Kosmologie
Kosmologie is de wetenschap die de globale structuur en de evolutie van het heelal bestudeert.
Inhoud |
[bewerk] Korte geschiedenis van de kosmologie
[bewerk] Oudheid
De oude Grieken kwamen bij hun filosofische bespiegelingen over de wereld ook met het terrein van het ontstaan en de opbouw van het universum in aanraking. Aanvankelijk werd alles verklaard door het aan de schepping van goden toe te schrijven. Door waarnemingen met het blote oog aan de hemel kwamen wetmatigheden aan het licht waaraan zon, maan, planeten en sterrren leken te gehoorzamen. Rond de tijd van het hellenisme werd het geocentrische wereldbeeld populair. De aarde stond in het centrum van het heelal waarom heen alles draaide. De hemellichamen werden verondersteld vastgemaakt te zijn aan doorzichtige 'sferen' of bollen die in elkaar nestelden en door hun draaingen de indruk van de banen der planeten en sterren gaven. Maar hiermee konden vele problemen toch niet verklaard worden.
[bewerk] Nieuwe tijd
De moderne kosmologie begon met de inzichten van Copernicus, waarmee afscheid genomen werd van het oude van oorsprong Griekse geocentrische wereldbeeld. Toen de astronomie een empirische wetenschap werd, waarbij inzichten getoetst werden aan waarnemingen, namen de inzichten in de kosmos toe. Tycho Brahe deed aan het eind van de zestiende eeuw nauwkeurige observaties van de planeetbanen en op grond van die gegevens kon zijn assistent Johannes Kepler zijn beroemde wetten opstellen. Door gebruik te maken van de wiskunde als hulpwetenschap in de astronomie kon Kepler nauwkeurige berekeningen maken.
[bewerk] Uitvinding van de telescoop
Door de uitvinding van de telescoop kon Galileo de manen van Jupiter observeren en een heliocentrische theorie naar voren brengen. Ondanks tegenwerking van de Rooms-Katholieke Kerk, die Galileo negen jaar voor zijn dood levenslang huisarrest had opgelegd, was de vooruitgang van de wetenschappelijke astronomie niet meer tegen te houden. De zwaartekracht wetten van Isaac Newton gaven inzicht in de werking van de zwaartekracht op objecten op grote afstand. Door het werk van Kepler, Copernicus en vooral Isaac Newton kreeg de wiskunde een belangrijke plaats in de kosmologie. Veel kosmologische problemen bleken door wiskundige vergelijkingen te kunnen worden opgelost.
De technologische vooruitgang maakte het mogelijk dat er steeds betere waarnemingen werden gedaan. William Herschel kon dankzij zijn grote zelfgebouwde telescoop waarnemingen doen waarbij hij andere melkwegstelsels kon waarnemen en stelde een theorie op waabij de zon een onderdeel was van zo'n eiland nevel. Een idee dat eerder door Immanuel Kant naar voren was gebracht. Het inzicht dat de zon onderdeel is van een melkwegstelsel betekende een definitief einde van het heliocentrisme, waar bij de zon het middelpunt van het universum was De relativiteitstheorie van Albert Einstein, die eveneens voornamelijk wiskundig was, gaf diepgaand inzicht in de zwaartekracht en in wat er met ruimte en tijd gebeurt bij snelheden in de buurt van de lichtsnelheid. Uit waarnemingen van Edwin Hubble en anderen bleek dat het heelal uitdijt.
Onderzoek aan de melkweg werd gedaan door bekende Nederlandse astronomen als Jacobus Cornelius Kapteyn en Jan Hendrik Oort, waardoor inzicht in de structuur en in de rotatie van de melkweg werd gegeven. De uitdijing werd door Edwin Hubble beschreven in een artikel dat in 1929 verscheen. Dit gegeven gecombineerd met de relativiteitstheorie was aanleiding voor de hete oerknaltheorie van George Gamow samen met Ralph Alpher en Robert Herman.
[bewerk] Oerknal
De huidige kosmologische inzichten, die op zeer veel en zeer nauwkeurige astronomische waarnemingen zijn gebaseerd, laten een heelal zien dat 13,7 miljard jaar geleden is ontstaan.
De Oerknaltheorie, stelt dat het heelal is ontstaan uit een heet puntvormig begin met oneindige dichtheid van de materie en oneindige temperatuur. Dit wordt een singulariteit genoemd. De kern van een zwart gat bestaat ook uit een singulariteit en dit eerste begin van de kosmos heeft hier veel overeenkomsten mee. Tijdens de eerste minuten ontstonden elementaire deeltjes, waaruit de elementen waterstof en helium ontstonden. Uit het waterstof konden na zo'n 200 miljoen jaar de eerste sterren en sterrenstelsels worden gevormd.
