Ptolemeusza - Uniwersytet ŚlÄ ski

Historia najważniejszych idei wfizyceWykład 10„BUDOWA WSZECHŚWIATA”(od Ptolemeusza po ciemną energię)„Człowiek zajmujący się nauką nigdy niezrozumie, dlaczego miałby wierzyć w pewneopinie tylko dlatego, że znajdują się one wjakiejś książce. (...) Nigdy również nie uznaswych własnych wyników za prawdęostateczną”.A.Einstein w liście do J.Lee,1945Marek ZrałekZakład Teorii Pola i Cząstek ElementarnychInstytut FizykiUniwersytet ŚląskiKatowice, 2004

CO WIEMY O OTACZAJĄCYM NAS WSZECHŚWIECIEKlaudiusz Ptolemeusz (100 - 168 n.e.),Mikołaj Kopernik (1473 - 1543),Izaak Newton (1643 - 1727),(system geocentryczny)(system heliocentryczny)Albert Einstein (1879 - 1955) oraz Friedman,Edwin Powell Hubble (1889 – 1953),(pierwszy model kosmologiczny)(Ogólna Teoria Względności, równanie Friedmana)(rozszerzający się Wszechświat, prawo Hubbla)George Anthony Gamow (1904 – 1968) oraz Alpher i Herman,(pierwsza teoria nukleosyntezy)Arno Penzias (ur. 1933) oraz Robert Wilson (ur. 1936),(kosmiczne promieniowanie tła)KOSMOLOGICZNY MODEL STANDARDOWY

Wyobrażenia świataModele kosmologiczne były odbiciem koncepcji religijnychlub filozoficznychKlaudiusz Ptolemeusz100-168n.e.W systemiePtolemeuszaw centrumWszechświataznajduje się Ziemia.Jest to koncepcjaGeocentryczna.Mikołaj Kopernik1473-1543W systemieKopernikaw centrumWszechświataznajduje się Słońce.Jest to koncepcjaHeliocentryczna.

„Rewolucja newtonowska”Izaak Newton1643 - 1727• Newtonowi zawdzięczamy trzyodstawowe zasady dynamiki i prawociążenia, dzięki którym wszystkiezjawiska fizyczne na Ziemi i niebiedawały się przewidzieć , uporządkowaći uzasadnić zasadą przyczynowości.• Przeprowadził szereg dokładnychdoświadczeń i odkrył, że zwykłe białeświatło jest mieszaniną wszystkich barwtęczy.• Przeprowadził staranną analizękonsekwencji praw odbicia i załamaniaświatła.• Korzystając z prawa załamania i odbiciaświatła zaprojektował i zbudowałpierwszy teleskop zwierciadlany.•Ponadto odkrył rachunek różniczkowy icałkowy co jest jego największymwkładem do matematyki.

Nauka XX wiekuAlbert Einstein1879-1955•Teorie Alberta Einsteina są źródłemdwudziestowiecznej fizyki.•Szczególna teoria względnościsformułowana w 1905 roku jestnieodzowna aby zrozumieć oddziaływaniacząstek elementarnych.•Ogólna teoria względności, którapowstała 10 lat później otworzyła drogę donowoczesnej kosmologii.•Artykuł na temat ruchów Brownadowodził istnienia cząsteczek, nadaljeszcze kwestionowanych w pewnychkręgach naukowych.•Praca na temat kwantów udowadniała, żeświatło to strumień cząstek. Hipotezakwantów pozwoliła Einsteinowi wyjaśnićzjawisko fotoelektryczne, za co w 1921 rokuotrzymał Nagrodę Nobla

ModelekosmologiczneAleksander Friedman1888 - 1925Scenariusze ewolucji Wszechświatawynikające z równania Friedmana•Na podstawie ogólnej teoriiwzględności otrzymał matematycznymodel Wszechświata , który ewoluuje

Edwin Hubble1889-1953Nowoczesna Kosmologia•Korzystając z największego wówczasteleskopu, przygotował grunt donowoczesnej kosmologii.•W 1948 roku uruchomił olbrzymipięciometrowy teleskop Caltech na MountPalomar.•Mierząc jasność galaktyk wykazał,że im dalej znajduje się galaktykatym większa jest jej „pozorna prędkość”.Z obserwacji tych pochodzi „PrawoHubble’a” wyrażające zależność prędkościgalaktyki (V) od jej odległości (d): V = Hd,gdzie H jest stałą Hubble’a.•Upamiętnia go satelita w przestrzenikosmicznejKosmiczny Teleskop Hubble’a –wyniesiony na orbitę w 1990roku, którysięga w kosmos dalej niż jakikolwiekinstrument na Ziemi.

