Semin´arn´ı pr´ace z fyziky
Vznik a v´ yvoj Vesm´ıru David Pˇegˇr´ımek http://davpe.net
ˇ Orlov´a-Lutynˇe, p. o. Gymn´azium a SOS,
2009
Obsah 1 Vznik Vesm´ıru 1.1 Velk´ y tˇresk . . . . . . . . . . . 1.1.1 Historie . . . . . . . . . 1.1.2 D˚ ukazy . . . . . . . . . ˇ 1.1.3 Casov´a osa . . . . . . . 1.1.4 Inflaˇcn´ı model . . . . . . 1.1.5 Chaotick´ y inflaˇcn´ı model −35 1.1.6 10 sekund pot´e . . . . 1.2 Osciluj´ıc´ı Vesm´ır . . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
3 3 3 3 4 5 5 5 6
2 Vesm´ır dnes 2.1 Historie GUT . . . . . . . . . 2.2 Supersymetrie . . . . . . . . . 2.3 Teorie strun a superstrun . . . 2.4 Kvantov´a smyˇckov´a gravitace
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
7 7 7 7 7
3 Osud Vesm´ıru 3.1 Big Freeze . 3.2 Big Rip . . 3.3 Big Crunch 3.4 Big Bounce
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
8 8 8 8 8
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
4 Z´ avˇ er
9
Seznam obr´ azk˚ u 1
R˚ uzn´e pr˚ ubˇehy rozp´ın´an´ı pro hodnoty Ωm a Ωv . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
9
1
Vznik Vesm´ıru
Nejpopul´arnˇejˇs´ı a nejuzn´avanˇejˇs´ı kandid´at na teorii vzniku Vesm´ıru je bezesporu Velk´ y tˇresk. Pˇresto existuj´ı i jin´e teorie a nˇekter´e odpov´ıdaj´ı i na ot´azku, co by mohlo byt pˇred Velk´ ym tˇreskem1 . St´ale nen´ı jist´e, co se odehr´avalo v prvn´ıch sekund´ach Velk´eho tˇresku a nam´ısto nˇej, zde nastupuje inflaˇcn´ı model, i kdyˇz i ten m´a jist´e neduhy.
1.1 1.1.1
Velk´ y tˇ resk Historie
Jako prvn´ı model, kter´ y se setkal s v´aˇznˇejˇs´ım z´ajmem (nebereme-li v potaz n´aboˇzensk´e teorie), byl Einsteinem navrˇzen´ y model statick´eho a nemˇenn´eho Vesm´ıru. Vesm´ır nijak nevznikl, nijak neskonˇc´ı, ani se nerozp´ın´a. Prostˇe je, byl a bude. (Pozdˇeji se objevila ot´azka, jak je moˇzn´e, ˇze v takov´em Vesm´ıru nevid´ıme oblohu celou posetou hvˇezdami a doslova rozsv´ıcenou jako Slunce. Jedin´e v´ ychodisko bylo, ˇze hvˇezdy se rozsv´ıtily kaˇzd´a v jin´em ˇcase a svˇetlo nˇekter´ ych hvˇezd k n´am jeˇstˇe nedoputovalo.) Tento model Vesm´ıru plynul z jeho rovnic a mˇel tvar ˇctyˇrrozmˇern´e koule o pr˚ umˇeru 100 milion˚ u svˇeteln´ ych let. Aby Vesm´ır nezkolaboval a galaxie se nerozl´etly od sebe, musel do sv´ ych rovnic pˇridat kosmologickou konstantu – jakousi s´ılu, kter´a p˚ usob´ı proti gravitaci. Kosmologick´a konstanta vˇsak naruˇsovala kr´asu jeho rovnic a Einstein se s n´ı nikdy nesm´ıˇril, pozdˇeji ji dokonce oznaˇcil jako nejvˇetˇs´ı chybu sv´eho ˇzivota. V roce 1924 tehdy jeˇstˇe nezn´am´ y rusk´ y matematik Alexander Friedmann konstantu z jeho rovnic vypustil a uk´azal, ˇze se Einstein m´ ylil, kdyˇz ve sv´ ych rovnic´ıch dˇelil nulou. Friedmann velik´anovi napsal dopis a Einstein chybu