Icon up Overzicht

De allesomvattende theorie

Onderwerp: Atoomfysica, Kern- & Deeltjesprocessen (vwo), Kernfysica, Quantumwereld

Het universum bestaat uit ongeveer 1079 deeltjes. Stel dat er een wiskundige formule gevonden wordt die het gedrag van al deze deeltjes beschrijft. Dan kunnen we alles wat we waarnemen verklaren, sterker nog: we kunnen de toekomst voorspellen. Deze ene formule, ook wel bekend als ‘allesomvattende theorie’, is de heilige graal voor veel natuurkundigen. Zij kijken dan ook al reikhalzend uit naar 2007, als de nieuwe deeltjesversneller van CERN in werking gaat. Wellicht wordt de graal daar dan eindelijk gevonden.

Luchtfoto van Genève, de getekende cirkel is de plaats waar onder de grond de nieuwste deeltjesversneller wordt gebouwd. De omtrek van de cirkel is 27 km.

De overtuiging dat er een wiskundige theorie is die heel de natuur en zelfs het gedrag van mensen beschrijft is al oud. Albert Einstein gaf met zijn uitspraak ‘God dobbelt niet’ aan dat hij dacht dat alles voorspelbaar was. De filosoof Spinoza schreef: ‘Ik zal de menselijke handelingen en de begeerten beschouwen als betrof het een vraagstuk van lijnen, vlakken of lichamen.’

Onontdekt

In het verleden heeft men echter al een aantal maal (verkeerd) gedacht zo`n theorie gevonden te hebben. Bijvoorbeeld aan het eind van de 19e eeuw. Bewegingen van vallende voorwerpen of planeten gehoorzaamden aan de wetten van Newton. De natuurkundige Maxwell had een volledige theorie voor elektriciteit en magnetisme opgesteld. Op het bepalen van wat natuurconstanten na, leek de natuurkunde af.

Echter aan het begin van de 20e eeuw bleek dat er nog heel veel onontdekt was. Albert Einstein zette de wereld op zijn kop met de relativiteitstheorie.

Ook ontdekte men dat materie bestaat uit atomen en dat deze atomen bestaan uit een kern en een elektron. Maar een kern en een elektron gehoorzaamden niet aan de wetten van Newton!

Atomen bestaan uit een kern met daaromheen zwevende elektronen.

Nadat wetenschappers als Heisenberg en Schrödinger de quantummechanica hadden ontwikkeld was tot in detail bekend hoe een kern en een elektron zich gedragen. Ook dit probleem leek opgelost.

Van links naar rechts: Newton, Maxwell, Einstein, Schrödinger

Standaardmodel

Halverwege de 20e eeuw werden de eerste deeltjesversnellers gebouwd om atomen te splitsen, door deze heel hard op een ander atoom te laten botsen. Tot ieders grote verbazing vielen alles verder uit elkaar in nog kleinere deeltjes, nu elementaire deeltjes genoemd. Het gaf de natuurkundige wereld een machteloos gevoel, dit was niet de bedoeling! Later werden nog veel meer elementaire deeltjes ontdekt.

Deeltjes die op elkaar botsen vallen uit elkaar.

De afgelopen tientallen jaren is men hard bezig geweest structuur aan te brengen in de nieuw ontdekte deeltjes. Deze structuur wordt nu, zeer optimistisch, het Standaardmodel voor deeltjes en krachten genoemd.

Speciaal aanbevolen: speel met quarks en zie welke deeltjes ze vormen: klik hier.

Het Standaardmodel moet alleen nog experimenteel onderbouwd worden door aantoning van een nieuw elementair deeltje, het Higgs deeltje genaamd. Zonder Higgs deeltje geen Standaardmodel. Alleen al daarom worden miljoenen euro`s uitgegeven aan het bouwen van de nieuwe deeltjesversneller van CERN. Deze heeft als één van de belangrijkste taken het Higgs deeltje te vinden.

Zie ook: http://www.natuurkunde.nl/artikelen/view.do?supportId=267514

Vereniging der krachten

Naast experimentele onderbouwing ontbreekt er nóg iets aan het Standaardmodel. Deeltjes en krachten worden in het Standaardmodel beschreven, maar wat gebeurt er nou als er een kracht op een deeltje werkt? Voor drie krachten is dit wel precies bekend, maar voor de vierde en laatste kracht ontbreekt nog een complete theorie. Verrassend genoeg is deze kracht de zwaartekracht. Dit komt doordat de zwaartekracht heel zwak is. Bedenk wat er gebeurt als je met een magneet een spijker omhoog trekt, aan de ene kant trekt heel de aarde en aan de andere kant trekt een klein magneetje. Toch lukt het gemakkelijk om de spijker omhoog te trekken. De magnetische kracht is dus veel groter.

 

De theorie die álle krachten ‘verenigt’ zal bekend komen te staan als ‘allesomvattende theorie’

Er zijn veel kandidaten, de bekendste is de snaartheorie.

http://www.natuurkunde.nl/artikelen/view.do?supportId=669451

De snaartheorie is echter nog verre van af en kan helaas niet experimenteel worden bewezen in de nieuwe deeltjesversneller, daar is de deeltjesversneller te zwak voor. Een andere theorie die wél kan worden aangetoond in de nieuwe deeltjesversneller staat bekend als de Large Extra Dimension Theory. Als tijdens experimenten kleine zwarte gaten gaan ontstaan dan zal deze theorie een belangrijke kandidaat worden om de titel ‘allesomvattende theorie’ te krijgen.

Ultieme droom

Bestáát er überhaupt een allesomvattende theorie? De meningen onder natuurkundigen zijn verdeeld. Einstein heeft zijn hele leven aan zo`n theorie gewerkt. Toch is het hem niet gelukt zijn ultieme droom te verwezenlijken. De bekendste natuurkundige van deze tijd, Stephen Hawking, denkt: ‘Het is mogelijk dat er geen allesomvattende theorie is, of dat deze te moeilijk is om te begrijpen, de kans hierop acht ik echter klein.’

Is de snaartheorie de langgezochte allesomvattende theorie?

Één formule

Voorlopig zijn veel dingen onbekend. Is er een aller- allerkleinste deeltje? Hoeveel dimensies van ruimte en tijd zijn er? Waarom bestaan we überhaupt? Een allesomvattende theorie geeft antwoord op al deze vragen. Als in 2007 de nieuwe deeltjesversneller gaat draaien komen we ongetwijfeld meer te weten, maar niemand kan met zekerheid zeggen of het definitieve antwoord er ooit komt. Want laat de natuur zich wel vangen in één formule?

Links

Artikel standaardmodel

Atlas detector arriveert op CERN

Large extra dimensions [Engels]