Za hranice současné fyziky

Transkript

1 Za hranice současné fyziky

2 Zásadní změny na počátku 20. století 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 Velikost atomu Velikost atomu: 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

5 Struktura atomu 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

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

7 Standardní model Popisuje tři základní interakce v přírodě Elektromagnetická Silná jaderná Slabá jaderná Antičástice Umí vysvětlit a popsat (téměř) všechny pozorované jevy v přírodě

8 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

9 Co je to hmotnost? F g = κ m m 1 r 2 2 Fg = mg Hmotnost a váha jsou dvě různé veličiny!

10 Higgsův mechanismus Proč mají některé částice hmotnost? Interagují s Higgsovým polem, které je tvořeno Higgsovými bosony. Tato interakce jim brání v pohybu, což se navenek projevuje jako by částice měly hmotnost. Velikost interakce s Higgsovým polem určuje velikost hmotnosti částice. Peter Higgs (1929), mechanismus získávání hmotnosti publikoval v roce 1964

11 Hmotnost a Higgsův boson Různé částice interagují různě s Higgsovým polem což jim dává různé hmotnosti

12 Hledání Higgsova bosonu Jak najít novou částici: Při srážkách částic za vysokých rychlostí dochází k uvolnění obrovské energie, která umožňuje tvorbu nových částic Čím vyšší energie, tím více nových částic se vytvoří Fyzika vysokých energií Urychlovače částic Urychlovač částic v CERN (Švýcarsko, Francie) 27 km dlouhý tunel 100 m pod zemí Urychlující magnety chlazené na -270 C

13 Největší mikroskop světa λ = h mv Vlnová délka objektu hmotnosti m E = mc 2 Klidová energie objektu hmotnosti m Vyšší energie = kratší vlnová délka Možnost pozorování menších objektů 14 TeV = 2.24 x 10-6 J (odpovídá energii srážky dvou komárů) Energie je malá, ale soustředěna do nesmírně malého objemu

14 Jak toho dosáhnout? 9300 magnetů udržuje protony na kruhové dráze Ultravysoké vakuum Nízká teplota, < 2K (-271 C)

15 Tunel

16 ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus) Detektory CMS (Compact Muon Solenoid) ALICE (A Large Ion Collider Experiment) LHCb (LHC beauty)

17 LHC spuštěn 10. září 2008 První protony vstříknuty do hlavního tunelu Testování oběhů, vylaďování aparatury Oficiální spuštění 10.9

18 První objevená síla Problém gravitace Obecná teorie gravitace vytvořená Einsteinem v roce 1915 Gravitace je nesmírně slabá síla Silná jaderná Elektromagnetická Slabá jaderná Gravitační 1 1/

19 Problém gravitace 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?

20 Nejpodivnější objekty ve Vesmíru Černé díry Předpovězeny v roce 1783 (John Michell) Úniková rychlost v = 2GM R M R > 2 c 2G M Earth = 6 x kg, G = 6.67 x m 3 kg -1 s -2 Černá díra hmotnosti Země má poloměr 9 mm!! Střed černé díry nesmírně hmotný a zároveň velmi malý

21 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?

22 Černé díry a kvantová fyzika Díky kvantové fyzice černé díry nejsou úplně černé (Hawking 1974) Díky tzv. fluktuacím vakua jsou stále vytvářeny páry částice-antičástice Pokud se takový pár vytvoří přesně na horizontu černé díry, existuje pravděpodobnost, že jedna částice z páru spadne do černé díry, zatímco druhá unikne z gravitačního pole Vypařování černých děr Pouze teoretická předpověď, z důvodu extrémně nízké teploty černých děr nikdy nebylo pozorováno. Hawking radiation

23 Unruhovo záření (1976) Protože v gravitační teorii platí tzv. princip ekvivalence, který říká, že gravitace a zrychlení jsou totéž, stejný efekt by se měl objevit i v případě extrémního urychlení částice Unruhovo záření Pokud velmi intenzívní laserový puls fokusujeme do mraku elektronů, urychlení elektronů intenzívním elektromagnetickým polem laser může být tak velké, že by bylo možné pozorovat Unruhovo záření

24 ELI Beamlines První laserové pulsy by měly být k dispozici v roce 2015, v plném provozu v roce 2017

25 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

26 Teorie strun Planckova délka L P hg = = 2πc m 3 Nedochází k bodovým interakcím

27 Teorie strun Funguje pouze v jedenáctirozměrném prostoru Nelze ji spolehlivě ověřit, protože předpovídá jevy daleko za hranicemi současné techniky Je matematicky konsistentní a předpovídá jevy, které jsou skutečně pozorovatelné Ale: Předpovídá nekonečné množství různých vesmírů ve kterých mohou platit i jiné fyzikální zákony

28

29 Rozpínání vesmíru se zrychluje existence temné energie V prvních fázích života vesmíru vznikly pouze prvky vodík, helium, lithium a beryllium. Všechny ostatní prvky vznikly ve hvězdách prostřednictvím termonukleárních reakcí

30 Temná hmota Galaxie obsahují mnohem víc hmoty než je obsaženo ve svítící hmotě (hvězdy) Tato hmota se projevuje pouze gravitačně

31 Temná hmota a temná energie

32 Fyzikální záhady, které čekají na vyřešení 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 a temné energie Úvahy co bylo před velkým třeskem