Icon up Overzicht

Natuurkundig onderzoek aan de UvA

Onderwerp: Astrofysica, Atoomfysica, Kern- & Deeltjesprocessen (vwo), Kernfysica, Sterrenkunde, Thermische processen, Trilling en golf

Als je eens je natuurkundeboek doorbladert, lijkt het misschien dat bijna alles over de natuur wordt uitgelegd. Is in de natuurkunde dan alles begrepen? Nee. Alleen al aan de UvA zijn elke dag 250 wetenschappers bezig met natuurkundig onderzoek. Hun voornaamste doel is de natuur beter te kunnen begrijpen. Deze natuurkunde is echter veel exotischer dan wat je op de middelbare school tegenkomt.

Experimentele natuurkunde

Met veel lasers, lenzen en spiegels kunnen atomen worden afgekoeld tot 10 milliKelvin.

Een voor de hand liggende methode om de natuur beter te begrijpen is het doen van experimenten. Zo kan nieuwe natuurkunde worden ontdekt, of kunnen bestaande theorieën worden getest. Tegenwoordig gebeurt dit met ingewikkelde opstellingen waarbij gebruik wordt gemaakt van vaak dure apparaten. Dit onderzoeksgebied wordt experimentele natuurkunde genoemd. Aan de UvA worden bijvoorbeeld met lasers deeltjes afgekoeld tot wel bijna 0 Kelvin, het absolute nulpunt. De natuurkunde bij deze extreem lage temperaturen blijkt totaal verschillend te zijn van onze dagelijkse wereld. Ook worden er supergeleidende materialen gebouwd; de eigenschap van deze materialen is dat ze geen enkele elektrische weerstand hebben. Bovendien worden er voor bestaande natuurkunde nieuwe toepassingen gezocht. Zo wordt er een zeer efficiënte koelkast voor thuis ontwikkeld gebruikmakend van sterke magneten.

Bij extreem laag temperatuur (zoals het absolute nulpunt) blijken atomen zich vreemd te gedragen; zo is het bijvoorbeeld mogelijk om een groepje atomen te laten stuiteren.

Surf naar de volgende links voor meer informatie over:
het absolute nulpunt
supergeleidende materialen

Detector

Een deel van het onderzoek van de UvA vindt plaats op het NIKHEF (Nationaal Instituut Kern- en Hoge-EnergieFysica). Op het NIKHEF wordt gebouwd aan een detector voor de nieuwe deeltjesversneller LHC op CERN . De LHC heeft een omtrek van 27 kilometer. Door protonen op elkaar te laten botsen, kunnen ze deeltjes op de schaal van quarks bestuderen. En zo heeft men ook het Higgsdeeltje gevonden.

Een quark is een bouwsteen van bijvoorbeeld protonen en neutronen, die samen weer atoomkernen vormen. Eén der kleinste deeltjes dus.

Voor het onderzoeken van de kleinste deeltjes heb je de grootste apparaten nodig. Dit is een stukje van een detector op CERN.


● Klik hier voor meer informatie over quarks.
● Meer weten over het Higgsdeeltje? Klik dan hier.

Sterrenkunde

Een heel ander onderdeel van de natuurkunde is het bestuderen van de rest van het universum. Voor het gemak noemen we dit ook wel sterrenkunde. In Amsterdam wordt het heelal bestudeerd door middel van data afkomstig van de grootste telescopen ter wereld (Chili, Hawaï, La Palma), en satellieten zoals de Hubble-SpaceTelescoop. Zo kunnen mysterieuze zwarte gaten worden opgespoord. Maar ook de spectaculaire Gamma Ray-Bursts, de meest energierijke processen in het heelal, worden onder de loep genomen.

Ga naar de volgende links voor meer informatie over:
telescopen
zwarte gaten

Sterrenkundigen hebben zonder twijfel de mooiste en meest spectaculaire plaatjes van alle natuurkundigen.

