Wat gebeurde er direct na de oerknal?

De geboorte van het heelal was het begin van het Planck-tijdperk. Dit tijdperk was de periode waarin de vier fundamentele natuurkrachten waarschijnlijk nog niet bestonden. Maar wat er precies gebeurde tijdens het Planck-tijdperk is nog steeds een groot wetenschappelijk mysterie. Wat is er mogelijk gebeurd in deze vroegste periode van het bestaan van het heelal?

Inhoud

• Planck-eenheden
• Verband tussen Planck-eenheden en het Planck-tijdperk
• Het probleem met de huidige theorieën
• Theoretische ideeën over het Planck-tijdperk

Planck-eenheden

Wat is een Plancklengte?

Er bestaan verschillende Planck-eenheden, waaronder de Plancklengte. Volgens de huidige stand van de wetenschap is de Plancklengte, ook wel de kwantumlengte genoemd, de kleinste zinvolle lengte die er is. Dat wil zeggen dat er geen processen bestaan die zich op een kleinere schaal dan de Plancklengte afspelen (een Plancklengte is de kleinst mogelijke afstand die er bestaat).

Wat is een Plancktijd?

Zo is er ook een zogenaamde Plancktijd. Dit is (volgens de huidige stand van de wetenschap) de kleinste betekenisvolle lengte van tijd (de kortst mogelijke tijd). Er kunnen dus geen zinnige uitspraken worden gedaan over processen die zich binnen een Planctijd afspelen.

Verband tussen Planck-eenheden en het Planck-tijdperk

Het Heelal is momenteel groter dan het in het verleden was. Hoe verder men teruggaat in de tijd, hoe kleiner het Universum wordt. In de buurt van het begin van de tijd (en het Heelal), begint de grootte van het Universum naar nul te naderen, terwijl zowel de temperatuur als dichtheid, juist naar oneindig begint te naderen.

De omvang van het Universum was tot ongeveer 10^-44 seconden na haar ontstaan, kleiner dan de Plancklengte. Dit betekent dat de huidige wetenschappelijke modellen niet geldig waren gedurende deze 10^-44 seconden (eigenlijk wordt er niet eens vanuit gegaan dat er iets kán bestaan dat kleiner is dan één Plancklengte). Dit wordt ook wel het Planck-tijdperk genoemd, en het lijkt erop dat de vier fundamentele natuurkrachten rond deze tijd zijn ontstaan. Ze waren echter nog niet waarneembaar als vier aparte krachten, maar waren verenigt in één fundamentele Oerkracht.

Het probleem met de huidige theorieën

Alle krachten in het Universum volgen uit vier fundamentele natuurkrachten, dit zijn:

De sterke kernkracht

Dit is de kracht die de quarks binnen een nucleon of meson bij elkaar houdt, en de neutronen en protonen samenhoudt in een atoomkern. De drager van deze kracht is het zogenaamde gluon.

De elektromagnetische kracht

De kracht die op elektrisch geladen deeltjes inwerkt. Het foton is het deeltje dat deze kracht overdraagt.

De zwakke kernkracht

Deze kracht is verantwoordelijk voor radioactiviteit, een afstotende interactie op korte afstand tussen elektronen, neutrino's en quarks. De kracht heeft twee dragers; het W-boson en het Z-boson.

De zwaartekracht

Dit is verreweg de zwakste fundamentele natuurkracht. De zwaartekracht werkt echter wel op alle bekende deeltjes, en is altijd aantrekkend van aard. Het is momenteel niet bekend welk deeltje de drager is van deze kracht, maar de meest waarschijnlijke kandidaat hiervoor is het hypotetische graviton.

De eerste drie fundamentele natuurkrachten worden beschreven door het standaardmodel, een kwantummechanische veldentheorie. De zwaartekracht wordt echter door een andere theorie beschreven: de relativiteitstheorie. Het is op dit moment niet mogelijk om alle vier de krachten in één enkele theorie te verenigen (een theorie voor kwantumzwaartekracht). Zo'n theorie is namelijk nodig wanneer men voorspellingen wil doen over gebeurtenissen waarbij zowel de relativiteitstheorie, als het standaardmodel van toepassing zijn.

Dit komt voor wanneer er sprake is van extreem grote zwaartekrachtsvelden (waarvoor de relativiteitstheorie wordt gebruikt) op een zeer kleine schaal (waarvoor het standaardmodel gebruikt wordt), zoals bijvoorbeeld in de kern van een zwart gat. Er ontstaat in dergelijke situaties een conflict tussen beide modellen, waardoor er geen zinvolle uitkomsten zijn.

Dit is de reden er over het Planck-tijdperk bijna niets bekend is. Er was in deze periode sprake van extreem grote zwaartekrachtsvelden (omdat alle energie in het Universum geconcentreerd was in een klein volume), die zich op kleine schaal afspeelde.

Theoretische ideeën over het Planck-tijdperk

Zoals hiervoor al is uitgelegd, is om te kunnen voorspellen wat er tijdens het Planck-tijdperk is gebeurd, een theorie nodig die de fundamentele natuurkrachten unificeert (een theorie voor kwantumzwaartekracht). De zogenaamde supersymmetrie is op dit moment een veelbelovende kandidaat voor het verenigen van de relativiteitstheorie en de kwantummechanica. Als deze theorie correct is, waren de vier fundamentele natuurkrachten gedurende het Planck-tijdperk allemaal even sterk, en mogelijk geünificeerd in één kracht; de fundamentele oerkracht.

De staat van het Heelal was tijdens deze periode vanwege de extreme omstandigheden namelijk niet stabiel, wat er (volgens de supersymmetrie) toe heeft geleid dat de vier fundamentele natuurkrachten zijn ontstaan uit de fundamentele oerkracht. Dit proces wordt symmetriebreking genoemd, en wordt nog niet goed begrepen door de wetenschap. Doorbraken binnen de supersymmetrie, en ook andere theorieën (waaronder de snaartheorie en de loop-kwantumzwaartekracht), zullen hopelijk meer duidelijkheid scheppen over het Planck-tijdperk: het tijdperk waarin de meest fundamentele krachten in het Heelal werden geboren.