Astronomie

quantumfluctuaties

quantumfluctuaties

Stel je een stil wateroppervlak voor: op afstand lijkt het vlak en rustig, maar van dichtbij zie je kleine rimpelingen en belletjes. Zo is het ook met de lege ruimte in de quantummechanica: die is nooit écht leeg. Er zitten altijd piepkleine schommelingen in energie en velden.

Die onvermijdelijke minieme “ruis” noemen we quantfluctuaties. Tijdens kosmische inflatie werden die kleine golfjes opgeblazen tot kosmische proporties. Daardoor ontstond een licht hobbelig heelal – precies de zaadjes waaruit later sterren, sterrenstelsels en clusters konden groeien.

Onzekerheidsprincipe

Heisenberg staat toe dat energie en tijd niet beide exact zijn. Dat betekent dat er in zeer korte tijd tijdelijke energie kan verschijnen, zolang die daarna weer verdwijnt.

Virtuele deeltjes

Die tijdelijke energie kan zich voordoen als virtuele deeltjesparen (deeltje + antideeltje). Ze bestaan eventjes en annihileren weer, maar hebben meetbare effecten (bijv. Casimir-kracht, Hawking-straling).

Kosmologische rol

  • Tijdens inflatie rekt de extreme expansie deze fluctuaties uit van subatomaire naar kosmische schaal.
  • Het resultaat is een klein-amplitude maar ruimtelijk gestructureerde hobbeligheid van energie/velddichtheden.
  • Die vormt het initiële perturbatiespectrum voor de latere structuurvorming (donkere materie & gewone materie).
Notities & terminologie
  • Vacuumfluctuaties: synoniem in veel contexten voor quantumfluctuaties van velden in hun grondtoestand.
  • Inflaton: het (hypothetische) scalar veld dat inflatie aandreef; zijn eigen fluctuatiedynamiek zet rimpels in de ruimtetijd.
  • Schaal-invariant (bijna) spectrum: waargenomen in de kosmische achtergrondstraling; consistent met eenvoudige inflatiemodellen.

quantumveld

Een quantumveld is een verondersteld "onzichtbaar veld" dat zich door de hele ruimte uitstrekt. Elk fundamenteel deeltje komt voort uit een bijbehorend veld (bijvoorbeeld: het elektron komt voort uit het elektronveld, een fotonveld komt voort uit een fotonveld en de extreem snelle expansie van het universum komt voort uit een inflatonveld).
Verondersteld wordt dat in het vroegste stadium van het universum nog geen atomen, deeltjes zoals fotonen bestonden. alleen energie, zonder structuur. In het vroegste stadium van het universum gaat men er van uit dat er nog geen massa bestond, alleen energie.
Deze energie in het jonge universum zat opgeslagen in een quantumveld.

elektrostaticiteit

1. Wrijving (elektrostatische lading)
Als je twee vaak slecht geleidende materialen tegen elkaar wrijft of egen elkaar aan plaatst, kunnen elektronen van het ene materiaal naar het andere overspringen. Dat gaat gemakkelijker wanneer de bindingsenergie van het ene materiaal lager is dan de bindingsenergie van het ander materiaal Het ene materiaal krijgt dan een negatieve lading (overschot aan elektronen), het andere een positieve (tekort aan elektronen). De lading in beide materialen is een stilstaande lading
Bijvoorbeeld: als je een plastic kam door droog haar haalt, kan de kam elektronen van je haar opnemen en zo negatief geladen raken. Bij sommige weertypen kan een auto statisch geladen worden door de wrijving met de lucht. Deze lading veroorzaakt een schok aan je hand. Tijdens onweers buien wanneer je de klink van de autodeur vastpakt.
Bij onweersbuien kunnen wolen ten opzicht van andere wolken of ten opzichte van de aarde statisch geladen worden doordat waterdruppels en ijskristallen tegen elkaar botsen. Er ontstaat hierdoor een enorm spanningsverschil dat op een bepaald moment zo groot is dat een heftige ontlading van de spanning moet volgen..

vlak en homogeen

Het universum is vlak(isotroop). Dat wil zeggen dat de ruimtetijd over het hele universum zo vlak is als een oneindig groot vel papier, en kan worden beschreven door de Euclidische meetkunde. Dit betekent dat rechte lijnen recht blijven. Parallelle lijnen zullen niet uit elkaar gaan lopen of elkaar ontmoeten. Plaatselijk bij grote massa's zoals sterren, is de ruimtetijd wel gekromd en daardoor verantwoordelijk voor de zwaartekracht. Op de schaal van het universum, worden deze krommingen opgeheven Het universum is homogeen. Dat betekent dat het universum er overal hetzelfde uitziet en dezelfde gemiddelde dichtheid van materie heeft.

Samen vormen isotropie en homogeniteit de basis van het zogenaamde kosmologische principe.
De ruimtetijd vertoont geen kromming. (vlak) en is homogeen.

fotonen

Wat zijn fotonen?

Elektromagnetische straling, zoals licht, radiogolven, ultraviolette straling, röntgenstraling, gammastraling en infraroodstraling, bestaat uit kleine energiepakketjes die fotonen worden genoemd.

Fotonen zijn deeltjes zonder rustmassa die zich altijd met de lichtsnelheid voortbewegen. Ze dragen energie, waarvan de hoeveelheid afhangt van hun frequentie.

Fotonen ontstaan bijvoorbeeld diep in de kern van de zon tijdens kernfusie en doen er duizenden tot miljoenen jaren over om het zonoppervlak te bereiken. Daarna reizen ze als zonlicht door de ruimte naar de aarde.

Het elektromagnetisch spectrum varieert van lange, energiearme radiogolven tot zeer korte, energierijke gammastralen. Zichtbaar licht, dat wij met onze ogen kunnen waarnemen, ligt ongeveer in het midden van dit spectrum.

Afhankelijk van hun energie kunnen fotonen interacties aangaan met materie, zoals verstrooiing, absorptie of ionisatie.