Koncepcja kreacji Wszechświata„Big Bang”George Gamow1904-1968Gamow przyjął, że wszechświat„narodził się” jakoniewyobrażalnie gorący obiekt,z którego podczas ekspansjinajpierw powstały składnikiatomów, potem najlżejsze atomy:atomy wodoru i helu.Opublikował on swoje pracew 1948 roku, a przeciwnicy tegomodelu, starając się goośmieszyć, rozpowszechnilinazwę:„BIG BANG”(Wielki Wybuch)

Kosmiczne promieniowanie reliktoweW roku 1964 pracownicy Laboratoriów Bella w USA, badając szumyzakłócające pracę anten radiowych, odkryli przypadkowo istnienie wprzestrzeni promieniowania elektromagnetycznego o średniej długości faliokoło 0.1cm. Okazało się, że jest ono emitowane izotropowo, z każdegokierunku odbioru, pory dnia ani pory roku, mimo, że Ziemia obraca sięwokół swej osi i krąży dookoła Słońca, musiał więc pochodzić spoza UkładuSłonecznego, a nawet spoza naszej Galaktyki, gdyż inaczej zmieniałby sięwraz ze zmianą kierunku osi Ziemi.Arno Penzias (z lewej)i Robert Wilson przedanteną w Holmdelw stanie New Jersey, zapomocą którejprzypadkowo odkrylimikrofalowepromieniowanie tła.

Zasada kosmologicznaMiejsce we Wszechświecie, w którym się znajdujemy nie jest pod żadnymwzględem wyróżnione. Wszechświat wygląda tak samo niezależnie od tegokim jesteśmy i gdzie się znajdujemy.Jak wiemy przez większą część swych dziejów człowiek przyjmował, że zajmujemyszczególne miejsce we Wszechświecie.Arystoteles, Ptolemeusz --- Ziemia leży w centrum kosmosu,Mikołaj Kopernik --- Ziemia kreci się wokół Słońca, które znajduje się w centrum Wszechświata (o tymwiedzieli już niektórzy starożytni Grecy),Izaak Newton ( po pomiarach Tycho Brahe, i sformułowaniu przez Johannesa Kepler trzech prawruchu planet) stworzył prawo grawitacji opisujące ruch planet wokół Słońca. Sądził jednak, że wszystkiegwiazdy widoczne w nocy na niebie są statycznie rozmieszczonymi słońcami. Znacznie późniejuświadomiono sobie, że taka statyczna konfiguracja nie może być stabilna,W ciągu następnych 200 lat zdano sobie sprawę, że pobliskie gwiazdy nie są równomiernierozmieszczone, tworzą skupisko w formie dysku (Droga Mleczna),William Herschel (pod koniec XVIII wieku) potrafił już wyznaczyć strukturę dysku, ale niezbytdokładnie i dalej sądził, że Układ Słoneczny znajduje się w środku dysku,Dopiero Harlow Shapley na początku XX wieku stwierdził, że znajdujemy się w odległości 2/3promienia od środka Galaktyki. Ale i on sądził że Droga Mleczna leży w centrum Wszechświata,Dopiero w 1952 roku Walter Baade wykazał, że Droga Mleczna to dość typowa galaktyka

Informacje o Wszechświecie pochodzą z obserwacji :------ fal radiowych,------ mikrofal, Prowadzimy obserwacje:------ podczerwieni, teleskopy naziemne,------ światła widzialnego, teleskopy na pokładach satelitów------ ultrafioletu,------ promieni rentgenowskich,------ promieni g,------ neutrin,------ promieni kosmicznych (głównie protony)Cząstki, które obserwujemy (fotony, protony, neutrina), są wysyłane przez gwiazdyi zachodzące tam procesy syntezy jądrowej albo też przez tzw. wybuchysupernowych.MASY30Słońce jest typową gwiazdą o masie 2 ⊗ 10 kg ale są gwiazdy wielokrotniebardziej masywne . Masy gwiazd zawierają się mniej więcej pomiędzy 1/10 dodziesiątek mas słońca.

