Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

O neutrinech a temné energii, jako ilustraci vztahu jevů mikrosvěta a makrosvěta a poklona, Ray Davisovi a Georgesovi Lemaitrovi Jiří Chýla, Fyzikální.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "O neutrinech a temné energii, jako ilustraci vztahu jevů mikrosvěta a makrosvěta a poklona, Ray Davisovi a Georgesovi Lemaitrovi Jiří Chýla, Fyzikální."— Transkript prezentace:

1 O neutrinech a temné energii, jako ilustraci vztahu jevů mikrosvěta a makrosvěta a poklona, Ray Davisovi a Georgesovi Lemaitrovi Jiří Chýla, Fyzikální ústav Akademie věd ČR Dokáží neutrina předběhnout světlo? Jaký osud čeká (náš) vesmír? Gymnázium Jan Keplera

2 Gymnázium Jan Keplera

3 Gymnázium Jan Keplera

4 Co dnes víme o struktuře hmoty Gymnázium Jan Keplera

5 Gymnázium Jan Keplera5 Základní dnešní znalosti zákonů mikrosvěta jsou shrnuty ve standardním modelu Podle něj jsou základními stavebními kameny hmoty tři generace základních fermionů tj. částic se spinem 1/2, jež se dále dělí na kvarky a leptony Ke každé z těchto částic existuje i odpovídající antičástice

6 Gymnázium Jan Keplera6 Z barevných kvarků jsou složeny dobře známé částice, jako jsou například proton a neutron U U d proton= neutron= d u d kvarky v přírodě neexistují jako volné částice ale vždy jen uvnitř částic, jako jsou protony a neutrony. Experimentální data lze pochopit jen za předpokládu, že hadrony jsou bezbarvé kombinace kvarků.

7 Gymnázium Jan Keplera7 Tři z nich mají společnou charakteristiku: lze je popsat pomocí „výměny“ částic se spinem 1 gravitační elektromagnetické slabé silné. Síly mezi kvarky a leptony

8 Základní poselství fyziky 20 století: Vesmír, tak jak ho známe, by nevznikl ani nemohl existovat, pokud by v něm platily zákony klasické fyziky, ale je založen na dvou pilířích formulovaných počátkem 20. století: Teorii relativity a kvantové teorii Gymnázium Jan Keplera

9 O neutrinech Gymnázium Jan Keplera

10 Neutrina, vítaní poslové ze Slunce V březnu roku 2005 zemřel ve věku 99 let Hans Bethe, laureát Nobelovy ceny za fyziku v roce Při jejím udělení stál výbor Nobelovy nadace před problémem, který z mnoha zásadních příspěvků Betheho k jaderné fyzice vybrat. Nakonec se rozhodl pro ocenění Betheho práce na objasnění mechanismu, jakým svítí hvězdy. Bylo to správné rozhodnutí, ale v roce 1967 trochu riskantní. Nikdo si nedovedl představit jiný zdroj energie hvězd, než fůzi vodíku na hélium, ale přímé důkazy pro to chyběly. Dokonce se zdálo, že standardní model Slunce má vážný problém Gymnázium Jan Keplera

11 V polovině 60. let 19. totiž začal v opuštěném dole na zlato Homestake v Jižní Dakotě pro- vádět experimenty americký fyzik a chemik Raymond Davis. Jeho cílem bylo dokázat, že ze Slunce k nám přilétají neutrina a změřit jejich tok. Od počátku jeho výsledy naznačovaly, že neutrin ze Slunce k nám přilétá méně, než kolik předpovídaly teoretické výpočty. Svůj Ray Davis experiment vylepšoval 25 let a stále dostával stejný výsledek: Většina fyziků však měla o správnosti jeho dat a spolehlivosti teoretických výpočtů pochybnosti. Na rozhodující důkaz bylo proto třeba počkat až na konec 90. let. A Masatoshi Koshibu. jeho detektor zaznamenával jen asi třetinu teoreticky předpo- věděného počtu neutrin Gymnázium Jan Keplera

