Za hranice současné fyziky
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
Kvantová fyzika 120 km/h
10 km/h
90 km/h
20 km/h 70 km/h
150 km/h
40 km/h
h = 6.626 . 10-34 h = 0.0000000000000000000000000000000006626 v = 70 km/h, v = 70.000000000000000025 km/h v = 70.000000000000000050 km/h
Nikdy se neprojeví v lidských měřítkách, hraje důležitou roli v mikrosvětě
Velikost atomu Velikost atomu:10-10 m (vodík) Velikost jádra: 10-15 m
Poměr 100000:1
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
Struktura atomu • Některé částice se skládají z menších dílů • Kvarky
Murray Gell-Mann 1929Nobelova cena 1969
Každý kvark má jistou vlastnost zvanou barva Tři možné barvy: červená zelená a modrá
Horní Dolní Podivný Šarmantní Spodní Svrchní
Co je to „síla“?
Síla (interakce) mezi částicemi hmoty vzniká díky výměnám určitých částic
Standardní model • Popisuje tři základní interakce v přírodě – Elektromagnetická – Silná jaderná – Slabá jaderná
• Antičástice
Umí vysvětlit a popsat (téměř) všechny pozorované jevy v přírodě
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
Co je to hmotnost? m1m2 Fg = κ 2 r
Fg = mg
Hmotnost a „váha“ jsou dvě různé veličiny!
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
Hmotnost a Higgsův boson
Různé částice interagují různě s Higgsovým polem což jim dává různé hmotnosti
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
Největší mikroskop světa
h λ= mv E = mc2
Vlnová délka objektu hmotnosti m
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
Jak toho dosáhnout? • 9300 magnetů udržuje protony na kruhové dráze • Ultravysoké vakuum • Nízká teplota, < 2K (-271°C)
Tunel
ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus)
Detektory
ALICE (A Large Ion Collider Experiment)
CMS (Compact Muon Solenoid)
LHCb (LHC beauty)
LHC spuštěn 10. září 2008
První protony vstříknuty do hlavního tunelu 22.8.2008 Testování oběhů, vylaďování aparatury Oficiální spuštění 10.9
Problém gravitace • První objevená síla • Obecná teorie gravitace vytvořená Einsteinem v roce 1915 • Gravitace je nesmírně slabá síla Silná jaderná
Elektromagnetická
Slabá jaderná
Gravitační
1
1/137
10-6
10-39
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?
Nejpodivnější objekty ve Vesmíru • Černé díry • Předpovězeny v roce 1783 (John Michell) Úniková rychlost
2GM v= R
M c2 > R 2G
MEarth = 6 x 1024 kg, G = 6.67 x 10-11 m3 kg-1 s-2 Černá díra hmotnosti Země má poloměr 9 mm!!
Střed černé díry – nesmírně hmotný a zároveň velmi malý
Gravitační kolaps Bílý trpaslík
Hmota 0.5 -1 Slunce stlačena do velikosti Země 1cm3 váží 1000kg
Neutronová hvězda
Hmota 1.5-2.5 Sluncí stlačena do 10km 1cm3 váží milion tun
?
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
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
ELI Beamlines
První laserové pulsy by měly být k dispozici v roce 2015, v plném provozu v roce 2017
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
Teorie strun Planckova délka
LP =
Nedochází k „bodovým“ interakcím
hG −35 = × 1.616 10 m 3 2π c
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
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
Temná hmota Galaxie obsahují mnohem víc hmoty než je obsaženo ve „svítící“ hmotě (hvězdy)
Tato hmota se projevuje pouze gravitačně
Temná hmota a temná energie
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
