co – možná - přinese příštích několik let ve fyzice částic?

Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům 1

Co – možná - přinese příštích několik let ve fyzice částic?

Jdeme správnou cestou nebo slepou uličkou?

Jiří Chýla, Fyzikální ústav AV ČR

V polovině příštího roku bude v CERN uveden do provozu nový mohutný urychlovač zvaný LHC, v němž se budou srážet dva protiběžné svazky protonů, každý s energií sedmkrát větší než je dosud největší dosažená energie.Na LHC budou od podzimu 2008 na čtyřech místech probíhat experimenty, jichž se účastní i čeští fyzikové,které by měly přinést zásadně nové informace o základ-ních stavebních kamenech hmoty a o silách, které mezi nimi působí a odpovědět tak na základní otázku


Snad trocha historie nikoho (z vás) nezabije ...


Pointa: Wienova formule popisuje kvan-tovou povahu záření. Kvantová teorie byla objevena tím, že bylo pozorován odklon od této formule, v oblasti, kde platí klasické zákony.

Zrod kvantové teorie na přelomu 19. a 20. stole-tí je názorným příkladem, jak neočekávaně může dojít k zásadní změně pohledu na fyzikální zákony a jak těžko se s nimi člověk smiřuje.Lummers a Pringsheim (jaro

1900): data o spektrální hustotě záření absolutně černého tělesa leží pro větší vlnové délky a vyšší teploty nad předpovědí formule, již odvodil Wien v roce 1896 v rámci klasické statistické fyziky.


Rutherfordův objev jádra(měření provedli Geiger a Marsden)


1911: Rutherfordův experiment

Obr. 3: Vlevo: Rutherford s Marsdenem u svého zařízení, jehož schéma je znázorněno nahoře. Částic alfa vycházejících ze zdroje R se rozptýlily na zlaté fólii F a dopadaly na vrstvu ZnS na předním okénku kukátka M které se otáčelo kolem osy kolmé na rovinu obrázku a do nějž se dívaly střídavě Geiger s Marsdenem.


Od konce 19. století vyvíjel H. R. Wilson ke zviditelnění drah nabitých částic mlžné komory, ježjsou dvojího druhu:- expanzní- difuzní

1932: Objev pozitronu cca 17 cm

Mlžná komora, kterou používal Anderson v letech 1935-1941


Wilsonova expanzní mlžná komora používaná Andersonem v letech 1935-1941 v Caltechu.

Princip práce expanzní mlžné komory cca 17 cm


1932: první pozitron

olověná deska

Carl Anderson1905 — 1991


Fyzici prošli dlouhou cestu od urychlovačů poslepo-vaných pečetním voskem jako byl první cyklotron, který vynalezl a postavil za 25$ Ernest Lawrence v roce 1930, k obrovským urychlovačům v ceně okolo 1 G$ skrytých v podzem-ních tunelech jako je budovaný LHC v CERN ...

Replika of Lawrenceova cyklotronu v CERNském Microcosmu


V polovině roku 2008 by měl začít pracovat v tunelukde byl do roku 2000 urychlovač LEP

Velký srážeč hadronů LHC

který – doufejme – přinese odpovědi na některé z v přednášce nastíněných otázek.Jde o po všech stránkách - velikosti, ceny, složitosti,doby vývoje a výstavby i očekávaného provozu - o největší projekt v historii základní fyziky. Významná je i účast skupin českých fyziků a techniků z UK, ČVUT a FZÚ AV ČR.

proton 7000 GeV proton 7000 GeV


CERN

Protonový synchrotron

SPS

LEP/LHC

Ženevskéjezero


Mont Blanc


tunel LHC dnes


Detektor ATLAS na urychlovači LHC v CERN


Jeden z nejpozoruhodnějších rysů současné fundamen-tální fyziky je stále patrnější skutečnost, že

struktura a zákonitosti mikrosvěta úzce souvisí se vznikem a ranným stádiem vývoje vesmíru.Je tomu tak proto, že pro vývoj vesmíru těsně po

velkém třesku byly rozhodující struktury a zákonitosti, které zkoumá fyzika částic.

Ale i naopak: z vesmíru k nám, tak jako již mnohokrát v minulosti, může přiletět objekt, jenž bude klíčem k hlubšímu pochopení zákonitostí mikrosvěta.


