Welk invloed heeft planckstemperatuur op de tijd?

Gunther, 20 jaar
31 augustus 2018

Direct na het ontstaan van het universum was het zo warm dat atomen nog niet konden gevormd worden en de wetten van de hedendaagse fysica nog niet werkten. Maar welke invloed heeft dit in functie van de tijd? Zondere deze wetten zou tijd toch niet bestaan?

Antwoord

Om atomen (kernen met daarrond elektronen) te vormen, moet de temperatuur in die mate gedaald zijn dat elektronen vast verbonden blijven aan hun atoomkern.  Dan spreken we van temperaturen van duizenden Kelvin.  Voor het meest voorkomende atoom (waterstof) was die toestand bereikt ongeveer 400 duizend jaar na de oerknal.

Maar waarop u alludeert (in de context tenminste) lijkt meer te maken hebben met het ontstaan van de eerste atoomkernen.  In atoomkernen zijn de protonen en neutronen vaster verbonden dan de elektronen in atomen, en is er een veel hogere temperatuur (eerder van de orde van miljarden Kelvin) nodig om ze uiteen te krijgen.  Die temperatuur was deze ongeveer 10 sekonden na de oerknal: voorheen konden protonen en neutronen niet binden zonder direct weer ontbonden te worden, nadien liepen ze geen gevaar meer.

Tien sekonden is echt heel lang ten opzichte van de tijdschaal waar onze hedendaagse fysica tekortschiet, namelijk de Planck tijd, van de orde van 5 maal 10^(-44) sekonde.  De verhouding van beide tijdschalen is immens, van de orde van 10^45.  Anderzijds vinden wij 10 sekonden kort, en dat is de reden waarom u er een probleem van maakt.

Wanneer ik hierover doceer aan mijn studenten, verwijs ik naar een kookboek van mijn grootmoeder, gedateerd 1933.  Daarin staat dat een hard gekookt ei 7 minuten moet koken.  Wanneer ik aan mijn studenten vraag of we daar nu iets moet aan toevoegen omdat het heelal sindsdien is afgekoeld, schieten ze spontaan in een lach.  Nochtans, die 85 jaar gedeeld door de 14 miljard jaar dat het heelal oud is (7 maal 10^-9 dus) is aanzienlijk meer dan de verhouding van de interactietijd tussen protonen en neutronen (minder dan 10^-10 sekonden) en de 10 sekonden dat het heelal toen oud was.  Voor de protonen en neutronen was het heelal toen al veel ouder dan voor ons het kookboek vandaag.  De crux is dus dat de reacties gebeuren op een veel kortere tijdschaal dan de evolutie van het heelal, en dat we dus van een lokaal evenwicht met een lokale temperatuur kunnen spreken, waarin we perfect de 'hedendaagse fysica' kunnen toepassen.  En dat de resultaten van die berekeningen blijken te kloppen met de experimentele gegevens, maakt ons uiteraard niet ongelukkig.

Daarmee heb ik eigenlijk uw vraag nog niet beantwoord, want eigenlijk begrijp ik ze niet, en u wellicht ook niet.  Ik vermoed enige verwarring tussen twee begrippen: 1. de Planck-temperatuur, zijnde de temperatuur die overeenkomt met de energiedichtheid waarboven onze ('hedendaagse') fysica tekortschiet.  Die zegt ons dus dat we niet goed weten wat (en of?) het universum was voor de Planck-tijd, maar zoals eerder aangehaald was dat niet het probleem van de protonen en neutronen na 10 sekonden; 2. de temperatuur van de straling in het heelal, die afneemt sinds de oerknal, en die gegeven wordt door de waargenomen kosmologische achtergrondstraling die een thermische curve beschrijft volgens de stralingswet van Planck.  Het is via deze straling dat we de kosmische temperatuur vandaag kennen, en via onze modellen (die experimenteel goed geverifieerd zijn) kunnen we nagaan hoe deze temperatuur was gedurende de vroegere fasen van het heelal.

Reacties op dit antwoord

Er zijn nog geen reacties op deze vraag.

Enkel de vraagsteller en de wetenschapper kunnen reageren op een antwoord.

Zoek andere vragen

© 2008-2018
Ik heb een vraag wordt gecoördineerd door het
Koninklijk Belgisch Instituut voor Natuurwetenschappen