uznal. Deset let pot´e Edwin Hubble nav´azal na myˇslenku astronoma Sliphera, ˇze svˇetlo ze vzd´alen´ ych ˇ galaxi´ı se jev´ı ˇcervenˇejˇs´ı a pˇriˇsel s teori´ı, kter´a mu pˇrinesla vˇeˇcnou sl´avu. Cerven´ y posuv (na rozd´ıl od modr´eho) znamenal, ˇze se od n´as galaxie vzdaluj´ı (princip Dopplerova jevu v akustice). Hodˇ ım d´al je od n´as noty rychlost´ı nˇekter´ ych galaxi´ı vynesl do grafu a vyˇsla mu line´arn´ı z´avislost. C´ galaxie nebo hvˇezda, t´ım rychleji se vzdaluje, Vesm´ır se tedy rozp´ın´a. Kosmologick´a konstanta jiˇz v Einsteinov´ ych rovnic´ıch nemˇela v´ yznam (i kdyˇz dnes je opˇet pˇredmˇetem ˇzhav´ ych diskuz´ı). S myˇslenkou Velk´eho tˇresku pˇriˇsel rusk´ y fyzik George Gamov a publikoval ji v roce 1948. Ve stejn´e dobˇe dva jin´ı fyzici vymysleli jinou teorii, ve kter´e se v prostoru mezi galaxiemi mˇela st´ale tvoˇrit hmota a Vesm´ır by byl v ust´alen´em stavu, kter´ y nem´a ani zaˇca´tek ani konec. Po 10 let tyto teorie proti sobˇe soupeˇrily, avˇsak po anal´ yze hvˇezdn´ ych spekter, kdy se zjistilo, ˇze hvˇezdy tvoˇr´ı pˇrev´aˇznˇe helium a vod´ık, teorie ust´alen´eho Vesm´ıru“ (kter´a pˇredpov´ıdala ve hvˇezd´ach celou ” ˇsk´alu prvk˚ u) postupnˇe zanikla.[2] 1.1.2
D˚ ukazy
D´ıky tomu, ˇze teorie Velk´eho tˇresku je s n´ami jiˇz v´ıce neˇz 50 let, byla provedena cel´a ˇrada experiment˚ u, kter´e ji silnˇe podpoˇrily (a zat´ım ˇz´adn´ y, kter´ y by ji u ´plnˇe vyvr´atil). Prvn´ı potvrzen´ı spr´avnosti teorie Velk´eho tˇresku byl objev reliktn´ıho z´aˇren´ı, jak´esi ozvˇeny Velk´eho tˇresku. Gamov totiˇz pˇredpovˇedˇel, ˇze teplo vznikl´e pˇri Velk´em tˇresku muselo zanechat stopy, v podobˇe mˇeˇriteln´eho z´aˇren´ı. Z´aˇren´ı mˇelo b´ yt slab´e a velmi chladn´e, jen nˇekolik stupˇ n˚ u nad absolutn´ı nulou. N´asleduj´ıc´ıch 15 let se na tuto pˇredpovˇed’ zapomnˇelo, avˇsak v roce 1964 se skupina pricetonsk´ ych fyzik˚ u pod veden´ım Roberta Dickea vydala z´aˇren´ı hledat. Ve stejn´e dobˇe dva 1
Stephen Hawking vˇsak ot´ azku co bylo pˇred Velk´ ym tˇreskem pˇrirovn´av´a ke stejnˇe nesmysln´e ot´azce Co leˇz´ı ” na sever od Severn´ıho p´ olu?“.[1]
3
astronomy Penziase a Wilsona v New Jersey upoutal zvl´aˇstn´ı ˇsum. Ani jeden Gamovu pˇredpovˇed’ neznal a ˇsum zprvu pˇriˇc´ıtali ptaˇc´ımu trusu. Kdyˇz se ˇsum nemˇenil ani po smˇerov´an´ı ant´eny, dospˇeli k z´avˇeru, ˇze z´aˇren´ı mus´ı pˇrich´azet z kosmu. Spojili se s Dickeovou skupinou a v roce 1978 za tento objev dostali Nobelovu cenu za fyziku (coˇz bylo v˚ uˇci Dickeovi troˇsku nespravedliv´e) [2], [3]. Z´aˇren´ı bylo na prvn´ı pohled jednolit´e, avˇsak po oˇciˇstˇen´ı od vedlejˇs´ıch jev˚ u zjiˇst’ujeme nepatrn´e v´ ykyvy teploty asi o 2,7 K. Jin´ ymi slovy, v tehdejˇs´ım Vesm´ıru byla m´ısta s vyˇsˇs´ı