo snel uitdijt dat de zwaartekracht de uitdijing niet zal stoppen. Het zou een beetje kunnen vertragen, maar de sterrenstelsels zullen uiteindelijk een toestand bereiken waarin ze met een constante snelheid uit elkaar bewegen.
Ten slotte bood Friedmann een oplossing waarbij het heelal net snel genoeg uitdijt om contractie te voorkomen. Met deze oplossing zal de snelheid waarmee de sterrenstelsels uit elkaar bewegen kleiner worden. Hij zal nooit nul bereiken, maar een stadium bereiken waarin de beweging vrijwel nul is.
We weten momenteel van de uitdijing van de sterrenstelsels omdat het heelal elke duizend miljoen jaar tussen vijf en tien procent uitdijt. We weten echter niet zeker welke van Friedmanns oplossingen correct is, omdat we de massa van de sterrenstelsels niet kennen. Het is een uitdaging om de massa van sterrenstelsels vast te stellen, omdat in alle sterrenstelsels donkere materie aanwezig is. Donkere materie bestaat uit deeltjes die geen licht absorberen, reflecteren of uitzenden, zodat ze niet kunnen worden gedetecteerd door elektromagnetische straling waar te nemen. We kunnen donkere materie niet rechtstreeks zien. We weten dat donkere materie bestaat vanwege het effect ervan op objecten die we rechtstreeks kunnen waarnemen. Ook kunnen we de massa van donkere materie niet gemakkelijk identificeren.
De Big Bang
De Friedmann-oplossingen stellen dat de afstand tussen naburige sterrenstelsels nul moet zijn geweest tussen tien en twintig miljard jaar geleden. Op dat moment, dat wij de oerknal noemen, zouden de dichtheid van het heelal en de kromming van de ruimte-tijd oneindig zijn geweest. Dit betekent dat de algemene relativiteitstheorie een uniek punt in het heelal voorspelt.
Het probleem met een enkelvoudig punt in het heelal is dat dit een bijbels perspectief ondersteunt. Daarom nam de kerk de Oerknal aan als zijnde een goddelijke interventie. Er waren dus verschillende pogingen om de Oerknal conclusie te vermijden. Het alternatief was een steady-state theorie. De steady-state theorie werd voorgesteld in 1948 en stelde dat sterrenstelsels zich van elkaar verwijderen. In de tussenliggende gaten werden echter voortdurend nieuwe sterrenstelsels gevormd. Deze nieuwe sterrenstelsels worden gevormd uit nieuwe materie die voortdurend wordt gecreƫerd. Vandaar dat het heelal er altijd en overal in de ruimte ongeveer hetzelfde uitziet.
ackgatenDe term "zwart gat" is betrekkelijk recent. Het is in 1969 bedacht door John Wheeler, maar als begrip is het minstens tweehonderd jaar oud. Twee eeuwen geleden waren er twee theorieƫn over licht. De ene stelde dat licht bestaat uit deeltjes. De andere theorie stelde dat licht bestaat uit golven. In werkelijkheid zijn beide theorieƫn correct. Degenen die in de deeltjestheorie geloofden, stelden dat dit van invloed kon zijn op ons begrip van sterren. Zij dachten dat sterren massief en compact genoeg waren om door hun zwaartekracht het licht dat van het steroppervlak werd uitgezonden mee te slepen. De ster zou misschien niet ver genoeg licht uitstralen om door ons te worden waargenomen, maar we zouden toch zijn zwaartekracht voelen. Tegenwoordig kennen we deze sterren als zwarte gaten.
