Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Vakuum ve skutečnosti prázdnota není aneb kouzla kvantové vyziky “ Existují jen atomy a prázdnota.” Demokritos 1. Úvod 2. Základní pojmy 2.1 „Klasické“

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "Vakuum ve skutečnosti prázdnota není aneb kouzla kvantové vyziky “ Existují jen atomy a prázdnota.” Demokritos 1. Úvod 2. Základní pojmy 2.1 „Klasické“"— Transkript prezentace:

1 Vakuum ve skutečnosti prázdnota není aneb kouzla kvantové vyziky “ Existují jen atomy a prázdnota.” Demokritos 1. Úvod 2. Základní pojmy 2.1 „Klasické“ vakuum 2.2 „Fyzikální“ vakuum 2.3 Standardní model hmoty a interakcí 2.4 Heisenbergův princip neurčitosti 3. Virtuální částice, fyzikální pole Virtuální částice 3.2 Fyzikální pole 4. Experimentální projevy 4.1 Přenos hybnosti, energie Rozpad částic 4.3 Struktura hadronů 4.4 Casimirův jev 4.5 Lambův posuv 5. Vakuum a začátek vesmíru 5.1 Pravé a falešné vakuum 5.2 Inflace 5.3 Kvintesence 5. Závěr – co tedy vakuum vlastně je? Vladimír Wagner Ústav jaderné fyziky AVČR, Řež, E_mail: WWW: hp.ujf.cas.cz/~wagner/

2 Úvod Mikrosvět – neobvyklé vlastnosti popisované kvantovou fyzikou Přiblížení pomocí analogie – tato zjednodušení je třeba je brát velmi opatrně Věda hledá popis reálného světa Pravdivost různých interpretací lze řešit jen experimentálním pozorováním Každá vědecká teorie i hypotéza musí být falzifikovatelná - testovatelná „Jediné, co mě zajímá, je najít soubor pravidel, která by souhlasila s chováním přírody, a nezkoušet jít příliš daleko za to. Zjistil jsem, že většina filozofických diskusí je psychologicky užitečná, ale nakonec, když se podíváte zpátky do historie, zjistíte, že to, co bylo kdysi řečeno s takovou pádností, je téměř vždy -- do jisté míry -- nesmyslné! “ R. Feynman v rozhovoru v knize P. Daviese a J. Browna „Superstrings: A Theory of Everything?“ Nalezené zákonitosti umožňují dělat testovatelné předpovědi Úplné pochopení teorie ↔ úplné osvojení fyzikálního i matema- tického aparátu → spočtení předpovídaných fyzikálních veličin Richard Feynman Karl Popper v Praze v r (těsně před smrtí) Použití pojmů z makrosvěta na vlastnosti mikrosvěta ↔ pozor opatrně při interpretaci

3 Podíl jednotlivých složek „hmoty“ ve vesmíru podle nejnovějších výzkumů Temná energie Svítící hmota Velký vliv vlastností vakua na vývoj vesmíru Současné experimentální poznatky: Vypařování černých děr, inflační kosmologické modely, falešné a pravé vakuum fluktuace vakua, virtuální částice... Řada exotických pojmů a hypotéz: Nutnost využití kvantové teorie Proč zajímavé ve spojení s astrofyzikou?

4 „Klasické“ vakuum Dosažení co nejmenšího množství molekul a atomů Vakuové pumpy (vývěvy) – zařízení, které odčerpává plyn s uzavřeného objemu Vyšší stupeň vakua ↔ nižší tlak přítomných plynů „normální“ podmínky : ~ 10 5 Pa 3·10 25 molekul/m 3 vodní vývěva ~ Pa 3·10 18 molekul/m 3 difúzní vývěva ~ Pa 3·10 15 molekul/m 3 speciální vývěvy ~ Pa 3·10 11 molekul/m 3 Max Paul Wolfgang Gaede – vynálezce difúzní a molekulární vývěvy Na Zemi v laboratoři (teplota T= 0 o C): Malá vývěva pro tlak 10 Pa Difúzní vývěvy umožňují dosáhnout relativně velmi vysoké vakuum T → co nejnižší

