Bouwstenen van de kosmos – deel 1
De astronomie is bij uitstek de wetenschap die peilt naar de mysteries van het onmetelijke universum, met zijn ontelbare sterren en sterrenstelsels. Mensen werden en worden er nog steeds door geboeid. Hoe zit dit heelal, waar wij allemaal deel van uitmaken, in elkaar? Hoe groot is het? Hoe zijn sterren ontstaan?
Maar naast al die vragen kan het even boeiend zijn om eens niet te peilen naar de grenzeloosheid van dit heelal, maar zich even af te vragen hoe de materie, waaruit het heelal is opgebouwd, in elkaar zit. Bestaat er in het heelal een kleinste deeltje? Zijn wij in staat om binnen te dringen in die diepste geheimen van het allerkleinste?
Van de Oude Grieken tot aan het begin van de twintigste eeuw
Reeds in de Oudheid waren Grieken geboeid door diezelfde vragen. Democritus (460 - ca. 370 vC) en Leucippus (ca. 470 - ca. 360 vC) waren bij de voorlopers die onderwezen dat materie is samengesteld uit kleine, eeuwige deeltjes die zij atomen noemden. Dat atomen de kleinste deeltjes waren waaruit stof gemaakt is heeft men erna nog lange tijd gedacht. Verder splitsen zou onmogelijk zijn. 'Atoom' betekent in het Grieks ten andere 'niet verder te splitsen'. De meest vooraanstaande leerling van Democritus was ongetwijfeld Aristoteles (384 - 322 vC) die deze gedachten verder heeft ontwikkeld en er, naast een fysische, ook een metafysische betekenis aan heeft gegeven.
Een echte doorbraak in de verdere kennis van de materie zou pas vele eeuwen later komen. De Franse wetenschapper Antoine Lavoisier (1743 - 1794) bewees in de achttiende eeuw voor het eerst dat water een verbinding was van waterstof (H) en zuurstof (O). Hiermee ging hij in tegen de visie van Aristoteles die water altijd beschouwd had als een niet verder te splitsen element. Lavoisier opende door zijn ontdekking de weg voor verder onderzoek. Niet onterecht wordt hij beschouwd als de grondlegger van de moderne chemie.
Na Lavoisier ging de ontwikkeling van de chemie met een duizelingwekkende versnelling verder. In 1902 stelde de Engelse natuurkundige Joseph Thomson (1856-1940) een atoommodel voor, het zogenoemde plumpudding model. Hij vergeleek het atoom met een pudding, die positief geladen is en waarin zich, als krenten in die pudding, negatief geladen deeltjes bevinden. Hij noemde die deeltjes elektronen. Het woord elektron (ἤλεκτρον) betekent in het Grieks barnsteen, en Thomson had opgemerkt dat barnsteen door wrijving elektrisch geladen werd.
Het is Thomsons model dat de Nieuw-Zeelands-Britse natuurkundige Ernest Rutherford (1871-1937), de Duitse natuurkundige Arnold Sommerfeld (1868-1951) en de Deense natuurkundige Niels Bohr (1885-1962) in het begin van de 20ste eeuw verder ontwikkelden tot het klassiek model dat velen onder ons op school geleerd hebben.
Volgens dit model bestaat een atoom uit een kern met daarrond in verschillende banen negatief geladen elektronen. De atoomkern zelf bestaat uit positief geladen protonen en niet geladen neutronen. Men heeft atomen lang vergeleken met een soort minizonnestelsel met een centrale Zon en in verschillende banen de planeten eromheen.
Steeds kleinere afmetingen
Door alsmaar dieper door te dringen in de essentie van de materie werd de wetenschap geconfronteerd met afmetingen die wij ons niet meer kunnen voorstellen. Zo heeft het waterstofatoom een doorsnede - dit is de doorsnede van de baan die het elektron rond de kern beschrijft - van ongeveer één honderd miljoenste van één cm. De diameter van de kern is dan op zijn beurt nog eens 100.000 maal kleiner. Dergelijke afmetingen overtreffen ons bevattingsvermogen.
Net zoals wij niet in staat zijn om de omvang van het heelal te vatten zijn wij, aan de andere zijde, evenmin in staat om ons de kleine afmetingen van atomen voor te stellen.
Vier fundamentele krachten in de natuur
Maar het heelal bestaat niet alleen uit materiële deeltjes. Ook krachten spelen er een belangrijke rol. Die krachten zijn in voortdurende interactie met de materie. Daarbij worden ook de fundamentele krachten, die in de natuur werkzaam zijn, gedragen door materiedeeltjes. Wanneer men over deeltjes spreekt moet men dus steeds een onderscheid maken tussen deeltjes die de materie vormen en deeltjes die krachten vervoeren. De eerste worden 'krachtvoelende deeltjes' genoemd en de andere 'krachtvoerende deeltjes'.
De krachten in de natuur zijn te herleiden tot vier fundamentele krachten. Ze worden hieronder in dalende volgorde van hun sterkte gegeven.
De sterke kernkracht. Dit is niet alleen zoals de naam het aangeeft een sterke kracht, maar ook een kracht met een zeer kort afstandsbereik, dat niet verder reikt dan de afmeting van een atoomkern. Het is die kracht die ervoor zorgt dat geladen deeltjes in een atoomkern bijeen blijven. Deze kracht wordt gedragen door elementaire deeltjes die men gluonen noemt.