hustotou, neˇz pr˚ umˇernou hustotou okol´ı. Zp˚ usobila je gravitace, kter´a zhuˇst’ovala hmotu a dala tak vzniknou galaxi´ım a hvˇezd´am. [4] Za druh´e, zastoupen´ı prvk˚ u v Galaxii souhlas´ı s pˇredpovˇed´ı, zaloˇzen´e na zastoupen´ı prvk˚ u ve hvˇezd´ach. Teorie Velk´eho tˇresku pˇredpokl´ad´a tyto hodnoty: 25 % He a 75 % H, coˇz souhlas´ı s pozorov´an´ım. D´ale bylo Edwinem Hubblem zjiˇstˇeno a mnohokr´at potvrzeno, ˇze Vesm´ır se rozp´ın´a a galaxie se od n´as vzdaluj´ı. To by mohlo v´est k dojmu, ˇze jsme v sam´em stˇredu Vesm´ıru, coˇz nen´ı pˇr´ıliˇs pravdˇepodobn´e. Ale staˇc´ı si pˇredstavit bal´onek, na kter´em jsou nakresleny teˇcky a kter´ y se naˇ adn´a z teˇcek nen´ı uprostˇred, ale pˇresto z pohledu kaˇzd´e teˇcky se ostatn´ı teˇcky vzdaluj´ı. fukuje. Z´ Dalˇs´ım d˚ ukazem je st´aˇr´ı nejranˇejˇs´ıch objekt˚ u. Ty jsou star´e 10–15 mld. let, coˇz je v souladu s Velk´ ym tˇreskem. Radioaktivn´ı datovac´ı metodou m˚ uˇzeme zjiˇst’ovat st´aˇr´ı l´atek. Objekty na Zemi, meteority a horniny vznikly asi pˇred 4–5 mld. let (coˇz je pˇribliˇznˇe st´aˇr´ı naˇs´ı Sluneˇcn´ı soustavy). V´ ypoˇctem hmotnost´ı hvˇezd zjiˇst’ujeme, ˇze nejstarˇs´ı vznikly asi pˇred 10 mld. lety. Posledn´ı a patrnˇe nejpr˚ ukaznˇejˇs´ı d˚ ukaz se opˇet t´ yk´a reliktn´ıho z´aˇren´ı. V´ ysledky Penziase a Wilsona byly jen velmi hrub´e a po detailnˇejˇs´ım zkoum´an´ı se zjistilo, ˇze z´aˇren´ı bylo aˇz pˇr´ıliˇs hladk´e. Velk´ y tˇresk vˇsak nemohl b´ yt stejnorod´ y, nebot’ by nemˇel ˇcas, dostat se do stavu zrnitosti, jak´ y vid´ıme ted’. Proto byla do Vesm´ıru v roce 1992 vysl´ana sonda COBE (Cosmic Background Explorer), kter´a mˇela toto z´aˇren´ı zmˇeˇrit. Po u ´morn´em zpracov´an´ı dat sondy COBE, odstraˇ nov´an´ı vedlejˇs´ıch jev˚ u a poˇc´ıtaˇcov´ ych korekc´ı se uk´azala b´ yt shoda s Gamovou pˇredpovˇed´ı velmi pˇresn´a, neuvˇeˇriteln´ ych 0,1 %. V z´aˇren´ı byly objeveny pˇredpokl´adan´e zrnitosti a v´ ysledky jsou dokonce v souladu s inflaˇcn´ı teori´ı. [5] 1.1.3
ˇ Casov´ a osa
ˇ Casov´ a osa Velk´eho tˇresku: [2], [5] 10−43 sekund: Oddˇeluje se gravitace jako samostatn´a s´ıla. Poˇc´atek velk´eho tˇresku. Zaˇc´ınaj´ı m´ıt smysl pojmy ˇcas a prostor. Z bodu o velikost 10−32 cm a teplotˇe 1032 ◦ C se vydˇeluje gravitace. 10−35 sekund: Zaˇc´atek inflace. Vesm´ır m´a zat´ım velikost tenisov´eho m´ıˇce. Vˇsechny s´ıly kromˇe gravitace jsou zat´ım sjednoceny. Vznikaj´ı nov´e ˇca´stice 10−32 sekund: Inflace konˇc´ı. Vesm´ır se nyn´ı rozp´ın´a pomaleji (ale st´ale neuvˇeˇritelnˇe rychle). Existuj´ı v nˇem dva typy ˇca´stic: kvarky a leptony. 10−11 sekund: Rozdˇelen´ı elektroslab´e interakce. Pˇri teplotˇe 1015 ◦ C se vydˇeluje elektroslab´a interakce a dˇel´ı se na elektromagnetickou s´ılu a slabou interakci.