Publikace Americké Akademie věd Kvarky a

vesmír : jedenáct otázek pro nové století


1. Co tvoří temnou hmotu?2. Co je podstata temné energie?3. Jak vznikl vesmír?4. Jaké jsou hmotnosti neutrin a jak neutrina ovlivnila vývoj vesmíru? 5. Existují extra dimenze prostoru a času?6. Je proton stabilní?7. Měl Einstein poslední slovo o gravitaci?8. Jak pracují kosmické urychlovače a co urychlují?9. Existují nová skupenství hmoty při velkých hustotách a vysokých teplotách?10. Je třeba při vysokých energiích nová teorie hmoty?11. Jak vznikly prvky od železa po uran?


Co o mikrosvětě víme

Co si o něm domýšlíme Jak se do něj díváme Co přinese LHC? Žijeme v mnohamíru? Teorie všeho nebo čehokoliv?

Obsah


Charakteristické rozměry

Rozdíl 45 řádů!


Mikrosvět: 1 fm = 10-15 m = poloměr protonu1 GeV = 1.8 10-27 kg = klidová hmotnost protonuhmotnosti se uvádějí v jednotkách odpovídající energie podle vztahu E=mc2

JednotkyV mikro i makrosvětě se používají přirozené jednotky

Makrosvět: 1 světelný rok = 9,5∙1016 m (rok má 3,15∙107s)1 parsek = 3.26 světelných let

Teplota je míra kinetické energie částic a proto se uvádí ve stupních Kelvina nebo ekvivalentní energii, přičemž

1 K = 0.0001 eV


Moderní fyzika se opírá o dvě teorie, jež zásadním způsobem změnily naše představy o prostoru, čase a zákonech, jež v mikrosvětě působí: teorii relativity a kvantovou teorii. Vesmír, tak jak ho známe, by nemohl vzniknout, kdyby v něm platily zákony klasické fyziky.Kdyby se protony, neutrony a elektrony řídily zákony klasické fyziky, nebyly by atomy stabilní, neboť elektrony by podle nich při oběhu kolem jádra vyzařovaly energii a během krátké doby by se na něj zřítily. Energie z jádra a paprsky ze Slunce jsou podmíněny sku-tečností, že klidová hmotnost částic se může přeměnit na kinetickou energii jiných částic a obráceně. Díky tomu mohou při srážkách částic vznikat částice jiné, což jsou procesy, které hrály rozhodující roli ve velkém třesku.

Povaha zákonů mikrosvěta


káču (spin) nelze zastavit vakuum (kvantové) není prázdné konstanty (vazbové) nejsou konstantní a nad vším vládne Maestro Paulise svým „Pauliho vylučovacím principem“. Bez přehánění lze říci, že právě tomuto principu, jenž nemá v klasické fyzice obdobu, vděčíme za bohatost struktur mikrosvěta a tím i za svou vlastní existenci.

Kvantová teorie pole, podivuhodné království v němž....


Vakuum v kvantové teorii pole je stav pole s nejnižší energií, v němž nejsou přítomny reálné částice ani antičástice. Nejde ovšem o triviální stav pole, ale stav, jenž je plný „virtuálních“ párů částic a antičástic

jenž se v QED chová jako dielektrikum: vložený elek-trický náboj je v důsledkupolarizace dielektrika od-stíněn. Výsledný efektivní elektrický náboj je proto klesající funkcí vzdálenosti.


Základní dnešní znalosti zákonů mikrosvěta jsou shrnuty ve standardním modeluPodle něj jsou základními stavebními kameny hmoty tři generace základních fermionů tj. částic se spinem 1/2, jež se dále dělí na

kvarky a leptony

Co o mikrosvětě víme

hmotnost


Z kvarků jsou složeny dobře známé částice jako jsou například proton a neutron, jež tvoří atomová jádra. Ta spolu s elektrony vytvářejí atomy.

U Ud

proton= neutron= d ud

Vše nasvědčuje tomu, že na rozdíl od leptonů

Experimentální data lze přitom pochopit jen pokud předpokládáme, že

kvarky v přírodě neexistují jako volné částice ale vždy jen uvnitř částic jako jsou protony a neutrony.

hadrony jsou bezbarvé kombinace kvarků.


Mají společnou charakteristiku: lze je popsat pomocí výměny zprostředkujících částic se spinem 1, tzv.

gravitační elektromagnetické slabésilné.

Síly mezi kvarky a leptony

intermediální vektorové bosony (IVB)

Patří do jedné třídy tzv. kalibračních teorií

jež představují základní rámec pro popis sil v mikrosvětě.


Grafickou reprezentací výměnných sil jsou v odborných textech Feynmanovy diagramy:

Dosah sil je nepřímo úměrný hmotnosti příslušného IVB

vazbový parametr


Elektromagnetické sílyFoton

základní vlastnosti:• působí jen na elektricky nabité částice• jsou invariantní vůči záměnám vpravo ↔ vlevo a částice ↔ antičástice• mají nekonečný dosah, foton má nulovou hmotnost • jsou dobře popsány kvantovou elektrodynamikou (QED)• kromě velmi malých vzdáleností, kde QED nemá smysl.


