Mikrokosmos
INHOUD:
Inleiding – De explosie – Deeltjes of leegte – Het atoom – Conclusie
Inleiding
Stichting Levend!leven vestigt onder meer de aandacht op zodanig anders denken, dat wij in staat zijn de kosmos, onze omgevende wereld, de natuur, andere mensen en onszelf als het ware van binnen uit te bekijken. Door dit in praktijk te brengen zal onze visie op het dagelijks bestaan op den duur totaal veranderen. Deze ‘ombuiging’ van het denken is op diverse manieren te benaderen. Eén ervan is het onderzoek -microkosmisch of makrokosmisch- naar het wezen, de structuur en werking van al het bestaande.
Een makrokosmische benadering gaat uit van het kosmische functioneren in de uitgestrekte ruimte. De mikrokosmische beschouwing baseert zich op het gedrag van elementaire krachten en deeltjes, waaruit atomen zich hebben gevormd. Teneinde ons hiervan enig begrip te vormen, ontkomen we er niet aan om allereerst na te denken over het ontstaan van het heelal.
Hoewel de kennis daarover nog steeds marginaal is (en vooralsnog ook blijft), zijn de meeste natuurkundigen en astronomen het inmiddels wél eens over de bekende Oerknal-hypothese. Na circa honderd jaar discussie kreeg eind 20ste eeuw deze overeenstemming min of meer vorm.
Met de Oerknal (of Big Bang) zou ons universum zo’n 15 miljard jaar geleden zijn ontstaan, wellicht uit de explosie van een reuzenster of van een zogenoemd ‘zwart gat’, waarin alle materie onder gigantische druk was geconcentreerd. Overbodig te zeggen, dat er aanvankelijk sprake was van een onvoorstelbaar grote dichtheid en hoge temperaturen.
Met de explosie begon het uitdijen van het heelal, alles verwijderde zich steeds meer van elkaar en in feite is dit proces sindsdien zonder onderbreking aan de gang. Er is immers niets dat het zou moeten of kunnen stoppen. Het is universele kracht die steeds alles doet komen en gaan.
Dit laatste blijft onverminderd overeind wanneer we de hypothese volgen van enkele andere geleerden, die niet overtuigd zijn van de eenmaligheid van de Oerknal. Zoals alles in de natuur zich manifesteert als een voortdurende golfbeweging van ontstaan en afbraak, van geboorte en sterven, zo zou ook het heelal na een langdurige uitdijing weer een einde vinden.
Daartoe is het model bedacht van meerdere universums, die in een meerdimensionale ruimte onafhankelijk van elkaar uitdijen. Eén zo’n vierdimensionaal heelal (ruimte-tijd-kontinuüm) wordt ook wel 4-braan genoemd, omdat het -als een membraan- kan spannen, krommen, expanderen, vibreren, rimpelen e.d.
Twee 4-branen kunnen zich -al uitdijend- vlak bij elkaar bevinden en aanvankelijk toch niet op elkaar inwerken. De afstand tussen twee van die heelallen kan kleiner zijn dan de grootte van een atoomkern. Maar de uitdijing van een 4-braan nadert uiteindelijk een limiet, waarbij zo’n heelal onvoorstelbaar ijl wordt.
De 4-branen kunnen zich vervolgens verder naar elkaar toe bewegen, elkaar aantrekken, rimpelen (waardoor variaties in dichtheid ontstaan) en tenslotte botsen. Ook in dit geval is er sprake van een explosie. Hierdoor zouden de 4-branen zich dan weer van elkaar verwijderen en er begint een nieuwe uitdijingscyclus.
De dichtheidvariaties bij het rimpelen -ook verantwoordelijk voor het plaatselijk botsen- zouden hete en minder hete regionen veroorzaakt hebben in de vuurbal van de explosie. Dit houdt verband met een uniek verschijnsel, dat we nog steeds kunnen waarnemen: de zogeheten kosmische achtergrondstraling. Sommigen betitelen het als het ‘nagloeien van de Oerknal’.
