Oerknaltheorie van waarneembaar heelal?

[Gast]

Hallo,
 
Ik vroeg me het volgende af:
 
Dat de oerknal zich ca. 13,8 miljard jaar geleden plaatsvond is (als ik me niet vergis) grotendeels gebaseerd op metingen van temperatuurfluctuaties in de kosmische achtergrondstraling, dus gebaseerd op data van het waarneembare heelal.
Is uit deze beschikbare data niet ook de 380.000 jaar van oerknal tot kosmische achtergrondstraling gebaseerd/berekend?
Zoals de 10²⁸ K van de bijna oneindige dichtheid van de oerknal zelf. Of de grootte en de temperatuur tijdens het planck-tijdperk en tijdens de inflatie etc ?
 
Want als dat zo is, zou het dan eigenlijk niet de oerknaltheorie van het waarneembare heelal genoemd moeten worden (al klinkt dat wat stom)? 
En als dit zo is ... zou de oerknal van het theoretische heelal dan een diameter van een meter kunnen hebben gehad ipv die van een bijna-singulariteit? ... Of zelfs een oneindig grote diameter? ... Ik bedoel ... hoe kunnen wij dat dan weten?
 
Sorry als dit een hele stomme gedachtegang met daarbij horende stomme vraag is, maar ik zou hier graag verder mee geholpen willen worden. BvD!
 
MvG, TommyWhite
 
PS. Waarom spreekt men nooit van het waarneembare universum?

[Michel Uphoff]

Waarom spreekt men nooit van het waarneembare universum?

 

Kosmologen bedoelen met het universum altijd het waarneembare universum.

 

Dat de oerknal zich ca. 13,8 miljard jaar geleden plaatsvond is (als ik me niet vergis) grotendeels gebaseerd op metingen van temperatuurfluctuaties in de kosmische achtergrondstraling,

 

Nee, dat is de verkeerde volgorde. De leeftijd van het heelal komt voort uit het terugrekenen van de expansiesnelheid. Nu zo groot, dan vroeger zo klein, en 13,8 miljard jaar geleden een punt.

 

Daaruit volgt dan ook, dat kort na de oerknal het heelal zo afgekoeld moest raken dat de gemiddelde temperatuur er ongeveer 3000 graden was. Aangezien bij temperaturen hoger dan 3000 graden waterstof geïoniseerd is, en daardoor als een soort mist ondoorzichtig wordt, werd gehypothetiseerd dat er dus een 'eerste licht' achtergrond zou moeten bestaan met een temperatuur van ongeveer 3000 graden. Bij temperaturen lager dan 3000 graden kan licht vrij reizen door waterstofgas, het heelal wordt doorzichtig. Aangezien uit de kosmologische modellen blijkt dat sedert dat moment de diameter van het heelal ruim 1100 keer groter is geworden, moest er dus een achtergrondstraling bestaan van ongeveer 3000/1100 = 2,7 Kelvin (dit volgt uit de wet van Stefan-Bolzmann, de expansie en toename van de golflengte van de straling).

 

Dat was in 1948, en een reeks wetenschappers daarna kwamen tot gelijksoortige theoretische bevindingen. Toen in 1964 Penzias en Wilson min of meer per ongeluk een zeer gelijkmatige ruis, afkomstig van alle richtingen en met een golflengte van ongeveer 1 mm (microgolven) waarnamen, kwamen zij tot de conclusie dat dit die hypothetische straling moest zijn, ze is overeenkomstig een achtergrondtemperatuur van 2,7 K, en de waarnemers leverden daarmee een van de sterkste bewijzen voor de oerknaltheorie, waarvoor zij de Nobelprijs ontvingen.

 

Die kosmische achtergrondstraling is zeer gelijkmatig, maar er zijn geringe fluctuaties; gebieden waar het een paar miljoensten Kelvin warmer of kouder is. Ook dat werd voor de waarneming al bedacht. Als de kosmische achtergrondstraling volledig gelijkmatig zou zijn, impliceerde dat een perfect homogeen heelal. In een perfect homogene omgeving kan materie niet samenklonteren, daarvoor zijn heel kleine dichtheidsvariatie noodzakelijk.