Slabé síly bosony W+,W-,Z

základní vlastnosti:• působí na všechny kvarky a leptony • nejsou invariantní vůči záměnám vpravo ↔ vlevo a částice ↔ antičástice, ani kombinaci vpravo ↔ vlevo & částice ↔ antičástice• mají konečný dosah,W+,W-, Z mají velkou hmotnost • jsou popsány teorií Glashowa, Weinberga a Salama • IVB bosony W+,W- a Z interagují sami se sebou!


Silné síly osm barevných gluonů

základní vlastnosti:• působí jen na barevné částice tj. kvarky i gluony• gluony interagují sami se sebou• jsou invariantní vůči záměnám vpravo ↔ vlevo a částice ↔ antičástice•mají velmi neobvyklé chování na velkých vzdálenostech •jsou popsány kvantovou chromodynamikou (QCD)


Důvod, proč nelze proton „ionizovat“ tak jako atom vodíku

pee e

ep

rozptýlený elektronvyražený elektron

„zbytek“ atomu

U Ud

e

U Uerozptýlený elektron

vyražený kvark

„zbytek“ protonu

u

d

to jest proč neprobíhá proces

je důsledkem pozoruhodných vlastností „barevných“ sil působících mezi kvarky

uu


protony

elektrony

Detektor experimentu H1 v DESY v Hamburku

To, co v přírodě pozorujeme jsou „stopy“ po vyráženém kvarku a „zbytku“ protonu, jimiž jsou jety


jet – stopa po vyráženém kvarku

elektron proton

rozptýlený elektron Tok energie ve

dvou úzkých kuželech

To, co v přírodě pozorujeme jsou „stopy“ po vyráženém kvarku a „zbytku“ protonu, jimiž jsou jety


Potenciál mezi dvěma těžkými kvarky

mírně modifikovaný


Proč se zdají být různé síly tak rozdílně silné?

Především proto, že jsme zvyklí je porovnávat na vzdále-nostech mnohem větších než je poloměr protonu, tj.rp=10-15cm. Na vzdálenostech řekněme r<0.001 rp jsouelektromagnetické, silné a slabé síly skoro stejně velké.

Srovnání závislostí elektromagnetických (čárkovaně), slabých (tečkovaně) a silných (plná čára) sil mezi dvěma kvarky či na vzdálenosti.

Závislost efektivních nábojů silných, slabých a elektromagnetických sil na vzdálenosti.


• nejsou invariantní vůči prostorové inversi (P)• nejsou invariantní vůči nábojové inverzi (C)• ani vůči kombinované inverzi CP• ale nemění kvarky na leptony

Narušení P, C a hlavně CP invariance bylo zpočátku nevítané, neboť fyzikové očekávali, že přírodní zákony jsou vůči těmto „přirozeným“ symetriím invariantní i v mikrosvětě.

Dnes se jasné, že právě narušení CP invariance sil v mikro-světě vděčíme za naši existenci, neboť bez něj by se vesmír nemohl vyvinout do dnešní podoby.

Síly jako celek tedy


Jak vznikají klidové hmotnosti kvarků, leptonů a IVBa co způsobuje jejich rozdílné hodnoty?

Standardní model je až překvapivě úspěšný při popisu jevů mikrosvěta. Je ovšem zjevně neúplný a jistě nepředstavujekonečnou úroveň struktury mikrosvěta a jeho zákonů neboť

obsahuje cca 20 volných parametrů (hmotnosti, náboje a několik dalších)

v pravém slova smyslu nesjednocuje všechny tři síly a nezahrnuje gravitaci.

Ústřední otázka dnešního standardního modelu:

Může za to Higgsův boson?


Kvarky a leptony nejsou základní cihly hmoty, ale jsou sami složeny z ještě menších částeček (preonů,rishonů apod.). Tato přirozená myšlenka je z řady důvodů stále méně přitažlivá, ale pořád stojí za to si ji klást.Ke každé částici Standarního modelu existuje partner, jenž se od svého „standardního“ protějšku liší hodnotou spinu. Tato hypotéza tzv. supersymetrie bourá klíčový rys standardního modelu, jímž je zásadní odlišnost částic s poločíselným spinem (kvarků a leptonů) a částic se spinem celočíselným (jako jsou IVB). Po supersymetrických part-nerech částic Standardního modelu se již 30 let pátrá, ale dosud neúspěšně. Jedna z nich je žhavým kandidátem na podstatu tzv. „temné hmoty“ ve vesmíru.