4
10−6 sekund: Kvarky miz´ı. D´ıky sn´ıˇzen´ı teploty o dva ˇra´dy nen´ı dostatek energie pro vznik kvark˚ u a proto postupnˇe zanikaj´ı anihilac´ı. 10−4 sekund: Tvorba baryon˚ u. Tvorba proton˚ u a neutron˚ u (sluˇcov´an´ım kvark˚ u). 1 sekunda: Neutrina unikaj´ı. D´ıky zesl´abnut´ı slab´e interakce pˇrest´avaj´ı b´ yt neutrina aktivn´ı a volnˇe se rozl´etaj´ı do cel´eho Vesm´ıru. 100 sekund: Vznik prvk˚ u. Reakc´ı proton˚ u a neutron˚ u vznikaj´ı j´adra prvn´ıho prvku – helia. Pozdˇeji vznik´a i vod´ık. Prostor je st´ale nepr˚ uhledn´ y, protoˇze ionty nepropouˇstˇej´ı dobˇre svˇetlo. 300 000 let: Budiˇz svˇetlo. Vznik prvn´ıch atom˚ u. Z´aˇren´ı pˇrest´av´a b´ yt pohlcov´ano atomy, svˇetlo se tedy nerozptyluje, ani nepohlcuje. Vesm´ır se rozjasn´ı a st´av´a se pr˚ uhledn´ ym. 3 miliarda let: Kvazary. Objevuj´ı se prvn´ı kvazary. 5 miliard let: Galaxie. Zaˇc´ınaj´ı se vytv´aˇret galaxie, Vesm´ır uˇz vypad´a podobnˇe jako dnes. 10–15 miliard let: Dneˇsn´ı Vesm´ır. Rod´ı se Sluneˇcn´ı soustava, o nˇekolik miliard let pozdˇeji se na Zemi objevuj´ı prvn´ı formy ˇzivota. 1.1.4
Inflaˇ cn´ı model
V modelu Velk´eho tˇresku (pˇresnˇeji hork´eho Velk´eho tˇresku) se vyskytuje probl´em s poˇca´teˇcn´ımi podm´ınkami. R˚ uzn´e oblasti Vesm´ıru by musely m´ıt na poˇca´tku pˇresnˇe danou teplotu, aby teplo stihlo pˇret´eci z jedn´e oblasti Vesm´ıru do druh´e. Aby se Vesm´ır nezhroutil, poˇca´teˇcn´ı rychlost by musela b´ yt zvolena s velkou pˇresnost´ı a peˇclivost´ı. Proto byl Alanem Guthem z MIT navrˇzen rozˇsiˇruj´ıc´ı model Velk´eho tˇresku, kter´ y by tyto probl´emy ˇreˇsil. V tomto modelu ran´ y Vesm´ır proˇsel obdob´ım velmi rychl´eho rozp´ın´an´ı (odtud n´azev modelu – inflaˇcn´ı). Vesm´ır zaˇc´ınal pˇri obrovsk´e teplotˇe, kdy vˇsechny s´ıly byly spojeny do jedn´e. Vesm´ır by postupnˇe chladl a symetrie mezi silami by se naruˇsila (analogicky, tekut´a voda je symetrick´a, pˇri ochlazen´ı se vˇsak vytvoˇr´ı krystalky ledu a symetrie se naruˇs´ı). Stejnˇe jako vodu m˚ uˇzeme podchladit (pˇri podchlazen´ı se nevytvoˇr´ı led a symetrie se nenaruˇs´ı), Guth tvrd´ı, ˇze pˇresnˇe to se stalo s naˇs´ım Vesm´ırem. M´ame tedy podchlazen´ y Vesm´ır, ve kter´em symetrie mezi silami nen´ı naruˇsena. Veˇsker´e nepravideln´e poˇca´teˇcn´ı stavy se vyhladily (jako kdyˇz nafouknete bal´on). Inflaˇcn´ı model tak´e vysvˇetluje, proˇc je ve Vesm´ıru tak obrovsk´e mnoˇzstv´ı hmoty a ˇc´astic. D´ale tento model tvrd´ı, ˇze celkov´a energie Vesm´ıru je nulov´a. Inflaˇcn´ı rozp´ın´an´ı prob´ıhalo jen v ran´ ych f´az´ıch vzniku Vesm´ıru (asi do jedn´e sekundy), dnes se jiˇz Vesm´ır inflaˇcnˇe nerozp´ın´a.[3]
5
1.1.5
Chaotick´ y inflaˇ cn´ı model
