Rodzaje skali energii.
Transkrypt
Rodzaje skali energii.
SKALA ENERGII w MIKRO oraz w MAKROKOSMOSIE Dyskusja panelowa - 17 listopada 2006 Energia → ενεργεια → "w pracy" Energia – „zdolność do wykonywania pracy” Wiele form energii: w fizyce ( grawitacyjna, elektryczna, magnetyczna, sprężysta, cieplna, kinetyczna, potencjalna,……), Energia w chemii ( energia pojawiająca się→przy formowaniu lub rozpadzie atomów, molekuł….), w biologii ( procesy chemiczne w komórkach biologicznych, fotosynteza, 4% energii światła słonecznego,…), w meteorologii ( wiatr, burze, deszcze, stała słoneczna = 1367 J/sek/m2.. ….), w geologii ( wulkany, trzęsienia Ziemi, 37 teraJ/sek,….), w geologii ( wulkany, trzęsienia Ziemi, 37 teraJ/sek,….), w geologii ( wulkany, trzęsienia Ziemi, 37 teraJ/sek,…. w astronomii (energii procesów fuzji, supernowych, kwazarów, promieniowania kosmicznego,…..), w kosmologii ( nukleosyntezy, promieniowania reliktowego, ciemna energia,….) Ale także w ekonomii (bogactw naturalnych, konsumpcji,.. w ochronie środowiska ( odnawialne źródła energii.. ) w polityce, transporcie, zarządzaniu, ….. Thomas Young pierwszy użył pojęcie „energia” dla: m ]2 E = 2 Pojęcie „energii kinetycznej” w 1829 roku wprowadził Gustave-Gaspard Coriolis, Pierwszy raz pojecie „energii potecjalnej” użył Wiliam Rankine w 1853 roku, Zasada zachowania różnych form energii – połowa XIX wieku: Julius Robert Mayer, Jemes Prescott Joule, Herman Helmholtz. Mikroskopowa jednostka energii 1 eV = (q = 1e = 1.602 × 10 1 elektronowolt −19 C) × (ϕ = 1V) Makroskopowa jednostka energii 1 Joule m 1 J = (1 N = 1 kg 2 ) × (1 metr) s 1 eV = 1.602 × 10 -19 J Masa neutrina Rozpad beta Skala energii we Wszechświecie Neutrina obserwowane w AMAND-zie 1 ZeV 1 YeV Trzymanie książki w ręce Największa energia promieniowania kosmicznego 1 KWh Energia wybuchu bomby atomowej Zużycie energii w ciągu 1 roku w USA Zużycie energii na Świecie w 1950 roku Energia rotacji Ziemi Energia wypromieniowana przez Słońce w ciągu dnia Energia rotacji naszej Galaktyki Energia wybuchu supernowej 1 eV = 1.602 10-19 J 10-33 J 10-15 eV 10-30 J 10-12 eV 10-27J 10-24 J 10 J = 1 yoctoJ 10-21 J = 1 zeptoJ 10 10-18 J 10 J = 1 attoJ 10-15 J = 1 femtoJ 10-12 J = 1 picoJ 10-9 J = 1 nanoJ 10-9eV 10-6 eV 10-3 eV 1 eV 103 eV 10 6 eV Energia kinetyczna elektronu poruszają poruszającego się się z v = 1m/sek 1m/sek Energia fotonu dla czę częstoś stości radiowych CMB Energia kinetyczna molekuł molekuł w pokojowej temperaturze (0.025eV) Energia rozerwania molekuł molekuły DNA (0.1eV) Energia ró równoważ wnoważna masie elektronu 10-6 J = 1 microJ 10 9 eV Energia ró równoważ wnoważna masie protonu 10-3 J = 1 miliJ 10 12 eV Najcięż szy kwark t Najcięższy 10-2 J = 1 centiJ 10 15 eV 10-1 J = deciJ 10 18 eV 1J 10 21 eV 10+1 J = 1decaJ 10 24eV 10+2 J = 1 hectoJ 10 24 eV 10+3 J = 1 kiloJ 10 27 eV 10+6 J 10 J = 1 megaJ 10 30 eV 10+9 J = 1 gigaJ 10 33 eV 10+12 J J = 1 teraJ 10 36 eV 10+15 J = 1 petaJ 10 39 eV 10 10+18 J = 1 exaJ 10+21 J 10 J = 1 zettaJ 10+24 J 10 J = 1 yottaJ 10 42 10 48 eV Fizyka atomu Fizyka ją jądra atomowego Fizyka cząstek Skala unifikacji oddziaływań Jednodniowa dieta czł człowieka Skala Plancka eV 10 45 eV Fizyka molekuł Energia dostarczana ze Sł Słońca do Ziemi. Dla poznania oddziaływań fundamentalnych, istotna jest energia bezpośredniego zderzenia pojedynczych