Za hranicemi standardního modelu


Kvarky a leptony nejsou zásadně odlišné, jak tomu je z hlediska empirických zákonů zachování, ale představují jen různé stavy jednoho fundamentálního fermionu. Tato hypotéza ve svých důsledcích znamená, že proton není stabilní se zdá být téměř nevyhnutelná pro pochopení proč je ve vesmíru přebytek hmoty nad antihmotou. Pátrání po rozpadu protonu bylo a je věnována řada experimentů, ale zatím bezúspěšně.Základními objekty mikrosvěta nejsou částice, ale struny Tato hypotéza poskytuje potenciální možnost sjednotit gravitaci s ostatními třemi silami. Původní naděje, že povede k „teorii všeho“, v jejímž rámci bude možné spočítat i hodnoty zmíněných cca 20 volných parametrů standardního modelu, však byla již opuštěna.


Fyzikální zákony „žijí“ ve více prostorových rozměrech Tato myšlenka se ve fyzice objevila již počátkem minulého století (Kaluza a Klein) při snahách sjednotit gravitaci a alektromagnetické síly. Je i nezbytnou součástí teorií strun, ale v posledních deseti letech se objevila v novém „hávu“, jež jí činí mimořádně zajímavou z hlediska možnosti experimentálního potvrzení. Poněkud, ale ne zcela, mimo samotnou fyziku částic stojí hledání odpovědi na zcela zásadní otázku týkající se povahy gravitačních sil:Existují gravitační vlny?I zde je, byť malá, šance na úspěch.


SupersymetrieVe standardním modelu je rozdíl mezi částicemi se spinem ½ a 1 zcela zásadní, neboť pro první platí Pauliho vylučovací princip a pro druhé ne.

Přesto se počátkem 70. let objevila hypotéza, že ke každé částici SM

Přes veškerou snahu se žádnou supersymetrickou částici najít nepodařilo. Pokud existují, musí být velmi těžké, nejlehčí z nich musí mít větší hmotnost než 50 GeV.

částice, jež má spin o ½ různý. Partneři kvarků a leptonůtedy mají mít spin ½ a partneři IVB spin 0.

v přírodě existuje supersymetrický partner


Teorie velkého sjednocení

kvarky a leptony (a jejich antičástice) jedné generace jsou v jen různé stavy jednoho základního fermionu.

Motivace: snaha sjednotit elektromagnetické, slabé a silné síly. Opírají se o myšlenku, že

Konkrétně: na velmi malých vzdálenostech, řádově 10-30 cm se kvarky a leptony chovají stejně a přecházejí jeden na druhého prostřednictvím sil, které na větších vzdáleno-stech nepůsobí. Je tak možný například proces

kvark u +kvark u → pozitron + antikvark d

To je v rozporu se všemi dosud známými empirickými fakty, ale právě tato myšlenka je možná klíčem k pocho-pení vzniku a vývoje vesmíru těsně po velkém třesku.


Aby tyto přechody mohli snadno probíhat, musí se kvarky a leptony srážet s obrovskými energiemi, jež na urychlo-vačích nikdy nedosáhneme. Na po čátku vesmíru byly ovšem takové energie zcela běžné.

Hledáním rozpadu protonu se fyzikové zabývají již 30 let, zatím bezúspěšně. Byla stanovena jen dolní mez na dobu poločas rozpadu protonu, jež činí 1033 let.

Z kvarků tedy mohou vzniknout leptony či antikvarky. V takových procesech se nezachovává baryonové číslo, což má dramatický důsledek: proton není

stabilní!

protonπ0

0p e

typický rozpad:


StrunyHypotéza: základními objekty mikrosvěta nejsou bodové částice, ale struny.

Koncem 60. let se zdálo, že některé vlastnosti protonů,neutronů a mezonů lze vysvětlit, předpokládáme-li, že se chovají jako struny ve třírozměrném prostoru o délce řádově femtometr. Brzy se ovšem ukázalo, že takto protony chápat nelze a strunový model byl opuštěn.

Struny se do fyziky vrátili počátkem 80. let ale v jiném hávu: jako součást snah sjednotit elektromagnetické, slabé a silné síly s gravitací. Tyto struny se však „pohybovaly“ ve vícerozměrném (obvykle 10ti) prostoročase a měli délku řádově 10-33 cm,tj. o 20 řádů menší než je rozměr protonu.


Podobně jako mají různé tóny (tj. vibrační stavy) klasické struny různou energii, mají různou energiii vibrační stavy strun těchto teorií.

