Z czego i jak zbudowany jest Wszechświat? Jak powstał? Jak się zmienia?

Transkrypt

1 Z czego i jak zbudowany jest Wszechświat? Jak powstał? Jak się zmienia? Cząstki elementarne Kosmologia

2 Wielkość i kształt Świata Ptolemeusz (~100 n.e. - ~165 n.e.) Mikołaj Kopernik ( ) geocentryzm heliocentryzm Rozmiary Galaktyki: do 1600 zbiór gwiazd (Galileusz) 1750 dysk (I. Kant, T. Wright) Herschel ( ) 1780 Droga Mleczna jest spłaszczona, a Słońce w Centrum

3 Rozmiary Galaktyki Kapteyn (~1920) - 5kpc Shapley (~1920) 100kpc Halo Gwiazdy w halo Gromady kuliste dysk pogrubienie 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

4 1929 Edvin Hubble zaobserwował przesunięcia ku czerwieni (redshift) linii widmowych z odległych galaktyk i przypisał je ucieczce galaktyk z prędkością: Edvin Hubble ( ) 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.

5 Albert Einstein ( ) 1916 Równanie pola: związek pomiędzy materią a kształtem przestrzeni 8π G G µν = T µν c 4 Geometria przestrzeni Rozwiązanie równania Einsteina dla ewolucji Wszechświata: (równanie Friedmanna) Rozkład masy (energii) G stała grawitacji ρ gęstość materii Λ stała kosmologiczna H 2 = 8πGρ 3 kc a Λ 3 Geometria przestrzeni: sferyczna płaska hiperboliczna To jaka jest geometria Wszechświata zależy od gęstości materii k = +1 k = 0 k= -1

6 Ω = ρ /ρ k - ten parametr wyznacza przyszłość Wszechświata Ω < 1 (k=-1) Rozmiar Wszechświata 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

7 Jak parametry Wszechświata zmieniały się w czasie? Gęstość materii: Gęstość energii promieniowania: ρ m R ρ r R 3 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

8 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 K Dane z COBE satelita WMAP

9 Era leptonowa Era plazmy kwarkowo - gluonowej (hadronowa) Era Plancka Era promieniowania Era gwiazdowa (galaktyczna)

10 Mikrokosmos Makrokosmos

11 Cząstki = (elementarne) składniki materii Historia składników materii 17? Arystoteles Dalton (pierwiastki) Thomson(elektron) Rutherford(atom)

12 Fizyka cząstek = Fizyka wysokich energii Wysokie energie (pędy) cząstek konieczne aby : obserwować głeboko ukryte struktury (małe rozmiary): λ = h/p (de Broglie), x p ħ (Heisenberg) mikroskop o b. krótkiej fali Eksp. rozproszeniowy wytworzyć (z energii) nowe cząstki: E = mc 2 (Einstein) Zderzenia cząstek Przyśpieszanie cząstek do wielkich energii i ich zderzanie (pocisk-tarcza, pocisk-pocisk)

13 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

14

15 Cegiełki materii nie fundamentalne (podzielne) fundamentalne (niepodzielne) Kryształ Molekuła Atom Jądro atomu Proton 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 < fm) - elektron e -, kwark u (up górny), kwark d (down dolny), związane w atomach i jądrach - neutrino ν

16 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.

17 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

18 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.

19 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)

20 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