12 Toho sice nezajímali neutri- na ze Slunce, ale počátkem 80. let minulého století se rozhodl prověřit odvážnou předpověď určité třídy teorií, které se snaží sjednotit růz- typy sil, že proton není stabilní. Masatoshi Koshiba K tomu postavil detektor v dole na zinek u japonského města Kamioka a od roku 1982 čeká až se v něm nějaký proton rozpad- ne. Zatím se nedočkal, ale jeho snaha nebyla marná, neboť jeho detektor zachytil a přesně proměřil tok slunečních neutrin. Jeho měření potvrdila Davisovy výsledky, ale kromě toho také prokázala existenci pozoruhodného jevu oscilace neutrin, jenž hraje pro pochopení deficitu slunečních neutrin klíčovou roli. jeho detektor zachytil a přesně proměřil tok slunečních neutrin. prokázala existenci pozoruhodného jevu oscilace neutrin, Gymnázium Jan Keplera

13 Gymnázium Jan Keplera

14 14 sources of ’ s Nuclear Reactors   few MeV Human Body  = 340 x 10 6 /day Earth’s Radioactivity   6 x 10 6 /cm 2 s The Sun 6 x / cm 2 s The Big Bang  = 330 / cm 3 SN ’s Atmospheric ’s 1 /cm 2 s --  _ Accelerators E 0.3 – 30 GeV zdroje neutrin Slunce velký třesk lidské tělo atmosferická neutrina jaderné reaktory pozemská radioaktivita urychlovače SN ’s Gymnázium Jan Keplera

15 Jak dlouho svítí Slunce a kde k tomu bere energii? Otázky, z čeho získávají hvězdy energii pro záření a jak dlouho Slunce svítí, si lidé začali klást zhruba v polovině 19. století a to v souvislosti z objevem zákona zachování energie. Helmholtz: hvězdy získávají energii přeměnou gravitační energie na teplo. Darwin: na základě úvah o rychlosti eroze jednoho údolí v Jižní Anglii odhadl stáří Slunce na zhruba 300 miliónů let. To byla doba dostatečně dlouhá pro vývoj druhů přirozenou selekcí, jak ho Darwin formuloval ve své klasické práci O původu druhů. Kelvin: došel na základě úvah o gravitační kontrakci Slunce k číslu asi desetkrát menšímu, čímž a vzbudil v Darwinovi pochybnosti o správnosti jeho hypotézy přirozené selekce druhů. Jak dnes víme, pravdu měl Darwin, ne Kelvin Gymnázium Jan Keplera

16 1896: H. Becquerel objevil spontánní radioaktivitu uranu. Od počátku bylo jasné, že záření je tvořeno elektricky nabitými částicemi a že má dvě složky, α a β. 1903: Pierre Curie: rádium nepřetržitě vyzařuje teplo a přitom se neochlazuje. Krátce se zdálo, že přirozená radioaktivita by mohla být zdrojem energie pro Slunce, ale astronomové brzy ukázali, že Slunce je tvořeno převážně plynným vodíkem a radioaktivního materiálu je tam velmi málo. 1905: Rozhodující okamžik ve vývoji představ jak Slunce svítí přinesla Einsteinova teorie relativity. Proslulá formule zobecňuje zákon zachování energie zahrnutím možnosti přeměnit klidovou hmotnost na kinetickou energii a naopak Gymnázium Jan Keplera

17 Přeměna i jen malé části klidové hmotnosti jader na kinetickou energii tak otevřela možnost získat obrovské množství energie. F. Aston v roce 1920 zjistil, že čtyři jádra vodíku jsou dohromady asi o 0,7% těžší než jádro hélia. Klíč k pochopení mechanismu produkce energie ve Slunci byl na světě. Anglický astronom Arthur Eddington téhož roku ukázal, že přeměna vodíku na hélium může poskytnout dostatek energie na to, aby Slunce svítilo asi 100 miliard let. 4 protony → Helium + 2 pozitrony (+ 2 elektronová neutrina) Zjednodušená základní reakce: Gymnázium Jan Keplera

