George Smoot over het ontwerp van het heelal

Laat ik eens bedenken hoe ik uw perspectief op de wereld een beetje kan bijstellen, en jullie enkele ontwerpen uit de natuur laten zien. Dit mijn eerste dia om te praten over de dageraad van het universum en wat ik noem the Cosmische Scene Investigation, dat betekent, we kijken naar de restanten van de schepping en leiden daaruit af wat er in het begin gebeurde, en we kijken dan naar het vervolg en proberen dat te begrijpen.

En dus is één van de vragen die ik jullie stel, als je rondkijkt, wat zie je dan? Nou, je ziet deze zaal die is gemaakt door ontwerpers en door werklui, maar wat je eigenlijk ziet is heel veel materiaal dat hier al was, en dat is opnieuw gestructureerd tot een bepaalde vorm. En dus is de vraag: hoe kwam dat materiaal hier terecht? Hoe kreeg het de vorm die het had voordat het opnieuw gestructureerd was, enzovoorts? Het is de vraag van wat de continue factor is? Dus één van de dingen waar ik naar kijk is, hoe is het heelal begonnen en gevormd? Wat was het hele proces in de creatie en evolutie van het heelal tot we aankomen bij het punt waar we deze soorten materiaal hebben?

Dat is het eerste deel, laat me verder gaan om jullie de Hubble Ultra Deep Field te laten zien. Als je naar dit plaatje kijkt, dan zullen jullie er een heleboel donkere en enkele lichte objecten in zien. Vier van deze lichte objecten zijn sterren, en die kun je hier zien -- kleine plusjes. Dit is een ster, dit is een ster, de rest is een sterrenstelsel, OK? Daar heb je een stuk of duizend sterrenstelsels die je hier gemakkelijk met eigen ogen kan zien. En als je in het bijzonder kijkt naar dit sterrenstelsel, dat erg lijkt op het onze, dan vraag ik me af of daar ergens een kunst- en ontwerpconferentie gaande is, en intelligente wezens nadenken over, weet je, welke ontwerpen ze zullen maken, en er zouden een paar kosmologen kunnen zijn die proberen te begrijpen waar het universum zelf vandaan kwam, en er zouden er zelfs een paar in dat sterrenstelsel kunnen zijn die naar het onze kijken en die proberen te bedenken wat daar gaande is.

Maar er zijn heel veel andere sterrenstelsels, en sommige zijn dichtbij, en die hebben een beetje de kleur van de zon, en sommige zijn verder weg en die zijn een beetje blauwer, enzovoorts. Maar één van de vragen is -- althans dat zou het voor jullie moeten zijn -- hoe komt het dat er zoveel sterrenstelsels zijn? Want dit vertegenwoordigt een heel schoon stukje hemel. Dit zijn maar 1.000 sterrenstelsels. We denken dat er ongeveer -- waarneembaar voor de Hubble Ruimtetelescoop, als je de tijd had om hem rond te laten scannen -- zo'n 100 miljard sterrenstelsels zijn. Snapt u? Dat is een zeer groot aantal sterrenstelsels. En dat is ook ruwweg het aantal sterren in ons eigen melkwegstelsel.

Maar als je kijkt naar sommige van die regionen zoals deze, zul je meer sterrenstelsels dan sterren zien, dat is eigenlijk een tegenstrijdigheid. Dus zou de vraag bij jullie op moeten komen, wat voor soort ontwerp, weet u, wat voor soort creatief proces en wat voor soort ontwerp leidde tot een dergelijke wereld? En dan zal ik jullie laten zien dat het eigenlijk nog veel gecompliceerder is. Dat gaan we dan proberen te volgen. We hebben een gereedschap dat ons feitelijk helpt bij deze studie. En dat is het feit dat het heelal zo onvoorstelbaar groot is dat het in zekere zin een tijdmachine is. We tekenen deze set van concentrische halve bollen zodat jullie het kunnen zien. Plaats de Aarde in het centrum van de concentrische bollen. alleen maar omdat we daar onze observaties vandaan doen. De maan is slechts twee seconden verwijderd, dus als je een foto maakt van de maan en dat met gewoon licht, dan is dat de maan twee seconden geleden, wie kan dat iets schelen. Twee seconden dat is zo'n beetje het heden. De zon is acht minuten geleden. Dat stelt niet veel voor, toch, tenzij er een zonnevlam aankomt, dan wil je aan de kant kunnen gaan. Je zou graag een kleine waarschuwing vooraf hebben.

