229
Fysica en kosmologie Al vele eeuwen een vruchtbare relatie, met ups en downs

Fysica en kosmologie

  • Upload
    doanbao

  • View
    261

  • Download
    2

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Fysica en kosmologie

Fysica en kosmologie

Al vele eeuwen een vruchtbare relatie, met ups en downs

Page 2: Fysica en kosmologie

Er is een sterke verwevenheid tussen natuurkunde en kosmologie

Page 3: Fysica en kosmologie

1997 2013

Page 4: Fysica en kosmologie

Dit boek gaat over de nieuwe natuurkundige ideeën die nodig zijn om de kosmos te begrijpen

Page 5: Fysica en kosmologie

In dit boek komt Lee Smolin met een geheel nieuwe natuurkundige visie op de werkelijkheid. Hij laat zien hoe de hedendaagse natuurkunde de tijd elimineert en geeft overtuigende argumenten dat tijd en het “nu” essentieel zijn voor een kosmologische theorie

Page 6: Fysica en kosmologie

Twee typen natuurwetenschappelijke methodes om een theorie voor de gehele kosmos op te stellen worden vergeleken: een theorie waarbij de tijd emergent is

een theorie waarbij de tijd reëel is

Page 7: Fysica en kosmologie

Een nieuwe Kosmologische theorie moet voldoen aan: Bevat alles wat we al weten

Is wetenschappelijk

Geeft antwoord op: waarom deze wetten en deze beginvoorwaarden?

Page 8: Fysica en kosmologie

De volgende dia’s laten zien welke tegenstellingen tussen de twee in dit boek genoemde theorieën worden besproken

Page 9: Fysica en kosmologie

Tijd is een illusie

Tijd is het meest reële aspect van onze perceptie

Page 10: Fysica en kosmologie

Tijd is een illusie

Tijd is het meest reële aspect van onze perceptie

Page 11: Fysica en kosmologie

Tijd is een illusie Ruimte en geometrie zijn reëel

Tijd is het meest reële aspect van onze perceptie

Ruimte is emergent

Page 12: Fysica en kosmologie

Tijd is een illusie Ruimte en geometrie zijn reëel

Tijd is het meest reële aspect van onze perceptie

Ruimte is emergent

Page 13: Fysica en kosmologie

Causal Dynamic Triangulation , Renate Loll

Emergente ruimte

Page 14: Fysica en kosmologie

Causaliteit

Geen causaliteit

Page 15: Fysica en kosmologie

Tijd is een illusie Ruimte en geometrie zijn reëel

Tijd is het meest reële aspect van onze perceptie

Ruimte is emergent

Page 16: Fysica en kosmologie

Quantum- gravity theory?

Page 17: Fysica en kosmologie

Tijd is een illusie Ruimte en geometrie zijn reëel

De natuurwetten zijn tijdloos

Tijd is het meest reële aspect van onze perceptie

Ruimte is emergent

De natuurwetten evolueren

Zoektocht naar “GUT” (Grand Unified Theory)

LHC

Page 18: Fysica en kosmologie

Tijd is een illusie Ruimte en geometrie zijn reëel

De natuurwetten zijn tijdloos

De toekomst is gedetermineerd door wetten en de begintoestand van het heelal

Tijd is het meest reële aspect van onze perceptie

Ruimte is emergent

De natuurwetten evolueren

De toekomst is voor een deel nog open

Nevelvlek

Page 19: Fysica en kosmologie

Tijd is een illusie Ruimte en geometrie zijn reëel

De natuurwetten zijn tijdloos

De toekomst is gedetermineerd door wetten en de begintoestand van het heelal

De geschiedenis van het heelal is identiek met een wiskundige uidrukking

Tijd is het meest reële aspect van onze perceptie

Ruimte is emergent

De natuurwetten evolueren

De toekomst is voor een deel nog open

Niet elk aspect van de natuur heeft een spiegelbeeld in de wiskunde

“GUT”

(Grand Unified Theory)

