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
!