18 Gymnázium Jan Keplera

19 Skutečnost, že v β-rozpadu neutronu neutron →proton+elektron vzniká kromě elektronu ještě další částice netušil tehdy nikdo a trvalo 17 let než to začalo být fyzikům podezřelé. 1914: J. Chadwick ukázal, že spektrum energií elektronů v β- rozpadu je spojité. Tento fakt podle Bohra znamenal, že v mikrosvětě se energie v jednotlivých případech nezachovává. Toto „řešení“ odmítal Pauli a pro vysvětlení spojitého spektra postuloval existenci nové částice, kterou nazval „neutron“. Trvalo čtvrt století, než byla Pauliho hypotéza neutrina v roce 1955 potvrzena experimenty Reinese a Cowana. Ti prokázali existenci elektronových antineutrin z jaderných reaktorech tím, že pozorovali důsledky jejich srážek s protony v procesu Gymnázium Jan Keplera

20 Produkce energie ve hvězdách Na jaře roku 1938 se rozpracováním Eddingtonovy myšlenky začal zabývat německý teoretik Hans Bethe. Bylo mu sice jen 32 let, ale byl na tento úkol ze všech tehdejších fyziků nejlépe připraven. A již na podzim 1938 dokončil svoji základní práci Kromě skutečnosti, že v práci popsaných procesech chybí neutrino, vystihl Bethe podstatu procesů dokonale Gymnázium Jan Keplera

21 Trpělivost růže přináší V polovině 50. let přišel mladý americký chemik Raymond Davis s myšlenkou změřit tok slunečních neutrin metodou navrženou Brunem Pontecorvo. Ta byla založena na reakci Technické realizaci této metody Ray zasvětil Davis celý život. Jeho první aparatura byla umístěna v opuštěném dole na vápe- nec a jejím srdcem byla nádrž na 4000 litrů perchloretylenu. Počátkem 60. let Davis získal prostředky na stavbu stokrát většího zařízení, jež bylo uvedeno do provozu v roce 1964 asi 1800 metrů pod zemí v dole na zlato v Homestake Gymnázium Jan Keplera

22 Snad trocha (velkých a přibližných) čísel nikoho nezabije Víme, že ze Slunce přichází na čtvereční centimetr za vteřinu 60 miliard neutrin (62x10 6 ) Davisův detektor měl objem 400 krychlových metrů dopadlo do něj za vteřinu 30 milionů miliard neutrin (30x10 15 ) tj. za rok (31 milionů vteřin) celkem milion miliard miliard neutrin (10 24 ) z nichž v Davisově detektoru interagovalo s neutrony jen 100 v případě člověka (100 kg) to odpovídá 1 interagujícímu neutrinu za 40 let Gymnázium Jan Keplera

23 Gymnázium Jan Keplera

24 Davisův úkol byl ovšem daleko složitější než příslovečné hledání jehly v kupce sena. Počet případů čítal typicky dva za týden a protože poločas rozpadu argonu je 35 dní, bylo z detektoru speciální chemickou procedurou odváděno každé dva měsíce atomů argonu. přitom v 400 tunách perchloretylenu je asi 40 tisíc miliard miliard miliard (40x10 30 ) molekul. Hodně velká kupka sena Za 30 let zaznamenal Davis asi 2200 případů produkce argonu. Tento počet odpovídal toku slunečních neutrin 2.56±0.3 solárních jednotek (SNU) Předpověď standardního modelu Slunce byla třikrát větší: 7.6±1.3 SNU Gymnázium Jan Keplera

25 Vyřešení problému solárních neutrin Fyzikální neutrina dané „vůně“, tj. ν e, ν μ,ν τ jsou směsi stavů ν 1, ν 2,ν 3 s nenulovými hmotnostmi chovají se podobně jako chameleoni, neboť během pohybu mění svou „vůni“. Tomuto ryze kvantovému efektu se říká „oscilace neutrin“. Pokud se elektronové neutrino během letu z nitra Slunce změní na mionové či tauonové neurino, detektory Davise a Koshiby ho nemohli zachytit Gymnázium Jan Keplera