Page 20: Fysica en kosmologie

Tijd is een illusie Ruimte en geometrie zijn reëel

De natuurwetten zijn tijdloos

De toekomst is gedetermineerd door wetten en de begintoestand van het heelal

De geschiedenis van het heelal is identiek met een wiskundige uidrukking

Tijd is het meest reële aspect van onze perceptie

Ruimte is emergent

De natuurwetten evolueren

De toekomst is voor een deel nog open

Niet elk aspect van de natuur heeft een spiegelbeeld in de wiskunde

Page 21: Fysica en kosmologie

Tijd is een illusie Ruimte en geometrie zijn reëel

De natuurwetten zijn tijdloos

De toekomst is gedetermineerd door wetten en de begintoestand van het heelal

De geschiedenis van het heelal is identiek met een wiskundige uidrukking

Tijd is het meest reële aspect van onze perceptie

Ruimte is emergent

De natuurwetten evolueren

De toekomst is voor een deel nog open

Niet elk aspect van de natuur heeft een spiegelbeeld in de wiskunde

Page 22: Fysica en kosmologie

Tijd is een illusie Ruimte en geometrie zijn reëel

De natuurwetten zijn tijdloos

De toekomst is gedetermineerd door wetten en de begintoestand van het heelal

De geschiedenis van het heelal is identiek met een wiskundige uidrukking

Tijd is het meest reële aspect van onze perceptie

Ruimte is emergent

De natuurwetten evolueren

De toekomst is voor een deel nog open

Niet elk aspect van de natuur heeft een spiegelbeeld in de wiskunde

Page 23: Fysica en kosmologie

Tijd is een illusie Ruimte en geometrie zijn reëel

De natuurwetten zijn tijdloos

De toekomst is gedetermineerd door wetten en de begintoestand van het heelal

De geschiedenis van het heelal is identiek met een wiskundige uidrukking

Tijd is het meest reële aspect van onze perceptie

Ruimte is emergent

De natuurwetten evolueren

De toekomst is voor een deel nog open

Niet elk aspect van de natuur heeft een spiegelbeeld in de wiskunde

Page 24: Fysica en kosmologie

Tijd is een illusie Ruimte en geometrie zijn reëel

De natuurwetten zijn tijdloos

De toekomst is gedetermineerd door wetten en de begintoestand van het heelal

De geschiedenis van het heelal is identiek met een wiskundige uitdrukking

Het heelal is ruimtelijk oneindig

Tijd is het meest reële aspect van onze perceptie

Ruimte is emergent

De natuurwetten evolueren

De toekomst is voor een deel nog open

Niet elk aspect van de natuur heeft een spiegelbeeld in de wiskunde

Het heelal is ruimtelijk eindig

Page 25: Fysica en kosmologie

De initiële singulariteit is het begin van de tijd

De Big Bang is de extreme expansie na een verdichting uit een voorgaande periode

Page 26: Fysica en kosmologie

De initiële singulariteit is het begin van de tijd

De Big Bang is de extreme expansie na een verdichting uit een voorgaande periode

Page 27: Fysica en kosmologie

De initiële singulariteit is het begin van de tijd

Er is een oneindige hoeveelheid niet waarneembare universa

De Big Bang is de extreme expansie na een verdichting uit een voorgaande periode

Ons heelal komt voort uit een lange reeks voorgaande universa

Page 28: Fysica en kosmologie

De initiële singulariteit is het begin van de tijd

Er is een oneindige hoeveelheid niet waarneembare universa

De Big Bang is de extreme expansie na een verdichting uit een voorgaande periode

Ons heelal komt voort uit een lange reeks voorgaande universa

Page 29: Fysica en kosmologie

De initiële singulariteit is het begin van de tijd

Er is een oneindige hoeveelheid niet waarneembare universa

Evenwicht is de natuurlijke toestand en het onontkoombare lot van ons heelal

De Big Bang is de extreme expansie na een verdichting uit een voorgaande periode

Ons heelal komt voort uit een lange reeks voorgaande universa

Alleen subsystemen komen in evenwicht; door zwaartekracht gebonden systemen evolueren tot heterogene configuraties

Page 30: Fysica en kosmologie

De initiële singulariteit is het begin van de tijd

Er is een oneindige hoeveelheid niet waarneembare universa

Evenwicht is de natuurlijke toestand en het onontkoombare lot van ons heelal

De waargenomen complexiteit is een toevalligheid veroorzaakt door zeldzame statistische fluctuaties

De Big Bang is de extreme expansie na een verdichting uit een voorgaande periode

Ons heelal komt voort uit een lange reeks voorgaande universa

Alleen subsystemen komen in evenwicht; door zwaartekracht gebonden systemen evolueren tot heterogene configuraties

De waargenomen complexiteit is het gevolg van een zeer lange evolutionaire geschiedenis

Page 31: Fysica en kosmologie

De initiële singulariteit is het begin van de tijd

Er is een oneindige hoeveelheid niet waarneembare universa

Evenwicht is de natuurlijke toestand en het onontkoombare lot van ons heelal De waargenomen complexiteit is een toevalligheid veroorzaakt door zeldzame statistische fluctuaties

Kwantummechanica is de definitieve theorie

De Big Bang is de extreme expansie na een verdichting uit een voorgaande periode

Ons heelal komt voort uit een lange reeks voorgaande universa

Alleen subsystemen komen in evenwicht; door zwaartekracht gebonden systemen evolueren tot heterogene configuraties

De waargenomen complexiteit is het gevolg van een zeer lange evolutionaire geschiedenis Kwantummechanica is een benadering van een onbekende kosmologische theorie

Page 32: Fysica en kosmologie

Als de kwantummechanica de definitieve theorie is dan blijkt dat de Wheeler-DeWitt vergelijking, die voortkomt uit het toepassen van kwantummechanica op de algemene relativiteitstheorie, een volkomen statisch universum oplevert.

Kwantummechanica is de definitieve theorie

Page 33: Fysica en kosmologie

Zijn er waarnemingen die onderscheid zouden kunnen maken tussen de

genoemde theorieën?

Page 34: Fysica en kosmologie

Mogelijke waarnemingen:

Zwaartekrachtsgolven Hoe “constant” zijn de natuurconstanten De achtergrondstraling (CMB) Kosmische straling

Page 35: Fysica en kosmologie

Meting van zwaartekrachtsgolven: Voorlopig nog alleen indirect. Over enkele (tientallen) jaren hoogstwaarschijnlijk wel direct

Page 36: Fysica en kosmologie

Zwaartekrachtsgolven meten?

Page 37: Fysica en kosmologie

Pulsar Indirecte meting zwaartekrachtsgolven

Page 38: Fysica en kosmologie

Twee snel om elkaar draaiende pulsars zenden zwaartekrachtsgolven uit. Daardoor vertragen ze (ze verliezen gravitatie-energie). Dit is heel precies gemeten.

Page 39: Fysica en kosmologie
Page 40: Fysica en kosmologie

Hoe constant zijn de “natuurconstanten”?

Page 41: Fysica en kosmologie

A Stringent Limit on a Drifting Proton-to-Electron Mass Ratio from Alcohol in the Early Universe Julija Bagdonaite, Paul Jansen, Christian Henkel, Hendrick L. Bethlem, Karl M. Menten, Wim Ubachs

Measurement of proton-to-electron mass ratio m

JANUARY 2013 VOL 339 SCIENCE

methanol

Page 42: Fysica en kosmologie

The Effelsberg radio telescope by night

Methanol

Metingen van radiostraling afkomstig van methanolgas in gaswolken op 7 miljard lichtjaar afstand. De straling is dus 7 miljard jaar oud.

Page 43: Fysica en kosmologie

7 miljard jaar geleden was de proton/elektron massaverhouding binnen de meetnauwkeurigheid

gelijk aan de waarde nu.

Het verschil is hoogstens één-tienmiljoenste!