 

Ik bedoel ... hoe kunnen wij dat dan weten?

 

Dat weten we niet. Het kan goed zijn dat het totale heelal ook bij de oerknal al oneindig groot was, het waarneembare heelal was (nagenoeg?) een punt. Wat er voorbij de waarnemingshorizon (de 'rand' van het waarneembare heelal) is, en hoe groot het is weten we niet en kunnen we waarschijnlijk ook nooit weten. Wel is waarschijnlijk dat het totale heelal heel veel groter is dan het waarneembare-.

 

Ook weten we niet hoe het heelal er uit zag voor ongeveer een miljoenste seconde na de oerknal. Hier een soort tijdlijn, en met name de energie die in de LHC van Cern opgewekt wordt is interessant. Vanaf dat moment kunnen we de theorie testen, daarvoor is het grotendeels hypothese en zelfs speculatie.

 

klik voor vergrote weergave
Wil je wat uitleg lezen bij deze tijdlijn, die staat in het Cern artikel (klik)

[Bladerunner]

@Michael
Je zegt dat het totale heelal al oneindig kon zijn bij de oerknal. Maar dat lijkt mij in strijd met het concept dat de ruimte tegelijk met de oerknal ontstond en eerst in die punt zat. Ook zou het impliceren dat de knal een plek had in die ruimte wat in strijd is met de oerknal theorie zelf want die begon overal tegelijk. Tenzij je natuurlijk een 'ander soort' ruimte bedoeld waarin een 3d uitzetting plaatsvond van de ruimte-tijd. (Maar ik meen mij te herinneren dat je ooit een keertje zei dat de vraag 'waarin zet het heelal uit' zinloos was).
 
Ook kan het volgens mij niet zo geweest zijn dat het heelal (waarneembaar of niet) als iets groters dan een punt begon want dan heb je volgens mij geen goede condities (d.w.z: niet extreem genoeg) voor de kwantumfluctuaties die de initiator zouden zijn geweest van de oerknal.
 
Uiteindelijk zitten wij maar in één heelal want het waarneembare deel is slechts een denkbeeldige grens dus komt volgens de oerknal theorie alles uit een punt en niet alleen maar het waarneembare deel.

[Michel Uphoff]

Je bedoelt vast Michel.
 
Alles dat zich afspeelde voor de tijd van het quark-gluon plasma (energiegrens LHC, zie de tijdlijn eerder) is hypothetisch. Het kan zijn dat ons waarneembare heelal bij de oerknal een punt was, maar dat is dus ook hypothetisch.
De vraag hoe het 'totale' heelal er tijdens de oerknal uitzag en of die behalve in het deel dat wij het waarneembare heelal noemen zich ook heeft voltrokken in het totale heelal, is niet te beantwoorden. Het is niet ondenkbaar dat er zich in het 'totale' heelal myriaden oerknallen hebben voorgedaan, en nog steeds gaande zijn, eveneens hypothetisch/speculatief. Als we het hebben over het ontstaan van ruimte en tijd, dan hebben we het over de ruimte en tijd in het waarneembare heelal, dat evenzogoed in beginsel een punt in een oneindigheid zou kunnen zijn.
 
Wat we wél weten is dat het heelal extreem vlak is. De dichtheidsparameter die ingevolge de algemene relativiteit de kromming van het waarneembare heelal bepaalt, is -met redelijke precisie te meten- vrijwel 1 (Ω₀= 1,02 ⁺/_- 0,02). Dat houdt een (vrijwel) niet gekromd (in 3-d termen een plat, niet bol- of zadelvormig) heelal in. We weten dus vrij zeker dat het totale heelal zeer vlak en dus veel groter is dan het waarneembare heelal, anders hadden we de kromming kunnen meten onder andere in de kosmische achtergrondstraling. De ondergrens ligt op ongeveer 150, het 'totale' heelal heeft een diameter die ten minste 150 keer groter dan het waarneembare heelal is. Anders gezegd, het waarneembare heelal maakt in volume maximaal 0,00003% uit van het totale heelal, maar veel minder (tot een oneindig klein deel van het geheel) kan ook.

[Gast]

Ok hartelijk bedankt.
 