26 Pravděpodobnost oscilace původního elektronového neutrina Oscilace závisí na vzdálenosti, kde ji měříme a energii neutrina Gymnázium Jan Keplera

27 Postavena za účelem detekce oscilace Neutrina v Opeře Gymnázium Jan Keplera

28 Pravděpodobnost oscilace původního mionového neutrina Gymnázium Jan Keplera

29 Neu2012, Sept. 2010, CERN Edda Gschwendtner, CERN 29 CERN PS SPS LHC CNGS Lake Geneva CERN Accelerator Complex Gymnázium Jan Keplera

30 Gymnázium Jan Keplera

31 produce muon-neutrinos measure tau-neutrinos CERN Gran Sasso 732km ~4·10 19 p/year ~2·10 19  /year ~2  /year ( ~1·10 17  /year) Bilance experimentu: od počátku roku 2009 bylo: ze 100 miliard miliard protonů (10 20 ) v CERN vyrobeno 50 miliard miliard mionových neutrin (5x10 19 ) z nichž jich do detektoru OPERA dopadla setina (5x10 17 ) v něm interagovalo cca deset tisíc z nich bylo jediné hledané tauonové neutrino Právě ty „neužitečné“ případy interakce neoscilujícího mionového neutrina byly použity pro měření jeho rychlosti Gymnázium Jan Keplera

32 bez oscilace s oscilací Gymnázium Jan Keplera

33 Mionová neutrina vznikají ve srážkách pulzu protonů trvajícího 10 mikrosekund s jádry uhlíku. V důsledku toho není možné měřit doba letu, a tedy rychlost, jednoho neutrina, ale je nutné srovnat časové rozložení srážek v OPEŘE s pulzem protonů posunutým o dobu, kterou by potřebovalo na překonání vzdálenosti z CERN do Gran Sassa světlo ve vakuu. Jak OPERA měřila rychlost neutrin Gymnázium Jan Keplera

34 Ležící hranol o rozměru10x10x20 metrů, 1300 tun Dosažedné přesnosti: Synchronizace času v CERN a Gran Sassu: 3 ns Délka letu neutrina z CERN do OPERY: 1 m Gymnázium Jan Keplera

35 Vlak neutrin dlouhý 10 mikrosekund dojel do Gran Sassa o 61 miliardtin vteřiny dříve, než by stejnou vzdálenost urazilo světlo ve vakuu. Chyba tohoto údaje je podle autorů jen 10 ns. Za tuto dobu urazí světlo ve vakuu 18 metrů Gymnázium Jan Keplera

36 Bude do Vánoc jasno? Je velká šance, že ano. Experiment nyní probíhá s jinak organizovaným svazkem protonů, z nichž neutrina vznikají. Místo 10 mikrosekund dlouhého vlaku jsou nyní protony ve vagóncích, dlouhých jen několik nanosekund, mezi nimiž je velká mezera. To umožní přiřadit každé srážce v OPEŘE proton z jednoho vagónku a tím měřit dobu letu s přesností délky tohoto vagónku. Na potvrzení či vyvrácení výsledku OPERY bude stačit pár případů a to nebude trvat dlouho Gymnázium Jan Keplera

37 O rozpínání vesmíru Gymnázium Jan Keplera

38 1917 A. Einstein: aplikoval obecnou teorii na homogenní a izotropní vesmír. Podle Einsteina měl náš prostor tvar třírozměrného povrchu čtyřrozměrné koule. Aby dostal stacionární řešení, zavedl kosmologickou konstantu. Toho později litoval („největší oslovina mého života“), ale neměl G. Lemaitre zkoumal řešení Einsteinových rovnic pro rozpínající se prostor a dva roky před Hubblem objevil vztah jenž se nazývá „Hubbleův“ zákon. 1929: E. Hubble: spirální mlhoviny jsou extragalaktické, nalezl a prosadil empirický vztah (Hubbleův zákon) mezi rychlostí vzdalování galaxií a jejich vzdáleností. 1931: G. Lemaitre: náš vesmír vznikl z primordiálního atomu. Úžasná kombinace relativity a kvantové teorie. 1998: expanze vesmíru se zrychluje!!! (NC 2011). (Některé) klíčové etapy vývoje moderní kosmologie Gymnázium Jan Keplera