Struny mohou být otevřené i i uzavřené a pokud se na ně díváme s malou „rozlišovací schopností“, jeví se nám jako body. Různá energie vibrač-ních stavů struny odpovídají různým hmotnostem.


Rozptyl částic Rozptyl strun


V „extra“ dimenzích prostoru se šíří jen gravitační síly, ostatní tam „nemohou“. Proto jsou gravitační síly ve 3+1 rozměrech vůči ostatním slabé.

náš třírozměrný svět

další rozměr

„Velké“ extra dimenze


Planckova délka:

cmGcGl NN

Pl33

3 1062.1

ze tří fundamentálních konstant přírody lze zkonstruovat veličinu rozměru délka takto

1c

GeVGMN

Pl19102.11

čemuž odpovídá hmotnost

Planckova délka

Planckova hmotnost

Planckova délka hraje roli základní délky ortodoxní teorie strun, v níž je gravitace sjednocena s ostatními silami až na této délce.

v systému jednotek


Proč je gravitace ve srovnání s jinými silami tak slabá?

Potenciály elektromagnetických a gravitačních sil mezi dvěma jednotkovými elektrickými náboji s hmotnostmi m

rMm

rmGrV

rrV

PL

NgravQED

1)(,)( 2

22

1/137

aby )()( rVrV gravQED musí být hmotnost m

dána výrazem GeVMm PL1810

Tak těžké elementární částice ovšem v přírodě neexistují.

Obvyklá odpověď: protože je gravitační konstanta GN malá.

Neobvyklá odpověď: protože na rozdíl od ostatních sil, gravitace „žije“ ve více prostorových dimenzích!!


Gaussův zákon v d prostorových dimenzíchUvažujme hmotnosti M a m na vzdálenosti r od sebe

2,ln)(

2,)()( 21

drMmGArV

drMmGArV

rMmGArF

dd

dd

ddd

d

m

položme d=3+n a přepišme předchozí ve tvaru

gravitační konstanta v d dimenzích

MmGrFrS dd

d 4)(11

rpovrch koule

v d dimenzích

síla na vzdálenosti r od

hmotnosti M

M


rRMmmrV nnnPl

1)( 2)3(

21

Rr pokud je n dimenzí „svinuto“ do válců o poloměru R, má gravitační zákon pro velké vzdálenosti jiný tvar:

Planckova hmotnost ve 3+n dimezích již polo-žíme rovnou 1000 GeV.

Efektivní Planckova hmotnost ve 3 dimenzích řádu 1019

GeV pak může být důsledkem velkého R>>10-17cm! 2/

)3()3(n

nPlnPlPl RMMM

tento bezrozměrný součin může být >>1

12)3(

21121 1)(

nn

nPln

n

rMmm

rmmGrV


Jak dobře je ověřen Newtonův gravitační zákon? Odklon od New-tonova zákona

221

rmmGF N

grav

)exp(1 r

se standardněpopisuje multipli-kačním faktoremve tvarurelativnívelikost

dosah „novésíly“


První měření gravitační síly v pozemských měřítkách provedl v roce 1798 H. Cavendish pomocí torzních vah.

Jeho cílem bylo změřit hustotu Země, nikoliv gravitační konstantu, ale z jeho měření bylo snadno možné ji určit. a to s – na tu dobu úžasnou - přesností 1%.


Princip Realizace

2rGMmLLFk

podmínka rovnováhy:

torze gravitace


Ověření gravitačního zákona na vzdálenostech zlomku milimetru byla v poslední době věnována velká pozornost.Pomocí moderní verze torzních vah byl Newtonův zákon ověřen až na vzdálenosti 80 mikronů!

Narušení Newtonova zákona?


Jak lze pozorovat extra dimenze?Extra prostorové dimenze nebudeme nikdy schopni vnímat svými smysly tak, jako vnímáme „naše“ tři dimenze. Jediný způsob, jak extra dimenze „pozorovat“ je pátrat po jejich projevech ve srážkách částic v našem třírozměrném prostoru. Konkrétně to znamená hledat jevy, které se vymykají naší dosavadní zkušenosti.Takové pátrání již probíhá na urychlovači Tevatron ve Fermiho národní laboratoři u Chicaga, kde se zkoumají produkty srážek protonů s antiprotony.Předpokladem úspěchu je jako vždy co nejlepší znalost„normální fyziky“, v tomto případě konkrétně mechanismujak ve srážkách vznikají jety.