Znajdujmy się w Grupie Lokalnej o rozmiarach ---- 1.5 Mpc,najbliższe nam galaktyki to:Wielki Obłok Magelana ---- 50 kpc od DM,Wielka Mgławica w Andromedzie ---- 770 kpc od DM.Na odległościach rzędu 100 Mps dostrzegamy wielkoskalowestruktury. Galaktyki nie są rozłożone równomiernie, tworzonesą gromady galaktyk, te grupują się tworząc supergromadypowiązane łańcuchami i ścianami galaktyk. Pomiędzy nimi sąwielkie pustki (50 Mpc).W małej skali Wszechświat nie jest izotropowy i jednorodny. Owielkoskalowej jednorodności możemy zacząć mówić dopierona odległościach 500 – 1000 Mps.

Teleskop zezwierciadłamizbudowany w 1919roku w MountWilson Observatoryw KaliforniPierwszy teleskop zbudowany przez Galileusza w1609 roku.Teleskop ze zwierciadłami zaproponowanyw 1781 roku przez Newtona.Największy naświecie teleskop doodbioru falradiowych wArecibo Observatoryw Puerto Ricozbudowany w 1961roku . Ma przeszło300 m średnicy.Zbudowany w 1980 roku w pobliżu Socarro najsilniejszy na świecie radio teleskop. Nazywa się„VLA” ( skrót od Very Large Array).

Teleskop Hubble’a z 1990 rokuNajwiększy na świecie 400 – calowy wielo - zwierciadłowy teleskopoptyczny zbudowany na szczycie Mauna Kea na Hawajach w 1992roku

KosmicznyTeleskopHubble’aKosmiczny Teleskop Hubble’awyniesiony na orbitęw 1990rokui umieszczony na wysokości480km nad ZiemiąJest wolny od zakłóceńprzez atmosferę planety.Za przygotowanie wielu slaidów dziękujęPani dr Anecie Strzygielskiej

Zdjęcie zrobione zapomocąKosmicznegoTeleskopu Hubble’aPowstawanie nowychgwiazd w chmurachpyłu i gazuw gwiazdozbiorze Orła.

Teleskopy - liczne okna na WszechświatPierwsze Obserwatoriumnależące do ESO(The European Southern Obserwatory)położone na górze La Silla(2400m.n.p.m) na pustyni Atacama.Cztery europejskie teleskopyVLT (Very Large Telescope)umieszczone na szczycieCerro Paranal (2640m n.p.m.)w ChileOstatni zamontowanopod koniec 2000r.

Zdjęcia z VLTMgławica KrabaDroga Mleczna

Nasłuchiwanie Wszechświataradiowe fale kosmosuRadioteleskop Arecibow Puerto Rico przeznaczony doodbierania ewentualnychkomunikatów pochodzących odinteligencji pozaziemskichTo dzięki niemu Aleksander Wolszczanodkrył pierwszy układ planetarny pozaUkładem Słonecznym.Dzięki falom radiowym zostałyodkryte kwazary i pulsary.Fale radiowe wykryły gigantycznystrumień energii ukryty w centrumDrogi Mlecznej

Pozostałość po wybuchu supernowej w Obłoku Magelana1110Zbiór gwiazd w konstalacji Andromeda około 200 mlnlat świetlnychGalaktyka spiralnaNGC 2997Mgławica „Oko kota”Zdjęcia ze strony internetowej http://www.windows.ucar.edu/

Windows to the Universe

GalaktykiZgrupowanie galaktyk (żółtaplama w środku zdjęcia), którewraz ze zgromadzoną wnichczarną materią stanowi potężnąsoczewkę grawitacyjną.Droga MlecznaGromadagalaktyk -Abell 2218,oddalonao 3 mld latświetlnychwkonstelacjiSmoka.

Ewolucja WszechświataModelrozszerzającegosię WszechświataW latach 1922 – 1929 Hubble zebrał bardzobogaty materiał doświadczalny świadczący o tym,że Wszechświat się rozszerza, unosząc ze sobągromady galaktyk niczym rodzynki w rosnącymcieście drożdżowym.Hubble wykazał, że tzw. szybkość „ucieczki”galaktyk jest proporcjonalna do ich odległości odobserwatora. Sposób ekspansji wygląda tak samoz dowolnego punktu we WszechświeciePowierzchnie nadmuchiwanego balonu – doskonale ilustruje rozszerzającysię Wszechświat Plamy na powierzchni balonu imitują gromady galaktyk

Standardowy model kosmologicznyPOZYTYWYNajlepszy model Wszechświata jakim dysponujemy,Ekspansja galaktyk,Mikrofalowe promieniowanie tła,Pierwotna nukleosynteza,Formowanie wielkich struktur.PROBLEMYCiemna materia,Ciemna energia,Asymetria materia – antymateria,Promieniowanie kosmiczne o wielkiej energii,Rozbłyski gama,Inflacja.