Maar ga je helemaal naar Jupiter dan ben je 40 minuten verwijderd. Dat is een probleem. Je hebt gehoord over Mars, het is een probleem om met Mars te communiceren omdat het voor licht lang duurt om daarheen te gaan. Maar als je kijkt naar de dichtstbijzijnde set sterren, naar de dichtstbijzijnde 40 of 50 sterren, is het ongeveer 10 jaar. Dus als je een foto maakt van wat er gebeurt, is dat 10 jaar geleden. Maar als je naar het centrum van het melkwegstelsel gaat kijken, is dat duizenden jaren geleden. Als je kijkt naar Andromeda, dat is het dichtstbijzijnde grote sterrenstelsel, dan is dat twee miljoen jaar geleden. Als je twee miljoen jaar geleden een foto van de Aarde nam, dan zou er geen enkel spoor van mensen zijn, want we denken dat er toen nog geen mensen waren. Ik bedoel, het geeft je een gevoel voor schaalgrootte. Met de Hubble Ruimtetelescoop kijken we naar honderden miljoenen jaren tot een miljard jaar geleden.

Maar als we in staat zijn om met een idee te komen om zelfs verder weg te kijken -- er zijn sommige dingen nog verder weg, en dat is wat ik deed in veel van mijn werk, de technieken ontwikkelen waarmee we zelfs verder terug in de tijd zouden kunnen kijken naar het tijdperk ver voordat er sterren en sterrenstelsels waren, terug naar de tijd dat het heelal heet, heel dicht en heel anders was. En dus is dat de soort van volgorde, en ik heb er hier een meer artistieke impressie van. Het sterrenstelsel hier in het midden is ons Melkwegstelsel, en daar omheen zijn de Hubble -- zeg maar de dichtbije soort sterrenstelsels, en daar is een bol die de verschillende tijden markeert. En daarachter zijn nog wat meer moderne sterrenstelsels.

Zie je het grote plaatje? Het begin van de tijd is grappig -- het zit aan de buitenkant, snapt u? En dan is er een deel van het heelal dat we niet kunnen zien want het heeft zo'n grote dichtheid en is zo heet, het licht kan niet ontsnappen. Het is net zoals je het binnenste van de zon niet kunt zien, dus heb je andere technieken nodig om te weten te komen wat zich binnen in de zon afspeelt. Je kunt de buitenrand van de zon zien, en bij het heelal is het net zo, en dat is wat je kunt zien. En dan zie je deze soort van afbeelding rond de buitenkant, en dat is de straling afkomstig van de Oerknal, en die is eigenlijk onvoorstelbaar uniform. Het heelal is bijna een perfecte bol, maar er zijn deze hele kleine variaties die we hier sterk overdreven laten zien. En van hier uit in de tijdsvolgorde die we zullen gaan van deze kleine variaties tot deze onregelmatige sterrenstelsels en eerste sterren naar deze meer geavanceerde sterrenstelsels, en

uiteindelijk het zonnestelsel, enzovoorts. Dat is een grote ontwerpklus, maar we zullen gaan zien hoe het verder gaat. De manier waarop deze metingen zijn gedaan, het is een set van satellieten geweest, en hier kun je het zien. Er was de COBE satelliet, die in 1989 gelanceerd is, en toen ontdekten we deze variaties En toen werd in 2000 de MAP satelliet werd gelanceerd -- de WMAP -- en die maakte wat betere foto's En later dit jaar -- dit is de coole stealth versie, degene die eigenlijk een paar prachtige ontwerpkenmerken heeft, die je moet zien -- de Planck satelliet zal worden gelanceerd, en die zal zeer-hoge-resolutiekaarten maken. En zo dringen we door tot bij het begin van het universum.