De levenscyclus van een ster
Om de vorming van zwarte gaten te begrijpen, moeten we de levenscyclus van een ster begrijpen. Sterren ontstaan wanneer grote hoeveelheden waterstof door de zwaartekracht in elkaar storten. Door de samentrekking botst het gas vaker op elkaar. Als het gas met hogere snelheden beweegt, warmt het op. Wanneer sterren een kritische temperatuur bereiken, botsen de waterstofatomen niet meer tegen elkaar op. In plaats daarvan smelten ze samen en vormen ze heliumatomen. De hitte van een ster zorgt ervoor dat hij straalt, en hij blijft branden tot zijn brandstof (waterstof) op is.
Hoe meer brandstof een ster heeft, hoe sneller hij op is. Dit komt door de grootte van de ster, die meer warmte nodig heeft om zijn zwaartekracht te compenseren. Voor grotere hitte is meer waterstof nodig. Onze zon heeft waarschijnlijk genoeg energie voor nog zo'n vijf miljard jaar.
De Chandrasekhar Limiet
Subrahmanyan Chandrasekhar, een Indiaas-Amerikaanse astrofysicus, gebruikte de relativiteitstheorie om aan te tonen hoe de snelheidsverschillen van sterdeeltjes beperkt zijn. De deeltjes kunnen niet sneller bewegen dan de lichtsnelheid.
Een stabiele witte dwerg De ster heeft een maximale massa. Wanneer hij deze massa bereikt, is de aantrekkingskracht van de zwaartekracht zo sterk dat hij in zichzelf instort. De Chandrasekhar-limiet is ongeveer 1,4 keer de massa van onze zon.
Een andere potentiƫle staat van sterren is de neutron stertoestand. Deze sterren zijn veel kleiner dan een witte dwerg. Zij worden gedragen door de uitsluitingsafstoting tussen neutronen en protonen, in tegenstelling tot de gebruikelijke relatie tussen elektronen. Deze neutronensterren hebben slechts een straal van ongeveer tien mijl.
Ten slotte kunnen sterren die boven de grens vallen, exploderen als hun brandstof opraakt. Veel wetenschappers, waaronder Einstein, schreven documenten waarin werd uitgelegd hoe dit onmogelijk was. Ondanks deze bezwaren kreeg Chandrasekhar in 1983 de Nobelprijs voor zijn vroege werk aan de grensmassa van koude sterren.
Schets van de vorming van een zwart gat
- Het gravitatieveld van de ster verandert de paden van de lichtstralen in de ruimtetijd.
- Lichtkegels tonen de paden die lichtflitsen volgen in ruimte en tijd. Ze buigen naar binnen in de buurt van het steroppervlak.
- Als de ster samentrekt, wordt het zwaartekrachtveld aan het oppervlak sterker. De lichtkegels buigen meer af.
- Door deze verbuiging kan het licht van de ster moeilijker ontsnappen. Daardoor lijkt het licht voor waarnemers zwakker en roder.
- Wanneer er genoeg krimp is opgetreden, is het gravitatieveld aan het oppervlak zo sterk dat het licht niet meer kan ontsnappen.
- Niets kan sneller reizen dan het licht, dus niets kan aan dit zwaartekrachtveld ontsnappen.
Deze grens van zwarte gaten vormt de waarnemingshorizon. Hij valt samen met de paden van de lichtstralen die niet aan het zwarte gat kunnen ontsnappen.
Hawking's ontdekkingen
"Het werk dat Roger Penrose en ik deden tussen 1965 en 1970 toonde aan dat er volgens de algemene relativiteit een singulariteit van oneindige dichtheid moet zijn binnen het zwarte gat. Dit is zoiets als de oerknal aan het begin van de tijd, alleen zou het voor het instortende lichaam en de astronaut het einde van de tijd betekenen. Bij de singulariteit zouden de wetten van de wetenschap en ons vermogen om de toekomst te voorspellen wegvallen. Een waarnemer die buiten het zwarte gat blijft, wordt echter niet beĆÆnvloed door dit gebrek aan voorspelbaarheid, omdat noch licht noch enig ander signaal hem vanuit de singulariteit kan bereiken."