Δm/m = (0.0 + 1.0) × 10-7

Page 44: Fysica en kosmologie

De massa van protonen bestaat voor het allergrootste deel uit gluonen. Die zorgen voor de binding van de quarks in het proton door middel van de “sterke kracht”. De energie van die binding (door middel van gluonen) bepaald de massa van het proton voor het merendeel. De massa van het elektron is het gevolg van een geheel andere wisselwerking, namelijk van de wisselwerking met het Higgsveld. Een eventuele verandering van de proton/elektron massaverhouding geeft dus informatie over veranderingen in de verhouding tussen twee essentiële elementen in het zgn. “Standaardmodel” namelijk van het Higgsveld en de “Sterke Kracht”

Page 45: Fysica en kosmologie

Achtergrondstraling (CMB = Cosmic Microwave Backgrond) gemeten met de Planck-sateliet

Page 46: Fysica en kosmologie
Page 47: Fysica en kosmologie
Page 48: Fysica en kosmologie
Page 49: Fysica en kosmologie

De energiedichtheid van de kosmologische constante is constant. De ruimte dijt uit. Dus de totale energie neemt toe.

Is dit in tegenspraak met het behoud van energie?

Page 50: Fysica en kosmologie
Page 51: Fysica en kosmologie
Page 52: Fysica en kosmologie
Page 53: Fysica en kosmologie

Planck2013 results support the simplest cyclic models Steinhardt and Lehners, 2013 De resultaten van de Plancksateliet ondersteunen ook de simpelste inflatiemodellen. (maar alleen als aan bijzondere en onwaarschijnlijke begintoestanden wordt voldaan)

Page 54: Fysica en kosmologie

Kan je met de heel hoog-energetische kosmische straling (1020 eV) nieuwe fysica ontdekken?

Page 55: Fysica en kosmologie

Kosmische straling: er zijn deeltjes bij met een energie van meer dan 1020 eV

Large Hadron Collider 4 x 1012 eV

Pierre Auger Observatorium

Page 56: Fysica en kosmologie

Kosmische straling: er zijn deeltjes bij met een energie van meer dan 1020 eV

Large Hadron Collider 4 x 1012 eV

Pierre Auger Observatorium

Page 57: Fysica en kosmologie
Page 58: Fysica en kosmologie
Page 59: Fysica en kosmologie
Page 60: Fysica en kosmologie
Page 61: Fysica en kosmologie

metingen

zwaartekrachtsmetingen LHC

Page 62: Fysica en kosmologie

Onze huidige fysische theorieën gelden niet meer voor de kleinste schalen, misschien ook wel niet voor de grootste!

Page 63: Fysica en kosmologie

Iets over Newtoniaanse fysische theorieën en modellen.

Drie essentiële elementen: Causale relatie, uitgedrukt in een mathematische vorm,

bijvoorbeeld: K = G m1 m2/ r2

Parameters (natuurconstanten), uit het experiment (zoals G = gravitatieconstante) of

uit het model, zoals de 2 in r2 Die 2 volgt uit de aanname dat de ruimte 3-dimensionaal is.

Begintoestand

Page 64: Fysica en kosmologie

Voorbeeld: zwaartekracht

Observaties aan

bv planeetbanen

(Mathematische) Theorie

Experimenten

met bv valbewegingen

en slingers

Page 65: Fysica en kosmologie

Bij kosmische verschijnselen moeten we ons altijd afvragen, kennen we de begintoestand voldoende nauwkeurig?

Page 66: Fysica en kosmologie

Bij kosmische verschijnselen moeten we ons altijd afvragen, kennen we de begintoestand voldoende nauwkeurig? We kunnen die begintoestand niet manipuleren zoals we dat in het laboratorium wel kunnen.

Page 67: Fysica en kosmologie

Bij kosmische verschijnselen moeten we ons altijd afvragen, kennen we de begintoestand voldoende nauwkeurig? We kunnen die begintoestand niet manipuleren zoals we dat in het laboratorium wel kunnen. Bij afwijkingen van de theoretisch voorspelde resultaten weten we dan ook niet of het aan de theorie ligt of dat we de begintoestand niet precies genoeg kennen.

Page 68: Fysica en kosmologie

Iets over Newtoniaanse fysische theorieën en modellen. Voorwaarden en beperkingen.

Drie essentiële elementen: Causale relatie, uitgedrukt in een mathematische vorm,

bijvoorbeeld: K = G m1 m2/ r2

Parameters (natuurconstanten), uit het experiment (zoals G = gravitatieconstante) of

uit het model, zoals de 2 in r2 Die 2 volgt uit de aanname dat de ruimte 3-dimensionaal is.

Begintoestand

Page 69: Fysica en kosmologie

Voorwaarden en beperkingen: “Fysica in een doos”

waarnemen van een afgesloten systeem

waarnemer en klok buiten systeem

de waarnemer is vrij de begintoestand te kiezen of te prepareren

de waarnemingen moeten vaak in verschillende situaties met verschillende begintoestanden herhaald kunnen worden

Page 70: Fysica en kosmologie

Voorwaarden en beperkingen: waarnemen van een afgesloten systeem

Dit is nooit 100% mogelijk! waarnemer en klok buiten systeem

de waarnemer is vrij de begintoestand te kiezen of te prepareren

de waarnemingen moeten vaak in verschillende situaties met verschillende begintoestanden herhaald kunnen worden

Page 71: Fysica en kosmologie

Voorwaarden en beperkingen: waarnemen van een afgesloten systeem

waarnemer en klok buiten systeem

Als de gehele kosmos (heelal) wilt bestuderen gaat dit niet!

de waarnemer is vrij de begintoestand te kiezen of te prepareren

de waarnemingen moeten vaak in verschillende situaties met verschillende begintoestanden herhaald kunnen worden

Page 72: Fysica en kosmologie

Voorwaarden en beperkingen: waarnemen van een afgesloten systeem

waarnemer en klok buiten systeem

de waarnemer is vrij de begintoestand te kiezen of te prepareren In een deterministische wereld (dat is de consequentie van het gebruikte model) kan

dat niet de waarnemingen moeten vaak in verschillende situaties met verschillende begintoestanden herhaald kunnen worden

Page 73: Fysica en kosmologie

Voorwaarden en beperkingen: waarnemen van een afgesloten systeem

waarnemer en klok buiten systeem

de waarnemer is vrij de begintoestand te kiezen of te prepareren

de waarnemingen moeten vaak in verschillende situaties met verschillende begintoestanden herhaald kunnen worden

Voor het heelal gaat dit niet, er is maar één heelal!