Inflaˇcn´ı model vˇsak poˇra´d nevyˇreˇsil vˇsechny probl´emy a proto byl navrˇzen rusk´ ym kosmologem Andrejem Linde chaotick´ y inflaˇcn´ı model. Proces inflace m´a sv´e vlastn´ı pokraˇcov´an´ı. Kaˇzd´a oblast, proch´azej´ıc´ı inflac´ı se vˇetv´ı na dalˇs´ı a dalˇs´ı oblasti proch´azej´ıc´ı inflac´ı, a tak d´ale, aˇz do nekoneˇcna. Tento proces je vˇeˇcn´ y, nekoneˇcn´ y a pˇripom´ın´a frakt´al. [6] 1.1.6
10−35 sekund pot´ e
Zamˇeˇrme se podrobnˇeji na prob´adanˇejˇs´ı ˇca´st okamˇziku Velk´eho tˇresku. M´ame Vesm´ır o teplotˇe asi 1028 K, kter´ y se rozp´ın´a. Nyn´ı pˇrich´az´ı nejvˇetˇs´ı tajemstv´ı Velk´eho tˇresku, kter´e umoˇznilo tvorbu hmoty a ˇzivot jako takov´ y. Ve Vesm´ıru je pr´avˇe stejn´e mnoˇzstv´ı boson˚ u X a antiboson˚ u X. Ty se mˇely symetricky rozpadnout na stejn´e mnoˇzstv´ı kvark˚ u a antikvark˚ u, kaˇzd´a ˇca´stice by anihilovala se sv´ ym p´arem, vyz´aˇrila by se a nevznikla by ˇz´adn´a hmota. Vesm´ır by byl pr´azdn´ y. My v´ıme, ˇze se tato situace neodehr´ala. Nam´ısto toho nastala nerovnov´aha kvark˚ u a antikvark˚ u (kvark˚ u bylo v´ıce), kter´a pokraˇcovala s chladnut´ım Vesm´ıru aˇz do nerovnov´ahy proton˚ u a antiproton˚ u. D´ıky tomu si nˇekter´e protony a neutrony nenaˇsly sv˚ uj protˇejˇsek, unikly anihilaci a mohly vytvoˇrit hmotu. Pot´e bylo za pomoc´ı neutrin a antineutrin dosaˇzeno rovnov´ahy mezi protony a neutrony. Jednu sekundu po Velk´em tˇresku se tyto procesy zastavily. Zaˇcaly se tvoˇrit izotopy vod´ıku (deuterium, tritium a dalˇs´ı). Dalˇs´ıch 400 000 let trvalo, neˇz fotony pˇrestaly oddˇelovat atomov´a j´adra od elektron˚ u a mohly se vytvoˇrit atomy. Z oblak˚ u vod´ıku a helia vznikly prvn´ı hvˇezdy a Vesm´ır se zaˇc´ınal formovat. [4].
1.2
Osciluj´ıc´ı Vesm´ır
V 60. letech fyzikov´e navrhli model, kdy by Vesm´ır zanikl Velk´ ym krachem (smrˇstˇen´ı do jednoho bodu, viz. sekce 3.3). Toto zhroucen´ı by bylo opˇet n´asledov´ano Velk´ ym tˇreskem, aˇz do nekoneˇcna. Tuto s´erii vesm´ır˚ u naz´ yv´ame multivesm´ır (takov´ y cyklick´ y kolotoˇc Velk´ ych tˇresk˚ u a Velk´ ych krach˚ u). Neexistuje ˇza´dn´a prvotn´ı pˇr´ıˇcina, Vesm´ır tady byl poˇr´ad (v tomto bodˇe se multivesm´ır podob´a Einsteinovˇe vizi o statick´em Vesm´ıru). Tento Vesm´ır vykazoval jist´e probl´emy s entropi´ı2 , nebot’ pˇri Velk´em krachu, kdy se Vesm´ır smrˇst’uje do jedin´eho bodu, aby byl opˇet pˇripraven na Velk´ y ˇ tˇresk pˇri stejnorod´ ych podm´ınk´ach se entropie zmenˇsuje. Reˇsen´ım je uˇz v´ yˇse prezentovan´ y inflaˇcn´ı model. Poˇca´teˇcn´ı podm´ınky jsou na zaˇca´tku nestejnorod´e a inflac´ı se vyhlad´ı. [7]
2
Entropie znamen´ a neuspoˇr´ adanost a podle druh´eho termodynamick´eho z´akona se vˇzdy zvˇetˇsuje. Rozbijete-li skleniˇcku, entropie (neuspoˇr´ adanost) vzroste.