- Stephen Hawking, De theorie van alles
Dit citaat suggereert dat er oplossingen zijn voor algemene relativiteit. Een astronaut kan een singulariteit zien, waardoor hij kan vermijden die te raken. Ze zouden door het wormgat kunnen vallen, waardoor ze in de vorm van ruimte- en tijdreizen naar een ander gebied in het universum worden getransporteerd. Toch geeft Hawking toe dat deze oplossingen van de algemene relativiteitsvergelijking onstabiel zijn. De aanwezigheid van een astronaut kan een verstoring veroorzaken die de uitkomst zou veranderen. Ook kunnen zij de singulariteit pas zien als zij die raken, en dan zouden zij sterven. De singulariteit ligt altijd in hun toekomst en nooit in hun verleden.
Zwarte gaten zijn voorbeelden van wetenschappelijke theorieƫn die zijn ontwikkeld als wiskundige modellen voordat er enig observationeel bewijs was.
Andere opmerkelijke termen
Quasar: Een quasar is een extreem heldere actieve galactische kern (AGN). Een superzwaar zwart gat met een massa van miljoenen tot miljarden keren de massa van de zon. Het wordt omgeven door een gasvormige accretieschijf.
Pulsars: Een pulsar is een roterende neutronenster. Hij zendt pulsen van radiogolven uit door de indirectie tussen zijn magnetische velden en de omringende materie.
StoryShot #4: De oorsprong en het lot van het heelal
In de jaren tachtig nodigde het Vaticaan Hawking uit voor een conferentie over kosmologie. De katholieke kerk had geleerd van het monddood maken van Galileo dat ze wetenschappelijke ontdekkingen niet mocht verhinderen. Daarom besloten ze dat het beter was om veel deskundigen uit te nodigen om hen te adviseren over kosmologie. De Paus vertelde Stephen Hawking dat hij desondanks de oerknal niet moest bestuderen. De Paus zag de oerknal als het moment van de schepping. Hawking wilde niet naar dit verzoek luisteren.
Het hete oerknalmodel
- Dit model gaat ervan uit dat het model van Friedmann het heelal beschrijft.
- Het heelal dijt uit, waardoor de temperatuur van materie en straling daalt. De temperatuur is een maat voor de gemiddelde energie van de deeltjes. Bij hoge temperaturen bewegen de deeltjes dus zo snel dat ze elkaar niet aantrekken. Maar als ze afkoelen, beginnen de deeltjes samen te klonteren.
- De oerknal was toen het heelal geen omvang had, wat betekent dat het oneindig heet moet zijn geweest. Toen het heelal uitdijde, zou de temperatuur van de straling zijn afgenomen.
- Desondanks zou de oerknal hebben plaatsgevonden bij ongeveer tienduizend miljoen graden. Dit is de temperatuur van H-bom explosies.
- De wereld bestond uit fotonen, elektronen, neutrino's en enkele protonen en neutronen.
- Het heelal bleef uitdijen en de temperatuur daalde. De productiesnelheid van elektronenparen zou lager zijn geworden dan de snelheid waarmee annihilatie ze vernietigde.
- Na honderd seconden zou de temperatuur gedaald zijn tot duizend miljoen graden. Dit is de temperatuur van de heetste sterren. Bij deze temperatuur zouden protonen en neutronen niet de energie hebben om te ontsnappen aan de sterke aantrekkingskracht van de kernkrachten.
- Deze protonen en neutronen combineerden zich. Zij produceerden de kernen van zware waterstof- en heliumatomen en kleine hoeveelheden elementen als lithium en beryllium.
- Binnen enkele uren na de oerknal zou de productie van helium en andere elementen gestopt zijn. Voor de volgende miljoen jaar of zo, bleef het heelal uitdijen.
- Uiteindelijk daalde de temperatuur tot een paar duizend graden. De elektronen en kernen konden hun elektromagnetische aantrekkingskracht niet meer overwinnen. Ze zouden zich zijn gaan combineren tot atomen.