Deze achtergrondstraling is een interessante informatiebron. Met behulp van satellieten hebben wetenschappers daarin inderdaad kleine temperatuurverschillen kunnen meten. Zo’n ontdekking zou ons nu verklaren, dat in de begintijd van het heelal grote verschillen hebben bestaan in materieconcentratie cq. dichtheid (aantal deeltjes per eenheid van ruimte).
De hierna volgende tekst ‘explosie’ behandelt onder meer de zogenoemde kosmische inflatie, die onmiddellijk na de oerknal ons heelal deed ontstaan. Naar alle waarschijnlijkheid zijn de besproken dichtheidsverschillen het gevolg geweest van minuscule quantumbewegingen (wordt verderop toegelicht) vlak vóór de kosmische inflatie.
Die minischokjes zouden onder invloed van de gigantische expansie, welke erop volgde, in een fractie van tijd zijn uitvergroot tot de talrijke concentraties van deeltjes. En precies hieruit zouden zich later de sterrenstelsels en galaxies in het nieuwe heelal hebben ontwikkeld.
De explosie
Een combinatie van beide hypothesen is denkbaar: ‘de Oerknal’ -als begin van ons universum- kan zowel het enige oergebeuren zijn als wel het laatst plaats gevonden botsingsfenomeen. Ongeacht voor welke hypothese wij ook kiezen -of we het nu hebben over een eenmalig dan wel over een zich herhalend ontstaan van een kosmos- essentiëel is, dat er altijd sprake is van een explosie.
Deze werd dus óf veroorzaakt vanuit een ‘zwart gat’ óf door ‘botsende heelallen’. Het resultaat is evenwel identiek: een explosie met een macht aan uitstromende energie. En deze energie blijft tijdens de totale uitdijingscyclus van een universum werkzaam. Het gaat er om ons bewust te zijn van een altijd bestaande (en al het bestaande doordringende) universele kracht.
Al met al kunnen we het dus gewoon ‘de Oerknal’ blijven noemen. We moeten ons vanaf het begin echter vooral een juist beeld maken van zo’n oerknal. Velen stellen zich die voor als een centraal gebeuren ‘ergens midden in de ruimte’. Er is echter nooit sprake geweest van een centrum, waar de explosie geconcentreerd was en waar vanuit ’brokken’ in alle richtingen vlogen. De oer-explosie vond overal in de ruimte gelijktijdig plaats.
Bovendien ontstond ons heelal niet ‘in een lege ruimte’ en dijt niet daarin uit. Het heelal is zélf ruimte en in deze ruimte nemen de afmetingen voortdurend toe. Ongeacht waar dan ook in het heelal we ons bevinden: vanuit elk punt zouden wij de sterrenstelsels van ons af zien gaan.
Om dit essentiële verschil te begrijpen kan de relativiteitstheorie van Einstein een handje helpen. Deze stelt immers, dat in de ruimte zich niets sneller kan bewegen dan het licht. Dit lijkt in strijd met de Wet van Hubble: ‘de snelheid van een sterrenstelsel neemt toe naarmate de afstand tot de waarnemer groter wordt’.
Gezien de oneindige ruimte zouden stelsels zich dan zo ver van ons af kunnen bewegen, dat hun snelheid die van het licht een keer móet overtreffen. Is dit verenigbaar? Ja, want de eerstgenoemde theorie gaat over bewegingen dóór de ruimte (daarvoor geldt als limiet de lichtsnelheid) en de andere wet betreft de uitdijing ván de ruimte (die zélf blijft uitbreiden).