Theoretische natuurkunde

Een andere tak van onderzoek wordt verricht door theoretisch natuurkundigen. Zij experimenteren niet zozeer. Vooral door veel na te denken en gebruik te maken van geavanceerde wiskunde proberen de theoretisch natuurkundigen te begrijpen hoe de wereld in elkaar zit. Hiermee kunnen ze reeds gedane experimenten verklaren. Of met deze wiskunde doen ze voorspellingen die experimenteel geverifieerd kunnen worden. Dit klinkt misschien niet zo spannend als het doen van experimenten met supergeleiding, Higgsdeeltjes en magnetische koelkasten. Maar in de theoretische natuurkunde kun je wél een gedachte-experiment doen. En dan is alles mogelijk.

Zo is het voor een theoretisch natuurkundige geen enkel probleem de wereld in meer of juist minder dimensies te zien dan de gebruikelijke 3. Dit klinkt natuurlijk wel leuk, maar wat hebben we eraan? Het blijkt dat sommige problemen in de natuurkunde makkelijker zijn op te lossen in een ruimte met bijvoorbeeld maar 2 dimensies. Ook zijn er theorieën die ervan uitgaan dat de wereld bestaat uit wel 10 of soms nog meer dimensies. De stringtheorie is hiervan de bekendste. Aan de UvA is een grote onderzoeksgroep in stringtheorie. Deze behoort tot de wereldtop.

Het visueel voorstellen van een extra dimensie is nog niemand gelukt. Toch weten natuurkundigen fraaie grafische representaties te maken van een ruimte met extra dimensies.

Stringtheorie

In de natuurkunde zijn twee grote theorieën: de quantummechanica en de algemene relativiteitstheorie. De quantummechanica beschrijft de allerkleinste deeltjes (elektronen, quarks, fotonen, …) waaruit alles is opgebouwd en deze theorie verklaart bijvoorbeeld ook waarom metalen elektrische stroom geleiden. De algemene relativiteitstheorie, de zwaartekrachtstheorie van Einstein, beschrijft onder andere zwarte gaten en de uitdijing van het heelal.

Op kleine schaal blijkt de quantummechanica de juiste theorie, op grote schaal de algemene relativiteitstheorie. Natuurkundigen willen niets liever dan alles samenvoegen tot één theorie; een theorie van alles. Hiermee zou dan alles verklaard kunnen worden. Willen we met de quantummechanica en de algemene relativiteitstheorie bijvoorbeeld beschrijven wat er in de kern van een zwart gat gebeurt, dan gaat het volledig mis. De uitkomsten van deze theorieën worden compleet onzinnig en spreken elkaar zelfs tegen.

Sinds enige tijd is er een ambitieuze theorie die de theorie van alles zou kunnen zijn: stringtheorie. In stringtheorie worden de allerkleinste deeltjes niet als puntdeeltjes voorgesteld maar als kleine trillende strings (in goed Nederlands "snaartjes", maar strings klinkt veel cooler). Zo’n string kan op verschillende manieren trillen. De manier waarop een string trilt, bepaalt wat voor een deeltje het is.

Een eenvoudige trillende string.

Onzin?

Een opmerkelijke consequentie is dat we niet in 4 dimensies - 3 ruimtelijke en de tijd - leven, maar in 10 dimensies. Het zou betekenen dat er nog 6 extra dimensies moeten zijn. Natuurlijk lijkt dit een beetje raar, want waarom zien we ze dan niet? Deze extra dimensies zijn echter zo klein dat ze met de huidige middelen bij lange na niet waarneembaar zijn.

Stringtheorie is nu 20 jaar volop in ontwikkeling. Eén van de voornaamste gevolgen is dat er niet alleen nieuwe natuurkunde ontwikkeld wordt, maar dat er ook veel nieuwe wiskunde wordt uitgevonden. De grote figuren in de stringtheorie verrichten dus zowel in de natuurkunde als in de wiskunde baanbrekend onderzoek.

Wel is er 1 groot probleem met de stringtheorie: tot nu toe heeft het geen enkele voorspelling kunnen doen die experimenteel getest kan worden. Dit in tegenstelling tot theorieën zoals quantummechanica en relativiteitstheorie. Er wordt dan ook wel gedacht dat stringtheorie alles of niets is. Óf het kan alles verklaren als de theorie af is, óf het is grote onzin.

Een wereld vol strings

Links

Nieuwsgierig geworden? Ga dan naar de volgende websites:
de officiële stringtheorie
extra dimensies