Maar ik begrijp nu niet hoe men berekend heeft dat het 'bijna'-singulariteit waaruit het waarneembare heelal ontstaan is, 10²⁸ Kelvin was. Gewoon door een simpele lineaire redenatie (zeg maar) van nu zo groot en 2,7 K, dus 13,8 miljard jaar geleden in een 'bijna'-singulariteit 10²⁸ K? (In uw Tijdlijn staat trouwens een vraagteken bij Temperatuur bij leeftijd 0 ((Jammer dat het ontstaan van het Higgs-veld nog ontbreekt daarin. Ik meen ergens gelezen/gezien te hebben dat het ontstaan van het Higgs-veld waarschijnlijk één van de fundamentele natuurkrachten afgesplitst heeft ... damn, kweet niet meer welke ... de zwakke? .... naja iig is het nog niet bekend wanneer het Higgs-veld ontstond?))).     
(En hoe is men in 1948 tot die 2,7 Kelvin gekomen?) 
 
En ik heb dus gelijk als ik zeg dat de we (de mens) geen idee heeft hoe groot het gehele heelal was tijdens het Planck-tijdperk?
Dat het (bijna) punt best een grootte van een tennisbal kon hebben met een energiedichtheid van bijna oneindig?
 
0,00003% max. zucht ... zouden we ooit iets waarnemen wat zich ooit buiten ons waarneembare heelal bevond?

[Bladerunner]

Het Higgs mechanisme zorgt voor symmetry breaking van de electro-zwakke kracht.
 
En hier kun je lezen hoe je uitgaande van een bepaalde temperatuur kunt uitrekenen hoe oud het heelal op dat moment was. (Dat is een behoorlijk complexe berekening)
Haast onderaan staat een calculator waarmee je na het invoeren van de temperatuur (en op return hebt gedrukt) de expansietijd kunt uitrekenen.
De wet die hier van toepassing is, is de wet van Stefan-Boltzmann (black body radiation)
Typ je 10²⁸ K in dan krijg je volgens deze calculator een expansietijd van de orde van 10^-35 sec. wat een factor 100 'later' is dan het aangenomen begin van de kosmische inflatie periode tijdens de oerknal.
Deze calculator houd overigens geen rekening met de energiedichtheid van elektronen en positronen, alleen fotonen en neutrino's. Wat de afwijking verklaard van de expansietijd als je 2,7 K invoert want dan krijg je haast 16 miljard jaar i.p.v. de meest nauwkeurige waarde van 13,7.
 
We weten niets over het moment korter dan de Plancktijd van 10^-43 sec. Vanaf het moment dat het heelal minstens 10^-43 sec 'oud' was denken we dat alle natuurkrachten in één universele kracht zat en dat zwaartekracht zich direct als eerste begon af te splitsen van de drie andere natuurkrachten. Dat zou verklaren waarom zwaartekracht zo verschillend is van de rest en het zou ook een zeer belangrijke rol hebben gespeeld direct na de big bang.
 
Logischerwijs zou je overigens denken dat op het moment van vóór (of tijdens) de Plancktijd de afmeting van de singulariteit gelijk was aan de Plancklengte van 1,6 x 10^-35 m.

[Michel Uphoff]

Jammer dat het ontstaan van het Higgs-veld nog ontbreekt daarin.

 
Het Higgs boson staat in de tijdlijn op (ongeveer) de goede plaats. Verder is het handig als je de beschrijving in de link die ik gaf doorlees, ook het higgsveld komt daar aan de orde.
 

En hoe is men in 1948 tot die 2,7 Kelvin gekomen? 

 
Dat beschreef ik kort in het antwoord:
 

Aangezien uit de kosmologische modellen blijkt dat sedert dat moment de diameter van het heelal ruim 1100 keer groter is geworden, moest er dus een achtergrondstraling bestaan van ongeveer 3000/1100 = 2,7 Kelvin (dit volgt uit de wet van Stefan-Bolzmann, de expansie en toename van de golflengte van de straling).