Volgens wetenschappers heeft de eerste uitdijing plaats gevonden in een minuscuul deel van de eerste seconde na de explosie. De factor hiervan?: 1060 (dat is een 1 met 60 nullen, oftewel: 100x het kwadraat van quadriljard). Sommigen noemen dit de fase van kosmische inflatie: in minder dan één tel ontstond uit een minimaal materievolume (vaak ‘oeratoom’ genoemd of ‘niet-zijn’) de aanzet van ons universum.
Er is een belangrijke reden, waarom hier de aandacht gevestigd wordt op de gigantische uitbreiding van de ruimte binnen een nauwelijks meetbaar tijdfragment. Filosofen vinden hierin een duidelijke sleutel voor het bestaan van ‘gedachtesnelheid’, die niet vergelijkbaar is met de natuurkundige limietsnelheid c (circa 300.000 km/sec.), maar ‘instantaan’ (gelijktijdig) van karakter is.
Na de inflatie-flits was het heelal gevuld met minimale deeltjes: zogenoemde quarks (waaruit later de protonen en neutronen zouden ontstaan) en gluonen, die verantwoordelijk zijn voor het verband tussen de quarks. In de grote hitte vlak na de oerknal was dit verband overigens nog nauwelijks aanwezig: alle deeltjes zweefden rond in een soort ‘quark-gluon-plasma’.
Er bestonden ook al fotonen en elektronen, deeltjes die níet zijn samengesteld uit quarks.
Zodra de temperatuur voldoende gedaald was (circa één miljoenste seconde na de oerknal) kon de vorming van protonen en neutronen uit quarks en gluonen een aanvang nemen. Uit twee zogenoemde ‘up-quarks’ en één ‘down-quark’ ontstond een proton; uit één up-quark en twee down-quarks vormde zich een neutron.
Weliswaar bevonden zich ook allerlei antideeltjes in de ‘ruimtesoep’, maar geringer in aantal dan hun tegenpolen (gelukkig maar, want anders bestond ons universum niet). Het gevolg hiervan was, dat -ook na elke wederzijdse opheffing bij een botsing van deeltje en antideeltje- er genoeg materie is over gebleven om onze kosmos zich verder te laten ontwikkelen.
Na circa 200 seconden zou de temperatuur gedaald zijn tot minder dan een miljard graden: vanaf dat moment konden de positief geladen protonen en de ongeladen neutronen gezamenlijk atoomkernen gaan vormen. Binnen ruim 15 minuten kwamen alle atoomkernen tot stand van de 4 lichtste elementen, t.w.: waterstof, helium, berylium en lithium.
Hierna zou de temperatuur al zo veel verder gedaald zijn, dat er geen samensmelting tussen protonen en neutronen meer mogelijk was. Alle zwaardere elementen zijn veel later ontstaan: dit gebeurde tijdens de processen, die later binnen in de sterren en planeten plaats vonden.
Onder invloed van de hoge temperatuur bleven de elektronen en fotonen nog ongebonden. Het voortdurend botsen van deze deeltjes heeft tijdens de eerste honderdduizenden jaren gezorgd voor een alles verhullende (gloeiend hete) nevel in het heelal. Zo’n 380.000 jaar na de oerknal bereikte de voortdurend dalende temperatuur een waarde onder de 3000° C. Toen konden de atoomkernen de vrije elektronen gaan ‘vangen’ en vormden zich volledige atomen.
Omdat de fotonen niet meer botsten met de elektronen zorgden de vrij bewegende fotonen (d.i. dus licht) voor het optrekken van de nevel en een meer transparant wordend heelal. Dit eerste onbelemmerde licht is iets, wat we nog steeds kunnen waarnemen en wel in de vorm van de al eerder vermelde kosmische achtergrondstraling, welke overal aan de hemel aanwezig is. De gemiddelde temperatuur hiervan is -270,4° C, dus 2,7° boven het absolute nulpunt.
