Wykład 8
Transkrypt
Wykład 8
Z czego i jak zbudowany jest Wszechświat? Jak powstał? Jak się zmienia? Cząstki elementarne Kosmologia Wielkość i kształt Świata Ptolemeusz (~100 n.e. - ~165 n.e.) geocentryzm Mikołaj Kopernik (1473 – 1543) heliocentryzm Rozmiary Galaktyki: do 1600 – zbiór gwiazd (Galileusz) 1750 – dysk (I. Kant, T. Wright) Herschel (1738-1822) 1780 – Droga Mleczna jest spłaszczona, a Słońce w Centrum Rozmiary Galaktyki Kapteyn (~1920) - 5kpc Shapley (~1920) – 100kpc Halo Gwiazdy w halo Gromady kuliste pogrubienie dysk jądro Gwiazdy i gaz w dysku Obecnie: 30 kpc, Słońce 8.5 kpc od Centrum 1 pc = 3.26 roku świetlnego (r.ś.); 1 r.ś. ~9.5 biliona km 1929 – Edvin Hubble zaobserwował przesunięcia ku czerwieni (redshift) linii widmowych z odległych galaktyk i przypisał je ucieczce galaktyk z prędkością: Edvin Hubble (1889-1953) v=H*d Obserwacja Hubbla, ze wszystkie obiekty oddalają się , nie wyróżnia w żaden sposób naszego układu odniesienia. Dowolne dwa obiekty oddalać się będą w ten sam sposób. Rozszerzanie Wszechświata należy rozumieć jako rozszerzanie się przestrzeni Dowolne 2 obiekty oddalają się tak samo. Albert Einstein (1879-1955) 1916 – Równanie pola: związek pomiędzy materią a kształtem przestrzeni G µν 8π G µν = 4 T c Rozkład masy (energii) Geometria przestrzeni Rozwiązanie równania Einsteina dla ewolucji Wszechświata: (równanie Friedmanna) G – stała grawitacji ρ – gęstość materii Λ – stała kosmologiczna Geometria przestrzeni: To jaka jest geometria Wszechświata zależy od gęstości materii sferyczna k = +1 2 Λ π ρ 8 G kc 2 H = − 2 + 3 3 a płaska k=0 hiperboliczna k= -1 Ω = ρ /ρ k - ten parametr wyznacza przyszłość Wszechświata Rozmiar Wszechświata Ω < 1 (k=-1) Ω = 1 (k=0) Ω > 1 (k=+1) ok. 70 mld lat Jeśli wyznaczymy Ω, odkryjemy przyszłość Wszechświata Gęstość znanej materii stanowi zaledwie 4% gęstości krytycznej. Przypuszczalnie masy jest dużo więcej gęstość oscyluje około gęstości krytycznej Problem ciemnej materii i ciemnej energii Jak parametry Wszechświata zmieniały się w czasie? Gęstość materii: ρ m ∝ R −3 Gęstość energii promieniowania: ρ r ∝ R −4 Obecnie dominuje materia ale kiedyś dominowała energia promieniowania. Z równania Friedmanna oraz prawa Stefana-Boltzmanna: temperatura: 𝑘𝑘 = 1 MeV 𝑡(sec) Czyli na początku był gorący Wielki Wybuch Big Bang Big Bang: 1948 – George Gamow – po młodym i gorącym Wszechświecie powinna zostać pamiątka w postaci promieniowania reliktowego (tła ) Potwierdzenie teorii Wielkiego Wybuchu!!! 1965 – Arno Penzias i Robert Wilson odkrywają promieniowanie tła o temp. 2.73 K Dane z COBE satelita WMAP Era gwiazdowa (galaktyczna) Era promieniowania Era leptonowa Era plazmy kwarkowo gluonowej (hadronowa) Era Plancka Mikrokosmos Makrokosmos Cząstki = (elementarne) składniki materii Historia składników materii 17 ? Arystoteles Dalton (pierwiastki) Thomson(elektron) Rutherford(atom) Fizyka cząstek = Fizyka wysokich energii • Wysokie energie (pędy) cząstek konieczne aby : Eksp. rozproszeniowy • obserwować głeboko ukryte struktury (małe rozmiary): λ = h/p (de Broglie), ∆x ∆p ≤ ħ (Heisenberg) mikroskop o b. krótkiej fali • wytworzyć (z energii) nowe cząstki: E = mc2 (Einstein) Przyśpieszanie cząstek do wielkich energii i ich zderzanie (pocisk-tarcza, pocisk-pocisk) Zderzenia cząstek Widok na CERN. Biała linia pokazuje przebieg tunelu o długości 27 km, gdzie znajdują się pod ziemią akceleratory. Widok fragmentu tunelu, w którym znajduje się LHC Cegiełki materii nie fundamentalne (podzielne) Kryształ Molekuła Atom Jądro atomu Proton fundamentalne (niepodzielne) Kwark Podejrzenie że p i n nie są elementarne - model kwarków, ~1960 – Murray Gell-Mann Fundamentalne* cegiełki tworzące materię: (*)nie mają struktury wew. = są ‘punktowe’: d < 0.001 fm) - elektron e- , kwark u (up – górny), kwark d (down –dolny) , związane w atomach i jądrach - neutrino ν Model standardowy Teoria, która opisuje cząstki występujące w przyrodzie oraz wszystkie siły z wyjątkiem grawitacji Istnieją dwa rodzaje cząstek elementarnych - cząstki które są materią /antymaterią (leptony i kwarki), są one fermionami (spin połówkowy) - cząstki które przenoszą oddziaływania (np. fotony) - bozony. cząstki materii: – 6 leptonów (i 6 antyleptonów) - może istnieć samodzielnie – 6 kwarków (i 6 antykwarków) – o ułamkowych ładunkach elektrycznych nie mogą istnieć samodzielnie. Cztery oddziaływania • grawitacyjne poza „modelem standardowym” W ramach Modelu standardowego • elektromagnetyczne - fotony (ładunki elektryczne) • silne – gluony (8), (ładunki kolorowe) • słabe - bozony W+, W-, Z, (zapachy) •Pole Higgsa - bozon Higgsa H odpowiedzialny za masę Ładunki kolorowe kwarków (i gluonów) • dodatkowa liczba kwantowa, • decyduje o oddziaływaniach silnych • gluony, przenoszące oddziaływania silne, też posiadają kolor i anty-kolor. • kwarki występują w trzech kolorach, anty-kwarki w trzech anty-kolorach. Hadrony - złożone cząstki materii całkowity ładunek elektryczny zerowy ładunek kolorowy Bariony • składają się z 3 kwarków, • mają spin połówkowy (są fermionami), Mezony • składają się z 2 kwarków, • są bozonami (spin całkowity) Podsumowanie Kosmologia i fizyka cząstek są blisko związane Kosmologia stała się dziedziną eksperymentalną Teoria Wielkiego Wybuchu potwierdzona przez np: • pomiary mikrofalowego promieniowania tła • częstości występowania lekkich pierwiastków ALE Nie wiemy co stanowi 90% energii Wszechświata • ciemna materia ? • ciemna energia ? Nie rozumiemy jak w trakcie ewolucji Wszechświata złamana została symetria materia-antymateria