 
Wat toelichting:
Boltzman (klik) vertelt ons dat er een vierde macht zit tussen energie en temperatuur. Als de absolute temperatuur van een zwarte straler halveert, moet de totale intensiteit van de straling 1/16 worden. Verdubbeling van een schaalfactor leidt tot een 2³ = 8 maal grotere inhoud, en tot een halvering van de golflengte en dus de energie van een foton. In totaal die 4e macht. Er is dan per inhouds-eenheid nog maar 1/16 van de energie aanwezig. Gecombineerd leidt dit dus tot de conclusie dat de absolute temperatuur omgekeerd evenredig is aan de schaalfactor. De schaalfactor werd 1100 keer goter, dus de temperatuur werd 1100 keer lager (3000/1100=2,7).

[Gast]

Oooohh. Ik begreep het helemaal verkeerd. Dom denkfoutje.
Er is me nu al veel meer duidelijk. Dank u beiden.
 
@ Michel
Ik was van plan het artikel goed door te lezen. Ik heb het alleen nogal druk, dus gaat t misschien even duren. En ik wil het wel goed doen.
 
 
Alvast een paar korte vraagjes:
 
Het waarneembare heelal is nu maximaal 0,00003% van het totale heelal. ​Betekend dit niet dat dit altijd al zo geweest is (vanaf 10^-43 sec iig) ?
 
Bedoeld u met 'myriaden oerknallen' het zogenoemde multiversum?
 
 
@Bladerunner
 
Symmetry breaking van de electro-zwakke kracht betekend dat de zwakke kernkracht van de elektromagnetische kracht gesplitst wordt?

[Bladerunner]

Ja, want de zwakke kracht en de elektromagnetische kracht worden geacht twee manifestaties te zijn van het zelfde en waren/worden samengevoegd bij energieën groter dan 246 GeV.
 
De inflatie 'periode' duurde slechts een fractie van een seconde wat dus helemaal in het niets verdwijnt bij de huidige leeftijd van het heelal.

[Gast]

Heeft die grens van 246 GeV ook iets te maken met de snelheid van deeltjes zonder rustmassa, oftewel c?
 
Want zoals ik het nu begrijp is bij die hoeveelheid energie het Higgsboson ontstaan wat massa aan de meeste deeltjes gaf.
En alles wat geen rustmassa heeft gaat exact met v=c, toch?
 
Waarom is die snelheid eigenlijk precies 299.792.458 m/s?

[Bladerunner]

Die 246 GeV is de grens waarboven de elektromagnetische kracht en de zwakke kracht (dat is niet het zelfde trouwens als de zwakke kernkracht) 'samensmelten' tot de elektro zwakke kracht. Dit was het geval toen het heelal nog zo’n 10¹⁵ K of heter was. Of dit de waarde van c bepaalde is moeilijk te zeggen, maar het kan wel zo zijn dat dit soort grenzen een 'kantelpunt' waren waarmee de latere eigenschappen van de natuurkrachten bepaald werden.

Het Higgs boson heeft een energie equivalent van 125 GeV en het Higgs boson is verantwoordelijk voor het feit dat bepaalde elementaire deeltjes die massa loos zouden moeten zijn toch massa hebben.

Elk (vrij) deeltje dat een rustmassa van nul heeft zoals het foton beweegt altijd met de lichtsnelheid. Dit wordt uitgelegd via de SRT van Einstein. Het volgt uit het feit dat als er wél een rust massa is het deeltje altijd trager gaat en als het ware een schop onder zijn ‚reet’ moet krijgen zoals in een deeltjesversneller. Nu is een gluon ook massa loos maar het beweegt niet met de lichtsnelheid want gluons komen niet als vrij deeltje voor in de natuur.

Het getal van de constante c heeft op zich geen betekenis, het had ook (iets) sneller of langzamer kunnen zijn als de natuurkrachten net iets anders werkten. Maar er moet wel een limiet bestaan voor de waarde c.

Wij leven in het ruimte-tijd continuüm en dat betekend dat de ruimte en de tijd (en de daarin afspelende gebeurtenissen) met elkaar samenwerken. Je kunt dus stellen dat een tijdseenheid c.q. snelheid omgerekend kan (en moet) worden in een ruimtelijke eenheid wil het betekenis hebben in ons ruimte-tijd continuüm.

