Úvod do moderní fyziky lekce 7 – vznik a vývoj vesmíru
proč nemůže být vesmír statický?
Planckova délka, Planckův čas • lp=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
vývoj vesmíru • počátek vesmíru přibližně před 14 mld. let • 10-43 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) • 10-34 s: kvark-gluonové plazma, teplota 1027 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 • 300000 let: teplota 104K, 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
fluktuace reliktního záření
inflační fáze vesmíru • standartní model bez inflační fáze měl několik neřešitelných problémů • např. problém horizontu – podle standartního modelu by vesmír byl složen z 1087 kauzálně oddělených oblastí, přitom reliktní záření je vysoce homogenní (i přes drobné odchylky)
1980 – Alan Guth navrhl řešení – inflační model 17.3.2014 – 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
scénáře vývoje vesmíru
Hubblův zákon – důkaz rozpínání vesmíru
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
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)
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 • 1998 - 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
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
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 (1044 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)