Krótka Historia Wszechświata(model gorącego wybuchu)10 32 K 10 16 K 10 15 K 10 13 K 10 10 K 10 9 K 3000K 18K 3KWielki WybuchBig Bang10 -43 s10 -12 s10 -10 s10 -6 s1s3min300 000latMiliardlat15miliardówlatW chwili Wielkiego Wybuchu Wszechświat miał zerowy promień,a zatem nieskończenie wysoką temperaturę. W miarę jak wzrastał promieńtemperatura promieniowania spadała. Gdy promień Wszechświata wzrastadwukrotnie temperatura spada o połowę„Krótka historia czasu” Stephen Hawking

Co działo się zaraz po Wielkim Wybuchu?Związek pomiędzy energią i temperaturą:k T = E gdzie k – stała Boltzmanak = 8.6 x 10 –5 GeV/1 0 K,ΔE = k (T + 1) – k T = k/1 0 K, stąd1 0 K = 8.6 x 10 –5 GeV,10 10 0 K = 0.86 x 10 6 eV = 0.86 MeV,1 GeV = 1000 MeV,1000 GeV = 10 16 0 K ─► t = 10 -12 sek1000 GeV – energia zderzenia ppw Batavii w FermiLab,Śledzimy „eksperymentalnie” WielkiWybuch po t = 10 -12 sek

0101225 0-32GeV--- T = 10 K ---10 sek10 −Po inflacji w czasie około 10 -32 sek. Wszechświat miał wielkośćpiłki do golfa i temperaturą rzędu 10 25 stopni Kelvina. Wtedy teżzaczęły pojawiać się pierwsze kwarki, które kreowały się inatychmiast anihilowały. Taka zupa fermionowo-bozonowa trwała12mniej więcej do czasu sekundy. W tym czasie też pojawiła siępierwsza asymetria materia –antymateria. Na każdy milionantycząstek rodziło się milion +1 cząstek. To łamanie symetriimateria – antymateria, które zaczęło się w tym okresie jest powodemobecnej zupełnej asymetrii obserwowanej we Wszechświecie.1012GeV - - - T= 10250K - - -10-32sek

Po okresie Bariogenezy ?????11000 GeV --- 10 16 0 K --- t = 10 -12 seke, μ, τ, ν e,ν μ, ν τoraz u, d, c, s, t, b1000 GeV --- 10 16 0 K --- t = 10 -12 seka także W + , W - , Z 0, γ, gluony,e, μ, τ, ν e, ν μ , ν τ oraz u, d, c, s, t, ba także W + , W - , Z 0 , γ, gluonynie ma równowagi cząstki- antycząstkirozpad i kreacja parWszechświat rozszerza się malejetemperatura maleje energia zderzeń

2E = 100 GeV --- 10 15 0K --- 10 -10 sekElektrosłabe przejście fazowe Kwarki,leptony, cząstki W i Z nabywają masę,Te same cząstki co poprzednio ale jużposiadające masę.3 E = 1 GeV --- 10 13 0K --- 10 -6 sekRozpadły się ciężkie kwarki i leptony,u, d, e + , e - , γ, ν e,Powstają nukleony, nie ma swobodnych kwarków,p = uud, n = ddu

n → p + e - + ν, zmniejsza się liczba neutronów, alen + e + → p + ν, p + ν→n + e +Jądra jeszcze nie powstają.4E = 1 MeV --- 10 10 0 K --- 1 sekn + e + ? p + ν, p + ν ? n + e +E = 1 MeV --- 10 10 0 K --- 1 sekReakcje zmiany n ↔ pprzestają zachodzić,Neutrina zaczynają się zachowywać jak cząstki swobodne,75 % protonów, 25% neutronów

5E = 0.1 MeV --- 10 9 0K ---- 3 minProces e + e - → 2 γ zachodzi, proces odwrotny 2 γ → e + e -już nie,Zaczyna się tworzyć deuter (D = pn) oraz tryt (T = nnp):n + p → D, D + n → T a także D + p → 3 HeE = 0.1 MeV --- 10 9 0 K ---- 3 min2,,Powstaje Hel i Lit:ED + D → 4 He 2, T + p → 3 He 2, n + 3 He 2,→ 4 He 2oraz3He 2+ 4 He 2→ 7 Be 4+ γ╚════► 7 Li 3+ p,Nie istnieją stabilne jądra z A = 5 i A = 8, energia zbyt małaaby pokonać barierę kulombowską ═══► koniec pierwotnejnukleosyntezy,Mamy:H, (H-2),(H-3),He,(He-3),Li, (Li-6).