Page 74: Fysica en kosmologie

Voorbeeld: De dichtheid in het zeer vroege

heelal moet een extreem precies bepaalde waarde hebben wil het

zo oud en complex zijn als het onze.

Page 75: Fysica en kosmologie
Page 76: Fysica en kosmologie

Standaard LCDM kosmologisch model Inflatie + Kosmologische constante (L) + CDM (Cold Dark Matter)

Page 77: Fysica en kosmologie

Helpt inflatie?

Het idee is dat een zeer grote inflatie vlak na de Big Bang (van 10-34 tot 10-32 seconde na de Big Bang) een expansie met minimaal een factor 1026 gaf en daarmee de gevoeligheid voor de begintoestand sterk verkleint. Helaas is het lot van het heelal net zo sterk afhankelijk de grootte van het inflatieveld en het verval (tot nul) als van de oorspronkelijke begintoestand!

Page 78: Fysica en kosmologie

Geen inflatie is veel waarschijnlijker dan wel inflatie. Penrose berekende dat de kans op een vlak heelal zonder inflatie 10 tot de macht googol (10100) maal groter is dan met inflatie.

Scientific American, april 2011 Paul Steinhardt and Neil Turok

Page 79: Fysica en kosmologie

Niet alleen voor de begintoestand van het heelal is “fijnafstemming” noodzakelijk, maar ook voor de tientallen parameters van het “Standaardmodel”. Veel kosmologen en astronomen zien het “Anthropisch Principe” als de enige mogelijke “verklaring” voor die fijnafstemming.

Page 80: Fysica en kosmologie

Éen van de 10500 mogelijkheden om de extra dimensies in string-theorie te compactificeren tot een bepaalde Calabi-Yau geometrie

Calabi-Yau topologische ruimte

Page 81: Fysica en kosmologie
Page 82: Fysica en kosmologie

Scientific American august 2011

Page 83: Fysica en kosmologie
Page 84: Fysica en kosmologie

Zijn “Landschaptheorieën” falsificeerbaar?

Page 85: Fysica en kosmologie

Deze modellen

worden vergeleken

Page 86: Fysica en kosmologie

The Multiverse

Page 87: Fysica en kosmologie

Cyclic Universe

Page 88: Fysica en kosmologie

Voorwaarden en beperkingen: waarnemen van een afgesloten systeem

Dit is nooit 100% mogelijk! waarnemer en klok buiten systeem

de waarnemer is vrij de begintoestand te kiezen of te prepareren

de waarnemingen moeten vaak in verschillende situaties met verschillende begintoestanden herhaald kunnen worden

Page 89: Fysica en kosmologie

Gevoeligheid voor de begintoestand

((Chaostheorie)

Page 90: Fysica en kosmologie
Page 91: Fysica en kosmologie
Page 92: Fysica en kosmologie
Page 93: Fysica en kosmologie
Page 94: Fysica en kosmologie
Page 95: Fysica en kosmologie

Als je één waterstofatoom aan de rand van het zichtbare heelal ( op 1010 lichtjaar afstand) 1010 jaar geleden bijgeplaatst had, dan is de invloed van het extra zwaartekrachtsveld op het gedrag van een chaotisch systeem (zoals het gas in de atmosfeer) zó groot dat al na 10-8 seconde alle moleculen een andere baan hebben!

Page 96: Fysica en kosmologie

Lev Landau:

“Kosmologen hebben het vaak fout, maar twijfelen doen ze nooit”.

Page 97: Fysica en kosmologie

Cosmological Observables: An Overview The Concordance Cosmology

It is now conventional to speak of a “concordance cosmology”, the minimal set of parameters whose measured values characterize the observed universe.

Page 98: Fysica en kosmologie

Lev Landau:

“Kosmologen hebben het vaak fout, maar twijfelen doen ze nooit”.

Vóór 1995 wist iedere kosmoloog zeker dat de donkere energie nul was.

Page 99: Fysica en kosmologie

Lev Landau:

“Kosmologen hebben het vaak fout, maar twijfelen doen ze nooit”.

Vóór 1995 wist iedere kosmoloog zeker dat de donkere energie nul was. Ná 2000 wist iedere kosmoloog zeker dat 70% van het heelal donkere energie is.

Page 100: Fysica en kosmologie
Page 101: Fysica en kosmologie

Einsteins grootste blunder, volgens hemzelf, was dat hij een kosmologische constante (donkere energie) had toegevoegd aan zijn vergelijkingen. In 1998 bleek dat het verwijderen juist zijn grootste fout was!

Page 102: Fysica en kosmologie

“We could be deeply wrong about cosmology for the next thousand years.” Leonard Susskind

Page 103: Fysica en kosmologie

Isaac Newton (1642-1727)

Page 104: Fysica en kosmologie
Page 105: Fysica en kosmologie
Page 106: Fysica en kosmologie

Hieronder volgen twee voorbeelden, één waarbij de oorzaak van de afwijkingen in de onvoldoende kennis van de begintoestand zit en één waarbij de gebruikte theorie op kosmische schaal niet voldoende nauwkeurig is.

Page 107: Fysica en kosmologie

Verstoort een onbekende planeet de baan van Uranus? Of is de zwaartekrachtswet van Newton niet helemaal correct?

Page 108: Fysica en kosmologie

Airy (de promotor van Adams) geloofde dat de zwaartekrachtswet van Newton niet correct was!

Page 109: Fysica en kosmologie

5 jaar na Adams! 23 september 1846 werd Neptunus door Galle ontdekt!

Page 110: Fysica en kosmologie

Nu een voorbeeld van een natuurwet (De wet van Newton) die op kosmische schaal een significant van de waarnemingen afwijkend resultaat geeft.

Page 111: Fysica en kosmologie

Afwijkende precessie van de baan van Mercurius. Urbain Le Verrier dacht dat een kleine planeet (Vulcan) de oorzaak van de afwijkende baan was.