39 Gymnázium Jan Keplera39 Tři možné globální geometrie prostoru součet úhlů trojúhelníku je větší než 180° součet úhlů trojúhelníku je menší než 180° součet úhlů trojúhelníku je rovný 180°

40 Gymnázium Jan Keplera40 Lokálně hmota prostor zakřivuje

41 41 Dopplerův efekt Gymnázium Jan Keplera

42 42 z=0.25 z=0.06 z=0.02 nanometry Rudý posuv Gymnázium Jan Keplera

43 Edwin Hubble vynesl závislost rudého posuvu (tím pádem i rychlosti vzdalování) galaxií na jejich vzdálenosti rychlost v km/sec v=H(t)D(t) t 0 =1/H 0 : Hubbleův čas udává zhruba stáří vesmíru Původní Hubbleův graf vzdálenost v Mpc Časový vývoj hodnoty H 0 ! Gymnázium Jan Keplera

44 Gymnázium Jan Keplera44 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.

45 Gymnázium Jan Keplera45 V článku The begining of the world from the point of quantum theory, publikovaném v r v časopise Nature, vyslovil hypotézu, že svět měl počátek, kdy byla veškerá hmota koncentrována v jednom bodě. Jeho slova: 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 čas neměly na samém počátku žádný smysl. Ten mohly nabýt až když se původní kvantum rozdělilo na dosta- tečný počet kvant. Je-li tato hypotéza správná, svět vznikl krátce před počátkem prostoru a času.“ byla více než jasnozřivá a daleko předběhla dobu.

46 Gymnázium Jan Keplera46 Singularita čas Lemaitrova představa o rozpínání vesmíru: Horká polévka, v níž byly přítomny všechny částice standardního modelu, ale i částice, o nichž nemáme ani tušení. Všechny ovliv- nily další vývoj vesmíru do dnešní podoby Dnešní vesmír

47 Gymnázium Jan Keplera47 rychlost vzdálenost Velký třesk je velmi netriviální hypotéza, kterou si nelze plně představit, ale lze ji jen přiblížit různými analogiemi jako je rozpínající se míč v=H(t)D(t) či kynoucí těsto V obou případech:

48 Gymnázium Jan Keplera48 expanduje sám prostor nikoliv předměty do existujícího prostoru. Tělesa se primárně vzdalují proto, že se prostor rozpíná rychlostí jež může být větší než rychlost světla. Rozpínání vesmíru definuje preferovaný systém, tj. Existují tělesa, která jsou „vázaná“ a jež se s expanzí nerozpínají. Jedině díky nim můžeme expanzi pozorovat. Pohyb vůči tomuto systému lze detegovat. Náš sluneční systém se vůči němu pohybuje rychlostí 370 km/sec. Znamená velký třesk návrat k Newtonovi? Do jisté míry ano, neboť absolutní prostor i absolutní čas.

49 V romantické komedii Woodyho Allena z roku 1977 Annie Hall je scénka,scénka v níž vystupuje malý Alvy, alter ego Woodyho Allena, jeho matka a doktor Flicker, ke kterému matka Alvyho přivedla, protože nechtěl dělat domácí úkoly Gymnázium Jan Keplera

50 Matka: Je sklíčený. Najednou nedokáže nic udělat. Doktor: Proč jsi tak sklíčený, Alvy? Matka: Řekni to doktoru Flickerovi. (k němu) Něco si přečetl. Doktor: Něco si přečetl? Alvy: Vesmír se rozpíná. Doktor: Vesmír se rozpíná? Alvy: Vesmír je všechno, a když se rozpíná, jednoho dne se rozlomí a bude všemu konec! Matka: Co se o to staráš? (k doktorovi) Přestal dělat domácí úkoly. Alvy: No a? Matka: Co s tím má společného vesmír? Jsi v Brooklynu! A Brooklyn se nerozpíná! Doktor: A nebude se rozpínat po miliardy let, Alvy. Měli bychom si užívat, dokud jsme zde Gymnázium Jan Keplera

