Wat is de relatie tussen deeltjesfysica en kosmologie?
Er is een intieme relatie tussen de velden van de deeltjesfysica en de kosmologie, die worden geïllustreerd door een lange rij fysici die tegelijkertijd in beide werken: Albert Einstein, Stephen Hawking, Kip Thorne en vele anderen. Kosmologie is de studie van het universum en zijn structuur, terwijl deeltjesfysica de studie is van fundamentele deeltjes zoals quarks en fotonen, de kleinst bekende objecten. Hoewel ze in eerste instantie misschien zo onverbonden lijken als alles, maar kosmologie en deeltjesfysica zijn in feite nauw met elkaar verbonden.
In tegenstelling tot de complexe systemen op aarde, die veel worden beschreven met verklaringen op een hoger niveau in plaats van eigenschappen die uit de laagste niveaus komen, zijn intergalactische en kosmologische fenomenen relatief eenvoudiger. In de grote afstanden van de ruimte heeft bijvoorbeeld slechts een van de vier natuurkrachten enige echte invloed: zwaartekracht. Hoewel sterren en sterrenstelsels ver weg zijn en vele malen groter zijn dan wijzelf, hebben we een opmerkelijk nauwkeurig beeld van hoe ze werken, afgeleid van fundamentele fysische wetten die hun samenstellende deeltjes sturen.
Het domein van de kosmologie dat het nauwst verbonden is met deeltjesfysica is de studie van de oerknal, de gigantische explosie die alle materie in het universum heeft gecreëerd en de ruimtetijd waaruit het universum zelf is samengesteld. De oerknal begon als een punt van bijna oneindige dichtheid en nul volume: een singulariteit. Vervolgens breidde het zich snel uit tot de grootte van een atoomkern, waar deeltjesfysica een rol speelt. Om te begrijpen hoe de vroegste momenten van de oerknal het universum hebben beïnvloed zoals het nu is, moeten we wat we weten over deeltjesfysica gebruiken om plausibele kosmologische modellen te maken.
Een van de motivaties voor het creëren van steeds krachtigere deeltjesversnellers is om experimenten uit te voeren die de fysieke omstandigheden zo vroeg mogelijk in de geschiedenis van het universum simuleren, toen alles erg compact en heet was. Kosmologen moeten goed thuis zijn in de deeltjesfysica om een significante bijdrage aan het veld te leveren.
Een andere sleutel tot het begrijpen van de relatie tussen deeltjesfysica en kosmologie is om te kijken naar de studie van zwarte gaten. De fysieke eigenschappen van zwarte gaten zijn relevant voor de toekomst van de kosmos op lange termijn. Zwarte gaten zijn ingestorte sterren met zo'n enorme zwaartekracht dat zelfs licht niet kan ontsnappen. Een tijd lang werd gedacht dat zwarte gaten geen straling uitzonden en voor eeuwig een paradox voor natuurkundigen zouden zijn geweest. Maar Stephen Hawking theoretiseerde, op basis van inzichten uit de deeltjesfysica, dat zwarte gaten inderdaad straling uitzenden, die daarna Hawking-straling werd genoemd.
Deeltjesfysica is ook zeer relevant voor onderzoek naar donkere materie, onzichtbare materie waarvan het bestaan bekend is vanwege zijn zwaartekracht op zichtbare materie, en donkere energie, een mysterieuze kracht die het universum doordringt en ervoor zorgt dat zijn expansie versnelt. Dit zijn centrale vragen in de moderne kosmologie.