cząstek. NA = 6.022 x 1023 /mol Dotychczas: e + e −---- 215 GeV e − p ---- 800 GeV p p ---- 2000 GeV Obecne granice naszych możliwości badawczych: mγ < 6 × 10-17 eV mγ < 3 × 10-27 eV ( Cavendish eksperyment ) ( Galaktyczne pole magnetyczne ) mp 3 × 10 20 eV ( Salt Lake City (1991) ) Pełne ustalenie skali energii było możliwe po odkryciu równoważności masy i energii w 1905 roku przez Einsteina. E=m c2 v2 1- 2 c Tylko cząstki o znikającej masie mogą mieć dowolnie małą energię. mγ < 6 × 10 -17 mGi = 0 eV Możliwość zaniedbania korelacji pomiędzy różnymi skalami energii ---- fundamentalna zasada dająca szansę poznawania przyrody. Przykłady Ruch Ziemi wokół Słońca – zaniedbujemy ruchy galaktyk Badając ruch Ziemi wokół Słońca zaniedbujemy skład atomowy Badając strukturę molekuł zaniedbujemy strukturę jąder, Badając strukturę jąder zaniedbujemy skład kwarkowy nukleonów Badając strukturę nukleonów ewentualna budowa kwarków nie ma znaczenia Odseparowanie skal nie jest zwykle dokładne – rachunek zaburzeń Mikroskopowa skala energii Nierelatywistyczna mechanika kwantowa, Absolutny czas i przestrzeń 10-18 eV 10-15 eV 10-12 eV 10-9 eV 10-6 eV Atomy, molekuły 10-3 eV 1 eV Równania Einsteina Przestrzeń Riemana Kwantowa teoria pola, Czasoprzestrzeń Minkowskiego 10 3 eV 10 6 eV Jądra atomowe 10 9 eV 10 12 eV Kwarki ,leptony, W, Z, gluony 10 15 eV 10 18 eV 10 21 eV 10 24 eV Teoria strun (?), Piana kwantowa (?) 10 27 eV 10 30 eV Unifikacja oddziaływań, SO(10) Skala Plancka, Unifikacja z oddziaływaniami grawitacyjnymi Skala energii jest zawsze połączona ze skalą odległości: h 2π c λ= = q qc c = 197.3 MeV fm 1 femtometr (=10 m) ≈ 200 MeV = 0.2 GeV 1 femtometr -15(=10-15m) ≈ 200 MeV = 0.2 GeV Mikroskopowa Skala odległości Teoria nierelatywistyczna, Absolutny czas i przestrzeń 10 12 cm 10 9 cm 10 cm 6 10 3 cm 1 cm 10 -3 cm Atomy, molekuły 10 -6 cm Równania Einsteina Przestrzeń Riemana Kwantowa teoria pola, Czasoprzestrzeń Minkowskiego 10 -9 cm 10 -12 cm 10 -15 cm Jądra, Relatywistyczna mechanika kwantowa 10 -18 cm Model Standardowy, QFT 10 -21 cm 10 -24 cm 10 -27 cm 10 -30 cm Teoria strun (?), Piana kwantowa (?) 10 -33 cm 10 -36 cm Unifikacja oddziaływań, SO(10) Skala Plancka, Unifikacja z oddziaływaniami grawitacyjnymi Odkrycie skali molekularno - atomowej Mendeleev, 1872 J.J. Thomson, 1897 N. Bohr, 1913 rB = 2 mec 2 ≈ 0.5 × 10−8 cm Odkrycie skali jądrowej: Ernest Rutherford, 1911 λc = mc λc (p) = 1.3 × 10-13 cm Odkrycie skali nukleonowej: Protony; E. Rutherford, 1919 Neutrony; J. Chadwick, 1932 Pierwotne promieniowanie kosmiczne Odkrycie skali kwarkowo - leptonowej M. Gell-Mann, G. Zweig (1964) ---- hipoteza że odkrywane cząstki składają się z kwarków (asów); I. J. Friedman, H. Kandall, R.E. Taylor (1968-70) ----eksperymentalne wykrycie kwarków i gluonów; Carlo Rubia, Simon Van der Meer (1983) ---wykrycie cząstek W¡ oraz Z0. Tablica Kwarków i Leptonów Oddziaływanie pomiędzy kwarkami jest przenoszone przez osiem „kolorowych” GLUONOW Porównanie stanu wiedzy na temat podstawowych składników materii w dwóch przełomowych okresach. Od A. Wróblewskiego Pomimo, że mamy w tej chwili zadawalająca teorię opisującą najdrobniejsze składniki materii nie uważamy ją za satysfakcjonującą. Wiele pytań pozostaje bez odpowiedzi. ¾ Dlaczego są trzy rodziny? ¾ Dlaczego kwarki posiadają trzy kolory? ¾ Jak wyjaśnić