5 „Volný“ vesmír meziplanetární prostor ~ 10 7 atom/m 3 mezihvězdný prostor ~ 10 5 – 10 8 atom/m 3 mezigalaktický prostor až < 1 atom/m 3 Vakuum potřebujeme například v napařovacím stroji nebo urychlovači meziplanetární prostor Galaxie má pořád ještě značnou hustotu částic – NGC 1300 Mezigalaktický prostor

6 Zbude složitý objekt označovaný pojmem „fyzikální“ vakuum Co zbude? elektrony neutrina (reliktní i „současná“) fotony (reliktní i „současná“) gravitony (reliktní i „současná“) – zatím hypotetické Částice jednoho nebo více druhů zodpovědné za temnou hmotu (supersymetrické částice?) Reliktní záření pozorované sondou WMAP Popsaný polem nebo virtuálními částicemi Jeho vlastnosti mají pozorovatelné účinky Počet atomů → 0 Teplota T → 2,7 K

7 Složení hmoty Hmota je složena z částic - mezi nimi působí interakce Důležité nástroje pro popis mikrosvěta: 1) Speciální teorie relativity - rychlosti blízké rychlosti světla, kinetická energie srovnatelná s klidovou 2) Kvantová fyzika - velmi malé hodnoty veličin  kvantový a pravděpodobnostní charakter, Heisenbergův princip neurčitosti Atomová fyzika, fyzikální chemie Jaderná fyzika Fyzika elementárních částic Superstrunové teorie? (rozměr m)?

8 Standardní model hmoty a interakcí Hmota je tvořena částicemi (fermiony s=1/2), mezi kterými působí interakce, které jsou zprostředkovány výměnou částic (bosony s=celé číslo) Tři druhy interakcí: 1) Silná - kvantová chromodynamika nejsilnější 2) Elektromagnetická - kvantová elektrodynamika slabší 3) Slabá - elektroslabá teorie ještě slabší + antičástice

9 Interakce a jejich popis Výměnný charakter interakce - je zprostředkována výměnou „virtuálních částic“ Možnost existence virtuálních částic  důsledek kvantové fyziky: Interakcezprostředkující bosoninterakční konstantadosah Gravitační graviton2· nekonečný SlabáW + W - Z 0 7· *) m Elektromagnetická γ7·10 -3 nekonečný Silná 8 gluonů m *) Efektivní hodnota dána velkými hmotnostmi W +, W- a Z 0 bosonů Dosah interakce závisí i na hmotnosti zprostředkující částice: nulová klidová hmotnost  nekonečný dosah Interakce – pojem popisující možnost přenosu energie, hybnosti, náboje... nebo možnost kreace či anihilace části Při dostatečné energii lze částice interakcí „zviditelnit“ - stanou se reálnými naopak částice hmoty mohou být i virtuální – kreace virtuálního páru částice a antičástice a následná anihilace nosičem interakce mohou být i virtuální částice hmoty – mezony jako nositelé silné jaderné interakce

10 Částicově vlnový charakter objektů mikrosvěta De Broglieho vlnová délka – souvislost mezi vlnovým a částicovým charakterem objektu V některých situacích vlnové chování – v jiných částicové Závislost síly interakce na přenesené energii: Pro vysoké energie jejich vyrovnání – sjednocení interakcí Hypotézy „Velkého sjednocení“, „Supersymetrické teorie“... předpovídají existenci řady nových částic Popis: kvantově polní teorie 1) Kvantová elektrodynamika - elektromagnetická 2) Elektroslabá teorie – elektromagnetická + slabá 3) Kvantová chromodynamika - silná „Rovnocenost“ mezi polem a částicí, částicemi hmoty a interakce Vlnové a částicové vlastnosti částic přirozeně spojuje kvantová teorie pole Vztah mezi hybností (rychlostí a hmotnost) a De Broglieho vlnovou délkou objektu definuje i oblast nutnosti použít kvantovou fyziku