51 Konkrétní hodnoty rychlosti v(R) rozpínání prostoru: Mléčná dráha R= půl miliardy miliard km v(R)= 30 milionů kilometrů za rok Brooklyn R= 150 milionů km v(R)= 10 metrů za rok Sluneční soustava R= 15 km v(R)= tisícina milimetru za rok Gymnázium Jan Keplera

52 Gymnázium Jan Keplera52 vesmír se rozpíná stále stejně rychle rychlost vzdalování vzdálenost rychlejší expan- ze na větších vzdálenostech, expanze se zpomalila pomalejší expanze na větších vzdá- lenostech, expan- ze se zrychlila rudý posuv 1998: (Ne)vítaný objev - expanze vesmír se zrychluje! Skutečnost, že se rozpínání prostoru zrychluje, zjistili letošní nobelisté měřením rudého posuvu světla ze vzdálených supernov

53 Skutečnost, že se prostor rozpíná ovšem neznamená, že se zvětšují velikosti fyzikálních objektů. Pokud by rychlost rozpínání byla konstantní, rozměry systémů jako jsou galaxie, sluneční soustava či atomy, které jsou „vázané“ různými silami, by se nezměnily. Teprve zrychlené (zpomalené) rozpínání prostoru by vyvolalo dodatečnou sílu, která by rozměry těchto objektů zvětšila (zmenšila). A teprve pokud by se i zrychlování rozpínání prostoru samo zrychlovalo, rostla by tím vyvolaná síla nade všechny meze a všechny objekty ve vesmíru by nakonec roztrhala Gymnázium Jan Keplera

54 Konkrétní hodnoty zrychlení a(R) rozpínání prostoru: Mléčná dráha R= půl miliardy miliard km a(R)= 2 m/rok Brooklyn R= 150 milionů km a(R)= 6 desetin miliardtiny m Sluneční soustava R= 15 km a(R)= tisícina poloměru protonu za rok Gymnázium Jan Keplera v(R)= 30 milionů kilometrů za rok v(R)= 10 metrů za rok v(R)= tisícina milimetru za rok

55 expandující vesmír zpomalovaní expanze zrychlování expanze čas 1-14 miliard let Dnešní představa o hlavních stádiích vývoje vesmíru současnost Nejvzdálenější supernova zrychlování expanze Gymnázium Jan Keplera

56 Gymnázium Jan Keplera56 Inflační stádium vývoje vesmíru Exponenciální expanze vesmíru, při níž během neuvěřitelně krátké doby vesmír zvětšil svou velikost faktorem Poloměr pozorovatelného vesmíru expanze podle velkého třesku éra Inflace inflační model čas od velkého třesku ve vteřinách poloměr vesmíru standardní model současnost

57 Gymnázium Jan Keplera57 Původce zrychlování rozpínání prostoru se nazývá Temná energie Jediné, co je v souvislosti s temnou energií jisté je, že pro pochopení podstaty a původu temné energie bude opět důležitá spolupráce fyziků částic a kosmologů. Klíčovou roli přitom bude hrát pojem vakua, jenž má v kvantové teorii pole velmi, velmi netriviální obsah. Vakuum kvantové teorie totiž není prázdné a má záporný tlak!!

58 Gymnázium Jan Keplera58 což v rámci obecné teorie relativity vede na odpudivou gravitační sílu a vznik našeho vesmíru jako oběd (skoro) zdarma.