Want zou licht een oneindige snelheid hebben dan krijg je een chaos omdat dan alles overal tegelijk gebeurt. Ook ligt het voor de hand dat licht niet heel erg traag zou kunnen zijn want we zien een object doordat het licht weerkaatst. Dus stel je eens voor hoe de wereld eruit zou zien als licht net zo snel als het geluid was. Dan zouden we de horizon zien zoals hij 'uren' geleden was en een vliegtuig zou (aangenomen dat die dan wel sneller dan het geluid/licht kon) pas zichtbaar worden als hij al voorbij was...

[HansH]

Vanavond zat ik te denken over het begrip 'uitdijing van het heelal' Als ik het goed begrepen heb is de uitdijing van het heelal op een bepaalde afstand van ons groter dan de lichtsnelheid waardoor hetgeen zich achter een bol rondom ons heen met die straal niet meer voor ons waarmeembaar is omdat zelfs met de lichtsnelheid het licht van een object ons niet meer kan bereiken. Maar stel nu dat vanaf een punt en stukje buiten die bol materie in onze richting geschoten wordt. die materie zou in principe met vrijwel de lichtsnelheid onze kant op kunnen komen en daarop zou zich ook nog een sterke lamp kunnen bevinden. de vraag is of we die in theorie dan toch zouden kunnen zien. 
 
Verder lijkt het bij deze aanname ook nel alsof er toch een soort ether is ten opzichte waarvan licht zich met de lichtsnelheid kan verplaatsen. Maar dat zou toch helemaal niet kunnen, immers licht verplaatst zich altijd met de lichtsnelheid tov elke waarnemer. Hoe zit dat dan? 

[Michel Uphoff]

de vraag is of we die in theorie dan toch zouden kunnen zien. 

 
Nee. Alles dat zich achter die waarnemingshorizon (gebeurtenissenhorizon, event horizon) afspeelt kan ons nooit bereiken. Dit heeft niet zo zeer te maken met de expansie van het heelal, zoals vaak wordt gezegd. Ook in een expanderend heelal zal iedere gebeurtenis hoe ver weg ook ooit eens hier aankomen, het kan duizenden miljarden jaren duren, maar het komt aan. Ook licht van objecten die nu met meer dan de lichtsnelheid van ons wegvliegen kan dus door ons gezien worden, en van alle sterrenstelsels die nu aan de rand van het heelal worden waargenomen, kan gesteld worden dat deze zich inmiddels met meer dan de lichtsnelheid van ons verwijderen.
Dit klinkt onlogisch, zie DIT bericht voor een toelichting op basis van een mier die over elastiek loopt.
 
Lees deze prima bijlage van Lineweaver en Davis over dit soort misvattingen (die soms ook door professionals worden gemaakt):

Misconceptions about the Big Bang Davis and Lineweaver

(478.47 KiB) 160 keer gedownload

 
Punt is echter dat het heelal, door het mysterie dat we donkere energie noemen versneld expandeert. Hoe verder in de toekomst, hoe sneller het heelal uitzet. En dan is er wél een grens waarachter gebeurtenissen ons nimmer kunnen bereiken. Op basis van de huidige meetgegevens (ingepast in het zogenoemde Lambda Cold Dark Matter Model, klik) ligt onze event horizon nu op ongeveer 16,7 miljard lichtjaar van ons vandaan.
 
Ook hierover een prima artikel van Lineweaver en Davis over dit onderwerp:

Expanding Confusion Lineweaver Davis

(531.44 KiB) 148 keer gedownload

[HansH]

Het uitdijende heelal wordt vaak voorgesteld als een opblazende ballon met 2D oppervlak. Maar in werkelijkheid is het 3D. En er wordt ook gesproken over een grootte, (ter grootte van een grapefruit bij het ontstaan hoorde ik laatst een professor zeggen in een filmpje) maar als je het hebt over een grootte dan is er ook zoiets als een rand. Vraag is alleen wat ik me dan bij die rand moet voorstellen want die zou er feitelijk niet kunnen zijn? Ik zou dus denken dat het heelal altijd al oneindig groot was, dus ook al bij de Big Beng maar ook nog met een factor uitzet in de tijd.

[Bladerunner]

Hier een artikel dat over jou vragen gaat.