Oerknal - Lecture 1
Download as PPTX, PDF0 likes701 views
Eerste college van het natuurkundedeel van het beta-gammavak "Van de Oerknal naar het leven".
Oerknal - Lecture 1
- 1. Van de Oerknal naar het leven (natuurkundedeel) Eerste college Marcel Vonk 3 februari 2014
- 2. Het programma Aan de hand van de geschiedenis van het heelal vormen we een breed beeld van de natuurkunde • • • • • Mechanica en speciale relativiteit Algemene relativiteit en kosmologie Quantummechanica Thermodynamica De ontwikkeling van het heelal 2/43
- 3. Het programma • Hoorcolleges (ma/di/do) o Syllabus o Presentaties op blackboard o Rekenwerk: op bord • Werkcolleges (di/do) o Opgaven in syllabus o Neem pen, papier en rekenmachine mee! • Practicum (vr) o Eén van de twee vrijdagen o Dagdeel practicum, dagdeel rondleiding 3/43
- 5. Mechanica en relativiteit Op het eerste gezicht ziet het heelal er onveranderlijk en onbegrensd uit. Het lijkt een logische conclusie dat het heelal statisch en oneindig is. 5/43
- 6. Mechanica en relativiteit Toch kunnen we vrij eenvoudig inzien dat dit niet het geval kan zijn. Newton (17e eeuw): een oneindig heelal is instabiel; stort in onder zijn eigen zwaartekracht. 6/43
- 7. Mechanica en relativiteit Toch kunnen we vrij eenvoudig inzien dat dit niet het geval kan zijn. Olbers (1823): in een oneindig heelal zou de hemel ’s nachts niet donker zijn. BORD 7/43
- 8. Mechanica en relativiteit Edwin Hubble ontdekte in 1929 dat ver gelegen sterrenstelsels van ons af bewegen. Hij maakte hiervoor gebruik van het bekende Doppler-effect. 8/43
- 9. Mechanica en relativiteit Hubble onderzocht het Doppler-effect in het spectrum van verre sterrenstelsels 9/43
- 10. Mechanica en relativiteit Hoe verder een stelsel weg staat, hoe sneller het van ons af beweegt. Tweemaal zo ver, tweemaal zo snel. 10/43
- 11. Mechanica en relativiteit Conclusie: alle materie in het heelal was op een bepaald moment in het verleden op dezelfde plek. Oerknal! 11/43
- 12. Mechanica en relativiteit We weten nu (2014) dat het heelal 13.798 0.037 miljard jaar oud is. 2012: 13.73 2013: 13.78 0.12 0.06 Licht van verder kan ons niet bereiken! 12/43
- 13. Mechanica en relativiteit Schokkende conclusie! Om die beter te begrijpen moeten we meer weten over ruimte en tijd. 13/43
- 15. Klassieke mechanica De drie wetten van Newton: 1. Een voorwerp waarop geen kracht werkt, beweegt met constante snelheid. 2. F = m·a 3. Actie = - reactie 15/43
- 16. Klassieke mechanica Overigens is het beter om F ma F dp dt te schrijven als BORD 16/43
- 17. Klassieke mechanica Wat leren deze wetten ons over ruimte en tijd? Ze zijn niet geldig in één coordinatenstelsel, maar in alle stelsels die met constante snelheid bewegen. Zulke stelsels heten inertiaalstelsels. 17/43
- 18. Klassieke mechanica Voor wet 1 en 3 is duidelijk dat ze in alle inertiaalstelsels gelden. Voor wet 2: BORD Dit relativiteitsprincipe blijkt voor alle natuurwetten te gelden, en is daarom een belangrijke richtlijn in de natuurkunde geworden. 18/43
- 19. Klassieke mechanica De coördinatentransformatie tussen twee inertiële waarnemers heet een Galileï-transformatie. Bijvoorbeeld: x' y' z' t' x ut y z t (Logische?) aanname: tijd is absoluut! 19/43
- 20. Klassieke mechanica Uit de Galileï-transformaties volgt ook dat afstanden absoluut zijn. BORD Dit lijkt allemaal heel vanzelfsprekend, maar het zijn precies deze aannames die niet helemaal juist blijken te zijn! 20/43