11 Heisenbergův princip neurčitosti Nemožnost současného určení některých veličin s neomezenou přesností: Δx·Δp ≥ ħ Δt·ΔE ≥ ħ redukovaná Planckova konstanta ħ = h/2π = 1,054· Js = 6,58· MeVs Důsledky (některé): 1) Možnost časově omezeného narušení zákona zachování energie „na mikroúrovni“ → možnost půjčení energie, nutnost jejího vrácení 2) „Existence“ virtuálních částic (fluktuací vakua) Příklad: Tunelový jev – rozpad alfa Dva možné pohledy: 1) Částice se vyskytuje s jistou pravděpodobností i na druhé straně potenciálové bariery Možnost překonání potenciálové bariery i přes nedostatek energie 2) Částice na dobu dovolenou Heisenbergovým principem neurčitosti má „vypůjčenou“ energii

12 Virtuální částice 1) Existují jen po dobu povolenou Heisenbergovým principem neurčitosti 2) Nesplňují relativistický vztah: E 2 = p 2 c 2 + m 2 c 4 porušují zákon zachování energie Zobrazení pomocí Feynmanových diagramů: Virtuální částice - nelze je přímo pozorovat ale projevují se důsledky jejich existence Příklad Feynmanova diagramu rozptyl dvou elektronů 3) Pokud nejsou částice a odpovídající antičástice totožné, vznikají virtuálně v páru 1) Názorně ukazují průběhy různých interakcí na mikroúrovni. 2) Každá z částí grafu reprezentuje jistou matematickou operaci 3) Ulehčují počítání fyzikálních veličin pro tyto interakce Vhodné seskupení diagramů s kladnými a zápornými příspěvky → vyrušení části interakce

13 Fyzikální pole Klasické: elektrické, magnetické, elektromagnetické, gravitační... Kvantové: 1) rozruch přenášen jen v kvantech 2) spojení vlnových a částicových vlastností 3) přímé spojení s popisem interakce pomocí virtuálních částic Fluktuace vakua: každé kvantové pole má fluktuace (hodnoty v každém okamžiku fluktují kolem střední hodnoty) Popis interakce pomocí fyzikálního pole Interakce → její pole → šíření rozruchu → přenos energie, hybnosti, náboje... popis pomocí potenciálu nebo intenzity pole (známé intenzita a potenciál elektrického či magnetického pole, podobně i u gravitačního pole Fluktuace lze popsat pomocí virtuálních částic (např fluktuace kvantového elektro- magnetického polelze popsat pomocí virtuálních fotonů, párů elektronu a pozitronu,... Rozdíl mezi bosonovým a fermionovým polem – obsazení buňky fázového prostoru

14 Přenos energie, hybnosti a nábojů Zprostředkování interakce: Kreace páru částice a antičástice: Konverzní elektrony e+e+ e-e- γ Přeměna fotonu v pár elektron pozitron. Zákony zachování energie a hybnosti → možná jen v elektromagnetickém poli jádra ↔ přenesení části hybnosti na jádro – pomocí virtuálního fotonu (vybuzené jádro se zbaví energie): 1) vyzářením fotonu – klasický rozpad gama 2) přenesením energie polem (virtuálním fotonem) elektronu v atomovém obalu - vyzářením konverzního elektronu Základní (nahoře) a některé složitější výměny virtuálních částic popisující rozptyl elektronu a pozitronu Popis interakce pomocí výměn virtuálních částic: Velmi úspěšný popis interakcí elektro- magnetické, slabé i silné pomocí příslušných kvantových teorií pole Popis jaderné síly pomocí výměny virtuálních mezonů