De kwantummechanica gaf inzicht in het gedrag van de elementaire deeltjes in de eerste minuten van het heelal. Grote deeltjesversnellers, zoals bij CERN en bij het Fermilab maakten het mogelijk om waarnemingen te doen aan deeltjes bij hoge botsingsenergieen.
Tegenwoordig is er een nieuwe theorie in opkomst: de snaartheorie. Deze moet antwoord geven op vragen hoe de zwaartekracht met de elektromagnetische kracht, de zwakke wisselwerking en de sterke wisselwerking verenigd kan worden. En wat de zwaartekracht is op zeer kleine afstanden, die kleiner zijn dan de Plancklengte, de zgn. superzwaartekracht. De superzwaartekracht zou plaatsvinden in een zwart gat of aan het begin van de oerknal. Deze nieuwe theorie, hoewel veelbelovend, is nog speculatief.
[bewerk] Multi-disciplinair
Inzichten in de structuur, het heden, verleden en de toekomst van de kosmos kwam niet alleen van astronomische waarnemingen. Vele gebieden van de wetenschap geven inzichten die de kosmologie in belangrijke mate verder brengt. Zo zijn ontwikkelingen in de wiskunde en natuurkunde van direct belang voor nieuwe inzichten in de kosmologie.
[bewerk] Uitdijen van het heelal
In 1998 werd ontdekt door onderzoek aan verre supernova's dat het heelal sneller uitdijt dan vlak na de oerknal. Er wordt verondersteld dat dit komt door donkere energie, die als een soort anti-zwaartekracht werkt.
Het is zeer waarschijnlijk dat het heelal tussen 10-35 tot 10-33 seconde na de oerknal een factor 1050 zo groot werd. De snelheid van uitdijen was in die kortstondige periode vele malen groter dan de lichtsnelheid. Dit is niet in tegenspraak met de relativiteitstheorie, omdat het om de uitdijing van de ruimte zelf gaat en niet om snelheid van deeltjes zoals bijvoorbeeld fotonen. Deze versnelde uitdijing wordt de inflatietheorie van de oerknal genoemd. De uitdijingssnelheid schijnt een zeer kritisch evenwicht te vertonen. Was deze een fractie minder geweest, dan zou het heelal binnen een paar seconden weer zijn ineengestort; was zij een fractie meer geweest, dan zou de vorming van melkwegstelsels onmogelijk zijn geweest.
[bewerk] Ontstaan van de verschillende elementen
Zoals hierboven vermeld ontstonden volgens de oerknaltheorie de eerste elementen, waterstof en (een klein percentage) helium, vlak na deze oerknal. Toen konden de eerste sterren gevormd worden uit deze waterstof en helium. Maar de vraag is dan: hoe zijn de andere elementen ontstaan? De meest geaccepteerde theorie neemt aan dat deze in de eerste generatie sterren van na de oerknal zijn gevormd. Een ster straalt energie uit omdat in zijn kern waterstof fuseert tot helium. De opgewekte fusieenergie werkt de druk van de zwaartekracht tegen totdat er een evenwicht ontstaat. Zolang dit evenwicht bestaat is de ster stabiel. Tijdens de laatste fase in het leven van een (zware) ster, als de waterstof opraakt, gaat helium fuseren tot nog zwaardere elementen. Hierbij raakt de ster instabiel waarbij de ster kan overgaan tot een nova. Hierbij worden delen van de buitenste sterlagen de ruimte ingestoten zodat hiermee de zwaardere elementen eveneens de ruimte in worden gestoten. Het fusie proces met achtereenvolgens steeds zwaardere elementen en achtereenvolgens afstoten van buitenlagen gaat door totdat het element ijzer is gevormd. Hierna is geen fusie meer mogelijk omdat fusie van ijzer geen energie meer oplevert maar energie kost. Hierna zal een ster langzaam gaan afkoelen tot een zwarte dwerg. Een zware ster (verschillende keren zwaarder dan de zon) zal op het moment van het 'doven' van het ijzerfusie proces, imploderen waarbij de (ijzer)kern instort. Hierbij wordt zoveel zwaartekrachtdruk op de kern uitgeoefend dat de ijzeratomen met een kettingreactie alsnog fuseren tot zwaardere elementen tot aan uranium toe. Tijdens deze kettingreactie worden de buitenste lagen van de ster en grote delen van de kern de ruimte ingeblazen zodat ook de zwaardere elementen door de ruimte verspreid worden. Dit is een supernova.