6
2
Vesm´ır dnes
Snem fyzik˚ u na cel´em svˇetˇe je pˇrij´ıt s teori´ı GUT (Grand unification theory – Teorie velk´eho sjednocen´ı). Teori´ı, kter´a by sjednotila celou fyziku a vˇsechny s´ıly do jedn´e. Nikdo nev´ı, zda takov´a teorie existuje, ale hlavnˇe v posledn´ı dobˇe se uˇcinily jist´e pokroky. A to pˇrev´aˇznˇe v teorii strun a kvantov´e smyˇckov´e gravitaci, kter´e zat´ım jako jedin´e matematicky vysvˇetluj´ı kvantovou podstatu svˇeta a nevznikaj´ı zde probl´emy pˇri sjednocen´ı sil s gravitac´ı. Obˇe vˇsak maj´ı sv´e mouchy a ani jedna z nich nebyla potvrzena. Rovnˇeˇz se pracuje na Teorii vˇseho (Theory of everything), kter´a by mˇela vˇsechny interakce sjednotit s gravitac´ı a vytvoˇrit tak kvantovou gravitaci. Tento pˇredpoklad splˇ nuj´ı i nˇekter´e GUT.
2.1
Historie GUT
V roce 1974 byla Georgiem a Glashowem vytvoˇrena teorie vyˇzaduj´ıc´ı velmi tˇeˇzk´e ˇca´stice, ˇca´stice ” X“ (s hmotnosti okolo 20 mili´ontin gram˚ u, tedy zv´aˇziteln´e na citliv´ ych laboratorn´ıch vah´ach). Tato teorie by spojila elektroslabou interakci se silnou, stejnˇe jako byla sjednocena elektromagnetick´a interakce se slabou. D´ale spojuje kvarky a leptony, takˇze tyto ˇca´stice se mohou libovolnˇe zamˇen ˇovat a proton by se rozpadal na leptony. Rozpad protonu je n´ahodn´ y proces a doba jeho ˇzivota je extr´emnˇe dlouh´a (okolo 1032 let), takˇze je velmi tˇeˇzk´e jej pozorovat (dosud se to nepodaˇrilo). Nav´ıc se mus´ı experimenty konat hluboko pod zem´ı, aby se odst´ınilo kosmick´e z´aˇren´ı.
2.2
Supersymetrie
Tato teorie d´av´a dohromady ˇca´stice hmoty (kvarky, lepton) s ˇca´sticemi, kter´e jsou nosiˇci sil (jako napˇr´ıklad foton). Vznik´a cel´a ˇrada superˇca´stic (jako skvarky, sleptony apod.). [2].
2.3
Teorie strun a superstrun
Myˇslenka strun se objevila uˇz v 60. letech, byla vˇsak zapomenuta a znovu vzkˇr´ıˇsena v roce 1984 kdyˇz bylo zjiˇstˇeno, ˇze struny vedou k teori´ı supersymetri´ı. Zrodila se teorie superstrun. Z´akladn´ı prvek jiˇz nen´ı ˇc´astice, ale struna. Nepˇredstavitelnˇe mal´ y objekt (asi 10−35 metru), kter´ y nebudeme nikdy moci vidˇet. Struna je jednorozmˇern´a uzavˇren´a smyˇcka na zp˚ usob lasa. Rezonuje, kmit´a a tento projev kmit´an´ı je ˇca´stice. Jej´ım projevem v ˇcase je trubice (u ˇca´stic je to ˇca´ra). Strunov´a teorie vyˇzaduje, aby mˇela struna bud’ 10 nebo 26 rozmˇer˚ u, kter´e jsou zavinuty do sebe. [3]
2.4
Kvantov´ a smyˇ ckov´ a gravitace
Pomˇernˇe mlad´a teorie, sjednocuj´ıc´ı kvantovou gravitaci s obecnou relativitou. Na rozd´ıl od teorie strun nepotˇrebuje dodateˇcn´e rozmˇery. Vˇsechna hmota ve Vesm´ıru se skl´ad´a z neuvˇeˇritelnˇe mal´ ych smyˇcek, kter´e spojen´ım tvoˇr´ı cel´e s´ıtˇe (podobnˇe jako textiln´ı vl´akna tvoˇr´ı l´atku). [8]
7
3
Osud Vesm´ıru
St´ale jeˇstˇe nen´ı vyˇreˇsena ot´azka, jak se Vesm´ır vyv´ıj´ı a jak skonˇc´ı. Existuje nˇekolik teori´ı, kter´e z´avis´ı na rychlosti rozp´ın´an´ı, hustotˇe Vesm´ıru, mnoˇzstv´ı temn´e energie ve Vesm´ıru apod. Viz. obr´azek 1.
