Download - UvA-matching natuurkunde 2014
![Page 1: UvA-matching natuurkunde 2014](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062513/55701011d8b42ac0178b4c21/html5/thumbnails/1.jpg)
Van de oerknal naar het leven
Natuurkundecollege UvA-matchingMarcel Vonk
6 februari 2014
![Page 2: UvA-matching natuurkunde 2014](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062513/55701011d8b42ac0178b4c21/html5/thumbnails/2.jpg)
2/54
Inhoud
In dit college bestuderen we de natuurkunde aan de hand van de evolutie van het heelal.
1.De evolutie van het heelal
2.Van kernen naar atomen
3.Inflatie
4.Structuurvorming
5.Nucleosynthese in sterren
![Page 3: UvA-matching natuurkunde 2014](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062513/55701011d8b42ac0178b4c21/html5/thumbnails/3.jpg)
1. De evolutie van het heelal
![Page 4: UvA-matching natuurkunde 2014](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062513/55701011d8b42ac0178b4c21/html5/thumbnails/4.jpg)
4/54
De evolutie van het heelal
De rode draad in de het Oerknal-college is energie. Energie kent vele vormen…
…maar waar komt al die energie eigenlijk vandaan?
![Page 5: UvA-matching natuurkunde 2014](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062513/55701011d8b42ac0178b4c21/html5/thumbnails/5.jpg)
5/54
De evolutie van het heelal
Edwin Hubble ontdekte in 1929 dat ver gelegen sterrenstelsels van ons af bewegen.
![Page 6: UvA-matching natuurkunde 2014](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062513/55701011d8b42ac0178b4c21/html5/thumbnails/6.jpg)
6/54
De evolutie van het heelal
Hoe verder een stelsel weg staat, hoe sneller het van ons af beweegt.
Tweemaal zo ver, tweemaal zo snel.
![Page 7: UvA-matching natuurkunde 2014](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062513/55701011d8b42ac0178b4c21/html5/thumbnails/7.jpg)
7/54
De evolutie van het heelal
Conclusie: alle materie in het Heelal was op een bepaald moment in het verleden op dezelfde plek.
Oerknal!
![Page 8: UvA-matching natuurkunde 2014](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062513/55701011d8b42ac0178b4c21/html5/thumbnails/8.jpg)
8/54
Als we de “film van het heelal” achteruit afspelen wordt het heelal steeds dichter en heter.
In een heet, dicht medium worden gebonden toestanden opgebroken.
De evolutie van het heelal
![Page 9: UvA-matching natuurkunde 2014](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062513/55701011d8b42ac0178b4c21/html5/thumbnails/9.jpg)
9/54
Het vroege heelal heeft allerlei fase-overgangen meegemaakt:
• Sterren • Atomen• Kernen en elektronen• Protonen en neutronen• Quarks• ???
De evolutie van het heelal
![Page 10: UvA-matching natuurkunde 2014](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062513/55701011d8b42ac0178b4c21/html5/thumbnails/10.jpg)
10/54
We bespreken één faseovergang: van kernen en elektronen naar atomen
De evolutie van het heelal
+
![Page 11: UvA-matching natuurkunde 2014](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062513/55701011d8b42ac0178b4c21/html5/thumbnails/11.jpg)
2. Van kernen naar atomen
![Page 12: UvA-matching natuurkunde 2014](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062513/55701011d8b42ac0178b4c21/html5/thumbnails/12.jpg)
12/54
Van kernen naar atomen
Fotonen worden verstrooid door elektrisch geladen deeltjes.
Gevolg: het vroege heelal was ondoorzichtig!
![Page 13: UvA-matching natuurkunde 2014](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062513/55701011d8b42ac0178b4c21/html5/thumbnails/13.jpg)
13/54
Van kernen naar atomen
Zodra atomen gevormd werden, werd het heelal doorzichtig.
Hoe warm (“koud”) was het heelal toen dit gebeurde?
![Page 14: UvA-matching natuurkunde 2014](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062513/55701011d8b42ac0178b4c21/html5/thumbnails/14.jpg)
14/54
Van kernen naar atomen
De bindingsenergie van een waterstof-atoom is ongeveer 13.6 eV.
