Úvod do moderní fyziky. lekce 7 vznik a vývoj vesmíru

Transkript

1 Úvod do moderní fyziky lekce 7 vznik a vývoj vesmíru

2 proč nemůže být vesmír statický?

3 Planckova délka, Planckův čas l p =sqrt(hg/c^3)=1.6x10-35 m nejkratší dosažitelná vzdálenost, za kterou teoreticky nelze nic studovat na vzdálenostech srovnatelných s Planckovou délkou dovoluje kvantová mechanika (relace neurčitosti) vytváření částic a antičástic a jejich anihilaci bez porušení zákonů zachování kvantová pěna Planckův čas = doba, za kterou urazí světlo Planckovu délku = 5.39x10-44 s pro popis toho, co se děje na velmi krátkých vzdálenostech, bychom potřebovali teorii kvantové gravitace

4 vývoj vesmíru počátek vesmíru přibližně před 14 mld. let s: Planckův čas, dříve nelze podle současných znalostí vyvodit závěry o podobě vesmíru v první fázi existence pouze jedné sjednocené síly, částice v současné podobě neexistovaly, postupně narušení symetrie (fázový přechod) s: kvark-gluonové plazma, teplota K vesmír procházel tzv. inflační fází velmi rychlé exponenciální rozpínání 10-4 s: kvarky vytváří protony, neutrony a jejich antičástice, anihilace částic a antičástic, nepatrný přebytek částic vytváří svět, jak jej známe dnes 1 min: srážející se protony a neutrony vytváří jádra, vesmír je neprůhledný, světlo neurazí příliš velkou vzdálenost z důvodu interakce s jádry let: teplota 10 4 K, tvoří se neutrální atomy, světlo se šíří na velké vzdálenosti, vznik reliktního záření rozpínání vesmíru dnešní hodnota teploty reliktního záření 2.7 K 1992 měření družice Cosmic Background Explorer (COBE) prokázala, že kosmické reliktní záření není dokonale izotropní (odchylky od průmeru 1/100000) zárodky budoucí nerovnoměrné struktury vesmíru

5 fluktuace reliktního záření

6 inflační fáze vesmíru standartní model bez inflační fáze měl několik neřešitelných problémů např. problém horizontu podle standartního modelu by vesmír byl složen z kauzálně oddělených oblastí, přitom reliktní záření je vysoce homogenní (i přes drobné odchylky) 1980 Alan Guth navrhl řešení inflační model oznámena detekce gravitačních vln pocházejících z rané fáze vesmíru (respektive určitého modu polarizace reliktního záření dokazující jejich existenci) na polární stanici Amundsen-Scott nedaleko jižního pólu

7 scénáře vývoje vesmíru

8 Hubblův zákon důkaz rozpínání vesmíru

9 temná hmota měření rychlosti rotace jasných hvězdokup v galaxiích v různé vzdálenosti od středu galaxie (na základě Dopplerova posuvu) z měření vyplývá, že viditelná část galaxie tvoří pouze 5%-10% její hmotnosti plná čára teoretická rychlost rotace hvězd v závislosti na jejich vzdálenosti od středu galaxie body naměřené hodnoty

10 temná hmota - vysvětlení WIMP weakly interacting massive particles (neutrina s nenulovou hmotností?, k vysvětlení ale zřejmě nestačí) MACHO massive compact halo objects (černé díry, bílý a hnědí trpaslíci)

11 temná energie detailní pozorování z posledních let ukazují, že rozpínání vesmíru se zrychluje temná energie od sebe odpudivou silou odtlačuje galaxie čím dál vyšší rychlostí měření rudého posuvu u supernov typu 1a (z bílého trpaslíka procházejícího řetězovou termojadernou reakcí), které mají všechny stejný vývoj svítivosti bez ohledu na polohu ve vesmíru (lze z toho odvodit jejich vzdálenost) ukázala zrychlování vesmíru nyní se odhaduje, že zrychlování probíhá během posledních 5 mld. let vývoje vesmíru, kdy působení temné energie převážilo nad přitažlivou silou temné hmoty a baryonů temná energie je energie vakua, je pravděpodobně v prostoru rozložena rovnoměrně, narozdíl od temné hmoty pochopení temné energie zásadní pro predikci dalšího vývoje vesmíru

12 vývoj vesmíru a silové interakce krátce po vzniku vesmíru předpoklad pouze jedné silové interakce, která se postupně rozdělovala na čtyři s klesající teplotou vesmíru představa, že všechny síly splývají při velmi vysoké teplotě

13

14

15

16 teorie superstrun zkratka supersymetrické teorie strun pokus vysvětlit všechny částice a fundamentální síly pomocí vibrujících tenkých supersymetrických strun struny o velikosti Planckovy délky (10-35 m) vibrují na určitých modech (rezonančních frekvencích), každý mod určuje jinou částici, napětí struny je velikosti Planckovy síly (10 44 N) teorie předpokládá existenci svinutých dimenzí, prostor by měl být až 11ti dimenzionální (10 prostorových dimenzí a čas) existuje několik (pět) verzí teorie, které by měla dohromady propojit M-teorie (šestá verze)