3.1
Big Freeze
Teorie Big Freeze (Velk´eho mrazu) pˇredpokl´ad´a, ˇze Vesm´ır se bude st´ale rozp´ınat dokud nevychladne. Postupnˇe se vyˇcerp´a veˇsker´a voln´a energie a nebude moˇzn´e vykon´avat pr´aci. Teplota poklesne na teplotu bl´ızkou absolutn´ı nule. Toto je dosud nejpravdˇepodobnˇejˇs´ı sc´en´aˇr nebot’ bylo pozorov´ano, ˇze rozp´ın´an´ı Vesm´ıru se zrychluje. [9]
3.2
Big Rip
Teorie Big Rip (Velk´ y trh), poprv´e publikov´ana v roce 2003 pˇredpokl´ad´a, ˇze rozp´ın´an´ı Vesm´ıru se bude st´ale zrychlovat a veˇsker´a hmota ve Vesm´ıru, od subatom´arn´ıch ˇca´stic, atom˚ u aˇz po hvˇezdy a galaxie bude t´ımto roztrˇzena. [10] Big Rip m´a nastat za 20 miliard let. Takto by mohla vypadat ˇcasov´a osa sc´en´aˇre (za pˇredpokladu, ˇze Zemˇe bude existovat). [11] • 1 miliarda let do konce: Vˇsechny galaxie budou od n´as tak daleko, ˇze jiˇz nebudou viditeln´e. Hvˇezdy zmiz´ı z noˇcn´ı oblohy. • 60 milion˚ u let do konce: Ml´eˇcn´a dr´aha se vzd´al´ı. • 3 mˇes´ıce do konce: Planety ze Sluneˇcn´ı soustavy od n´as zaˇcnou odl´etat“. ” • 3 hodiny do konce: Zemˇe vybouchne.
3.3
Big Crunch
Big Crunch (v ˇceˇstinˇe Velk´ y krach) je opak Velk´eho tˇresku. Gravitaˇcn´ı s´ıla bude rozp´ın´an´ı Vesm´ıru zpomalovat aˇz jej zastav´ı, a nakonec jej obr´at´ı zpˇet. Vesm´ır se zaˇcne smrˇst’ovat aˇz do jedin´eho bodu o nekoneˇcn´e hustotˇe a vytvoˇr´ı tak ˇcernou d´ıru. Tento sc´en´aˇr se vˇsak s nejnovˇejˇs´ım pozorov´an´ım zd´a b´ yt nepravdˇepodobn´ y, nebot’ rozp´ın´an´ı Vesm´ıru se nezpomaluje, ale zrychluje. Ve v´ yvoji v ˇcase tento model pˇripom´ın´a tvarem ragbyov´ y m´ıˇc. [12]
3.4
Big Bounce
Teorie Big Bounce je postavena na z´akladech osciluj´ıc´ıho Vesm´ıru. Pˇredpokl´ad´a, ˇze Velk´ y tˇresk byl pokraˇcov´an´ım pˇredchoz´ıho Velk´eho krachu. N´aˇs Vesm´ır zanikne tak´e Velk´ ym krachem a cel´a situace se bude opakovat.[13]
8
Obr´azek 1: R˚ uzn´e pr˚ ubˇehy rozp´ın´an´ı pro hodnoty Ωm a Ωv . Ωm oznaˇcuje souˇcet temn´e hmoty a norm´aln´ı hmoty, Ωv je temn´a energie. [14], [15]
4
Z´ avˇ er
Z pr´ace je vidˇet, ˇze ohlednˇe Vesm´ıru panuje spousta nejistot. Vˇedci se shoduj´ı v teorii vzniku Vesm´ıru, m´a j´ı b´ yt Velk´ y tˇresk. Pˇresto od doby vzniku, tato teorie proˇsla ˇradou u ´prav a rozˇs´ıˇren´ı, aby byla zachr´anˇena od z´aniku. St´ale si nejsme jisti, co se odehr´alo v prvn´ım sekund´ach, ˇci dokonce pˇred Velk´ ym tˇreskem. Pˇri rozhodov´an´ı o konci Vesm´ıru t´apeme daleko v´ıce. Vynoˇrilo