Jety nahradily částice jako hlavní nástroj zkoumání struktur a sil v mikrosvětě.

elektron pozitron

jako v QED tento vrchol odlišuje QCD od QED

4 jety

úhel mezi rovinami jetů

Příklad: potvrzení samointerakce gluonů


ALEPH

μ+

μ-

jet

jet

jet

jet

jet

jet

jet

jet

jet


FermihonárodnílaboratořnedalekoChicaga 2 km


V „normální“ srážce antiprotonus protonem vzniknou dva jety s opačnými hybnostmi.

CDF


Nejdramatičtějším projevem existence extra dimenzí by bylo pozorování srážek, v nichž vznikne jen jeden jet a celková energie se proto ve srážce nezachovává

podobně jako si počátkem 20. let 20. století mysleli Bohr a Heisenberg, že k tomu dochází v β-rozpadu neutronu. Po takových srážkách se v experimentech na TEVATRONu již – zatím bezúspěšně – pátrá. Pauli by měl jistě radost.


Phys.Rev.Lett. 92 (2004) 121802


Dosavadní výsledkyCDF experimentu:

2/NDRM

141031510317103


simulace srážky dvou protonů, při níž vzniknou normální částice a jeden graviton, který odnese energii do čtvrté prostorové dimenze a my proto pozorujeme nezachování energie a hybnosti!

zatím takové případy nebyly pozorovány.


takhle by měl vypadat výsledek srážky na LHC v níž by vznikla a okamžitě serozpadla černá díra.


Vývoj představ o vesmíru


od


1964: objev reliktního záření (Penzias a Wilson)1981: myšlenka inflace v ranném stádiu vývoje vesmíru (Guth, Linde)

1927: G. Lemaitre: vesmír vznikl při výbuchu primor-diálního atomu, prostor serozpíná, „Hubbleův“ zákon

1929: E. Hubble: spirálnímlhoviny jsou extragalaktické, nalezl empirický vztah mezi rychlostí vzdalování galaxií a jejich vzdáleností.

1946: G. Gamow, Alpher, Herman: syntéza lehkých prvků v raném vesmíru, předpověď reliktního mikrovlného záření jako důsledek velkého třesku

k velkému třesku

Klíčové okamžiky


Georges Lemaitre (1894 – 1966)

katolický kněz a nedoceněný génius, byl po Einsteinovi, Fridmanovi a de Sitterovi čtvrtým fyzikem, jenž aplikoval Einsteinovu obecnou teorii relativity v kosmologii.


Ve své práci z roku 1927 Un univers homogène de masse constante et de rayon croissant, rendant compte de la vitesse radiale des nébuleuses extragalactiquesa publikované v Annales de la Société Scientifique de Bruxelles

Utilisant les 42 nébuleuses extra-galactiques figurant dans les listes de Hubble et de Strömberg, et tenant compte de la vitesse propre du Soleil, on trouve une distance moyenne de 0,95 millions de parsecs et une vitesse radiale de 600 km/s, soit 625 km/s à 106 parsecs. Nous adopterons donc R’/R = v/rc = 0,68×10-27 cm -1 (24)Rovnice (24) je přitom přesně to, co se dnes nazývá „Hubbleův zákon“ a i hodnota „Hubbleovy konstanty“ jepřesně stejná, jakou o dva roky později zjistil Hubble.

objevil (2 roky před Hubblem) „Hubbleův zákon“


V článku The begining of the world from the point ofquantum theory, publikovaném v r. 1931 v časopise Nature, vyslovil hypotézu, že svět měl počátek, kdy byla veškerá hmota koncentrována v jednom bodě. Jeho slova:

Otec velkého třesku

Einstein v lednu 1933 po Lemaitreově přednášce v Kalifornii“Tohle je nejkrásnější a nejuspokojivější vysvětlení stvoření světa, jenž jsem kdy slyšel“

„Jestliže svět vznikl v jednom kvantu, pojmy prostor a časneměly na samém počátku žádný smysl. Ten mohly nabýt až když se původní kvantum rozdělilo na dostatečný početkvant. Je-li tato hypotéza správná, svět vznikl krátce před počátkem prostoru a času.“byla více než jasnozřivá a daleko předběhla dobu.


Singularita

čas

Lemaitrova představa o rozpínání vesmíru:

Horká polévka, v nížbyly přítomny všechnyčástice standardníhomodelu, ale i částice, o nichž nemáme ani tušení. Všechny ovliv-nily další vývoj vesmíru do dnešní podoby

Dnešní vesmír


cv

cvcvz

cv

cvcvz

e

1

/1/11

/1/11 0

Dopplerův efekt


z=0.25

z=0.06

z=0.02

nanometry

Rudý posuv


1929 Edwin Hubble vynesl závislost rudého posuvu (rychlosti) galaxií na jejich vzdálenosti a formuloval to, co se nazývá „Hubbleův zákon“, ale co znal již Lemaitre.

rych

lost

v k

m/s

ec

v=H(t)D(t)

t0 =1/H0: Hubbleův čas udává zhruba stáří vesmíru

Původní Hubbleův graf

vzdálenost v Mpc Časový vývoj hodnoty H0

!