- Het heelal bleef uitdijen en afkoelen. Iets dichtere gebieden werden afgeremd door extra zwaartekracht. Deze aantrekkingskracht stopte de expansie en leidde tot een recollaps. De zwaartekracht van de materie buiten deze gebieden deed de atomen draaien terwijl ze instortten.
- Toen de instortende gebieden nog kleiner werden, begonnen ze sneller te draaien. Uiteindelijk draaiden ze snel genoeg om de aantrekkingskracht van de zwaartekracht in evenwicht te houden. Dit is een mogelijke verklaring voor het begin van de schijfvormige roterende sterrenstelsels die we nu zien.
StoryShot #5: Wat is de Theorie van Alles?
"Als we inderdaad een volledige theorie ontdekken, zou die op den duur in grote lijnen door iedereen moeten worden begrepen, niet alleen door een paar wetenschappers. Dan kunnen we allemaal deelnemen aan de discussie over waarom het universum bestaat. Als we het antwoord daarop vinden, zou dat de ultieme triomf van de menselijke rede zijn. Want dan zouden we de geest van God kennen."
- Stephen Hawking, De theorie van alles
De natuurkunde heeft het begin van ons universum kunnen beschrijven met enkele gedeeltelijke theorieƫn. Deze theorieƫn beschrijven een beperkte reeks waarnemingen. Ze gaan voorbij aan andere effecten die nog niet worden begrepen. Het doel van kosmologie en natuurkunde is om een volledige, consistente, verenigde theorie van de wereld te vinden. Stephen Hawking beschrijft dit als de eenwording van de natuurkunde.
Einstein besteedde het grootste deel van zijn latere jaren aan het zoeken naar deze verenigde theorie. Wij zijn nu in een veel sterkere positie dan Einstein om een verenigde visie te ontwikkelen.
Stephen Hawking is voorzichtig optimistisch dat we de ultieme natuurwetten zullen ontdekken. Hij is ervan overtuigd dat we ooit een complete eenheidstheorie zullen vinden, als we slim genoeg zijn. Deze verenigde theorie is geen ultieme theorie. In plaats daarvan hebben we een oneindige reeks theorieƫn die elk het universum nauwkeuriger beschrijven.
Onze huidige opvattingen over kwantumfysica hebben ons klaargestoomd om de volledige geheimen van het heelal bloot te leggen. Het boek van Steven Hawking is een geweldig uitgangspunt om te begrijpen hoe het universum werkt en hoe belangrijk sterren daarin zijn.
Beoordeling
Wij beoordelen De theorie van alles 4/5.
Hoe zou je het boek van Stephen Hawking beoordelen op basis van deze samenvatting?
De theorie van alles PDF, gratis luisterboek, infographic en geanimeerde boeksamenvatting
Reageer hieronder en laat anderen weten wat je hebt geleerd of als je andere gedachten hebt.
Nieuw bij StoryShots? Ontvang de audio- en geanimeerde versies van deze samenvatting en honderden andere bestsellers van non-fictie boeken in onze gratis top-ranking app. Het is door Apple, The Guardian, de VN en Google genoemd als een van 's werelds beste lees- en leerapps.
Om in de details van De theorie van allesbestel de boek of krijg het audioboek gratis.
Noot van de redactie: Voor het eerst gepubliceerd op 24/1/2022. Bijgewerkt op 26/2/2022
Gerelateerde boeksamenvattingen
Een korte geschiedenis van de tijd door Stephen Hawking
De Godsvergelijking door Michio Kaku
Elon Musk door Ashlee Vance
De lessen van de geschiedenis door Ariel Durant en Will Durant
Vleugels van vuur door A.P.J. Abdul Kalam
De Autobiografie van Benjamin Franklin door Benjamin Franklin
Sapiens door Yuval Noah Harari
Geef een antwoord