Natuurkundige modellen waarmee we ons universum begrijpen
Natuurkundigen gaan op zoek naar de natuurkrachten die invloed hebben op het universum waarbinnen wij leven. Ze onderzoeken en beschrijven de algemene eigenschappen van natuurfenomenen zoals energie en materie. In dit artikel wordt een overzicht gegeven van de verschillende natuurkrachten die van elkaar worden onderscheiden en enkele belangrijke natuurwetenschappelijke theorieën.
1. Natuurkrachten

Natuurkundigen onderscheiden op dit moment vier natuurkrachten in ons universum:

  1. zwaartekracht
  2. elektromagnetische kracht
  3. sterke kernkracht
  4. zwakke kernkracht

Zwaartekracht is de aantrekkingskracht tussen elk tweetal massa’s. Die kracht is altijd aantrekkend. De elektromagnetische kracht daarentegen kan zowel afstoten als aantrekken. Elektrische ladingen kunnen positief of negatief zijn. Twee gelijksoortige ladingen (twee positieve of twee negatieve ladingen) stoten elkaar af, twee verschillende ladingen (een positieve en een negatieve lading) trekken elkaar aan. Zowel de zwaartekracht als de elektromagnetische kracht hebben een oneindige reikwijdte. De elektromagnetische kracht is krachtiger dan de zwaartekracht, maar in de meeste grote lichamen worden de elektrische ladingen uitgebalanceerd. De lading op grote schaal is dan nul. Op grote lichamen zoals bijvoorbeeld mensen en planeten, zien we daardoor enkel de zwakkere zwaartekracht in werking.

Op subatomisch niveau zijn er nog twee andere krachten ontdekt: de sterke en de zwakke kernkracht. De sterke kernkracht zorgt voor de binding van neutronen en protonen binnen de nucleus (= kern) van atomen. De zwakke kernkracht is verantwoordelijk voor radioactieve fenomenen zoals bèta decay. De zwakke en sterke kernkrachten hebben een korte reikwijdte en spelen daardoor op grotere schaal nauwelijks een rol.

2. Natuurwetenschappelijke theorieën
2.1 Klassieke theorieën

De wetenschappelijke theorieën van de zwaartekracht zijn de oudste. Sir Isaac Newton heeft als eerste het begrip zwaartekracht beschreven en er een theorie voor opgesteld. Die theorie werd later door Einstein onder handen genomen en herwerkt tot de algemene relativiteitstheorie. Zowel de theorie voor zwaartekracht van Newton als die van Einstein zijn klassieke theorieën.

De natuurfenomenen elektriciteit en magnetisme werden aanvankelijk door middel van aparte theorieën beschreven. Dankzij Hans Christian Ørsted werd er een verband gevonden tussen beide fenomenen en ging men op zoek naar een overkoepelende theorie. Die kwam er in het midden van de 19e eeuw, toen James Clerk Maxwell er in slaagde alle elektrische en magnetische fenomenen door middel van slechts vier vergelijkingen te beschrijven. Die vergelijkingen worden de Maxwellvergelijkingen of de Wetten van Maxwell genoemd. Sindsdien weten we dat elektriciteit en magnetisme uitingen zijn van dezelfde kracht, namelijk van de elektromagnetische kracht.

2.2 Kwantumtheorieën

De elektromagnetische kracht is de eerste natuurkracht waar een kwantumtheorie voor werd ontworpen. Het kwantummodel voor elektromagnetisme heet QED. QED staat voor Quantum Elektro Dynamica. QED werd ontworpen door Richard Feynman. Onafhankelijk van elkaar bouwden ook Schwinger en Tomonaga wiskundige formuleringen voor de kwantumelektrodynamica. Op basis van het werk van Feynman, Schwinger en Tomonago, zijn er ondertussen eveneens kwantummodellen ontworpen voor de zwakke en de sterke kernkracht. Het overkoepelend theoretische kader waarbinnen de kwantummechanische modellen zijn beschreven, wordt in het Engels quantum field theory genoemd. De kernkrachten zijn pas vrij recent ontdekt. Voor die fenomenen bestaat dus enkel een kwantummechanische theorie, ze hebben geen klassieke equivalent.

3. Geünificeerde theorieën

Standaardtheorie is een geünificeerde theorie die drie van de vier natuurkrachten beschrijft, namelijk: sterke, zwakke en elektromagnetische interacties.

Om de Standaardtheorie experimenteel te toetsen, werd de Large Hadron Collider (LHC) gebouwd door de Europese organisatie voor nucleair onderzoek (CERN). De soorten partikels die met de LHC worden gevonden, worden bestudeerd en geclassificeerd op basis van hun eigenschappen en in het Standaardmodel ondergebracht. Experimenten laten zien dat de Standaardtheorie in overeenstemming is met de kwantummechanica en de speciale relativiteit van Einstein.

De vierde natuurkracht, zwaartekracht, wordt buiten beschouwing gelaten in dit model. Voor zwaartekracht is nog geen quantum field theory ontworpen. Het wordt daarom nog beschreven in termen van de klassieke fysica. De klassieke fysica levert een wiskundig model op dat fysici in staat stelt om behoorlijk accurate berekeningen te maken (we konden er mee naar de maan reizen). De theorie is dus bruikbaar in de praktijk waar we met grote structuren (zoals planeten en grote hemellichamen) te maken hebben, maar is niet verzoenbaar met de drie kwantumtheorieën en ook niet in overeenstemming met observatie op subatomische schaal.

Fysici streven er naar alle krachten van het universum in één samenhangend wiskundig model te verenigen. Dat er momenteel nog verschillende modellen nodig zijn, is dus niet zo elegant. Maar zolang er geen overkoepelende theorie ontworpen is, zijn we genoodzaakt het universum door middel van verschillende theorieën te interpreteren.

Die cluwen van verschillende theorieën waarmee we ons universum momenteel begrijpen en waarmee berekeningen worden gemaakt, wordt M-theorie genoemd. M-theorie is dus niet één theorie, maar duidt op de verzameling van theorieën waarmee fysici ons universum op dit moment begrijpen. Stringtheorie was een poging om alle natuurkrachten te verenigen in één theorie, maar die theorie is tot zover niet erg succesvol gebleken. Standaardtheorie daarentegen bleek wel succesvol te zijn aangezien er het bestaan van verschillende partikels zoals neutrino’s en mogelijk ook het Higgs-deeltje succesvol mee kon worden voorspeld. Meer informatie over Standaardtheorie vind je hier.

Wetenschap is een proces in beweging. De producten van wetenschappelijke activiteit zoals wetenschappelijke theorieën, zijn niet statisch. Er wordt voortdurend aan de theorieën gewerkt en de manier waarop fysici het universum waarin we leven trachten te begrijpen en te verklaren, staat open voor verandering. Wanneer experimenten en observatie niet overeenkomen met de wetenschappelijke theorieën van dat moment, moeten die theorieën worden aangepast.

Bronvermelding

  • Atkins P., & Friedman R., Molecular Quantum Mechanics, Oxfors University Press, 5th Revised edition, 2010. 
  • Cox B., & Forshaw J., The quantum universe: everything that can happen does happen, Penguin Books, London, 2012. 
  • Feynman R., QED, De zonderlinge theorie van licht en materie, Aramith, Haarlem, 2011. 
  • Hawking S., & Mlodinow L., The grand design, Bentam Press, London, 2011.