59 Gymnázium Jan Keplera59 O tom a dalším píše Hawking ve své nové knize

60 Problém ovšem není pochopit proč se v sou- časné době rozpínání prostoru zrychluje, ale proč je toto zrychlení (naštěstí) (a možná ještě více) krát menší, než by mělo být, vezmeme-li jeho energii vážně!! Tohle je ústřední záhada současné fyziky! Gymnázium Jan Keplera

61 Konec Gymnázium Jan Keplera

62 Gymnázium Jan Keplera62 záporný tlak a právě energie vakua pohání rozpínání prostoru a způsobuje jeho zrychlení

63 Gymnázium Jan Keplera63 historie námi pozorovatelné části vesmíru

64 Všimněme si, že Pauli se vlastně z větší části mýlil. Částice, která vyřešila problém spojitého spektra v β-rozpadu nehraje při vysvětlení statistiky jader dusíku a lithia žádnou roli. Problém statistiky jader se týkal skutečnosti, že podle tehdejších představ se jádra skládala z protonů a elektronů. Skutečnost, že například atomová váha jader dusíku je 14 a atomové číslo jen 7 byla interpretována tak, že jádro dusíku se skládá ze 14 protonů a 7 elektronů a mělo se proto chovat jako částice s poločíselným spinem. Přidáním jedné částice se spinem ½ problém vyřešilo, ale bylo to, jak se brzy ukázalo, nesprávné řešení. Statistiku jader objasnil objev neutrálního partnera protonu, který se dnes nazývá neutron, Chadwickem v roce Tento objev navíc zásadně změnil představy fyziků o struktuře jader: např. jádro dusíku je tvořeno 7 protony a 7 neutrony a má tedy vlast- nosti bosonu, jak to ukazuje experiment Gymnázium Jan Keplera

65 Originál první části Pauliho dopisu Gymnázium Jan Keplera

66 V Curychu dne Vážené radioaktivní dámy, vážení radioaktivní pánové, věnujte prosím laskavou pozornost doručiteli tohoto dopisu. Poví vám, jak jsem s ohledem na „špatnou“ statistiku jader dusíku a lithia a na existenci spojitého spektra beta rozpadů přišel na zoufalou myšlenku, jak zachránit teorém o statistice i zákon zachovaní energie. Její podstatou je předpoklad, že v jádrech existuje elektricky neutrální částice se spinem ½, která splňuje vylučovací princip a která se liší od fotonu také tím, že se nepohybuje rychlostí světla. Tato částice, kterou budu nazývat „neutron“, by měla mít hmotnost stejného řádu jako elektron a v žádném případě ne více než 0.01 hmotnosti protonu. Spojité spektrum beta rozpadů by pak bylo vysvětleno tím, že v těchto rozpadech je s elektronem vyzářen vždy i neutron a to tak, že součet energií neutronu a elektronu je konstantní. První část Pauliho dopisu Gymnázium Jan Keplera

67 Připouštím, že moje vysvětlení se může zdát absurdní, neboť pokud neutrony existují, měly být už dávno pozorovány. Ale jen ten, kdo si troufá, může vyhrát. Obtížnou situaci se spojitým spektrem beta rozpadů ilustruje poznámka mého váženého předchůdce, pana Debye, jenž mi nedávno v Bruselu řekl: „Je to jako s novými daněmi, je nejlepší na to nemyslet.“. Proto by měla být každé možné řešení posouzeno. A tak, moji milí radioaktivní přátelé, posuzujte a suďte. Já bohužel do Tübingen nepřijedu, neboť moje přítomnost je nepostradatelná zde v Curychu na plese v noci z 6. na 7. prosince. Váš oddaný služebník W. Pauli. Závěr dopisu Gymnázium Jan Keplera

68 Gymnázium Jan Keplera

69 Gymnázium Jan Keplera69 Mají společnou charakteristiku: lze je popsat pomocí výměny zprostředkujících částic se spinem 1, tzv. gravitační elektromagnetické slabé silné. 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.

70 Gymnázium Jan Keplera70 Realita a schéma Rutherfordova experimentu Cesta ke dnešnímu chápání mikrosvěta začala zhruba před sto lety objevem atomového jádra

71 Gymnázium Jan Keplera : Objev „podivných“ částic R. Butler a jeho mlžná komora

72 Gymnázium Jan Keplera72 Pro zkoumání struktury protonu je nejvhodnější použít jako projektil svazek elektronů, jimž dobře rozumíme. Od roku 1968 se na lineárním urychlovači elektronů ve Stanfordu zkoumaly nepružné srážky elektronů s protony... 5 km

73 Gymnázium Jan Keplera na tomto zařízení které je „jen“ zvětšeninou Rutherfordova experimentu

74 Gymnázium Jan Keplera74 Zkoumání struktury protonu pokračovalo v letech na urychlovači HERA elektrony 27 GeV protony 920 GeV

75 Gymnázium Jan Keplera75 Detektor experimentu H1 v DESY v Hamburku protony elektrony ve dvou hlavních experimentech, H1, jehož jsme se účastnili a ZEUS.