De elektromagnetische kracht. Dit is de kracht die inwerkt op elektrisch geladen deeltjes. Deze kracht is ongeveer duizend maal zwakker dan de sterke kernkracht, maar blijft qua sterkte veruit de tweede in rangorde. De invloed van de elektromagnetische kracht strekt zich theoretisch oneindig ver uit. Deze kracht wordt gedragen door deeltjes die wij fotonen noemen.
De zwakke kernkracht. Dit is eveneens een kracht die enkel binnen het atoom werkzaam is. Deze kracht wordt soms de 'kosmische alchemist' genoemd omdat zij in staat is om de natuur van bepaalde deeltjes te veranderen. De zwakke kernkracht wordt gedragen door drie soorten deeltjes, de vectorbosonen W+, W- en Z°.
De zwaartekracht. Dit is ongetwijfeld de kracht die ons het best vertrouwd is. Van de vier krachten is het veruit de zwakste kracht, maar zij heeft ook, net als de elektromagnetische kracht, een oneindig afstandsbereik. Het belang van die kracht wordt pas duidelijk als men bedenkt dat er zonder zwaartekracht geen sterren en geen sterrenstelsels zouden bestaan. Het deeltje dat de zwaartekracht draagt is het graviton.
Relatieve sterkte van de vier fundamentele krachten met de zwaartekracht = 1
Sterke kernkracht >>> 10 42
Elektromagnetische kracht >>> 10 39
Zwakke kernkracht >>> 10 15
Zwaartekracht >>> 1
Moeilijkheden steken de kop op
Rond de jaren dertig van vorige eeuw werd de wetenschappelijke wereld wakker geschud. Het beeld dat men zich vormde van atomen scheen niet meer te kloppen met de realiteit. Allerlei nieuwe elementaire materiedeeltjes werden ontdekt en, wat erger was, die pasten niet in het bestaande atoommodel. Aan die nieuwe deeltjes werden namen gegeven van Griekse letters, zoals Ʃ (sigma-deeltjes), Ʌ (lambda-deeltjes) of Ξ (ksi-deeltjes), wat de overzichtelijkheid zeker niet ten goede kwam.
Sommige van die nieuwe deeltjes doken op in deeltjesversnellers, andere in kosmische stralen die ons vanuit de atmosfeer bereiken. Die nieuw ontdekte deeltjes bleken ook een verschillende levensduur te hebben. Bij sommige was die levensduur zeer kort, bij andere iets langer. De toestand was door al die ontdekte deeltjes zo complex geworden dat een man als Enrico Fermi, toch niet de eerste de beste in de wereld van de deeltjesfysica, zich in die jaren liet ontvallen dat, "… mocht hij in staat zijn om de namen van al die deeltjes te onthouden, hij botanicus zou geworden zijn". Men zat in een impasse. Kon de natuur wel zo complex en zonder enige logische samenhang in elkaar zitten? Er moest achter die wirwar van deeltjes toch een of andere verborgen structuur zitten.
De zoektocht naar die verborgen structuur zou in de loop van de daaropvolgende jaren uitgroeien tot één van de boeiendste activiteiten van die tijd. In de wetenschap was wel het besef gegroeid dat men, door het steeds maar verder splitsen van de materie, ooit op een muur zou botsen. Ooit zou men een grens bereiken tussen twee werelden, enerzijds een wereld die wij kennen, die ons vertrouwd is en waarvoor wij wetten gemaakt hebben, de wereld van de 'klassieke fysica', en anderzijds een wereld waar wetenschap onderworpen is aan andere wetten, een wereld die onze verbeelding te boven gaat, de wereld van de 'kwantumfysica'.
De bizarre kwantumwereld
In de ons vertrouwde klassieke fysica zijn wij het gewoon om te gaan met een wereld die zich gedraagt als een realiteit die onafhankelijk is van het feit of wij ze waarnemen of niet. De klassieke wereld is voor ons in zekere zin iets dat los staat van ons. In de kwantumwereld van de extreem kleine deeltjes gelden andere wetten. In die wereld speelt de waarnemer een cruciale rol. Al naargelang de waarnemer de natuur waarneemt of niet zullen elementaire deeltjes zich anders gedragen. In tegenstelling tot de klassieke wereld is de subatomaire wereld niet langer een wereld die los staat van ons, maar een wereld waar wij actieve, niet weg te denken spelers van geworden zijn. Het is ook een wereld waar noties als plaats, tijd, ruimte een andere betekenis krijgen.
Om die kwantumwereld te kunnen beschrijven heeft de wetenschap een beroep moeten doen op het begrip 'veld'. Een veld kan men zich het best voorstellen als een ruimte waarin aan elk punt een getal wordt toegekend. Men kan het vergelijken met een weerkaart waarop aan elk punt een temperatuur wordt toegekend. Zowel de zwaartekracht als de elektromagnetische kracht, de zwakke kernkracht en de sterke kernkracht worden beschreven door velden, en aan elk van die velden zijn ook één of meer kwantumdeeltjes verbonden. Volgens de kwantummechanica heerst er in de ruimte die door die velden beschreven wordt nooit een absoluut vacuüm. De ruimte is steeds gevuld met een kwantumenergie.
Maar de ruimte is niet alleen gevuld met een kwantumenergie. Ze kan ook optreden als een soort bank, die volgens het onbepaaldheidsprincipe van Heisenberg, gedurende een korte tijd 'pakjes' energie kan uitlenen om materiedeeltjes te laten ontstaan. In dit web van trillende energiepatronen heeft dus geen enkele component een absoluut onafhankelijk bestaan.
Tekst: Emile Beyens, maart 2021