Co aktualnie wiemy o Wszechświecie -mikroświat Marek Zrałek Zakład Teorii Pola i Cząstek Elementarnych, Instytut Fizyki, Uniwersytet Śląski Katowice, 4 grudnia, 2007
Ludzie od zawsze pragnęli zrozumieć z czego składa się wszystko to co nas otacza, chcieli wiedzieć jakie jest pochodzenie Wszechświata. Takie pytania przekraczają wszelkie kultury i bariery czasowe. Były interesujące dla starożytnych w Mezopotamii, w Egipcie, Chinach i w Grecji, są interesujące dla współczesnych badaczy. Są też przedmiotem wielu popularnonaukowych opracowań.
woda ziemia powietrze ogień
Platon 428-347 p.n.e. Substancja ciał niebieskich Istnieje tylko pięć brył regularnych, tzn. takich, że ściany są foremnymi wielokątami; czworościan, sześcian, ośmiościan, dwunastościan i dwudziestościan.
Materia jest ciągła, można ją dzielić bez końca. Arystoteles Idąc plażą widzę piasek, który wydaje mi się ciągły, ale gdy spojrzę na niego z bliska wyraźnie widzę, że składa się z drobnych ziarenek. Tak samo jest z woda morską, która mam w zasięgu ręki, Tak jest z każda inną substancją. Demokryt
Filozofowie jońscy (Tales, Anaksymander, Anaksymenes, Heraklit) ----- cztery żywioły (ziemia,ogień, powietrze, woda), Atomiści (Demokryt, Leukipos, Epikur) ---- istnieją niepodzielne atomy, Platon i jego uczniowie ---- substancje składają się z brył, zwanych bryłami platońskimi, Arystoteles ---- substancja to ciągłe tworzywo Poglądy filozofa, który miał największą silę przekonywania była chętniej przyjmowana. Przez 2000 lat obowiązywał pogląd Arystotelesa
Pytania o pochodzenie Wszechświata i Jego budowę w skali mikro cały czas były rozłączne. Od hipotezy Wielkiego Wybuchu i Nukleosyntezy odpowiedzi na dwa postawione pytania zaczęły mieć wspólne korzenie. Temperatura na początku była bardzo duża, cząstki które wtedy powstały utworzyły później cały Wszechświat. Wiemy obecnie, że w każdym zakątku Wszechświata spotkamy te same cząstki, w najodleglejszych galaktykach są takie same protony, elektrony i neutrony. Obecne kosmologiczne problemy, ciemna materia i ciemna energia muszą być rozwiązane w ramach fizyki cząstek elementarnych.
C = 299793458 m/sek ª300000 km/sek Słońce Ziemia 8 minut Promieniowanie elektromagnetyczne kilka miliardów lat świetnych Neutrina 15000 lat świetlnych
W chwili obecnej powstają wspólne zespoły badawcze, zajmujące się kosmologią i fizyką cząstek Prawdopodobnie w niedalekiej przyszłości obecna fizyka cząstek i obecna kosmologia staną się jedną dziedziną badań. Obecny wykład Fizyka mikroświata : Dalton i inni, Mendelejew, Bohr, Rutherford, Protony i neutrony, Promieniowanie kosmiczne, Kwarki i leptony, kolejne odkrycia, Obecna badania.
Pojęcie pierwiastka sprecyzował chemik angielski Robert Boyle (1627-1692): Przez pierwiastki rozumiem pewne pierwotne i proste, albo pozbawione domieszek ciała, które nie będąc złożone z żadnych innych ciał lub jedne z drugich, są składnikami, z których złożone są bezpośrednio wszystkie tak zwane doskonale mieszane ciała, i na które te ostatnie mogą być ostatecznie rozłożone Jeżeli dwa pierwiastki chemiczne tworzą więcej niż jeden związek chemiczny, to ilości wagowe jednego pierwiastka, przypadające na stałą ilość wagową drugiego pierwiastka, pozostają do siebie w stosunku niewielkich liczb całkowitych, np. w tlenkach azotu: N 2O, NO, N2O3, NO2, N2O5 Masy tlenu przypadające na jednostkę masy azotu pozostają do siebie w stosunku 1:2:3:4:5. A.Wróblewski
A.Wróblewski
A.Wróblewski
Dalton jest uważany za twórcę współczesnego atomizmu. Hipoteza Arystotelesa odchodziła w niepamięć. Pierwiastki składają się z atomów. Rosła znana liczba pierwiastków. W połowie XIX wieku Dimitr Iwanowicz Medelejew (1934 1907) rozmieścił wszystkie znane pierwiastki i przewidział istnienie nowych odkrył prawo okresowości pierwiastków chemicznych. Powstał: UKŁAD OKRESOWY MENDELEJEWA
A. Wróblewski NN 1906 Następny etap w poznawaniu struktury materii to odkrycie elektronów. Przedstawia to powyższa tabela.