En we zagen de variaties, en die vertelden ons de geheimen over de structuur van de ruimtetijd, over de inhoud van het heelal en over hoe het heelal van start ging. We hebben dit tamelijk spectaculaire plaatje, en ik ga terug naar het begin, en daar treffen we een bepaald mysterieus proces aan dat het heelal opstart. We gaan door een periode van versnellende uitdijing, het heelal dijt uit en koelt af totdat het het punt bereikt waar het doorzichtig wordt, dan naar de Donkere Tijden, dan lichten de eerste sterren op, en die evolueren tot sterrenstelsels, die dan later de meer uitgebreide sterrenstelsels worden. Ergens rond deze periode begon ons zonnestelsel zich te vormen. En dat is tot op heden steeds volwassener geworden. Daar zie je enkele spectaculaire dingen. En dit deel van de prullenbak stelt de structuur van de ruimtetijd zelf voor gedurende die periode. Dit een aardig bizar model, niet? Wat voor bewijs hebben we hiervoor?

Laat me jullie nu enkele patronen uit de natuur zijn die daar het resultaat van zijn. Ik zie de ruimtetijd altijd als de echte ruimte, en de sterrenstelsels en de sterren zijn als schuim op de oceaan. Het zijn merktekens van waar de interessante golven zitten en van wat er verder is gebeurd. Hier is het Sloan Digitale Ruimte Onderzoek, dat de lokatie laat zien van een miljoen sterrenstelsels. Elke stip hier staat voor één sterrenstelsel. Ze richten een telescoop naar de hemel, nemen een foto, identificeren de sterren, gooien die weg en kijken alleen naar de sterrenstelsels, schatten hoe ver weg ze zijn, en plotten ze hierin. en dat doen ze radiaalsgewijs op die manier. De structuren worden zichtbaar, dit ding noemen we de Grote Muur, maar er zijn leegtes en zo, en die doven als het ware uit want de telescoop is niet gevoelig genoeg om daar waar te nemen.

Nu laat ik jullie dit zien in 3D. Wat er gebeurt is dat je foto's neemt terwijl de Aarde draait, je krijgt een soort waaier door de ruimte. Er zijn sommige plaatsen waar je niet kunt kijken vanwege ons eigen melkwegstelsel, of omdat er geen telescopen beschikbaar zijn om het te doen. Het volgende plaatje laat jullie de driedimensionale versie van dat ronddraaien zien. Zien jullie de waaierachtige scans die door de ruimte gemaakt zijn? Bedenk dat elk punt hier een sterrenstelsel is, je ziet de sterrenstelsels in onze buurt, en je ziet de structuur. Je ziet dit ding dat we de Grote Muur noemen, je ziet de complexiteit ervan en je ook deze leegtes. Er zijn plekken waar geen sterrenstelsels zijn en er zijn plaatsen waar er duizenden sterrenstelsels samengeklonterd zitten. Er is een interessant patroon, maar we hebben nog niet genoeg data om het patroon echt te zien. We hebben slechts een miljoen sterrenstelsels, niet? Er zijn daar een miljoen rondzwevende ballen maar hoe werkt dat? Er is een ander onderzoek van dezelfde aard, dat heet het Twee-graden Blikveld Sterrenstelsel Roodverschuiving Onderzoek.

Nu gaan we daar een razendsnelle rondvlucht door maken. Telkens als we een sterrenstelsel tegenkomen -- op die plaats zit er een -- en als we iets weten over dat sterrenstelsel, en dat doen we, want we kennen de roodverschuiving en zo, dan stop je er het type melkwegstel en de kleur in, en krijg je een reële representatie. En als je in het midden van de sterrenstelsels bent is het moeilijk om het patroon te zien; het is alsof je midden in het leven bent. Het is moeilijk om het patroon te zien in het midden van het publiek, het is moeilijk om hier het patroon van te zien. Dus gaat we eruit, draaien rond en kijken hiernaar terug. En je ziet, eerst, de structuur van het onderzoek, en dan begin je de structuren van de sterrenstelsels te zien die we daar zien. En opnieuw, kun je het uitgestrekte van deze Grote Muur van sterrenstelsels hier zien.