15 Rozpad částic přes „těžké“ částice Slabá interakce - rozpad neutronů, jader přes virtuální W - a W + bosony Rozpad neutronů popsaný Feynmanovým diagramem Hypotéza (předpověď Velkého sjednocení): rozpad protonu přes tzv. leptokvarky X, Y. Jejich hmotnost M X,Y ≈ GeV M W ± = 80,4 GeV ( ~ 80 M p ) Kanály rozpadu přes virtuální částice těžší než je hmotnost W a Z bosonů ovlivňují jejich dobu života Doba života Z bosonu využita k odhadu hmotnosti kvarku t Rozpad Z bosonu zachycený experimentem Delphi. Přesné měření rozmazání jeho klidové energie (doby života) umožnilo vymezit hmotnost kvarku t

16 Struktura protonu a dalších hadronů 1) Proton je složen ze tří „konstituentních“ kvarků 2) virtuální gluony 3) virtuální páry kvarku a antikvarku Tři složky tvořící proton: proton – velmi silně interagující systém tří tzv. konstituentních kvarků Každá složka ~ 1/3 celkové hybnosti Tři „konstituentní“ kvarky k popisu protonu nestačí Nutno brát v úvahu při produkci částic pomocí srážek protonů Komplikovaná struktura protonu se projevuje při rozptylových experimentech při vysokých energiích Strukturu protonu bylo třeba brát v úvahu při produkci W, Z bosonů na urychlovači SPS v CERNU (obrazky WWW CERNu)

17 Casimirův jev Dvě vodivé desky velmi blízko sebe – okolo kvantové elektromagnetické pole Dvě zrcadla S = 1 cm 2 d = 1 µm Casimirova síla F = N (váha kapky vody o průměru 0,5 mm) teplota T → 0 K ↔ odstranění vlivu tepelného záření Holandský fyzik Hendrix B.G. Casimir Prostor mezi deskami vyplněn virtuálními částicemi (kvantovými fluktuacemi) – vzdálenost d je násobkem jejich vlnové délky je → je jich méně než vně → tlaková síla F Závislost tlaku Casimirovy síly na vzdálenosti desek d Vysvětlení Casimirova jevu spočívá v rozdílu virtuálních částic (flu- ktuací vakua) vně a uvnitř dvojice desek

18 Kulička 200 μm vzdálená 100 nm od vodivého povrchu (Phys. Rev. Lett. 81, 4549) Umar Mohideen Kalifornská Universita v Riverside Závislost na tvaru povrchu → kulička odpuzována Velmi přesné měření Casimirova jevu ~ 1 % Budoucí možnost praktického využití v nanostrojích Pozorování vznikající síly Náročné – opravy na nepravidelnosti tvaru, vliv tepelného záření... Budoucí experiment Rychle kmitající zrcadla → část virtuálních fotonů se stane reálným → pozorování tohoto slabého záření Testovány možnosti využití v MEMS (mikroelektromechanických systémech) - rotující části Kulička polystyrén „potažená“ hliníkem nebo zlatem

19 Lambův posuv Experiment: 1, (4) μ B Teorie: 1, (110) μ B Magnetický moment elektronu: Velice jemné rozštěpení hladin atomu vodíku: ΔE = 4,372·10 -6 eV ↔ f = 1057 MHz Fluktuace vakua – Feynmanovy diagramy vyššího řádu → jemné opravy v hodnotě magnetického momentu elektronu Jedny z nejpřesněji určených hodnot: Velice přesně měřitelné - Velice přesně spočteno v kvantové elektrodynamice Velice přesná shoda Velice plodná představa virtuálních částic

20 Vypařování černých děr (Zatím jen předpovídaný fyzikální jev) 1) Kreace virtuální dvojice částice a antičástice – jedna těsně nad horizontem, jedna těsně pod ním – neurčitost v poloze daná Heisenbergovým principem neurčitosti → neanihilují částice nad horizontem se stane reálnou na úkor energie černé diry Vzniká ději v blízkosti horizontu černé díry Vypaření miničerné díry Simulace ze stranek A. Hamiltonastranek A. Hamiltona Černé díry by měly vyzařovat tzv. Hawkingovo záření Možné různé interpretace: 2) Poloha reálné částice je „rozmazaná“ → pokud je částice blízko horizontu je její vlnová funkce (pravděpodobnost výskytu nenulová i nad horizontem S. Hawking 3) Reálná částice může mít po dobu povolenou Heisenbergovým principem neurčitosti rychlost větší než rychlost světla a dostane se mimo horizont Výsledek a experimentálně pozorované důsledky a hodnoty fyzikálních veličin totožné