76 Gymnázium Jan Keplera76 Protonový synchrotron SPS LEP/LHC Ženevské jezero Základní informace o LHC

77 Gymnázium Jan Keplera77 Tunel LHC je 27 km dlouhý a cca 100 metrů pod zemí

78 Gymnázium Jan Keplera78

79 Gymnázium Jan Keplera79

80 Gymnázium Jan Keplera80 Základní parametry LHC

81 Gymnázium Jan Keplera81 Jak vypadá detektor ATLAS

82 Gymnázium Jan Keplera82

83 Gymnázium Jan Keplera83

84 Gymnázium Jan Keplera84 vnitřní dráhový subdetektor

85 85 Edwin Hubble na Mt. Wilson Jeho objev byl prvním experimentálním svědectvím pro Lamaitrovu hypotézu Gymnázium Jan Keplera

86 Gymnázium Jan Keplera : Penzias, Wilson: objevili reliktní mikrovlné záření (Nobelova cena 1978) 1934: Zwicky: v galaxiích musí být temná hmota 1931: G. Lemaitre: náš vesmír vznikl z primordiálního atomu. Úžasná kombinace relativity a kvantové teorie. 1929: E. Hubble: spirální mlhoviny jsou extragalaktické, nalezl a prosadil empirický vztah (Hubbleův zákon) mezi rychlostí vzdalování galaxií a jejich vzdáleností. 1946: Gamow, Alpher, Herman: syntéza lehkých prvků v raném vesmíru, předpověď reliktního mikrovlného záření 1992: sonda COBE pozorovala anizotropii reliktního záření (Mather&Smoot Nobelova cena 2006). 1998: expanze vesmíru se zrychluje!!!

87 Gymnázium Jan Keplera87 Ve své práci z roku 1927 Un univers homogène de masse constante et de rayon croissant, rendant compte de la vitesse radiale des nébuleuses extragalactiques a 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“ je přesně stejná, jakou o dva roky později zjistil Hubble. objevil (2 roky před Hubblem) „Hubbleův zákon“

88 Gymnázium Jan Keplera88 Temná hmota Již od 30. let 20. století astronomové získávali svědectví o tom, že ve vesmíru je více hmotnosti, než pozorujeme: 1933 Fritz Zwitzky: rychlosti galaxií na okraji klastru Coma neodpovídaly viditelné hmotnosti. Pro vysvětlení pohybu galaxií bylo třeba cca 400 krát více hmotnosti. 1975: Vera Rubin: rotační křivky spirálních galaxií jsou ploché až na samý okraj.

89 Gymnázium Jan Keplera : 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

90 Gymnázium Jan Keplera90 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

91 Gymnázium Jan Keplera91 Normální expanze vesmíru (podle Hubbleova zákona) rychlostí menší než je rychlost světla. dnes čas minulost horizont čas dnes minulost horizont Inflační expanze vesmíru následovaná normální expanzí. Při srovnání s inflační expanzí se jeví normální jako stacionární stav

92 Gymnázium Jan Keplera92 Vesmírný koláč vakuum hraje klíčovou roli! Díky jim víme, že hmota ve vesmíru je tvořena z

93 Davis ve vodě, která stínila nadrž Gymnázium Jan Keplera


Stáhnout ppt "O neutrinech a temné energii, jako ilustraci vztahu jevů mikrosvěta a makrosvěta a poklona, Ray Davisovi a Georgesovi Lemaitrovi Jiří Chýla, Fyzikální."

Podobné prezentace


Reklamy Google