Maar je kunt de leegten zien, je kunt de gecompliceerde structuur zien, en je vraagt je af hoe dit ontstaan is? Veronderstel dat je een kosmische ontwerper bent. Hoe ga je daar dan sterrenstelsels in een dergelijk patroon plaatsen? Het is niet een kwestie van ze willekeurig rondstrooien. Er is daar een meer gecompliceerd proces gaande. Hoe krijg je uiteindelijk deze structuur? En nu zijn we dus toe aan een meer serieus spel. Dat betekent, we moeten nu serieus voor God gaan spelen, niet het leven van mensen veranderen, maar het heelal maken, nietwaar. Dus als dat je verantwoordelijkheid is, hoe ga je dat dan doen? Welke soort techniek gebruik je? Wat ga je doen?

Nu ga ik jullie het resultaat laten zien van een zeer grootschalige simulatie van hoe wij denken dat het heelal zou zijn, en gebruiken daarbij enkele van de spelprincipes en enkele van de ontwerpprincipes die, weet je, mensen met hard oefenen hebben geleerd, maar die de natuur schijnbaar vanaf het begin heeft gekend. En dat is, je begint met erg simpele ingrediënten en enkele simpele regels, maar je moet wel genoeg ingrediënten hebben om het gecompliceerd te maken. En dan stop je er enige willekeur in, en enkele fluctuaties en wat willekeur, en je maakt een heleboel verschillende voorstellingen.

Dus wat ik ga doen is jullie laten zien hoe de materie verspreid wordt als een functie van de schaal. We gaan inzoomen, maar dit is een tekening van wat dat is. En we moeten nog één ding toevoegen om het heelal er goed uit te laten komen. Dat heet donkere materie. Dat is materie die geen interactie heeft met licht zoals gewone materie dat wel doet. De manier waarop het licht op mij of het podium schijnt. Ze is transparant voor licht, maar om te zorgen dat jullie het zien, maken we ze wit. OK? Dus het spul in dit plaatje dat wit is, dat is de donkere materie. Het zou onzichtbare materie genoemd moeten worden. maar de donkere materie hebben we zichtbaar gemaakt. En het spul dat de gele kleur heeft, dat is de gewone soort materie, die sterren en sterrenstelsels heeft gevormd.

En nu laat ik jullie de volgende film zien. Dus deze -- we gaan inzoomen. Let op dit patroon en let goed op dit patroon. We gaan inzoomen en inzoomen. En je ziet hier al deze vezels en structuren en leegten. En als een aantal vezels samenkomt in een knoop, dan maakt dat een supercluster van sterrenstelsels. Deze waar we op inzoomen zit ergens tussen de 100.000 en het miljoen sterrenstelsels in dat kleine gebied. Dus wij wonen in de rimboe. We wonen niet in het centrum van het zonnestelsel, en we wonen niet in het centrum van het melkwegstelsel en ons melkwegstelsel is niet het centrum van het cluster.

Dus we zoomen in. Dit is een gebied dat waarschijnlijk zo'n 100.000 tot een miljoen sterrenstelsels bevat. We blijven inzoomen. OK. En ik vergat jullie over de schaal te vertellen. Een parsec is 3,26 lichtjaar. Dus een gigaparsec is drie miljard lichtjaar -- dat is de schaal. Dus licht heeft drie miljard jaar nodig om die afstand af te leggen. Nu zijn wij op een afstand zo'n beetje tussen hier en hier. Dat is de afstand tussen ons en Andromeda. Deze kleine spatjes die je hier ziet zijn sterrenstelsels.