NN 1908 NN 1922 NN 1927 NN 1935 E. Rutherford (1911) ----- obserwacja rozpraszania cząstek a na jądrach złota (a + Au). Niels Bohr (1913) ----- hipoteza orbitalnego modelu atomu. E. Rutherford (1919) ----- obserwacja reakcji jądrowych, wykrycie protonów (protony to jądra atomów wodoru). A. Compton (1922) ---- wykrycie fotonów w rozpraszaniu Comptona. J. Chadwick (1932) ----- ciężkie fotony to nowe cząstki nazwane neutronami, elektrycznie obojętne o masie zbliżonej do masy protonu.
C. Anderson i S. Neddermeyer ----- odkrycie mezonów m z promieniowania kosmicznego i początkowe mylne potraktowanie ich jako cząstki Yukawy. C.F. Powell (1947) ----- odkrycie pionów Yukawy. A.Glaser (1952) ----- zbudowanie pierwszej komory pęcherzykowej służącej do detekcji promieniowanie kosmicznego. R. Hofstadter (1954) ----- rozpraszanie elektronów na jądrach, zbadanie ich rozmiarów. NN 1950 NN 1960 NN 1961 Odkrycie wielu nowych cząstek ( K, L, S, D, X, r...).
Lata 50-te pierwsza koncepcja budowy materii; MATERIA = { ( p,n,e ) powiązane przez g } Problemy, skąd + 0 ± π, π, π, μ, ν e
F. Reines, C.L. Cowen (1956) ----- wykrycie neutrina elektronowego. L. Ledermann, M. Schwartz, J. Steinberger (1962) ---- wykrycie drugiego rodzaju neutrin-neutrin mionowych. 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 hipotetycznych gluonów. B. Richter, S. Ting (1974) ----- wykrycie czwartego kwarku powabnego c. NN 1995 dla F.R. NN 1988 NN 1969 dla M.G-M NN 1990 NN 1976 u = up, d = down, s = strange, c = charm
Drugie uproszczenie: (u, d, e MATERIA = { powiązane fotonami i ) gluonami} Bariony = składają się z trzech kwarków Mezony = układy składające się z kwarku i antykwarku u d mezon + π d Problemy: ( n, m, s) u u proton d d u neutron
G. Charpak wynalezienie i rozwiniecie detektorów cząstek, komory proporcjonalne. M. Perl (1975) ----- odkrył istnienie trzeciego leptonu naładowanego t. L. Lederman (1978) ----- odkrył piąty kwark piękny b. W ośrodku Fermilab koło Chicago został wykryty szósty kwark t (1995). W tym samym ośrodku zostało zaobserwowane trzecie neutrino ν τ (2000). W CERN-ie cztery eksperymenty pracujące przy akceleratorze LEP pokazały, że istnieją tylko trzy generacje kwarków i leptonów. NN 1992 NN-1995 Łącznie 15 nagród Nobla
Porównanie stanu wiedzy na temat podstawowych składników materii w dwóch przełomowych okresach. Od A.Wróblewskiego
Tablica Kwarków i Leptonów
Kwantowa wersja oddziaływa ywań elektromagnetycznych powstała a pod koniec lat 20 poprzedniego stulecia, stworzona przez Heisenberga,, Diraca, Borna i Jordana. Pole elektromagnetyczne opisane w teorii Maxwella dwoma wektorowymi polami E i B stało o się zbiorem cząstek, kwantów w pola zwanych FOTONAMI. Oddziaływanie pomiędzy dwoma ładunkami polega na wymianie pomiędzy nimi ogromnej liczby fotonów. elektron R. Feynman, J.Schwinger, S. Tomonaga, NN 1965 wymieniany foton elektron Podstawowa teoria tłumacząca istnienie ATOMÓW elektron elektron
D. Gross, H. Politzer, F. Wilczek, NN 2004 Oddziaływanie pomiędzy kwarkami jest przenoszone przez osiem kolorowych GLUONOWOW
Symetrii odbicia zwierciadlanego P. Symetrii zamiany cząstek na antycząstki C. Oddziaływania słabe nie są też symetryczne ze względu na obydwie te symetrie dokonane łączne CP. Pełną teorię oddziaływań oddziaływań słabych podali w 1967 roku Glashow, Weinberg i Salam. G. t Hooft, M.Veltman pokazali w latach 1971 1972, że teoria elektrosłaba jest renormalizowalna. C.Rubia, S. van der Meer odkrycie cząstek W oraz Z. R. Davis, M. Koshiba, wykryli iż kwarki posiadają masę różną od zera. T.D.Lee, C.N.Yang (1956) [NN 1957] Wu (1957) J.W. Cronin V.L. Fitch (1964) [NN dla Fitcha 1980] NN 1979 NN 1999 NN 1984 NN 2002 Łącznie 8 nagród Nobla
Oddziaływanie elektromagnetyczne pomiędzy dwoma elektronami można sobie wyobrazić jako ciągłą wymianę FOTONÓW Oddziaływanie może być przyciągające lub odpychające. Można to sobie wyobrazić odpowiednio jako wymianę bumerangu pomiędzy dwoma osobnikami na łódkach (Rys. 1) lub piłki (Rys. 2). Rys.1 Rys.2
Trzy oddziaływania- silne, elektromagnetyczne i słabe są w chwili obecnej opisywane przez teorię nazywaną MODELEM STANDARDOWYM (MS). Model ten unifikuje oddziaływania słabe i elektromagnetyczne. Nawet przyjęła się specjalna nazwa oddziaływania elektrosłabe. Oddziaływania silne są dołączone, ale nie tworzą nierozerwalnej całości z resztą. MS świetnie zgadza się z doświadczeniem, ze wszystkich jego elementów tylko jeden czeka jeszcze na doświadczalne odkrycie - cząstka Higgsa. Pomimo iż MS bardzo dobrze zgadza się z doświadczeniem, nie uważamy go za ostateczna teorię oddziaływań elementarnych.
