Hoe is de wereld opgebouwd?

1
Hoe is de wereld opgebouwd?

• De uitdaging voor de natuurkundigen.

2
Op zoek naar het fundamentele

• Waarom hebben zoveel dingen in deze wereld
  gelijke eigenschappen?
• Men is gaan beseffen dat de materie opgebouwd is
  uit enkele fundamentele bouwstenen van de natuur.
  

3
Geschiedenis

• Empedocles (5de eeuw voor C)
• Democritos (400 BC)
• Materie bestaat uit ondeelbare deeltjes atomen.

4
quiz
Atoom betekent
5
Middeleeuwen en renaissance

• Nicolaus Copernicus,
• het heliocentrische model.
• revolutionair, omdat het inging tegen het
  heersende dogma van het wetenschappelijk gezag
  van Aristoteles
• een volledige wetenschappelijke en filosofische
  omwenteling.

6
1500-1900

• Na de Copernicaanse omwenteling
• wetenschappelijke theorieën niet aanvaard kunnen
  worden zonder ze rigoureus te testen.
• De communicatie tussen wetenschapsbeoefenaars nam
  toe
• Dit leidde tot nieuwe ontdekkingen.
• Waarneming en experiment werden daarbij
  belangrijker gevonden dan geloof in een
  autoriteit.

7
Galilei Kepler en Newton

• Beweging van de planeten gevolg van
  gravitatiekrachten
• Newton grondlegger van de klassieke mechanica

8
Faraday en Maxwell

• Elektriciteit
• Faraday ontdekt principe van de elektromotor en
  elektrolyse
• Magnetisme
• Maxwell legde de basis voor het idee dat licht
  een elektromagnetische golf is

9
Becquerel en Curie

• Becquerel ontdekker radioactiviteit
• De Curies zonderen als eersten radioaktieve
  elementen af uit erts

10
Moderne fysica

• Men dacht dat fundamentele principes gekend
  waren.
• Atomen waren massieve bouwstenen
• Bewegingswetten van Newton
• Elektriciteit en magnetisme verklaard.
• Maar de relativiteitstheorie van Einstein en
  onderzoek naar radioactiviteit deden de
  onderzoekers beseffen dat ze nog lang niet klaar
  waren.

11
1900 Max Planck

• Licht bestaat uit energiepakketjes (quantum) ook
  fotonen genoemd

12
Einstein

• Licht gedraagt zich als een deeltje en als een
  golf
• De lichtsnelheid is absoluut, tijd en lengte zijn
  relatieve grootheden
• Massa kan omgezet worden in energie en omgekeerd
• Emc²

13
Heisenberg

• Subatomaire deeltjes gedragen zich niet volgens
  de wetten van de newtoniaanse fysica, waarin
  alles keurig kon voorspeld worden.
• Deeltjes hebben een impuls (m.v), maar hebben ook
  golfeigenschappen

14

• Quantummechanica geeft de wiskundige basis om het
  gedrag van subatomaire deeltjes te voorspellen
  onder de vorm van waarschijnlijkheden.

15
Terug naar het begin de geboorte van het
Universum van de Big Bang (Oerknal) tot het
huidig Universum
Voor de Big Bang was er niets, ook geen tijd en
ruimte dimensies !!
Albert Einstein
16
We beginnen dus van niets de geboorte van het
Universum
Theorie Alles begon uit één enkel punt met
oneindig veel energie

• tijd ? 10-43 seconden
• energie ? 1019 GeV
• temperatuur ? 1032 K
• alle mogelijke deeltjes (ook diegene die we nog
  niet kennen of nog niet ontdekt hebben)
• alle krachten en deeltjes hadden dezelfde
  eigenschappen ...
• Volledige symmetrie !!

17
Een korte periode van inflatie snelle groei van
het Universum
Big
Bang
nu
10-35 s
10-10 s
10-4 s
100 s
300000 jaar

• tijd ? 10-35 seconden
• energie ? 1016 GeV
• temperatuur ? 1027 K
• Het ganse Universum had een grootte van ongeveer
  1023 meter na deze periode.
• Het Universum dat we vandaag zien had toen een
  grootte van ongeveer 3 meter !!!

18
Verdere groei van het Universum symmetrie is
bijna weg !
Big
Bang
nu
10-35 s
10-10 s
10-4 s
100 s
300000 jaar

• tijd ? 10-10 seconden
• energie ? 102 GeV
• temperatuur ? 1015 K
• Dit is de hoogste energie die we vandaag in
  laboratoria kunnen bekomen !!

19
Wel gekende neutronen en protonen worden gevormd
Big
Bang
nu
10-35 s
10-10 s
10-4 s
100 s
300000 jaar

• tijd ? 10-4 seconden
• energie ? 1 GeV
• temperatuur ? 1013 K
• Het Universum is even groot als het zonnestelsel
  dat we vandaag kennen !!

20
Kernen worden gevormd protonen en neutronen
combineren
Big
Bang
nu
10-35 s
10-10 s
10-4 s
100 s
300000 jaar

• tijd ? 100 seconden
• energie ? 10-4 GeV
• temperatuur ? 109 K
• Bijvoorbeeld Helium kernen worden gevormd.
• Dezelfde situatie als vandaag in sterren.

21
Lichtste atomen worden gevormd Universum wordt
transparant
Big
Bang
nu
10-35 s
10-10 s
10-4 s
100 s
300000 jaar

• tijd ? 300000 jaar
• energie ? 10-9 GeV
• temperatuur ? 104 K
• Licht kan zich vrij door het Universum
  propageren zonder te botsen met atomen.
• Sterrenkundige theoriën kunnen vanaf hier
  toegepast worden.

