Natuurkunde

De theorie van alles: snaartheorie

De Newtoniaanse mechanica

Newton in 1689 als 46-jarige door Godfrey Kneller, mogelijk een geïdealiseerd en geromantiseerd portret.[1]

Isaac Newton, Foto Wikipedia.be

Newton is in de natuurkunde bekend geraakt omwille van de beschrijving van de fysisiche wereld zoals wij die als mensen ervaren.

Zijn drie beroemde wetten luiden als volgt:

  • Eerste wet: traagheid of inertie: als er geen netto kracht werkt blijft een voorwerp volharden in zijn bewegingstoestand, namelijk hetzij eenparig rechtlijnige beweging of stilstand.

  • Tweede wet: hoofdwet van de mechanica: {\displaystyle {\vec {F}}={\frac {d{\vec {p}}}{dt}}\,=\,{\frac {d}{dt}}(m{\vec {v}})\,=\,{\vec {v}}\,{\frac {dm}{dt}}+m\,{\frac {d{\vec {v}}}{dt}}}.

  • Derde wet: actie en reactie: Als een voorwerp A een kracht uitoefent op een voorwerp B, dan oefent voorwerp B een even grote, gelijktijdige en tegengesteld gerichte kracht uit op A.

Elektrodynamica en de Speciale Relativiteit

James Clerk Maxwell big.jpg

James Clerk Maxwell, Foto Wikipedia.be

Het Elektromagnetisme beschrijft de wisselwerking tussen het elektrisch en magnetisch veld. Deze wisselwerking wordt samengevat in de Maxwell-vergelijkingen:

 

 

 

 

 

De Speciale Relativiteitstheorie is een natuurkundige theorie gepubliceerd door Albert Einstein in 1905. De theorie gaat ervan uit dat het bij waarnemers in inertiaalstelsels die ten opzichte van elkaar een eenparige beweging uitvoeren betekenisloos zou zijn om te stellen dat de een "absolute beweging" uitvoert en de ander stilstaat, omdat dit niet te onderscheiden is van het omgekeerde. De theorie heeft als postulaat dat de lichtsnelheid in vacuüm hetzelfde is voor alle waarnemers die met constante snelheid bewegen. (bron: wikipedia.be)

De Kwantumfysica

Erwin Schrödinger (1933).jpg

Erwin Schrödinger, Foto Wikipedia.be

Wanneer je fysische verschijnselen gaat bestuderen op een zéér klein niveau (atomair en kleiner) kom je tot de vaststelling dat de theorie van Newton hier niet goed in past. Het is noodzakelijk om hiervoor een nieuwe theorie in het leven te roepen: de Kwantummechanica. Deze theorie wordt beschreven aan de hand van de Schrödinger vergelijking:

Belangrijke standpunten in de kwantummechanica zijn:

  • Golf/deeltje-dualiteit: deeltjes kunnen zich gedragen als een golf of een deeltje, al naargelang het experiment.
     
  • De energie van een deeltje kan slechts bepaalde discrete waarden (kwanta) aannemen (vandaar de naam van deze theorie).
     
  • Zelfs als een experiment in dezelfde omstandigheden wordt uitgevoerd, kan het resultaat verschilllend zijn. Het enige wat we kunnen voorspellen is de kans dat een bepaald resultaat zich zal voordoen.
     
  • In de kwantummechanica kan je de positie en de impuls van een deeltje nooit tegelijk exact bepalen. Hoe nauwkeuriger de ene meting hoe onnauwkeuriger de andere. Dit is een voorbeeld van de onzekerheidsrelatie van Heisenberg.

Algemene Relativiteit

Afbeeldingsresultaat voor albert einstein

Albert Einstein, Foto Wikipedia.be

De algemene relativiteitstheorie veralgemeent de speciale relativiteitstheorie en de gravitatiewet van Newton. Zij geeft een verenigde beschrijving van de zwaartekracht als een meetkundige eigenschap van ruimte en tijd (ook wel ruimtetijd). De relatie wordt gespecificeerd door de einstein-vergelijkingen, een systeem van partiële differentiaalvergelijkingen. Veel voorspellingen van de algemene relativiteitstheorie verschillen aanzienlijk van die van de klassieke natuurkunde, met name die met betrekking tot de passage van tijd, de meetkunde van de ruimte, de beweging van lichamen in vrije val en de voortplanting van het licht. Voorbeelden van dergelijke verschillen zijn onder andere de gravitationele tijdsdilatatie, de gravitationele roodverschuiving van het licht en de gravitationele tijdsvertraging.

(Bron: wikipedia.be)

Kwantumveldentheorie

Paul Dirac (ca. 1930)

Paul Dirac, Foto Wikipedia.be

Kwantumveldentheorie heb ik in mijn opleiding zelf nooit gehad. Wat ik er wel over weet is dat het een theorie is die de kwantummechanica en de speciale relativiteit probeert te verzoenen, een soort overkoepelende theorie dus. Een belangrijke figuur in deze theorie is Paul Dirac.

Snaartheorie

Dé theorie bij uitstek op dit moment in de theoretische natuurkunde is de Snaartheorie. Deze theorie probeert alle bovenstaande theorieën samen te voegen binnen één allesbeschrijvende theorie. Mijn doel is om mij ooit verder te verdiepen in deze materie maar daarom moet ik eerst goed weten hoe kwantumveldentheorie in elkaar zit, ik heb dus nog heel wat werk voor de boeg! smiley

Bron: Snaartheorie, zwarte gaten en kosmologie, Ben Craps (VUB).