Eerste gok: de energie van een gemiddeld foton kleiner is dan 13.6 eV wordt het heelal doorzichtig.
Resultaat: 50.000K. (fout!)
TkE B
![Page 15: UvA-matching natuurkunde 2014](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062513/55701011d8b42ac0178b4c21/html5/thumbnails/15.jpg)
15/54
Van kernen naar atomen
Oorzaak: er zijn heel veel fotonen met een energie boven het gemiddelde.
Een betere berekening geeft dat atomen stabiel worden rond 3000 K.
![Page 16: UvA-matching natuurkunde 2014](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062513/55701011d8b42ac0178b4c21/html5/thumbnails/16.jpg)
16/54
Van kernen naar atomen
Moment van “ontkoppeling”:
Invullen geeft:
3/2
00
tt
TT
jaart 000.380 BORD
![Page 17: UvA-matching natuurkunde 2014](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062513/55701011d8b42ac0178b4c21/html5/thumbnails/17.jpg)
17/54
Van kernen naar atomen
Op dat moment werd het heelal doorzichtig.
Penzias en Wilson ontdekten in 1964 toevallig dat we het resultaat kunnen zien.
![Page 18: UvA-matching natuurkunde 2014](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062513/55701011d8b42ac0178b4c21/html5/thumbnails/18.jpg)
18/54
Van kernen naar atomen
Achtergrondstraling (CMB):
De fluctuaties (~0.001%) bevatten veel interessante informatie!
![Page 19: UvA-matching natuurkunde 2014](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062513/55701011d8b42ac0178b4c21/html5/thumbnails/19.jpg)
19/54
Van kernen naar atomen
•Dichtheid van het heelal•Hubble-parameter•Fysica vóór inflatie•…
![Page 20: UvA-matching natuurkunde 2014](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062513/55701011d8b42ac0178b4c21/html5/thumbnails/20.jpg)
20/54
Van kernen naar atomen
COBE WMAP Planck
Kosmologie is een levendige en zeer actieve wetenschap!
![Page 21: UvA-matching natuurkunde 2014](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062513/55701011d8b42ac0178b4c21/html5/thumbnails/21.jpg)
3. Inflatie
![Page 22: UvA-matching natuurkunde 2014](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062513/55701011d8b42ac0178b4c21/html5/thumbnails/22.jpg)
22/54
Inflatie
Een aantal eigenschappen van ons heelal zijn lastig te verklaren:•Waarom is het heelal zo vlak?
•Waarom is de achtergrondstraling zo homogeen?
![Page 23: UvA-matching natuurkunde 2014](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062513/55701011d8b42ac0178b4c21/html5/thumbnails/23.jpg)
23/54
Inflatie
Alan Guth opperde in 1980 het antwoord:
Het vroege heelal heeft een korte periode van enorm versnelde uitdijing meegemaakt.
![Page 24: UvA-matching natuurkunde 2014](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062513/55701011d8b42ac0178b4c21/html5/thumbnails/24.jpg)
24/54
Inflatie
Deze inflatie duurde van 10-35 seconden tot 10-32 seconden, maar de schaal-factor werd in die tijd 1026 maal zo groot!
![Page 25: UvA-matching natuurkunde 2014](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062513/55701011d8b42ac0178b4c21/html5/thumbnails/25.jpg)
25/54
Inflatie
Dit verklaart inderdaad vlakheid en homogeniteit…
…maar hoe kan zo’n enorme inflatie ontstaan? (En weer stoppen?)
![Page 26: UvA-matching natuurkunde 2014](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062513/55701011d8b42ac0178b4c21/html5/thumbnails/26.jpg)
26/54
Inflatie
Het heelal bevat diverse velden; denk aan het elektromagnetische veld.
Die velden “dragen” de golven van de quantummechanica.
![Page 27: UvA-matching natuurkunde 2014](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062513/55701011d8b42ac0178b4c21/html5/thumbnails/27.jpg)
27/54
Inflatie
Zo’n veld kun je zien als een medium met een bepaalde energie en een bepaalde druk.
