Kam kráčí současná fyzika

Transkript

1 Kam kráčí současná fyzika

2 Situace před II. světovou válkou Kvantová teorie (Max Planck, 1900) teorie malého a lehkého Teorie relativity (Albert Einstein) teorie rychlého (speciální relativita) Teorie velkého a těžkého (obecná relativita) Struktura atomu Elektrony Protony Neutrony

3 Kvantová fyzika 10 km/h 20 km/h 70 km/h 90 km/h 120 km/h 150 km/h 40 km/h h = h = v = 70 km/h, v = km/h v = km/h Nikdy se neprojeví v lidských měřítkách, hraje důležitou roli v mikrosvětě

4 Problém rychlosti světla Střelec na zemi: Rychlost šípu vzhledem k terči 200 km/h Střelec ve vlaku: Rychlost šípu vzhledem k terči 300 km/h (rychlost šípu + rychlost vlaku) Skládání rychlostí (Galileo) Střelec na zemi: Rychlost světla vzhledem k terči km/s Střelec ve vlaku: Rychlost světla vzhledem k terči km/s + rychlost vlaku? NE! Pro světlo neplatí zákon skládání rychlostí. Světlo se vůči všem objektům vždy pohybuje stejnou rychlostí km/s

5 Relativita předpovídá zvláštní věci Zkracování objektů ve směru pohybu 50g 100g 500g 1200g Rychlejší objekty se jeví těžší než pomalejší Rychlejším objektům běží čas pomaleji Paradox dvojčat

6 Velikost atomu Velikost atomu:10-10 m (vodík) Velikost jádra: m Poměr :1 Veškerá hmota je z 99.99% prázdný prostor!! Jak to, že to nepoznáme? Protože naše vnímání je zprostředkováno elektromagnetickou interakcí, která vidí jen vnější elektrony

7 Síly v přírodě Gravitace (Newton, 17. století) Elektromagnetismus F g = κ m m 1 r 2 2 F em = k q q r Hmotnost (gravitační náboj)? vždy kladná Elektrický náboj kladný nebo záporný Magnetický náboj?

8 První otázky Proč se dvě přírodní síly řídí podobným zákonem, ale chovají se velmi odlišně? Bylo by možné tyto dvě síly popsat jediným zákonem (Einstein, Faraday,...)? Co je vlastně hmotnost a elektrický náboj? Proč neexistuje magnetický náboj? Jak je možné, že atomové jádro drží pohromadě, když protony mají kladný náboj a měly by se silně odpuzovat? F em = k q q r

9 Dvě síly nestačí Částice v jádře nemůže držet pohromadě ani elektromagnetická ani gravitační síla Silná jaderná síla Na co působí? Co je nábojem SJS? Problém elementárních částic

10 Které částice jsou elementární Elektron Thomson 1897 Proton Rutherford 1918 Neutron Chadwick 1932 Neutrino Pauli 1930, Reines 1956 Meson Yukawa 1935, Powell 1947 Mion Anderson 1936 Antičástice Dirac 1930, Segre 1955 V roce 1960 bylo popsáno téměř 100 elementárních částic piony, kaony, hyperony...

11 Menší než proton Některé částice se skládají z menších dílů Kvarky Murray Gell-Mann Nobelova cena 1969 Každý kvark má jistou vlastnost zvanou barva Tři možné barvy: červená zelená a modrá Horní Dolní Podivný Šarmantní Spodní Svrchní

12 Dvě síly nestačí Částice v jádře nemůže držet pohromadě ani elektromagnetická ani gravitační síla Silná jaderná síla Na co působí? Co je nábojem SJS? Silná jaderná síla působí na kvarky Nábojem silné jaderné síly je barva kvarku

13 Ani tři síly nestačí Radioaktivní rozpad nelze popsat žádnou ze tří známých sil Musí existovat čvrtá síla zodpovědná za tzv. beta rozpad (rozpad neutronu na proton a elektron) Slabá jaderná síla Popisuje interakce mezi neutriny Čtyři síly, které popisují veškeré známé interakce v přírodě Gravitační, elektromagnetická, silná jaderná, slabá jaderná

14 Co je to síla? Síla (interakce) mezi částicemi hmoty vzniká díky výměnám určitých částic

15 Standardní model Gerardus 't Hooft David Gross Frank Wilczek Martinus Veltman Dostavěn v roce 1995 objevem svrchního kvarku Umí vysvětlit a popsat (téměř) všechny pozorované jevy v přírodě David Politzer

16 Problémy Standardního modelu 19 parametrů, které musí být určeny z experimentu hmotnosti částic, elektrický náboj parametry kvarků (barva, podivnost, půvab) Předpovídá částici zvanou Higgsův boson, která dosud nebyla pozorována Je netečná ke všem čtyřem silám, jejím úkolem je dát částicím hmotnost Neobsahuje gravitaci

17 Problém gravitace První objevená síla Obecná teorie gravitace vytvořená Einsteinem v roce 1915 Neslučitelná s kvantovou fyzikou Kvantová fyzika (standardní model) popisuje interakce a objekty na atomární úrovni Teorie gravitace popisuje objekty velmi hmotné působící na velké vzdálenosti Potřebujeme vůbec aby fungovaly obě teorie současně? Existují objekty, které jsou tak malé, že vyžadují kvantový popis a zároveň tak hmotné, že vyžadují popis pomocí teorie gravitace?

18 Gravitační kolaps Bílý trpaslík Hmota Slunce stlačena do velikosti Země 1cm 3 váží 1000kg Neutronová hvězda Hmota Sluncí stlačena do 10km 1cm 3 váží milion tun?

19 Nejpodivnější objekty ve Vesmíru Černé díry Předpovězeny ještě před teorií gravitace Matematický popis plyne z gravitační teorie Objekt s extrémní hustotou Úniková rychlost vyšší než rychlost světla km/s Země: Měsíc: Slunce: 11.4 km/s 2.4 km/s 615 km/s Střed černé díry nesmírně hmotný a zároveň velmi malý

20 Jak spojit gravitaci s ostatními silami? Teorie strun Základním stavebním kamenem hmoty nejsou elementární částice, ale struny Každá elementární částice je určitý vibrační stav struny

21 Nadějná teorie, ale... Nelze ji zatím spolehlivě ověřit, protože předpovídá jevy daleko za hranicemi současné techniky Jiné přístupy Preony, částice menší než kvarky

22 Co tedy fyzikové chtějí? Popsat všechny čtyři síly v přírodě jedinou teorií (tzv. Teorie všeho) Najít teorii schopnou popsat co se děje uvnitř černé díry Najít Higgsovu částici a potvrdit platnost Standardního modelu Vysvětlit co je to hmotnost, náboj,... Zjistit, co je základním stavebním kamenem hmoty Vysvětlit problém temné hmoty ve vesmíru