masy kwarków i leptonów? ¾ Dlaczego stałe fizyczne mają takie wartości jakie mają? ¾ Dlaczego łamana jest symetria CP? ¾ Dlaczego mamy mieszanie pomiędzy kwarkami i oddzielnie pomiędzy leptonami? ¾ Problem kwantowej grawitacji, ¾ W jaki sposób teoria cząstek wyjaśni powstanie Wszechświata? Zderzacz w CERN-ie Mikroskopy sięgamy w głąb materii LEP Szwajcaria, Francja 4 eksperymenty LEP-u W tunelu LHC 27 km rura próżniowa Magnesy odginające wiązkę o B = 8.2 Tesli Temperatura 30 powyżej zera bezwzględnego Foto CERN Detektor Alice Detektor Alice (LHC) Stała struktury subtelnej: e e λc = r12 = λc mc e 2 e 2 e 2 mc = = Ee = r12 λc α EM 2 Ee e 1 −3 7.3 10 = = = ∼ × mc 2 c 137.04 e α EM (0) e e α EM (q ) 2 Poprawki wirtualne γ γ α W (0) αW (q ) αS (0) αS (q ) 2 2 e Unifikacja oddziaływań w MS 0.06 0.05 α α W (q ) 2 0.04 αS (q ) 2 0.03 0.02 0.01 α EM (q 2 ) 2.5 5 E 7.5 10 12.5 15 BOSONY o SPINIE 0 u c t d ν e s b ν μ ντ e μ τ Generacje MATERII Sleptony Skwarki Leptony Kwarki FERMIONY o SPINIE 1/2 u c t d s b ν e ν μ ντ e μ τ Generacje SMATERII Unifikacja oddziaływań w MSSM α strength 0.12 0.1 αS (q ) 2 0.08 0.06 0.04 α W (q ) 2 α EM (q ) 2 0.02 E energy 2.5 5 7.5 10 12.5 15 scale Oddziaływanie grawitacyjne: m m λc = EG = G N m2 λc mc = G N m3c EG G N m2 ~ 1.7 × 10−44 αG = 2 = mc c Masa i długość Plancka αG → 1 2 Pl GNM =1 c λc (M Pl ) = c ⇒ M Pl = ≈ ~ 1.2 × 1028 eV GN M Plc F12 = = GN −33 = × 1.6 10 cm 3 c G N m1m 2 r12 d −4 Problem hierarchii: Dlaczego oddziaływania słabe są 1032 razy silniejsze niż oddziaływania grawitacyjne? lub inaczej Dlaczego masa cząstki Higgsa jest tak mała w porównaniu z masą Plancka? H H t H t H Będą prowadzone dalej badania eksperymentalne i teoretyczne Ufamy, że nowe informacje przyniesie uruchamiany w 2007 roku akcelerator LHC w CERN-ie. odkrycie cząstki Higgsa, może pojawią się cząstki supersymetryczne, a może teoria przestanie się zgadzać z doświadczeniem, może też ktoś wpadnie na pomysł co dalej, ograniczenia eksperymentalne nie pozwalają śledzić obszaru dużych energii, może włączenie teorii kwantowej grawitacji zmieni nasz pogląd na strukturę materii. W chwili obecnej mamy, rządzące się własnymi prawami trzy oddziaływania ujednolicone oddziaływania elektrosłabe, oddziaływania silne, oddziaływania grawitacyjne. Istnieją próby połączenia oddziaływań elekrosłabych i silnych i stworzenie zunifikowanej teorii oddziaływań elektrosłabo - jądrowych. Od wielu lat chcemy też stworzyć kwantowy opis oddziaływań grawitacyjnych i stworzyć wspólna teorię z grawitacyjno – elektrosłabo jądrową Oddziaływania słabe Oddziaływania elektromagnetyczne Połączenie Teorii Wielkiej Unifikacji (GUT) z grawitacją TOE (Theory of Everything) TOE = TEORIA SUPERSTRUN ?? W teorii strun pojawia się dużo nowych cząstek. Każdy sposób drgania struny (moda) odpowiada jednej cząstce. Drgania podstawowe, 2 węzły, 1 pętla Podstawowa superstruna, pojedyncza oscylująca pętla, najmniej masywna Pierwsza harmoniczna, 3 węzły, 2 pętle Superstruna z dwiema oscylującymi pętlami, bardziej masywna Druga harmoniczna, 4 węzły, 3 pętle Wibrujące struny Superstruna z trzema oscylującymi pętlami, jeszcze bardziej masywna Superstruny Każda struna ma może drgać na wiele sposobów. Im więcej węzłów ma taka drgająca struna, tym bardziej masywna cząstka odpowiada temu drganiu. Za mi as t po ds um ow an ia !