Inzicht in de oerknaltheorie

De oerknaltheorie is de dominante theorie over de oorsprong van het universum. In essentie stelt deze theorie dat het universum begon vanaf een eerste punt of singulariteit, dat zich over miljarden jaren heeft uitgebreid om het universum te vormen zoals we het nu kennen.

Vroege uitbreiding van universumbevindingen

In 1922 ontdekte een Russische kosmoloog en wiskundige genaamd Alexander Friedman dat oplossingen voor Albert Einstein's algemene relativiteitsveldvergelijkingen resulteerden in een zich uitbreidend universum. Als een gelovige in een statisch, eeuwig universum, voegde Einstein een kosmologische constante toe aan zijn vergelijkingen, "corrigerend" voor deze "fout" en aldus de expansie eliminerend. Hij zou dit later de grootste blunder van zijn leven noemen.

Eigenlijk was er al observationeel bewijs ter ondersteuning van een zich uitbreidend universum. In 1912 observeerde de Amerikaanse astronoom Vesto Slipher een spiraalvormig sterrenstelsel dat destijds als een "spiraalnevel" werd beschouwd, omdat astronomen nog niet wisten dat er sterrenstelsels waren voorbij de Melkweg - en registreerde zijn roodverschuiving, de verschuiving van een lichtbronverschuiving naar het rode uiteinde van het lichtspectrum. Hij merkte op dat al dergelijke nevels van de aarde af reisden. Deze resultaten waren toentertijd behoorlijk controversieel en hun volledige implicaties werden niet in overweging genomen.

In 1924 kon astronoom Edwin Hubble de afstand tot deze "nevel" meten en ontdekte dat ze zo ver weg waren dat ze eigenlijk geen deel uitmaakten van de Melkweg. Hij had ontdekt dat de Melkweg slechts een van de vele sterrenstelsels was en dat deze "nevels" op zichzelf staande sterrenstelsels waren.

Geboorte van de oerknal

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

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

Het feit dat Lemaitre een rooms-katholieke priester was, baarde sommigen, omdat hij een theorie aan het uitdragen was die een duidelijk moment van 'schepping' aan het universum presenteerde. In de jaren 1920 en 1930 waren de meeste natuurkundigen - zoals Einstein - geneigd te geloven dat het universum altijd had bestaan. In wezen werd de oerknaltheorie door veel mensen als te religieus beschouwd.

Big Bang vs. Steady State

Hoewel verschillende theorieën een tijdje werden gepresenteerd, was het eigenlijk alleen Fred Hoyle's steady-state theorie die enige echte concurrentie voor de theorie van Lemaitre opleverde. Ironisch genoeg was het Hoyle die de uitdrukking 'Big Bang' bedacht tijdens een radio-uitzending uit de jaren 1950, die het als een spotterende term voor de theorie van Lemaitre bedoelde.

De steady-state theorie voorspelde dat nieuwe materie zodanig werd gecreëerd dat de dichtheid en temperatuur van het universum constant bleef in de tijd, zelfs terwijl het universum zich uitbreidde. Hoyle voorspelde ook dat dichtere elementen werden gevormd uit waterstof en helium door het proces van stellaire nucleosynthese, wat, in tegenstelling tot de steady-state theorie, nauwkeurig is gebleken.

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

Het debat duurde tot 1965 toen Arno Penzias en Robert Woodrow Wilson de CMB tegenkwamen tijdens hun werk voor Bell Telephone Laboratories. Hun Dicke-radiometer, gebruikt voor radioastronomie en satellietcommunicatie, pakte een temperatuur van 3,5 K (een goede match met de voorspelling van Alpher en Herman van 5 K).

Gedurende de late jaren 1960 en vroege jaren 1970 probeerden sommige voorstanders van steady-state fysica deze bevinding te verklaren terwijl ze nog steeds de oerknaltheorie ontkenden, maar tegen het einde van het decennium was het duidelijk dat de CMB-straling geen andere plausibele verklaring had. Penzias en Wilson ontvingen voor deze ontdekking de Nobelprijs voor natuurkunde 1978.

Kosmische inflatie

Bepaalde zorgen bleven echter 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 niet de tijd om thermisch evenwicht te bereiken, dus er moeten verschillen in energie in het universum zijn.

In 1980 stelde de Amerikaanse natuurkundige Alan Guth formeel de inflatietheorie voor om dit en andere problemen op te lossen. Deze theorie zegt dat er in de vroege momenten na de oerknal een extreem snelle expansie was van het ontluikende universum, aangedreven door "negatieve-druk vacuüm-energie" mei op een bepaalde manier gerelateerd zijn aan de huidige theorieën over donkere energie). Als alternatief zijn de inflatietheorieën, vergelijkbaar in 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 met de theorie zijn. De Nobelprijs voor natuurkunde 2006 werd toegekend aan John C. Mather en George Smoot, twee sleutelfiguren in het WMAP-project.

Bestaande controverses

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

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

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

Andere namen voor de oerknal

Toen Lemaitre oorspronkelijk zijn observatie over het vroege universum voorstelde, noemde hij deze vroege staat van het universum het oeratoom. Jaren later zou George Gamow de naam ylem ervoor toepassen. Het is ook het oeratoom of zelfs het kosmische ei genoemd.