Deeltjes of leegte
De eerder besproken ijlheid van ons uitdijend heelal kan op den duur zo groot worden, dat zich minder dan één deeltje bevindt in een ruimte van een biljard kubiek lichtjaar. Zoals bekend is één lichtjaar de afstand die het licht in 1 jaar aflegt, hetgeen neerkomt op circa 9,5 billioen km. Volgens de eerste hypothese (eenmalige oerknal) betekent zo’n ijlheid theoretisch al lang het einde van ons universum. Gelukkig biedt de tweede hypothese het uitzicht op voortgang.
De ijlheid op zich heeft voor ons grote betekenis: op grond van de onverminderde uitdijing kunnen we de ruimte van ons universum met steeds meer recht ‘nagenoeg leeg’ noemen.
Maar wat is ‘leeg’? Steeds meer natuurkundigen zijn het erover eens, dat de kosmos voor 96% bestaat uit zogenoemde ‘donkere of zwarte materie’. Deze geeft géén elektromagnetische straling af, absorbeert ook dergelijke straling niet, is onzichtbaar en alleen meetbaar door de werking van de aantrekkingskracht.
Eigenlijk neigen de wetenschappers ertoe om te mogen spreken van ‘massaloze deeltjes’; daarmee zou heel veel kunnen worden verklaard. Het probleem is echter, dat zodra we het over deeltjes hebben, er onherroepelijk -hoe gering ook- een massa mee gemoeid is. Want elk benoemd deeltje moet volgens de gangbare fysica nu eenmaal massa hebben.
Op dit punt aangekomen is het nuttig om onder de tekst ‘Makrokosmos’ in het gedeelte ‘Op ontdekkingsreis’ even de gedachten op te frissen omtrent de mathematische benadering van ruimte. In aansluiting hierop kunnen we dan stil staan bij het ruimte-model, dat de Engelse natuurkundige Higgs omstreeks 1964 ontwierp.
Het totale universum zou volgens deze hypothese gevuld kunnen zijn met een onzichtbaar veld (later Higgs-veld genoemd). Dit veld zou de massaloze deeltjes meer of minder massa kunnen verlenen, afhankelijk van de wisselwerking, welke zij met het Higgs-veld hebben. Laten wij (en dit is van belang!) de gedachte dus vooral vasthouden, dat -afhankelijk van nader te verkennen invloeden- er zich waar ook in de ruimte afwisselend energie of materie kan bevinden.
Het atoom
Wetende dat de ruimte nagenoeg leeg is, hopen velen enig houvast te vinden in de tastbare materie, die is opgebouwd uit atomen en moleculen. Daartoe kijken we eens goed naar de structuur van het atoom: een kern waar omheen één of meer elektronen hun baan beschrijven. Al op school leerden we hierover:
Een atoom is te beschouwen als een mini-zonnestelseltje, want de verhouding tussen zon en afstand tot de omlopende planeet komt ongeveer overeen met de verhouding tussen atoomkern en afstand tot het elektron. Zo ontdekken we dat zelfs de zogenaamde harde materie zich het beste laat definiëren als praktisch lege ruimte tussen minimale atoomkernen en elektronen.
Om zich deze leegte enigszins te kunnen voorstellen nemen we ons eigen sterrestelsel als voorbeeld. Daarin meet de diameter van de zon ruim 0,93% van de gemiddelde afstand tot de aarde en de doorsnede van de aarde nog geen 0,009% ervan. Het verst van onze zon staat de planeet Pluto: gemiddeld 39,4 maal de afstand tussen aarde en zon. De diameter van de zon bedraagt slechts iets meer dan 0,02% van haar gemiddelde afstand tot Pluto.
Zoals we in het sterrestelsel de enorme lege ruimte ervaren, zo kunnen we ons ook bewust zijn van de open ruimte in één atoom. En dit levert ons dan als beste betiteling voor elk materieel lichaam -hoe zwaar en massief ook- de bescheiden omschrijving: ‘nagenoeg leegte’.