22
Galaxiën en zware atomen worden gevormd
Big
Bang
nu
10-35 s
10-10 s
10-4 s
100 s
300000 jaar

• tijd ? 1 miljard jaar
• temperatuur ? 18 K
• Bijvoorbeeld ijzer atomen worden gevormd.
• Nog geen menselijk leven mogelijk.

23
Vandaag de mensheid
Big
Bang
nu
10-10 s
10-4 s
100 s
300000 jaar
10-35 s

• tijd ? 15 miljard jaar
• temperatuur ? 3 K
• Chemische reacties overheersen en moleculen
  worden gevormd met atomen.

De mens begint zich af te vragen van waar het
allemaal komt !!
24
Natuur Het verhaal van de Big Bang tot vandaag
symmetrie
chaos
Elementaire deeltjes fysica of hoge energie fysica
Sterrenkunde Chemie Biologie ...
Verschillende theorieën beschrijven verschillende
aspecten van de Natuur
Eén enkele theorie die alles beschrijft
25
Het verhaal van de Big Bang tot vandaag
symmetrie
chaos
Experimenteel niet toegankelijk vandaag andere
theorieën trachten deze periode te
beschrijven maar vandaag kunnen we die nog niet
verifiëren !!
vandaag
Eén theorie die alles beschrijft tot 200 GeV
Het Standaard Model
26
CERN

• Centre Européen pour la Recherche Nucléaire
• In Zwitserland opgericht door verschillende
  landen.
• Men gebruikt een deeltjesversneller (cyclotron)
• Daardoor krijgen de deeltjes veel energie. (zoals
  kort na big bang)

27
(No Transcript)
28

• Men versnelt deeltjes tot ze een grote snelheid
  (bijna de lichtsnelheid) hebben en laat ze dan op
  elkaar botsen.
• Tijdens de botsing vallen de deeltjes uit elkaar
  in elementaire deeltjes .

29

• - Deeltjesversnellers laten bij heel hoge
  energieën toe nog veel dieper in de materie door
  te dringen

30
Het standaardmodel voor de materie

• Wereld wordt beschreven in
• materiedeeltjes
• krachtvoerende pakketjes (quantum)

31
Materiedeeltjes

• Quarks (vormen groepjes)
• Up (2/3) charm (2/3) top(2/3)
• down (-1/3) strange (-1/3) bottom(-1/3)
• Leptonen (blijven alleen)
• Elektron(-1) muon(-1) tau(-1)
• E-neutrino(0) m-neutrino(0) t-neutrino(0)
• hun antideeltjes hebben dezelfde massa maar een
  tegengestelde lading

32

• Alle zichtbare materie is gemaakt van deeltjes
  van de eerste generatie

33
Hadronen

• Hadronen de quark-groepjes
• Baryonen alle hadronen met drie quarks
  (qqq).Bijvoorbeeld het proton (uud), en het
  neutron (udd).
• Mesonen een quark met een antiquark

34
quiz

• Hoeveel jaar weten we al dat er meer is dan
  alleen protonen, neutronen, elektronen en
  fotonen?
• 10?
• 30?
• 70?
• 100?
• 70jaar in1930 kende men neutrinos en muon

35
"waarvan is de wereld gemaakt?"

• Het antwoord is
• "quarks en leptonen
• Nu komt de vraag

36
"wat houdt de wereld bijeen?"

• De wereld die we kennen kan alleen verklaard
  worden door wisselwerking van de fundamentele
  deeltjes
• een aantrekkende of afstotende kracht van een
  deeltje op een ander deeltje,
• verval van een deeltje in twee of meer andere,
• annihilatie van een deeltje en zijn anti-deeltje.
  

37
quiz
Hoe heet dit beeldhouwwerk, en wie was de maker?
38
quiz

• Welke bestaat uit quarks?
• Baryon
• Ja 3 quarks
• Baron
• Ja zelfs een echte edelman bestaat uit quarks
• Lepton
• Neen

39
wisselwerking

• Gravitationele wisselwerking
• Zeer zwak
• Boodschapperdeeltje is graviton
• Twee massas trekken elkaar aan, ze wisselen
  gravitonen uit
• Zeer weinig over bekend op subatomaire schaal

40
wisselwerking

• Elektromagnetisme
• De krachten die men dagelijks ervaart voorwerpen
  vallen niet uit elkaar, wrijving, normaalkracht
  enz
• Boodschapperdeeltje is foton (licht bestaat ook
  uit fotonen)

41
wisselwerking

• Sterke wisselwerking
• Houdt quarks bij elkaar
• Boodschapperdeeltje gluonen.

42
wisselwerking

• Zwakke wisselwerking
• Zorgt ervoor dat quarks en leptonen vervallen in
  lichtere deeltjes
• Uitwisselingsdeeltjes zijn bosonen

43
quiz

• Welke wisselwerking veroorzaakt
• Wrijvingskracht
• Elektromagnetische rest ww
• Planeetbanen
• Gravitatie tussen zon en planeet
• Betaverval
• Zwakke wisselwerking

44
verval

• Behoudswetten
• Behoud van lading
• Behoud van massa/energie
• Behoud van hoeveelheid beweging
• Behoud van baryongetal
• Behoud van leptongetal
• Bv ß-verval
• n?p e- ve

45
annihilatie

• Deeltje antideeltje levert energie die dan
  later terug kan omgezet worden in een deeltje en
  een antideeltje

46

• Elektron en positron racen met veel energie hun
  ondergang tegemoet.
• Botsing en annihilatie, waarbij alle energie
  vrijkomt.
• Uit de energie is een foton of een boson
  ontstaan, een boodschapperdeeltje
• Een charm-quark en een charm-antiquark ontstaan
  uit het boodschapperdeeltje