Vývoj měření Hubbleovy konstanty

Situace v polovině90. let

vzdálenost v Mpc

Původní Hubbleůvdiagram

vzdálenost v Mpc

rych

lost

v k

m/s

ec

250-krát větší vzdálenosti!


Velký třesk je velmi netriviální hypotéza, kterou si nelze plně představit, ale lze ji jen přiblížit různými analogiemijako je rozpínající se míč či kynoucí těsto

To co expanduje je sám prostor, nikoliv předměty do již existujícího prostoru. Naopak, předměty se primárně vzdalují proto, že se prostor rozpíná. Rychlost tohotorozepínání může být větší než rychlost světla.

Rozpínání vesmíru definuje pro každého pozorovatele

Existují tělesa, která jsou „vázaná“ a jež se s expanzí nerozpínají. Jedině díky nim můžeme expanzi pozorovat.

preferovaný systém, v němž se všechny galaxie vzdalují.

Pohyb vůči tomuto systému lze detegovat. Například nášsluneční systém se vůči němu pohybuje rychlostí 370 km/sec.


vzdálenost

rych

lost


1965: Penzias a Wilson (náhodně) objevili

mikrovlnné reliktní záření

a tím přinesli druhé a klíčové experimentální svědec-tví ve prospěch hypotézy rozpínán vesmíru, která se již tehdy (Hoylem posměšně) nazývala

velký třesk


Podle teorie velkého třesku je to stopa po klíčovém okamžiku vývoje vesmíru, v němž teplota klesla na cca 3000 K, při níž již fotony neměly dost energie k tomu, aby bránily vytvoření neutrálních atomů a díky tomu se od dalšího vývoje vesmíru oddělily. přichází ze všech směrů a je velmi izotropní má charakter záření absolutně černého tělesa o teplotě (dnes) 2.73 K měření jeho velmi slabé anizotropie je zdrojem důležitých informací o skladbě a vývoji vesmíru

Mikrovlnné reliktní záření


Prvotní teorie velkého třesku a její problémy kde se vzala převaha hmoty nad antihmotou?

vesmíru je příliš homogenní vesmír je příliš izotropní (hvězdy a CMB) vesmír se zdá být příliš plochý co tvoří temnou hmotu a temnou energii? jak vznikly nehomogenity?a především: odkud se vzala hmota a

co a proč třesklo?

Teorie velkého třesku by se tedy měla správně nazývat Teorie vesmíru krátce po velkém třesku


Jak vznikla převaha hmoty nad antihmotou? Na jeden nukleon dnes připadá v jednotce objemu vesmíru cca miliarda reliktních fotonů, ale po antinukleonech není ani vidu ani slechupřitom se všeobecně předpokládá, že na počátku

velkého třesku bylo hmoty a antihmoty přesně stejně.

Andrej Sacharov (1967):

Převaha hmoty nad antihmotou vznikla během počátečnífáze vývoje vesmíru v důsledku tří okolností, které tehdy charakterizovaly síly působící ve vesmíru a které způsobily, že původně symetrický stav vesmíru přešel během miliardtiny vteřiny do stavu, v němž jsou kvarky, ale ne antikvarky.


nezachování baryonového čísla narušení CP invariance sil, které v počátku vesmíru působily narušení termodynamické rovnováhy

Tři Sacharovovy podmínky:

První dvě podmínky se bezprostředně týkají fyziky částic, ale i třetí s ní souvisí.

Narušení CP invariance v přírodě existuje, i když není jasné, zda ke generaci přebytku hmoty stačí.Po narušení baryonového čísla se usilovně pátrá, zatím bezvýsledně, ale ..I narušení termodynamické rovnováhy je pravděpodobnědůsledkem dynamiky sil, které hrají klíčovou roli v teoriích velkého sjednocení.


Co vyvolalo inflaci?

Na počátku byl „materiál“, kterému se říká „falešné vakuum“ a jež má tu velmi neobvyklou vlastnost, že je gravitačně odpudivé. Toto falešné vakuum exponenciálně expandovalo a současně se „rozpadalo“ při čemž vznikala normální hmota.