Pas na de eerste supernova's werden de zwaardere elementen zoals koolstof en zuurstof gevormd. Pas de tweede generatie sterren die gevormd werden uit met zware elementen verrijkt interstellair stof en gas konden ook aardachtige planeten bestaande uit zware elementen om zich heen krijgen waarop het leven, zoals wij dat kennen, kon ontstaan.
[bewerk] Donkere materie
Het heelal blijkt slechts uit 4 procent atomen te bestaan, materie zoals wij die kennen. De rest wordt gevormd door onbekende koude donkere materie (23 pct.) en donkere energie (73 pct.). Dit is vastgesteld door waarnemingen die gedaan zijn door de WMAP-satelliet in 2003. Wat die donkere materie en donkere energie is, is nog onbekend.
[bewerk] Structuur van het heelal
Door onderzoek van de roodverschuiving van meer dan 220.000 sterrenstelsels (The 2dF Galaxy Redshift Survey) heeft men inzicht gekregen in hoe het heelal er op grote schaal uitziet. Sterrenstelsels blijken clusters te vormen. Onze eigen melkweg maakt deel uit van de lokale groep die weer onderdeel is van een groter geheel van sterrenstelsels. Op grote schaal ziet het heelal er uit als een soort schuim: grote clusters, die grote leegten omsluiten, de zgn. voids.
[bewerk] Kosmologie en religie
Met het ontstaan van de moderne natuurwetenschappen in de 15e en 16e eeuw kwam het tot spanningen tussen de opkomende wetenschap en de christelijke scheppingsleer, die zich op het aristotelische hylemorfisme en teleologische denken baseerde. Wrijving tussen theologie en natuurwetenschappen ontstond vaak rond kosmologische vraagstukken (ontstaan van de materie, ontstaan van de mens), waarbij cultuurgebonden voorstellingen (bijv. de schepping van de wereld in zes dagen in Genesis) letterlijk werden genomen, hetgeen leidde tot strijd: het vraagstuk van geocentrisme versus heliocentrisme (Galileo Galilei) of de constante soorten versus de evolutietheorie. Tegenwoordig is er nog weerstand vanuit de hoek van creationisten, die de bijbel lezen als een nauwgezet geschiedenisboek en daarom vasthouden dat het scheppingsmoment niet vele miljarden jaren eerder was dan het door de Bijbel aangegeven scheppingsmoment, ongeveer 6000 jaar geleden. Zij baseren zich op het werk Annalium pars postierior van James Ussher, die beweerde dat de schepping op 23 oktober in het jaar 4004 voor Christus plaats vond.
Aan de andere kant ligt het probleem dat door aanhangers van intelligent design wordt opgeworpen over complexe systemen.
Aan de meningsverschillen ligt een volstrekt andere vraagstelling ten grondslag. Religie gaat over zingeving van het menselijk bestaan en de verhouding tussen God en mens, terwijl in de natuurwetenschappen de wetmatigheden van de materie centraal staan. Tegenwoordig beschouwen de meeste godsdiensten de gangbare natuurwetenschappelijke (hypo)thesen over het ontstaan van de wereld als niet in strijd met hun wereldbeschouwing. Het wel of niet aanvaarden van een schepper in een werkhypothese voor biologie of natuurwetenschappelijke kosmologie gaat volgens hen voorbij aan de vraag naar de zin van het zijn (ontologie, zijnsorde, teleologie, eschatologie) en naar het onderscheid tussen het zijn en het niets. Zowel de oerknaltheorie als de "beginloosheid" van de materie (van Stephen Hawking) geven geen antwoord op de vraag waarom materie überhaupt existeert. Om deze redenen menen de meeste westerse godsdiensten dat de natuurwetenschappen het bestaan van God bevestigen noch ontkennen. Anderzijds meent slechts een enkele natuurwetenschapper dat de natuurwetenschap iets zinnigs te melden heeft over het bestaan van een God. In de woorden van de evolutiebioloog Stephen Jay Gould zijn religie en natuurwetenschap Non Overlapping Magisteria.
In het boeddhisme ontbreekt een schepper en sommige van de huidige wetenschappelijke theorieën passen goed binnen de boeddhistische kosmologie.
[bewerk] Gerelateerde onderwerpen
- Astronomie
- Kosmologisch principe
- Volmaakt kosmologisch principe
- Noordse kosmogonie (kosmologie volgens de Noorse mythologie)
- Boeddhistische kosmos (kosmologie in het boeddhisme)
[bewerk] Externe links
 |
|
astronomie | kosmologie | planetologie | heelal | atmosfeer | hemellichaam | zonnestelsel | melkwegstelsel | oerknal | planeet | planetoïde | komeet | ster | sterrenbeeld | meteoroïde | messierobject |