Wij weten dat deze afwijking het gevolg is van een andere zwaartekrachtswet, nl. de Algemene Relativiteitstheorie

Page 112: Fysica en kosmologie

Onbekende natuurwetten en verschijnselen zorgen voor veel verwarring en foute conclusies! Kosmologen hebben het nogal eens fout gehad in het verleden. Een voorbeeld:

Page 113: Fysica en kosmologie

Lord Kelvin

Lord Kelvin (een beroemd fysicus) berekende dat de zon (en dus een bewoonbare aarde) maximaal 20 miljoen jaar oud is. Biologen en geologen schatten de leeftijd in de orde van een miljard jaar.

Een fossiel van een triboliet

Page 114: Fysica en kosmologie

Kernfusie in de zon : De reactie en de vrijkomende energie

Page 115: Fysica en kosmologie

Donkere materie is een noodzakelijk, maar erg problematisch, ingrediënt van het Big Bang- ofwel inflatiemodel (Het Standaardmodel (LCDM))

Page 116: Fysica en kosmologie

Het “Standaard” Big Bang model: LCDM + inflatie

Het singulariteitsprobleem (iets uit niets?)

Later toegevoegd:

Koude donkere materie, (1970) wat is het? eigenschappen?

Inflatie, (1980) uitkomst is heel gevoelig voor de eigenschappen van het inflatieveld, “Nieuwe Inflatie”.

Donkere energie, (1995) Wat is het? Kosmologische constante?, Quintessense?

Het is een beetje een lappendekentje geworden!

Page 117: Fysica en kosmologie
Page 118: Fysica en kosmologie
Page 119: Fysica en kosmologie
Page 120: Fysica en kosmologie

……

Did you ever work with

Feynman?

We never published together, but

once in 1983 we went for a

hamburger and shared our dislike of

supersymmetry.

NATURE, 11 October 2012 Lindau Nobel Laureate Meeting

(Nobelprijs 1999)

Page 121: Fysica en kosmologie

Is het niet zo dat

supersymmetrie donkere massa

verklaart?

Natuurlijk is dat niet zo.

Men zoekt er al sinds 1980 naar

en er wordt alleen maar onzin over

verteld.

……

Did you ever work with

Feynman?

We never published together, but

once in 1983 we went for a

hamburger and shared our dislike of

supersymmetry.

NATURE, 11 October 2012 Lindau Nobel Laureate Meeting

(Nobelprijs 1999)

Page 122: Fysica en kosmologie

Is het niet zo dat

supersymmetrie donkere massa

verklaart?

Natuurlijk is dat niet zo.

Men zoekt er al sinds 1980 naar

en er wordt alleen maar onzin over

verteld.

Is het niet waarschijnlijker dat we

zwaartekracht niet zo goed

begrijpen? Astrofysici geloven in

Einstein’s zwaartekrachtstheorie

met een vertrouwen dat echt

ongelofelijk is.

……

Did you ever work with

Feynman?

We never published together, but

once in 1983 we went for a

hamburger and shared our dislike of

supersymmetry.

NATURE, 11 October 2012 Lindau Nobel Laureate Meeting

(Nobelprijs 1999)

Page 123: Fysica en kosmologie

Is het niet zo dat

supersymmetrie donkere massa

verklaart?

Natuurlijk is dat niet zo.

Men zoekt er al sinds 1980 naar

en er wordt alleen maar onzin over

verteld.

Is het niet waarschijnlijker dat we

zwaartekracht niet zo goed

begrijpen? Astrofysici geloven in

Einstein’s zwaartekrachtstheorie

met een vertrouwen dat echt

ongelofelijk is.

Weet je hoeveel van die theorie

getoetst is op afstanden waar we

donkere massa “zien”?

Helemaal niks!

……

Did you ever work with

Feynman?

We never published together, but

once in 1983 we went for a

hamburger and shared our dislike of

supersymmetry.

NATURE, 11 October 2012 Lindau Nobel Laureate Meeting

(Nobelprijs 1999)

Page 124: Fysica en kosmologie

Dark Matter Still Hiding: Latest

Experimental Sweep Comes Up Empty

By Clara Moskowitz, October 30, 2013

Large Underground Xenon

Detector (LUX)

SEEKING WIMPS: The world’s most sensitive search for dark matter announced

today that it has found—nothing.

Page 125: Fysica en kosmologie

Donkere materie op andere braan?

Page 126: Fysica en kosmologie

Indirecte methode om zwaartekrachtsgolven

te meten door polarisatie CMB (B-mode).

Inflatiemodel voorspelt polarisatie, cyclisch model niet.

Page 127: Fysica en kosmologie

Polarisatie alleen veroorzaakt

door zwaartekrachtsgolven en

“lenswerking”

Polarisatie veroorzaakt door

inhomogeniteiten , stof,

zwaartekrachtgolven en

“lenswerking”

Polarisatie CMB

Page 128: Fysica en kosmologie

De QUIET telescoop op

de Chajnantor hoogvlakte

in de Atacama woestijn in

Chili. Daar staan ook de telescopen

van ALMA (Atacama Large

millimeter/submillimeter Array)

De Atacama woestijn in Chili

Page 129: Fysica en kosmologie

QUIET meet de polarisatie van de kosmische achtergrondstraling

(CMB).

Page 130: Fysica en kosmologie

FIRST SEASON QUIET OBSERVATIONS: MEASUREMENTS OF CMB POLARIZATION

Het Big Bang model voorspelt B-modes polarisatie;

met het QUIET experiment is wel E-modes polarisatie

gevonden, maar geen B-modes-polarisatie!

Page 131: Fysica en kosmologie

Het heelal, zo oud en dan toch nog zo complex en steeds

interessanter?

Page 132: Fysica en kosmologie

Zwaartekracht werkt anti-thermodynamisch, als je energie toevoegt krijg je afkoeling, bij

onttrekken opwarming!