Jde o kvantový jev, který nemá klasickou analogii!

trochu fantasmagorie plus hodně kvantové fyziky:


K rozpadu falešného vakua dochází v malých oblastechprostoru přičemž přitom vzniká nejen obrovské množství normální hmoty, ale také obrovské množství záporné gravitační energie, takže celková energie našeho vesmíru může být nula.Logickým důsledkem této hypotézy je ovšem představa, že v každém okamžiku někde v prostoru dochází k lokální inflaci, která generuje jeden „kapesní“ vesmír.

Náš vesmír je jen jeden z mnoha těchto „kapesních“ vesmírů, které stále vznikají ve vzájemně nekomuniku-jících částech „mnohamíru“


Věčná inflace a „mnohamír“prostor

falešné vakuum

čas


Teorie strun a mnohamír: teorie všeho nebo čehokoliv?

Hypotéza mnohamíru jde ruku v ruce s dnešní teorií strun, která dochází k závěru, že jejími základní rovnice mají nepředstavitelně množství řešení

10500-1500

z nichž každé odpovídá jednomu „kapesnímu vesmíru“ teorie věčné inflace. V každém takovém kapesnímvesmíru budou platit jiné fyzikální zákony a tedy sevytvoří i jiné fyzikální struktury. Většina takových kapesních vesmírů bude pro život, v podobě, jak ho známe, nehostinná. Bude to triumf nebo krach moderní fyziky?Nebo se změní pohled na to, co fyzika může vysvětlit?


Parametry každé teorie lze rozdělit na skutečně základní a ty, které jen charakterizují prostředí.Poslední vývoj teorie strun přinesl výraznou změnu v pohledu na to, jakou povahu má oněch cca 20 volných parametrů standardního modelu (počet kvarků a leptonů jejich hmotnosti a náboje apod).Zatímco před pár lety je strunaři slibovali spočítat z teorie strun samotné, dnes se zdá, že většina, ne-li všechny mají charakter prostředí a nejsou tedy teorií určitelné.Brian Greene: Elegantní vesmír (anglické vydaní z roku 1999):

na str. 217 říká, že počet generací kvarků a leptonů je určen „počtem děr v geometrickém tvaru zahrnujícím extra dimenze“ a na str. 218 tvrdí, že „teorie strun poskytuje rámec pro odpověď na otázky jako např. proč mají elektron a jiné částice ty hmotnosti, jaké mají.“


Starověcí Řekové vnímali vesmír v geometrických pojmech. Platonovy pravidelné mnohastěny přitom hrály důležitou roli.


z knihy Mysterium Cosmographicum z roku 1596. V té době bylo známo šest planet, jejichž oběžné dráhy ležely na sférických slupkách mezi pěti Platonovými mnohastěny.

Keplerův model vesmíru

Detail čtyř vnitřních planet: Merkur, Venuše, Země a Mars.


LIGO a Virgo:velké interferometry pro detekci

gravitačních vln


Princip detekce

Cíl: h ~ 10-21

Realistické: L~103 m12

L hL

Gravitační vlny vyvolávajídeformaci prostoročasu

Měření pomocí laserů

Interferenční kroužky

Je třeba měřit vzdálenosti s přesností ΔL~10-

18 mcož je velká výzva pro experimentátory


Schéma reálného detektoru

10-20 W Laser

3-4 km long Fabry-Perot cavities: lengthen the optical path to 100 km

Power recycling mirror: increase the light power to 1 kW

Vacuum: 10-9 mbar

large fused silica mirrors(low thermal noise)

Isolation fromground vibrations

Input optics


TAMA, Tokyo, 300 m

GEO, Hannover, 600 m

LIGO Hanford, 4 km: 2 ITF on the same site!

LIGO Livingston, 4 km

Virgo, Cascina, 3 km

Interferometry ve světě


10 ms

The LIGO Observatoriesaligned along the great circle connecting the sites


CNRS - LAPP - AnnecyINFN - Firenze/Urbino CNRS - LMA/ESPCI –

Lyon/ParisINFN - NapoliCNRS - OCA - Nice

CNRS - LAL - OrsayINFN - PerugiaINFN - PisaINFN – Roma

Inaugurated: July 2003

NIKHEF – Amsterdam (joining)INFN Roma Tor Vergata (joining)

The Virgo Collaboration

+ EGO (European Gravitational Observatory)175 physicists/engineers


Pátrání po pozadí z reliktních gravitačních vln, které by měly být pozůstatkem inflační expanze vesmíru je FUNDAMENTÁLNÍ FYZIKA! Očekávaný signál je však pro dnešní generaci detektorů příliš slabý.

neutrina CMBRgravitony

Reliktní gravitony?


Konec

co – možná - přinese příštích několik let ve fyzice částic?

Documents