De big-bang-theorie begrijpen

De oerknaltheorie is de dominante theorie over de oorsprong van het universum. In wezen stelt deze theorie dat het universum is begonnen vanuit een beginpunt of singulariteit, die zich in miljarden jaren heeft uitgebreid tot het universum zoals we dat nu kennen.

In 1922 vond een Russische kosmoloog en wiskundige genaamd Alexander Friedman die oplossingen voor Albert Einstein's algemene relativiteit veldvergelijkingen resulteerden in een groeiend universum. Als een gelovige in een statisch, eeuwig universum, voegde Einstein een kosmologische constante toe aan zijn vergelijkingen, "corrigerend" voor deze "fout" en elimineerde zo de expansie. Later noemde hij dit de grootste blunder van zijn leven.

Eigenlijk was er al observationeel bewijs ter ondersteuning van een groeiend universum. In 1912 observeerde de Amerikaanse astronoom Vesto Slipher een spiraalstelsel - destijds beschouwd als een "spiraalnevel", aangezien astronomen nog niet wisten dat er sterrenstelsels waren buiten de

In 1924, astronoom Edwin Hubble was in staat om de afstand tot deze "nevel" te meten en ontdekte dat ze zo ver weg waren dat ze niet echt deel uitmaakten van de Melkweg. Hij had ontdekt dat de Melkweg slechts een van de vele sterrenstelsels was en dat deze 'nevels' eigenlijk melkwegstelsels waren.

In 1927 berekende de rooms-katholieke priester en natuurkundige Georges Lemaitre onafhankelijk de Friedman-oplossing en suggereerde opnieuw dat het universum moet uitbreiden. Deze theorie werd ondersteund door Hubble toen hij in 1929 ontdekte dat er een correlatie was tussen de afstand van de sterrenstelsels en de hoeveelheid roodverschuiving in het licht van die melkweg. De verre sterrenstelsels gingen sneller weg, wat precies was voorspeld door de oplossingen van Lemaitre.

In 1931 ging Lemaitre verder met zijn voorspellingen en extrapoleerde terug in de tijd dat de materie van het universum in het verleden op een eindige tijd een oneindige dichtheid en temperatuur zou bereiken. Dit betekende dat het universum moet zijn begonnen op een ongelooflijk klein, dicht punt van de stof, een 'oeratoom' genoemd.

Sommigen waren bezorgd over het feit dat Lemaitre een rooms-katholieke priester was, omdat hij een theorie naar voren bracht die het universum een ​​duidelijk moment van "schepping" voorstelde. In de jaren twintig en dertig waren de meeste natuurkundigen - zoals Einstein - geneigd te geloven dat het universum altijd heeft bestaan. In wezen werd de oerknaltheorie door veel mensen als te religieus beschouwd.

Hoewel verschillende theorieën een tijdje werden gepresenteerd, waren het eigenlijk alleen Fred Hoyle's steady-state theorie dat leverde echte concurrentie op voor Lemaitre's theorie. Ironisch genoeg was het Hoyle die de uitdrukking 'Big Bang' bedacht tijdens een radio-uitzending uit de jaren vijftig, met de bedoeling het als een beledigende term voor Lemaitre's theorie te gebruiken.

De steady-state-theorie voorspelde dat nieuw er toe doen werd zo gemaakt dat de dichtheid en temperatuur van het universum in de tijd constant bleven, zelfs terwijl het universum uitdijde. Hoyle voorspelde ook dat dichtere elementen tijdens het proces van waterstof en helium werden gevormd stellaire nucleosynthesedie, in tegenstelling tot de steady-state theorie, juist is gebleken.

George Gamow - een van de leerlingen van Friedman - was de belangrijkste voorstander van de oerknaltheorie. Samen met collega's Ralph Alpher en Robert Herman voorspelde hij de kosmische microgolfachtergrond (CMB) straling, straling die door het hele universum zou moeten bestaan ​​als een overblijfsel van de Grote Bang. Terwijl atomen zich begonnen te vormen tijdens de recombinatietijdperk, ze lieten microgolfstraling (een vorm van licht) door het heelal reizen, en Gamow voorspelde dat dit microgolfstraling zou vandaag nog steeds waarneembaar zijn.

Het debat ging door tot 1965 toen Arno Penzias en Robert Woodrow Wilson de CMB tegenkwamen terwijl ze voor Bell Telephone Laboratories werkten. Hun Dicke-radiometer, gebruikt voor radioastronomie en satellietcommunicatie, pakte een temperatuur van 3,5 K op (een goede match met Alpher en Herman's voorspelling van 5 K).

Gedurende de late jaren 60 en vroege jaren 70 probeerden sommige voorstanders van steady-state fysica deze bevinding uit te leggen terwijl ze nog steeds de oerknaltheorie ontkennen, maar tegen het einde van het decennium was het duidelijk dat de CMB-straling geen andere plausibele had uitleg. Penzias en Wilson ontvingen in 1978 de Nobelprijs voor natuurkunde voor deze ontdekking.

Er bleven echter enkele zorgen bestaan ​​over de oerknaltheorie. Een daarvan was het probleem van homogeniteit. Wetenschappers vroegen: waarom ziet het universum er qua energie identiek uit, ongeacht in welke richting men kijkt? De oerknaltheorie geeft het vroege universum geen tijd om te bereiken thermisch evenwicht, dus er zouden overal in het universum energieverschillen moeten zijn.

In 1980 stelde de Amerikaanse natuurkundige Alan Guth formeel een voorstel voor inflatie theorie om deze en andere problemen op te lossen. Deze theorie zegt dat er in de vroege momenten na de oerknal een extreem snelle expansie van het ontluikende universum was, aangedreven door "onderdruk-vacuüm-energie" (die mei op een of andere manier gerelateerd zijn aan de huidige theorieën van donkere energie). Als alternatief zijn inflatietheorieën, vergelijkbaar qua concept maar met enigszins verschillende details, in de jaren daarna door anderen naar voren gebracht.

Het Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) -programma van NASA, dat in 2001 begon, heeft bewijs geleverd dat een inflatieperiode in het vroege universum sterk ondersteunt. Dit bewijs is vooral sterk in de driejaarlijkse gegevens die in 2006 zijn vrijgegeven, hoewel er nog enkele kleine inconsistenties zijn met de theorie. De Nobelprijs voor de natuurkunde 2006 werd toegekend aan John C. Mather en George Smoot, twee sleutelfiguren in het WMAP-project.

Hoewel de oerknaltheorie door de overgrote meerderheid van natuurkundigen wordt geaccepteerd, zijn er nog enkele kleine vragen over. Het belangrijkste zijn echter de vragen die de theorie niet eens kan proberen te beantwoorden:

• Wat bestond er vóór de oerknal?
• Wat veroorzaakte de oerknal?
• Is ons universum de enige?

De antwoorden op deze vragen bestaan ​​misschien wel buiten het domein van de natuurkunde, maar ze zijn toch fascinerend, en antwoorden zoals de multiversum hypothese biedt een intrigerend speculatiegebied voor zowel wetenschappers als niet-wetenschappers.

Toen Lemaitre zijn observatie over het vroege heelal oorspronkelijk voorstelde, noemde hij deze vroege toestand van het heelal het oeratoom. Jaren later zou George Gamow er de naam ylem voor gebruiken. Het wordt ook wel het oeratoom of zelfs het kosmische ei genoemd.