Page 133: Fysica en kosmologie
Page 134: Fysica en kosmologie
Page 135: Fysica en kosmologie
Page 136: Fysica en kosmologie
Page 137: Fysica en kosmologie
Page 138: Fysica en kosmologie
Page 139: Fysica en kosmologie
Page 140: Fysica en kosmologie
Page 141: Fysica en kosmologie
Page 142: Fysica en kosmologie
Page 143: Fysica en kosmologie
Page 144: Fysica en kosmologie
Page 145: Fysica en kosmologie
Page 146: Fysica en kosmologie
Page 147: Fysica en kosmologie
Page 148: Fysica en kosmologie
Page 149: Fysica en kosmologie
Page 150: Fysica en kosmologie
Page 151: Fysica en kosmologie

Als tijd reëel is kunnen we hopen de “Waarom

deze wetten vraag” te beantwoorden:

De huidige natuurwetten zijn het resultaat van

evolutie en kunnen in dat licht begrepen worden.

Dit vereist dat de geschiedenis van het heelal

zich veel verder in het verleden uitstrekt dan de

13,8 miljard jaar van de “Big Bang” .

Page 152: Fysica en kosmologie

Het “meta-wet” dillemma. Als de natuurwetten evolueren is de vraag:

Welke meta-wetten liggen ten grondslag aan die evolutie?

Page 153: Fysica en kosmologie

Het “meta-wet” dillemma. Als de natuurwetten evolueren is de vraag:

Welke meta-wetten liggen ten grondslag aan die evolutie?

En welke meta-meta-wetten liggen daar dan weer aan ten grondslag?

Page 154: Fysica en kosmologie

Het “meta-wet” dillemma. Als de natuurwetten evolueren is de vraag:

Welke meta-wetten liggen ten grondslag aan die evolutie?

En welke meta-meta-wetten liggen daar dan weer aan ten grondslag?

Bestaat er misschien een soort “principe van universaliteit”

van meta-wetten?

Page 155: Fysica en kosmologie

Veel filosofen en natuurkundigen hebben er op gewezen dat de interessante complexiteit van het heelal alleen maar verklaard kan worden vanuit evolutionaire principes. Waarom vindt dat zo weinig weerklank bij natuurkundigen?

De amerikaanse filosoof C.S.Pierce (1893) en de bekende natuurkundige Richard Feynman (1960) hadden bijvoorbeeld ook al het idee dat een evolutionaire aanpak nodig is in de natuurkunde

Page 156: Fysica en kosmologie

Als je aanneemt dat het heelal exact en volledig beschreven kan

worden met een wiskundig systeem dan is determinisme een logische

en onontkoombare implicatie.

Page 157: Fysica en kosmologie

Als je aanneemt dat het heelal exact en volledig beschreven kan

worden met een wiskundig systeem dan is determinisme een logische

en onontkoombare implicatie.

Immers: De conclusies in een wiskundig model worden op grond van de logica getrokken.

Page 158: Fysica en kosmologie
Page 159: Fysica en kosmologie
Page 160: Fysica en kosmologie

Determinisme (het zgn. “Blokuniversum”) is de consequentie van de huidige

natuurwetten, het levert echter heel veel

onbeantwoordbare vragen en paradoxen

Page 161: Fysica en kosmologie

Ook vragen op het gebied van de

interpretatie van de quantummechanica

en van de richting van de pijl van de tijd

kunnen een nieuwe impuls krijgen

Page 162: Fysica en kosmologie

Scientific American, August 2013, by Meinhard Kuhlmann

Page 163: Fysica en kosmologie

Scientific American, August 2013

“No phenomenon is a real phenomenon

until it is an observed phenomenon” John Wheeler

Page 164: Fysica en kosmologie

Het principe van relationisme houdt in: reciproke actie en geen gefixeerde

achtergrondstructuur. Alles in het heelal evolueert dynamisch

in interactie met al het andere.

Page 165: Fysica en kosmologie

Een van de principes van een nieuwe kosmologie is: Niets beïnvloedt zonder zelf te worden beïnvloed.

Er is altijd sprake van actie en reactie;

Het moet een zgn. “relationele” theorie zijn, (Rovelli heeft een Relationele Quantummechanica ontworpen)

Page 166: Fysica en kosmologie

Relationeel Al onze waarnemingen zijn relationeel (interactief)

Page 167: Fysica en kosmologie

Relationeel Al onze waarnemingen zijn relationeel (interactief)

Waarnemen is zin geven (in de zin van betekenis geven). We spreken daarom van zintuigen. Het is een actief proces.

Page 168: Fysica en kosmologie

Relationeel Al onze waarnemingen zijn relationeel (interactief)

Waarnemen is zin geven (in de zin van betekenis geven). We spreken daarom van zintuigen. Het is een actief proces.

O.a. door het probleem van zelfreferentie blijft de werkelijkheid “gesluierd”. Zie bijvoorbeeld het boek: “Veiled Reality” van Bernard d`Espagnat en de onvolledigheidstelling van Gödel

Page 169: Fysica en kosmologie

Relationeel Al onze waarnemingen zijn relationeel (interactief)

Waarnemen is zin geven (in de zin van betekenis geven). We spreken daarom van zintuigen. Het is een actief proces.

O.a. door het probleem van zelfreferentie blijft de werkelijkheid “gesluierd”. Zie bijvoorbeeld het boek: “Veiled Reality” van Bernard d`Espagnat en de onvolledigheidstelling van Gödel

Door middel van die interactie creëren we nieuwe werkelijkheid. (o.a. volgens Smolin in “Time Reborn”)

Page 170: Fysica en kosmologie

Wat zeggen grote filosofen en natuurkundigen uit het verleden ervan?

Page 171: Fysica en kosmologie

Newton: “Absolute” ruimte en tijd

Page 172: Fysica en kosmologie

Leibniz en Kant stelden het “zijn” ter discussie.

Page 173: Fysica en kosmologie

Kant's "Copernicaanse revolutie" plaatst de rol van de mens (de waarnemer) centraal in het onderzoek naar onze kennis, zodat het onmogelijk is te filosoferen over de dingen als onafhankelijk van ons of hoe ze voor ons zijn. Denk aan Quantummechanica!

Page 174: Fysica en kosmologie

Wittgenstein: Als je taal buiten de normale context gebruikt heb je veel kans dat de problemen die je tegenkomt, zoals contradicties en onduidelijkheden, van eigen makelij zijn. Bovengenoemd probleem speelt sterk in de quantummechanica.

Page 175: Fysica en kosmologie

Informatie is ook relationeel!