Nu gaan we terug uitzoomen, en jullie kunnen deze structuur zien, die, als we er erg ver van weg gaan, er erg regelmatig uitziet, maar hij bestaat uit heel veel onregelmatige variaties. Dus het zijn simple bouwstenen. Er is een erg simpel fluïdum om mee te beginnen. Het bevat donkere materie, het bevat gewone materie, het bevat fotonen en het bevat neutrinos, die geen belangrijke rol spelen in de latere fasen van het heelal. En het is gewoon een simpel fluïdum dat, na verloop van tijd zich ontwikkelt tot deze gecompliceerde structuur. En nu weet je dat toen je dit plaatje voor het eerst zag, het niet zoveel voor je betekende. Hier kijk je dwars door één procent van het volume van het zichtbare heelal en je ziet miljarden sterrenstelsels en knooppunten, maar je realiseert je dat zij niet eens de hoofdstructuur zijn. Er is een raamwerk, dat is de donkere materie, de onzichtbare materie, die daar zit en die eigenlijk alles bij elkaar houdt.

Laten we er eens doorheen vliegen, en dan kun je zien hoeveel moeilijker het is als je ergens midden in zit, om het te begrijpen. Dus hier is hetzelfde eindresultaat. Je ziet een vezel, je ziet het witte gedeelte dat de onzichtbare materie voorstelt en het geel zijn de sterren of de sterrenstelsels die verschijnen. En we gaan rondvliegen en je ziet af en toe een paar vezels met elkaar kruisen, zo krijg je grote clusters van sterrenstelsels. En dan vliegen we naar waar die zeer grote cluster zit, en kun je zien hoe het eruitziet. En dus van binnen ziet het er niet erg gecompliceerd uit, toch? Het is pas als je het vanaf een enorme afstand bekijkt, en het onderzoekt dat je je realiseert dat het een erg ingewikkeld, gecompliceerd soort van ontwerp is, niet? En het heeft zich op de een of andere manier zo ontwikkeld.

Dus de vraag is, hoe moeilijk zou het zijn om dit in elkaar te zetten, toch? Hoe groot is het aannemersteam dat je nodig hebt om dit heelal te maken? Dat is de kwestie. En dus zijn we hier. Je ziet hoe de vezels -- je ziet hoe verschilende vezels samenkomen, die daardoor dit supercluster van sterrenstelsels maken. En je moet begrijpen, dit is niet hoe het er in het echt uit zou zien als je -- allereerst kun je niet zo snel reizen, alles zou vervormd zijn, maar dit maakt gebruik van simpele weergaven en grafische kunst. Dit is hoe, als je miljarden jaren de tijd nam om rond te reizen, het eruit zou zien. En als je onzichtbare materie ook zou kunnen zien.

De vraag is hoe je het heelal in elkaar zou kunnen zetten op een gemakkelijk manier? We gaan beginnen en realiseren ons dat het hele zichtbare heelal alles dat we kunnen zien in elke richting met de Hubble Ruimtetelescoop en andere instrumenten, ooit in een gebiedje zat dat kleiner was dan een atoom. Het begon met kleine quantummechanische fluctuaties, maar expandeerde met een enorme snelheid. En die fluctuaties werden opgerekt tot astronomische afmetingen, en die fluctuaties zijn uiteindelijk de dingen die we zien in de kosmische microgolf achtergrond. En toen hadden we een manier nodig om die fluctuaties sterrenstelsels te laten worden en clusters van sterrenstelsels en die structuren verder te ontwikkelen.

Nu ga ik jullie een kleinere simulatie laten zien. Deze simulatie werd gedurende een maand uitgevoerd op 1.000 processors om deze simpele zichtbare versie op te leveren. Dus ik ga jullie in het volgende plaatje er nu een laten zien die op een desktop in twee dagen kan worden uitgevoerd. Je begint met kleine fluctuaties toen het heelal op dit punt aankwam, nu vier keer kleiner, enzovoorts. Je begint deze netwerken te zien, dit kosmische web van structuren die zich vormen. Dit is een simpel model zonder gewone materie, alleen met de donkere materie. En je ziet hoe de donkere materie samenklontert, en de gewone materie daar gewoon achteraan gaat. Daar zie je het. In het begin is het erg uniform. De fluctuaties zijn 1 op 100.000. Er zijn een paar piekjes van 1 op 10.000 en na miljarden jaren, begint de zwaartekracht zijn werk te doen.