se spousta teori´ı, ale nem˚ uˇzeme s urˇcitost´ı preferovat jednu nebo druhou. Nejˇzhavˇejˇs´ı diskuse se vedou v teorii vˇseho, kdy se fyzici rozdˇeluj´ı na dva hlavn´ı t´abory, podle teorie, kterou podporuj´ı. Bud’ teorii strun, nebo kvantovou smyˇckovou gravitaci. Ve snaze o potvrzen´ı teori´ı (at’ uˇz GUT nebo Velk´eho tˇresku), ˇci jen nalezen´ı dalˇs´ıch poznatk˚ u je tˇreba stavˇet obrovsk´e urychlovaˇce a sr´aˇzet kvarky a leptony pˇri co nejvˇetˇs´ıch energi´ıch. Pln´e zprovoznˇen´ı urychlovaˇce LHC by bylo velk´ ym krokem vpˇred.
9
Reference [1] Wikipedia : Stephen Hawking [online]. Wikimedia Foundation, 2001 [cit. 2009-11-26]. Dostupn´ y z WWW: . [2] FRASER, Gordon; LILLESTØL, Egil; SELLEG˚ AV, Inge. Hled´an´ı nekoneˇcna. Praha : Columbus, 1996. 144 s. ISBN 80-85928-37-X. [3] HAWKING, Stephen. Ilustrovan´a teorie vˇseho : Poˇc´atek a osud Vesm´ıru. Praha : Argo, 2004. 119 s. ISBN 80-7203-575-4. ¨ [4] LESCH, Harald; MULLER J¨orn. Velk´y tˇresk : Druh´e dˇejstv´ı : Po stop´ach ˇzivota ve Vesm´ıru. Praha : Euromedia Group, 2005. 368 s. ISBN 80-242-1460-1. [5] KAKU, Michio. Hyperprostor : Vˇedeck´a odysea paraleln´ımi vesm´ıry, zakˇriven´ym prostorem a des´at´ym rozmˇerem. Praha : Argo, 200. 324 s. ISBN 978-80-257-0013-6. [6] BARROW, John. Nov´e teorie vˇseho : Hled´an´ı nejhlubˇs´ıho vysvˇetlen´ı. Praha : Argo, 2008. 271 s. ISBN 978-80-257-0056-3. [7] GOTT III., Richard. Cestov´an´ı ˇcasem v Einsteinovˇe Vesm´ıru. Praha : Argo, 2001. 263 s. ISBN 80-7203-407-3. [8] Wikipedia : Loop quantum gravity [online]. Wikimedia Foundation, 2001 [cit. 2009-12-01]. Dostupn´ y z WWW: . [9] Wikipedia : Future of an expanding universe [online]. Wikimedia Foundation, 2001 [cit. 200911-26]. Dostupn´ y z WWW: . [10] Wikipedia : Big Rip [online]. Wikimedia Foundation, 2001 [cit. 2009-11-26]. Dostupn´ y z WWW: . [11] BRITT, Robert. The Big Rip: New Theory Ends Universe by Shredding Everything [online]. TechMediaNetwork, 2009. Posledn´ı aktualizace 06.05.2003 [cit. 2009-11-26]. Dostupn´ y z WWW: . [12] Wikipedia : Big Crunch [online]. Wikimedia Foundation, 2001 [cit. 2009-11-26]. Dostupn´ y z WWW: . [13] Wikipedia : Big Bounce [online]. Wikimedia Foundation, 2001 [cit. 2009-11-26]. Dostupn´ y z WWW: . [14] HASINGER, G¨ unther. Osud vesm´ıru. Praha : Euromedia Group, 2009. 264 s. ISBN 978-80242-2358-2. [15] NASA : What is the Ultimate Fate of the Universe? [online]. NASA, 1958 [cit. 2009-11-29]. Dostupn´ y z WWW: .
10
