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