Hier is de dichtheid groter en die trekt het materiaal naarbinnen. Het trekt meer en meer materiaal aan. Maar de afstanden in het heelal zijn zo groot en de tijdschalen zijn zo groot dat het heel lang duurt voordat dit zich vormt. En het blijft zich vormen totdat het universum grofweg de helft van de grootte van vandaag heeft in termen van zijn expansie. En vanaf dat punt begint het heelal op mysterieuze wijze zijn expansie te versnellen en breekt het de formatie van structuren op grotere schaal af. We zien precies de structuren op de schaalgrootte die we kunnen zien, en dan ontstaan alleen die dingen die inmiddels zijn begonnen te ontstaan, en vandaar af gaat het verder door. We zijn in staat

om de simulatie uit te voeren, maar dit duurt twee dagen op een desktop. Je weet dat we 30 dagen op 1.000 processors nodig hebben om de soort simulatie te doen die ik eerder liet zien. Nu hebben we dus een idee hoe we serieus kunnen spelen, hoe we het heelal kunnen creëren door te beginnen met in feite minder dan een druppeltje materiaal, en zo alles te creëren wat we kunnen zien, in elke richting, snap je, van bijna niets -- althans van iets vreselijk nietigs, vreselijk kleins -- en het is bijna perfect, behalve dat er die kleine fluctuaties zijn van het niveau van 1 op 100.000 die in staat blijken om de interessante patronen en ontwerpen die we zien te maken, dat zijn de sterrenstelsels en sterren enzovoorts.

Dus we hebben een model, we kunnen het uitrekenen, en we kunnen het gebruiken om de ontwerpen te maken zoals wat wij denken dat het heelal er echt uitziet. En dat ontwerp gaat als het ware verder dan onze oorspronkelijke voorstelling ervan was. Dit hebben we dus 15 jaar geleden opgestart, met de Kosmische Achtergrond Explorer -- we maakten de kaart in de rechterbovenhoek, die ons eigenlijk liet zien dat er grootschalige fluctuaties waren, en eigenlijk fluctuaties op verschillende schalen. Je kunt dat zo'n beetje zien. Sindsdien hebben we de WMAP gehad, en die geeft ons eigenlijk een hogere hoekresolutie. We zien dezelfde grootschalige structuren, maar we zien ook additionele kleinschalige structuren. En rechtsonder is het alsof de satelliet ondersteboven gevallen is om de Aarde in kaart te brengen, de soort van kaart die we van de Aarde zouden hebben gekregen. Je kunt zien, nou ja, je kunt er eigenlijk al de belangrijke continenten uithalen, maar dat is het zo'n beetje.

Maar wat we hopen als we naar de Planck gaan, dan hebben we de resolutie die ongeveer vergelijkbaar is met de resolutie waarmee je de Aarde daar ziet, waarop je echt het gecompliceerde patroon kunt zien dat op de Aarde is. En je kunt ook vaststellen, vanwege de scherpe hoeken en de manier waarop de dingen samengaan, dat er enkele niet lineaire processen zijn. Geologie leidt tot deze effecten, door de platen over de Aarde te bewegen enzovoorts. Dat kun je aan die kaart alleen al zien. We willen het punt bereiken waarin we in de kaarten van het vroege heelal kunnen zien of er enige niet lineaire effecten zijn die beginnen te bewegen, te veranderen, en ons een hint geven over hoe ruimtetijd zelf is gecreëerd in het begin van de tijden. Dat is dus waar we vandaag de dag staan, en dat is hetgeen waarvan ik jullie iets wilde laten proeven. Het geeft jullie een andere kijk op hoe het ontwerp en al het andere eruitziet. Dank u. (Applaus)