Normaal fluctueren velden rond de waarde 0; alleen de fluctuaties bevatten dus energie.
![Page 28: UvA-matching natuurkunde 2014](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062513/55701011d8b42ac0178b4c21/html5/thumbnails/28.jpg)
28/54
Inflatie
Voor inflatie is een inflatonveld nodig dat begint in een toestand waar het overal een waarde ongelijk aan 0 heeft.
![Page 29: UvA-matching natuurkunde 2014](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062513/55701011d8b42ac0178b4c21/html5/thumbnails/29.jpg)
29/54
Inflatie
Verder moet dit veld zorgen voor een medium met negatieve druk, zodat het heelal opblaast.
![Page 30: UvA-matching natuurkunde 2014](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062513/55701011d8b42ac0178b4c21/html5/thumbnails/30.jpg)
30/54
Inflatie
Het inflaton “rolt” eerst langzaam naar zijn evenwichtswaarde (“slow roll”), en valt daarna snel “in de put”.
![Page 31: UvA-matching natuurkunde 2014](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062513/55701011d8b42ac0178b4c21/html5/thumbnails/31.jpg)
31/54
Inflatie•Slow roll: inflatie (slow = 10-32 s!)•Bij de “val” eindigt inflatie en komt veel energie vrij: reheating!
![Page 32: UvA-matching natuurkunde 2014](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062513/55701011d8b42ac0178b4c21/html5/thumbnails/32.jpg)
32/54
Inflatie
Inflatie is een heel mooi idee, maar er is nog veel discussie over of en hoe het heeft plaatsgevonden.
Hopelijk leert Planck ons meer!
![Page 33: UvA-matching natuurkunde 2014](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062513/55701011d8b42ac0178b4c21/html5/thumbnails/33.jpg)
4. Structuurvorming
![Page 34: UvA-matching natuurkunde 2014](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062513/55701011d8b42ac0178b4c21/html5/thumbnails/34.jpg)
34/54
Structuurvorming
Hoe komen we vanuit de “oersoep” uiteindelijk terecht in een heelal vol structuur?
![Page 35: UvA-matching natuurkunde 2014](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062513/55701011d8b42ac0178b4c21/html5/thumbnails/35.jpg)
35/54
Structuurvorming
Zwaartekracht doet dingen samen-klonteren!
Zwakke kracht, maar gedurende lange tijd!
![Page 36: UvA-matching natuurkunde 2014](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062513/55701011d8b42ac0178b4c21/html5/thumbnails/36.jpg)
36/54
Structuurvorming
Een animatie van de structuurvorming in het heelal:
![Page 37: UvA-matching natuurkunde 2014](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062513/55701011d8b42ac0178b4c21/html5/thumbnails/37.jpg)
37/54
Structuurvorming
Vorming van de filamenten:
![Page 38: UvA-matching natuurkunde 2014](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062513/55701011d8b42ac0178b4c21/html5/thumbnails/38.jpg)
38/54
Structuurvorming
Vorming van groepen sterrenstelsels:
![Page 39: UvA-matching natuurkunde 2014](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062513/55701011d8b42ac0178b4c21/html5/thumbnails/39.jpg)
39/54
Structuurvorming
Het resultaat is een soort “fractal” van structuur.
![Page 40: UvA-matching natuurkunde 2014](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062513/55701011d8b42ac0178b4c21/html5/thumbnails/40.jpg)
40/54
Structuurvorming
Het resultaat is een soort “fractal” van structuur.
•Superclusters•Clusters•Sterrenstelsels•Sterren
![Page 41: UvA-matching natuurkunde 2014](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062513/55701011d8b42ac0178b4c21/html5/thumbnails/41.jpg)
41/54
Structuurvorming
De laatste stap is het interessantst: op een gegeven moment ontstaan opeenhopingen van gas die weer erg heet worden: sterren!
Wat gebeurt er in zo’n ster?