Wszystkie neutrony są włączone w jądra helu i trochę litu,Było 87% protonów i 13% neutronów, stąd13% + 13% = 26% jąder helu oraz 74% protonów,Mamy dużo fotonów (miliard na każdy nukleon),Elektrony i jądra nie tworzą jeszcze atomów.Długi okres nic się specjalnego nie dzieje, dopiero gdy6E = 13.6 eV --- 2500 0 K ---- 300000 latFotony przestają oddziaływać z jądrami i elektronami ══►mikrofalowe promieniowanie tła,Mamy wodór oraz hel ( trochę deuteru, trytu, helu 3 i litu).

Obecny Wszechświat wygląda trochę inaczej ══► obserwujemy weWszechświecie całą tablice Mendelejewa,(rozpowszechnienie pierwiastków)Wszystkie inne pierwiastki powyżej LITU powstały w gwiazdachJak powstały gwiazdy, galaktyki, gromady galaktyk? ------ na arenęwkracza oddziaływanie GRAWITACYJNE,Małe fluktuacje gęstości materii:COBE (1992) - pierwsze fluktuacje,WMAP (2003) - promieniowanie mikrofalowe nie jest izotropowe,Pierwiastki od litu do żelaza powstawały w gwiazdach,(energia wiązania na nukleon)Pierwiastki cięższe od żelaza powstawały w trakcie wybuchówsupernowych.

Krzywa rozpowszechnianiapierwiastków chemicznychKrzywa rozpowszechniania pierwiastków chemicznych wg Camerona (1973),w górze na prawo – schematyczny kontur krzywej z zaznaczeniem lokalnychmaksimów i minima Li-Be-B

Energia wiązania nukleonuZależnośćśredniej energiiwiązaniaprzypadającejna jedennukleonw jądrzew funkcjiliczby masowejA jądra

Penzias i Wilson(1965)══►COBE (1992)ΔT/T = 10 -5══►WMAP (2003)══►ΔT/T = 10 -5

Gwiazdy pierwszej generacji ---- paliwo wodór i hel,Grawitacyjne przyciąganie ----- rośnie temperatura wnętrza,Zapala się wodór:4 p → 4 He 2+ 2 e + + 2 ν + 2 γ ,Gdy T > 10 8 0K zapala się hel:4He 2+ 4 He 2→ 8 Be 4ale po t = 10 -15 sekrozpada się na 2 ( 4 He 2) ,Duża gęstość, może powstać węgiel:8Be 4+ 4 He 2→ 12 C 6+ g ,szansa jest duża bo istnieje stan wzbudzony węgla o energii7.644 MeV.Bardzo mało Litu (L), Berylu (Be) oraz Boru (B),

Mając stabilny węgiel powstają tlen, azot i neon:12C 6+ 4 He 2→ 16 O 8+ g,16O 8+ 4 He 2→ 20 Ne 10+ g,12C 6+ 2 H 1→ 14 N 7+ g,Dalej zapala się węgiel i tlen:12C 6+ 12 C 6 , , , 12 C 6+ 18 O 8, powstająsód (Na), magnes (Mg), krzem (Si), fosfor (P) i siarka (S),Dla cięższych jąder bariera kulombowska jest zbyt dużaJądra powyżej żelaza produkowane są w inny sposóbn + A X Z→ A+1 Y Z+ g╘══► A+1 W Z+1+ e ─ + ν ,Wybuchy supernowych roznoszą ciężkie pierwiastki.

Mówiliśmy o gwiazdach I generacji, gwiazdy II generacjipowstają w trochę inny sposób są już ciężkie piewiastkirozrzucone przez wybuchy supernowych,Dalej pracują siły grawitacji dając galaktyki, gromadygalaktyk i planety wokół gwiazd,Na planetach powstało życie, znamy przynajmniej jedną takąPlanetęCo działo się po Wielkim Wybuchu do czasu t = 10 -12 sek pozostajeniewyjaśnione,Plany doświadczalne:LHC , p + p , E = 14000 GeV (t = 10 -15 sek),sonda PLANCK , promieniowanie reliktowe,teleskopy np. ALMA (Atacama)