Page 176: Fysica en kosmologie

Informatie Is dat wel een zijnsvorm? (Ontologisch begrip)

Voorbeelden: spoorboekje, genen

Page 177: Fysica en kosmologie

Informatie Is dat wel een zijnsvorm? (Ontologisch begrip)

Twee soorten informatie (één fysisch en één

waar betekenis essentieel is) Voorbeeld: Shannon-kriterium

Page 178: Fysica en kosmologie

Informatie Is dat wel een zijnsvorm? (Ontologisch begrip)

Twee soorten informatie (één fysisch en één

waar betekenis essentieel is)

Betekenisvolle informatie is een relationeel begrip (contextafhankelijk) Voorbeeld: “Fittest”, hardlopen

Page 179: Fysica en kosmologie

Informatie Is dat wel een zijnsvorm? (Ontologisch begrip)

Twee soorten informatie (één fysisch en één

waar betekenis essentieel is)

Betekenisvolle informatie is een relationeel begrip (contextafhankelijk)

Betekenis kan alleen evolutionair begrepen worden

Page 180: Fysica en kosmologie

Emergent Zijn alle klassieke fysische grootheden emergent? (zelfs ruimte?)

Page 181: Fysica en kosmologie

Emergent Zijn alle klassieke fysische grootheden emergent? (zelfs ruimte?)

Waarom die grootheden? (zoals temperatuur

en druk)

Page 182: Fysica en kosmologie

Emergent Zijn alle klassieke fysische grootheden emergent? (zelfs ruimte?)

Waarom die grootheden? (zoals temperatuur

en druk)

Is tijd de uitzondering? (Volgens Smolin wel)

Page 183: Fysica en kosmologie

Waarnemen is betekenis geven. Betekenis heeft geen plaats in de

natuurwetten;

Page 184: Fysica en kosmologie

Waarnemen is betekenis geven. Betekenis heeft geen plaats in de

natuurwetten; dat het “waarnemingsprobleem” op

quantumniveau de natuurkundigen al bijna 90 jaar voor raadsels stelt, is daarom misschien niet zo verbazingwekkend.

Page 185: Fysica en kosmologie

Waarnemen is betekenis geven. Betekenis heeft geen plaats in de

natuurwetten; dat het “waarnemingsprobleem” op

quantumniveau de natuurkundigen al bijna 90 jaar voor raadsels stelt, is daarom misschien niet zo verbazingwekkend.

(intrinsieke betekenis toekennen aan een verschijnsel is in de

wereld van de natuurkunde zelfs “vloeken in de kerk”)

Page 186: Fysica en kosmologie

Wiskunde is een fantastisch middel maar de essentie van

natuurwetenschap kan alleen in taal begrepen worden.

Page 187: Fysica en kosmologie
Page 188: Fysica en kosmologie
Page 189: Fysica en kosmologie

Illustration of Bell test for particles such as photons.

A source produces a singlet pair, one particle is sent

to one location, and the other is sent to another

location.

A measurement of the entangled property is

performed at various angles at each location

Page 190: Fysica en kosmologie

The local realist prediction (solid lines) for quantum correlation for spin (assuming 100% detector efficiency). The quantum mechanical prediction is the dotted (cosine) curve.

Page 191: Fysica en kosmologie
Page 192: Fysica en kosmologie

Interpretaties Quantummechanica

Page 193: Fysica en kosmologie
Page 194: Fysica en kosmologie
Page 195: Fysica en kosmologie

Conway’s game of Life, a cellular automatum. Iedere cel heeft 8 buren Regels: 2 buren: er verandert niets 3 buren: de cel gaat “aan” 0, 1, 4, 5, 6, 7, 8 buren: de cel gaat “uit “

Page 196: Fysica en kosmologie
Page 197: Fysica en kosmologie
Page 198: Fysica en kosmologie
Page 199: Fysica en kosmologie
Page 200: Fysica en kosmologie

Quantummechanica QM is een theorie waarmee je de kans kan berekenen op

een gebeurtenis (waarneming) Zonder waarneming blijven de voorspellingen beperkt tot kansen.

Vragen: Wat is een waarneming?

Wie kan er iets waarnemen?

Page 201: Fysica en kosmologie

Als je er over nadenkt wordt het concept van “meting” zo vaag dat het zeer verrassend is dat het een fundamenteel element is in een fysische theorie. Quantum mechanics for Cosmologists John Bell

Page 202: Fysica en kosmologie

Het probleem is dit: quantummechica gaat fundamenteel over “observaties” (waarnemingen). Daarom moet de wereld verdeeld worden in twee delen, een deel dat geobserveerd wordt en een deel dat observeert. John Bell in Quantum Mechanics for Cosmologists

Page 203: Fysica en kosmologie

Het probleem is dit: quantummechica gaat fundamenteel over “observaties” (waarnemingen). Daarom moet de wereld verdeeld worden in twee delen, een deel dat geobserveerd wordt en een deel dat observeert. De resultaten hangen in detail er vanaf hoe de verdeling gemaakt is, maar daar is geen precies voorschrift voor. John Bell in Quantum Mechanics for Cosmologists

Page 204: Fysica en kosmologie

Het probleem is dit: quantummechica gaat fundamenteel over “observaties” (waarnemingen). Daarom moet de wereld verdeeld worden in twee delen, een deel dat geobserveerd wordt en een deel dat observeert. De resultaten hangen in detail er vanaf hoe de verdeling gemaakt is, maar daar is geen precies voorschrift voor. Alles wat we hebben is een recept dat, vanwege de praktische menselijke beperkingen, toch nog voldoende betrouwbaar is voor praktische doeleinden. John Bell in Quantum Mechanics for Cosmologists

Page 205: Fysica en kosmologie

Scientific American june 2013

Page 206: Fysica en kosmologie
Page 207: Fysica en kosmologie

Quantum Bayesianisme (QBism) De golffunctie is een persoonlijke schatting van de kans dat er een bepaalde uitkomst (van een experiment) optreedt. (In plaats van dat de golffunctie ineenstort door de waarneming)

Page 208: Fysica en kosmologie

Quantum Bayesianisme (QBism) De golffunctie is een persoonlijke schatting van de kans dat er een bepaalde uitkomst (van een experiment) optreedt. (In plaats van dat de golffunctie ineenstort door de waarneming)

Nieuwe waarnemingen kunnen de schatting van die kans veranderen

Page 209: Fysica en kosmologie

Quantum Bayesianisme (QBism) De golffunctie is een persoonlijke schatting van de kans dat er een bepaalde uitkomst (van een experiment) optreedt. (In plaats van dat de golffunctie ineenstort door de waarneming)

Nieuwe waarnemingen kunnen de schatting van die kans veranderen

Bayesiaanse waarschijnlijkheid is subjectief, het is een maat voor de overtuiging dat een gebeurtenis zal plaatsvinden.