W teorii strun pojawia się dużo nowych cząstek. Każdy sposób drgania struny (moda) odpowiada jednej cząstce. Każda struna może drgać na wiele sposobów. Im więcej węzłów ma taka drgająca struna tym bardziej masywna cząstka odpowiada temu drganiu.
ATLAS = A large Toroidal LHC ApparatuS
CMS = The Compact Muon Solenoid an Experiment for the Large Hadron Collider at CERN
ALICE = A Large Ion Collider Experiment at CERN LHC
The Compact Muon Solenoid ATLAS CMS
SuperKamiokande 50000 ton H 2 O, 11200 fotopowielaczy (każdy 50 cm średnicy) 41.4 m (wysoki) na 39.3 m (średnica), próg 5 MeV.
Pomimo, że mamy w tej chwili zadawalająca teorię opisującą najdrobniejsze składniki materii nie uważamy ja za satysfakcjonującą. Wiele pytań pozostaje bez odpowiedzi. Dlaczego są trzy rodziny? Dlaczego kwarki posiadają trzy kolory? Jak wyjaśnić masy kwarków i leptonów? Dlaczego stałe fizyczne mają takie wartości jakie mają? Dlaczego łamana jest symetria CP? Dlaczego mamy mieszanie pomiędzy kwarkami i leptonami? Problem kwantowej grawitacji, W jaki sposób teoria cząstek wyjaśni powstanie Wszechświata. Panuje przekonanie, że obecny skład podstawowych składników materii ulegnie modyfikacji przy wzroście energii.
Będą prowadzone dalej badania eksperymentalne i teoretyczne Ufamy, że nowe informacje przyniesie uruchamiany w 2007 roku 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, bo ograniczenia eksperymentalne nie pozwalają śledzić obszaru dużych energii, ---- może włączenie teorii kwantowej grawitacji zmieni nasz pogląd na strukturę materii. W chwili obecnej dwie koncepcje teoretyczne są szeroko dyskutowane. W jednej z nich cząstki materii i bozony przenoszące oddziaływania są połączone symetrią zwaną supersymetrią. W innej, cząstki przy bardzo dużej energii (albo w bardzo małej skali) stają się strunami.
Pytania o początki pytania teoretyczne: Co spowodowało naruszenie symetrii materia- antymateria? Czy była inflacja, a jeśli tak to jaki był jej mechanizm? Co stanowi ciemną materię? Jaka jest natura ciemnej energii? Dlaczego energia próżni jest tak olbrzymia? Jaka teoria zastąpi Model Standardowy? Jaka jest masa neutrin? Czy są dodatkowe wymiary czasoprzestrzenne? Czy proton jest niestabilny? Czy Ogólna Teoria Względności jest teorią ostateczną? Jak wygląda Mechanika Kwantowa dla energii w skali Plancka?
Fizyka cząstek elementarnych i kosmologia są teoriami nierozłącznie związanymi z sobą, Marzy nam się stworzenie Teorii Ostatecznej czy wtedy znajdziemy odpowiedzi na pytania wyjaśniające status życia i inteligencji? czy znajdziemy w niej uzasadnienie moralności lub jej braku? czy zostanie rozstrzygnięta kwestia dobra i zła, tego co etyczne, a co nie etyczne? czy nastąpi konflikt pomiędzy nauką i religią? a może nauka i religia będą się wzajemnie uzupełniać?
Z pewnością pozostaną pytania egzystencjalne. Pytania o życiu, świadomości religii, etyce i moralności. Pytanie, czy realny jest scenariusz zaproponowany przez M.Tegmarka i J.A.Wheelera (arxiv:quant-ph/0101077). Wiemy, że doświadczenie Boga jest wydarzeniem równie rzeczywistym, jak doznanie własnej osobowości lub bezpośrednich wrażeń zmysłowych. Ale w czasoprzestrzennym obrazie świata nie ma miejsca na nic takiego. Nie odnajduję Boga nigdzie, ani w czasie, ani w przestrzeni: tak mówi każdy uczciwy przyrodnik. Tym samym ściąga na siebie oskarżenia tych, w których katechizmie jest powiedziane: Bóg jest duchem. E. Schrödinger, Czym jest życie, Pruszyński i S-ka, W-wa,1998.
Czy mamy szanse uniknięcia mówienia o: Jasnowidztwo, telekineza, telepatia, astrologia, latające talerze, uffo, parafizyka, magia, parapsychologia, postrzeganie pozazmysłowe...
Co aktualnie wiemy o Wszechświecie -mikroświat Dziękuję za uwagę!