Een populair voorbeeld kan de gedachte omtrent ‘lege voorwerpen’ wellicht verduidelijken. Stel we plakken en stapelen een grote hoeveelheid voetballen zodanig tegen en op elkaar, dat er een muur ontstaat. Hier kunnen we tegen leunen, erop klimmen, er niet doorheen stappen, e.d. Tegelijk weten we, dat het hele bouwwerk praktisch geheel uit lucht bestaat.
Op vergelijkbare wijze kunnen we ervan doordrongen zijn, dat elk stoffelijk voorwerp dat we zien of voelen, vanwege zijn moleculaire structuur bijna louter leegte en transparantie omvat.
Eigenlijk kijken we bij alle vloeistoffen en vaste voorwerpen alleen naar een facade, die door oppervlaktespanning min of meer intact blijft. Weliswaar kan die oppervlaktespanning heel groot zijn, zodat we de indruk krijgen van taaie stroop, sterk doek, massief hout of harde steen. Maar al die dingen zijn in werkelijkheid praktisch alleen open ruimte met een uiterst dunne oppervlakte of schijnbare wand ter dikte van de elektronen in de buitenste atomen.
Conclusie
De elders genoemde ‘96% zwarte materie’ impliceert een totaalvolume van circa 4% meetbare materie in de kosmos. Dit omvat alle sterren, planeten, kometen, meteorieten, stofwolken e.d., die in het heelal te vinden zijn.
Zoeken we binnen dit volume naar de werkelijke materie, geconcentreerd in alle bestaande atoomkernen, dan vinden we voor alle bestaande atoomkernen tesamen (zie voorbeeld zonnestelsel) circa 0,001% van deze 4%,hetgeen minder is dan 0,0001%. In feite reduceert zich het zichtbare heelal tot dit totaal van atoomkernen oftewel tot de totale proton- en neutronmassa in de kosmos.
Omdat deze voor 99 % procent bestaat uit de bindingsenergie tussen de quarks, blijft er uiteindelijk circa 1% van 0,0001% over voor het volume aan quarks. Dat komt uit op minder dan 0,000001% (één miljoenste procent) geschat volume aan deeltjes in het universum.
Door de konstante uitdijing van het heelal is zo’n schatting bovendien van moment tot moment onnauwkeuriger en van steeds minder invloed in de steeds ijler wordende ruimte.
Duidelijk is dat bij deze orde van grootte het niet meer belangrijk is om precies te weten hoe zuiver onze schatting is of hoe weinig vaste materie zich eigenlijk manifesteert. Het is eenvoudig zo weinig, dat het veel logischer is om uit te gaan van een energetische kosmos. Weliswaar ontstaan en verdwijnen -zo nu en dan hier en daar- materiële deeltjes, maar veel betekenis heeft dat verhoudingsgewijs niet.
We begrijpen nu, dat alles wat bestaat en leeft in wezen niets anders is dan energie: energetische impulsen die werkzaam zijn in elektromagnetische velden. Onder ‘Macrokosmos’ kunnen we hierover uitvoeriger lezen. Alle stoffelijke vormen of lichamen zijn tijdelijke omzettingen van energie in materie en zijn zeker niet fundamenteel.
Zodra we in het gewone alledaagse functioneren niet meer uitsluitend denken in materiële vormen, maar ons bewust zijn van het energetische beginsel dat primair in alles werkzaam is, hebben we kennis gemaakt met de andere ‘kijkrichting’. De recente kwantumfysica kan ons daarbij een steuntje in de rug geven.
Populair verwoord stelt deze theorie onder meer, dat de positie van een deeltje in de natuur nooit exact te bepalen is, maar afhankelijk is van de actie van de waarnemer. Pas het initiatief van bewustzijn brengt manifestatie teweeg. Met andere woorden: bewustzijn gaat vooraf aan de uitdrukking in de stof; gedachten scheppen de vorm. Ik schep uiteindelijk mijn eigen beelden van de omringende wereld, zoals die zich vervolgens aan mij voordoet.