Page 210: Fysica en kosmologie

Quantum Bayesianisme (QBism) QBism is geen theorie die elke vorm van werkelijkheid ontkent, alleen de werkelijkheidswaarde van de golffunctie wordt ontkend.

Page 211: Fysica en kosmologie

Quantum Bayesianisme (QBism) QBism is geen theorie die elke vorm van werkelijkheid ontkent, alleen de werkelijkheidswaarde van de golffunctie wordt ontkend.

QBism suggereert een splitsing tussen de wereld waarin de waarnemer leeft en zijn ervaring van de wereld

Page 212: Fysica en kosmologie

Quantum Bayesianisme (QBism) QBism is geen theorie die elke vorm van werkelijkheid ontkent, alleen de werkelijkheidswaarde van de golffunctie wordt ontkend.

QBism suggereert een splitsing tussen de wereld waarin de waarnemer leeft en zijn ervaring van de wereld

QBism kan, met gebruikmaking van uitsluitend waarschijnlijkheden, het resultaat van experimenten voorspellen. (in plaats van de Portzegel te gebruiken)

Page 213: Fysica en kosmologie

Quantum Bayesianisme (QBism) QBism is geen theorie die elke vorm van werkelijkheid ontkent, alleen de werkelijkheidswaarde van de golffunctie wordt ontkend.

QBism suggereert een splitsing tussen de wereld waarin de waarnemer leeft en zijn ervaring van de wereld

QBism kan, met gebruikmaking van uitsluitend waarschijnlijkheden, het resultaat van experimenten voorspellen. (in plaats van de Portzegel te gebruiken)

QBism is nog niet af!

Page 214: Fysica en kosmologie

Quantum Bayesianisme (QBism)

De consequentie van deze nieuwe interpretatie van de quantumtheorie is dat we met elke waarneming die voortkomt uit een experiment dat opgezet is door een experimentator met een vrije wil, een klein beetje bijdragen aan de creatie van de wereld.

Page 215: Fysica en kosmologie

Ruimte en tijd ontstonden

tijdens de Big Bang

Een inflatiefase is nodig!

Ruimte en tijd bestonden

voor de Big Bang ook al;

het is een doorgangsfase

Een inflatiefase is niet nodig!

Grens van het

zichtbare heelal

Pad van een

sterrenstelsel

tijd

ruimte

Page 216: Fysica en kosmologie

Paul Steinhardt “The Inflation Debate” Scientific American, april 2011

Page 217: Fysica en kosmologie

Het cyclisch Universum

Botsende “Braanwerelden” (elementen uit de snaartheorie) geven een vergelijkbaar begin als de Big Bang in combinatie met inflatie

Page 218: Fysica en kosmologie
Page 219: Fysica en kosmologie

De dubbele “Klein” fles staat symbool voor het cyclisch universum.

Een boek over het cyclisch heelal

Page 220: Fysica en kosmologie

“Evolutie” naar een heelal met een heel kleine donkere energie

Page 221: Fysica en kosmologie

Het aantal cycli bij V0 is zó veel groter (10^googol , 1 googol = 10^100)

dan het aantal cycli bij alle andere stappen van V De cycli bij V

0 duren bovendien veel langer dan de cycli bij andere V.

In gebieden met negatieve waarde van V stoppen de cycli direct. Het heelal “evolueert” dus naar de kleinste positieve waarde van V (dat is V

0)

“Evolutie” naar een heelal met een heel kleine donkere energie

Page 222: Fysica en kosmologie

Vaak gestelde vragen Is de cyclische theorie in tegenspraak met de 2e hoofdwet van de thermodynamica? Nee, het gaat om de entropiedichtheid. Door het constante uitdijen van de ruimte (de branen) blijft de entropie klein.

Page 223: Fysica en kosmologie

Vaak gestelde vragen Is de cyclische theorie in tegenspraak met de 2e hoofdwet van de thermodynamica? Nee, het gaat om de entropiedichtheid. Door het constante uitdijen van de ruimte (de branen) blijft de entropie klein.

Zonder uitdijen van branen geen cyclisch heelal. De entropiedichtheid blijft toenemen bij elke volgende cyclus

Is niet goed!

Page 224: Fysica en kosmologie

Vaak gestelde vragen

Is de cyclische theorie in tegenspraak met het behoud van energie? Nee, er wordt steeds zwaartekrachtsenergie in nieuwe materie omgezet en ook wordt de “veerspanning” tussen de branen hersteld.

Page 225: Fysica en kosmologie

Vaak gestelde vragen

Waardoor worden de waarden van de natuurconstanten bepaald in het cyclisch model?

Door de “veerspanning” tussen de branen. Die varieert afhankelijk van de afstand tussen de branen. Gedurende een groot deel van de cyclus is die afstand constant en zijn dus ook de “natuurconstanten” constant

Page 226: Fysica en kosmologie

Een vergelijking van het: “Cyclische universum” met het “Multiverse”

Minder ingrediënten nodig, alleen donkere energie Minder onbewoonbare heelallen Selectiever, veel minder “toeval afhankelijk” Veel meer tijd voor “evolutie”

Eeuwig uitdijende ruimte

Page 227: Fysica en kosmologie
Page 228: Fysica en kosmologie

Zijn er waarnemingen die een bevestiging kunnen geven of in tegenspraak zijn met de besproken kosmologische modellen?

Page 229: Fysica en kosmologie

Polarisatiegraad CMB