- 21. Klassieke mechanica Behoudswetten spelen een belangrijke rol in de natuurkunde. Uit de 3e wet wan Newton volgt bijvoorbeeld dat impuls behouden is: d ptot dt 0 BORD 21/43
- 23. Zwaartekracht en equivalentie Alle krachten die we kennen zijn manifestaties van vier fundamentele krachten. 23/43
- 24. Zwaartekracht en equivalentie De zwaartekracht is het zwakst, maar heeft alleen een aantrekkende werking. Op kosmologische schaal is de zwaartekracht daarom de dominante kracht! 24/43
- 25. Zwaartekracht en equivalentie Zwaartekrachtswet van Newton: F m1 m2 G 2 | r1 r2 | We willen een aantal belangrijke eigenschappen van deze wet noemen. 25/43
- 26. Zwaartekracht en equivalentie 1. Voor bolsymmetrische verdelingen hangt de zwaartekracht alleen af van de massa binnen de bol: F = F 26/43
- 27. Zwaartekracht en equivalentie 2. In de 2e wet van Newton en de zwaartekrachtswet staan dezelfde massa! F ma F m1 m2 G 2 | r1 r2 | Equivalentieprincipe: trage massa is gelijk aan zware massa. 27/43
- 29. Arbeid en energie Krachten verrichten arbeid: W F s Fx sx Fy s y Fz sz Inproduct: alleen de component van de kracht in de richting van de beweging telt mee. BORD 29/43
- 30. Arbeid en energie Kinetische energie: Ekin 1 2 mv 2 Arbeid leidt tot een verandering in kinetische energie: W Ekin, f Ekin,i BORD 30/43
- 31. Arbeid en energie Alle fundamentele krachten volgen uit een potentiaal: F d V ( s) ds Gevolg: W Vi V f BORD BORD 31/43
- 32. Arbeid en energie W Vi V f W Ekin, f Ekin,i Gevolg: totale energie is behouden: Ekin, f V f Ekin,i Vi Ook dit blijkt een algemeen geldende BORD natuurwet. 32/43
- 34. Lichtsnelheid en relativiteit Galileï-transformatie: x' t' x ut t Snelheden kunnen we dus optellen: v' v u Er zou geen maximumsnelheid moeten zijn 34/43
- 35. Lichtsnelheid en relativiteit v' v u • Geen maximumsnelheid, • Snelheden tellen “gewoon” op, • Elke snelheid is haalbaar. Al deze conclusies blijken onjuist! 35/43
- 36. Lichtsnelheid en relativiteit Michelson en Morley lieten in 1887 zien dat de lichtsnelheid voor elke waarnemer hetzelfde is. (c=300.000 km/s) v' v u 36/43
- 37. Lichtsnelheid en relativiteit De Galileï-transformaties gelden dus niet voor experimenten met licht. Licht is een golf in het elektromagnitische veld, en voldoet aan de Maxwellvergelijkingen. 37/43
- 38. Lichtsnelheid en relativiteit De Maxwellvergelijkingen zijn niet invariant onder Galileïtransformaties, maar wel onder Lorentztransformaties: x' y' z' t' x ut 1 u2 / c2 y z t u x / c2 1 u2 / c2 38/43
- 39. Lichtsnelheid en relativiteit x' y' z' t' x ut 2 2 1 u /c y z t u x / c2 1 u2 / c2 x' y' z' t' x ut y z t • Tijd is afhankelijk van waarnemer! • Zelfde als u<<c BORD 39/43
- 40. Lichtsnelheid en relativiteit Het idee van Einstein was: • Behoud het relativiteitsprincipe • Houd de lichtsnelheid constant • Vervang de Galileï-transformaties door Lorentz-transformaties. Relativiteitstheorie! 40/43
- 41. Lichtsnelheid en relativiteit Gevolg 1: gelijktijdigheid bestaat niet meer! x' t' x ut 1 u2 / c2 t u x / c2 1 u2 / c2 (x1,t) en (x2,t) hebben verschillende tijdcoördinaten t’ in het nieuwe frame. 41/43
- 42. Lichtsnelheid en relativiteit Een andere manier om in te zien dat gelijktijdigheid niet meer bestaat is het tekenen van een Minkowski-diagram. BORD 42/43
- 43. Van de oerknal naar het leven Tweede college: Dinsdag 11:00-13:00 C0.05 43/43