![Page 42: UvA-matching natuurkunde 2014](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062513/55701011d8b42ac0178b4c21/html5/thumbnails/42.jpg)
5. Nucleosynthese in sterren
![Page 43: UvA-matching natuurkunde 2014](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062513/55701011d8b42ac0178b4c21/html5/thumbnails/43.jpg)
43/54
Nucleosynthese in sterren
Als een gaswolk samentrekt tot een ster gebeurt precies het omgekeerde van wat na de oerknal plaatsvindt.
Het gas wordt steeds heter en dichter; atomen worden uiteengeslagen, enz.
![Page 44: UvA-matching natuurkunde 2014](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062513/55701011d8b42ac0178b4c21/html5/thumbnails/44.jpg)
44/54
Nucleosynthese in sterren
Uiteindelijk gaat er in de ster kernfusie plaatsvinden: protonen worden “samengeperst” tot een heliumkern.
Hierbij komt energie vrij!
![Page 45: UvA-matching natuurkunde 2014](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062513/55701011d8b42ac0178b4c21/html5/thumbnails/45.jpg)
45/54
Nucleosynthese in sterren
De vrijkomende energie en de inwaartse druk van de zwaartekracht heffen elkaar op: de ster wordt stabiel.
![Page 46: UvA-matching natuurkunde 2014](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062513/55701011d8b42ac0178b4c21/html5/thumbnails/46.jpg)
46/54
Nucleosynthese in sterren
De zon houdt dit zo’n 10 miljard jaar vol; zwaardere sterren maar enkele miljoenen jaren.
De zon wordt daarna een rode reus, en tenslotte een witte dwerg.
![Page 47: UvA-matching natuurkunde 2014](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062513/55701011d8b42ac0178b4c21/html5/thumbnails/47.jpg)
47/54
Nucleosynthese in sterren
Zwaarde sterren trekken verder samen, waarna de temperatuur hoog genoeg wordt om koolstof te maken.
![Page 48: UvA-matching natuurkunde 2014](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062513/55701011d8b42ac0178b4c21/html5/thumbnails/48.jpg)
48/54
Nucleosynthese in sterren
Als de koolstof op is, en de ster is zwaar genoeg, wordt overgegaan op zuurstoffusie – enzovoort.
![Page 49: UvA-matching natuurkunde 2014](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062513/55701011d8b42ac0178b4c21/html5/thumbnails/49.jpg)
49/54
Nucleosynthese in sterren
Dit proces gaat door tot de kern uit ijzer bestaat.
![Page 50: UvA-matching natuurkunde 2014](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062513/55701011d8b42ac0178b4c21/html5/thumbnails/50.jpg)
50/54
Nucleosynthese in sterren
Daarna ontploft de ster in een enorme supernova.
Hierbij worden allerlei elementen de ruimte in geslingerd, waaruit weer nieuwe sterren kunnen ontstaan.
![Page 51: UvA-matching natuurkunde 2014](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062513/55701011d8b42ac0178b4c21/html5/thumbnails/51.jpg)
51/54
Nucleosynthese in sterren
Onze eigen zon is zo’n “tweede-generatiester”. Vandaar dat ons planetenstelsel veel zware elementen bevat!
![Page 52: UvA-matching natuurkunde 2014](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062513/55701011d8b42ac0178b4c21/html5/thumbnails/52.jpg)
52/54
Nucleosynthese in sterren
Over wat er met die scheikundige elementen allemaal gebeurt hoor je veel meer in het volgende uur…
![Page 53: UvA-matching natuurkunde 2014](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062513/55701011d8b42ac0178b4c21/html5/thumbnails/53.jpg)
53/54
Van de oerknal naar het leven
Vragen?
Huiswerk voor het proeftentamen:
•Neem de powerpoint van de presentatie goed door (blackboard)•Zorg dat je de berekeningen begrijpt (rekenmachine mee!)•Bestudeer de Open University-cursus (1.1-1.10) op
http://www.open.edu/openlearn/science-maths-technology/science/physics-and-astronomy/the-evolving-universe/content-section-1.1
![Page 54: UvA-matching natuurkunde 2014](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062513/55701011d8b42ac0178b4c21/html5/thumbnails/54.jpg)
54/54
Van de oerknal naar het leven
Vragen?