Enkele maanden geleden ging het op dit blog over de Big Bang. Op basis van destijds een zeer bescheiden steekproef formuleerde de astronomie de hypothese dat ons hele universum ooit in één enkel punt bij elkaar had gezeten, en nu nog altijd bezig was uit te dijen als gevolg van de explosie van dat ene punt. Het lijkt woest, het geeft aanleiding tot hopen nieuwe vragen, maar indien je het aanneemt kan je een bepaalde consequentie beredeneren: de aanwezigheid van een bepaalde straling met een welbepaalde energie. En ziet ende kijkt, die straling was er (1). Maar als je een woest idee hebt, en vervolgens kan je iets heel specifieks zien; iets dat evengoed héél anders kon zijn, maar dat indien het waar was alleen maar zo kan zijn, dan is dat een reden om dat woest idee enigszins serieus te nemen.
Hier komt nog een voorbeeld. Uitgaande van een aantal assumpties (bijvoorbeeld: er was een Big Bang. Maar ook: de natuurwetten zijn doorheen de tijd constant gebleven) kan je beredeneren welke dichtheid het universum moet gehad hebben doorheen de verschillende fasen van de explosie. En als je de dichtheid kent, dan ken je de temperatuur. En daaruit volgt, steeds per genoemde assumpties, dat je de energie van al die fasen hebt. En energie is equivalent met massa, zoals de beroemde formule met E, m, c en kwadraat erin ons vertelt. Het komt er op neer dat je puur theoretisch kan beredeneren dat er in dat heel vroege begin een soort condensatie van (een klein deel van de) energie tot materie plaatsvindt. Die materie bestaat uit protonen en neutronen. Dat zijn allebei zeer kleine partikels die je aantreft binnen in de kernen van atomen. Hun massa is ongeveer gelijk, maar een proton heeft een positieve electrische lading terwijl een neutron electrisch neutraal is.
Alles puur theoretisch beredeneerd. En we kunnen verder gaan! Met het verstrijken van de tijd bij dat allereerste begin dijt het universum uit, en neemt de temperatuur af. Nu gaan er allerlei evenwichten aan het schuiven, waar we ons gemakkelijk een voorstelling van kunnen maken. Beeld je een kluts water in, die zich in een gesloten pot bevindt. Voor een gegeven temperatuur (tussen nul en honderd graden) zal een bepaald deel van dat water verdampen, maar een ander deel zal condenseren. Voor de gegeven temperatuur is er een punt waarop evenveel waterdeeltjes van vloeibaar naar gas verdampen, als er deeltjes zijn die van gas naar water condenseren: de toestand is in evenwicht bij een bepaald percentage vloeistof en een bepaald percentage gas.
Zo is het ook voor de hoeveelheid protonen en neutronen. Bij de zeer hoge temperaturen van het zeer vroege begin zijn er evenveel protonen als neutronen. Maar naarmate de temperatuur afkoelt (we praten nog steeds over temperaturen die ordes van grootte hoger zijn dan de zon) zetten neutronen zich gemakkelijker om in protonen dan omgekeerd (vraag me niet hoe en waarom; het heeft iets te maken met het feit dat neutronen iets zwaarder zijn). Dus gaat het evenwicht verschuiven naarmate de temperatuur daalt: van 50 - 50% verschuift het naar een toestand waarbij 87% van de materie protonen zijn, en 13% neutronen. En, het kan niet genoeg herhaald worden, dat is allemaal puur theorie. Dat is allemaal alleen maar zo indien je een hoop assumpties aanneemt, zoals "er was een big Bang" en "het gedrag van straling en massa was toen zoals dat gedrag nu nog is", en nog een hoop andere: allemaal in zekere zin zuivere fantasie.
Maar dat verandert. Er komt een moment waarop (altijd weer puur theoretisch...) de temperatuur zo ver gezakt is, dat er een bepaalde nucleaire reactie op gang komt. Die reactie bestaat er in dat alle neutronen worden omgezet in helium-atomen. Helium-atomen bestaan uit twee neutronen en bovendien zitter er ook twee protonen in. Dus de reactie die bij die temperatuur op gang komt grabbelt zo goed als alle neutronen vast, kwakt ze twee aan twee elkaar, plakt er nog eens evenveel protonen bij als er neutronen ingingen, en vanaf dan bestaat het materiële universum niet langer uit X percent neutronen en Y percent protonen, maar uit X percent helium en Y percent protonen.
En van het ene moment op het andere ontstaat er een manier om te checken of heel die woeste fantasie ook enig verband heeft met de realiteit. Want we hebben een vrij goed beeld van wat er sindsdien nog meer met allerlei soorten atomen is gebeurd, en voor dit stukje is voldoende aan te nemen dat het antwoord is: niet zo heel erg veel. En verder weten we hoe groot de percentages protonen en neutronen waren op het moment dat al dat helium ontstaat: We zaten rond de 87% protonen en 13% neutronen. Als je weet dat quasi al die neutronen (13%) worden opgebruikt om helium te maken, en dat je nog eens evenveel protonen nodig hebt om er dat helium van te maken, wel, dan is in totaal ongeveer 26% van de totale massa omgezet in helium, nietwaar, en dan vertegenwoordigen de overblijvende protonen 74%, niet?
En nota bene, dat is allemaal, nog steeds, puur theorie. Indien al die assumpties ook goede assumpties zijn, en indien onze berekeningen correct zijn, en indien die verhoudingen sindsdien niet zo heel veel gewijzigd zijn... dan moeten we tot vandaag kunnen zien dat het universum voor pakweg driekwart bestaat uit protonen, en één kwart uit helium. En dat is dus geen theorie meer, maar iets dat we kunnen meten. Het is iets dat er heel anders zou kunnen uitzien dan de theorie zegt, en in dat geval moeten we minstens één van de assumpties serieus in vraag stellen.
Maar guess what? Helium blijkt ongeveer 23% van de materie van het universum uit te maken! Precies het soort cijfer dat je zou verwachten als er bij de Big Bang tegen de 26% van was, en dat er daarna nog enkele miljarden jaren licht mee geschoven werd. En dus hebben we weer een voorbeeld van iets dat heel anders had kunnen zijn, maar dat heel nauwkeurig klopt met wat er moet zijn, indien het Big Bang model klopt. Hetgeen volgens simpele logica niet bewijst dat dat model klopt. Maar het maakt er wel een model van dat we maar beter serieus kunnen nemen.
-----------------------------------------------------------
(1) http://speelsmaarserieus.blogspot.com/2006/01/kosmologie-een-anecdote.html
Geen opmerkingen:
Een reactie posten