21 Pravé a falešné vakuum Fluktuace kvantového pole – virtuální částice – pohyb ve všech směrech Příspěvky se vyruší (E = V = 0) → pravé vakuum Příspěvky se nevyruší (E ≠ 0, V ≠ 0) → falešné vakuum Závislost střední energie (potenciálu) vakua na hodnotě φ Průběh závisí na teplotě (hustotě energie) prostředí Energie vakua → kosmologická konstanta Antigravitační účinky – pozorovány pomocí supernov (existence temné energie) ? Proč je kosmologická konstanta malá a nenulová ? Kosmologickou konstantu zavedl do kosmologie A. Einstein Vysvětlení velikosti energie vakua – velký problém fyziky Určování podílu temné energie pomocí velmi vzdálených supernov

22 Inflace Počátek vesmíru – velmi vysoká hustota energie (teplota) Vesmír ve stavu falešného vakua – pole tzv. Higgsova typu φ Falešné vakuum Klasické vakuum V T > T C T = T C T < T C Teplota vesmíru klesá: T < T C → objeví se druhé minimum Potenciálová bariera brání přechodu z falešného k pravému vakuu Do přechodu → podchlazený stav → prudké rozpínání - inflace Přechod spojován s vydělením interakcí Možnost i více inflací Je současné vakuum pravé nebo falešné?

23 Kvintesence - kosmon C. Wetterich – zavedení dynamicky proměnného pole - kvintesence Problém koincidence – Proč je dnes vliv látky srovnatelný s vlivem vakua? Rozpínání → 1) Hustota látky klesá s třetí mocninou rozměru 2) Hustota energie vakua se nemění ↓ roste vliv vakua Nové pole kvintesence → nová částice „kosmon“ Pozorovatelné důsledky: 1) Změna některých fundamentálních konstant (konstanty jemné struktury,...). Pozorování, jak probíhaly některé reakce dříve a jak dnes 2) Změna vlivu látky a temné energie – vlastnosti reliktního záření, průběh rozpínání Možnost existence obou typů polí ↔ náročnější prokázání

24 Závěr aneb co je to tedy vakuum? 1) „Klasické“ vakuum – odčerpávání molekul a atomů, ochlazení – přiblížení v laboratoři vývěvy ( ~ molekul/m 3 ), vesmírný prostor ( blízké okolí ~ 10 7 atom/m 3, lze nalézt místa < 1 atom/m 3 ) 2) Po „odčerpání“ všech hadronů a nabitých leptonů zůstávají reálné částice: fotony (reliktní a vyzářené), neutrina (reliktní a vyzářené) neznámé částice tvořící temnou hmotu 3) „Fyzikální“ vakuum popsatelné různými typy polí, jejich fluktuace jsou popsatelné různými typy virtuálních částic (potvrzených i zatím hypotetických) 4) Pozorování řady jevů vysvětlitelných pouze na základě existence „fyzikálního“ vakua (konverzní elektrony, Casimirův jev, Lambův posuv, struktura protonu...) 5) Vliv vlastností vakua na vznik a vývoj vesmíru ( inflace, kosmologická konstanta, kvintesence) – experimentální potvrzení a výběr správné teorie pomocí pozorování reliktního záření, průběhu rozpínání vesmíru, změny fundamen- tálních konstant Důležité upozornění – popis mikrosvěta pojmy využívající analogie z makrosvěta → nutno brát opatrně, lze snad „populárně“ přiblížit ale úplnější pochopení nelze bez nastudování příslušných kvantových teorií


Stáhnout ppt "Vakuum ve skutečnosti prázdnota není aneb kouzla kvantové vyziky “ Existují jen atomy a prázdnota.” Demokritos 1. Úvod 2. Základní pojmy 2.1 „Klasické“"

Podobné prezentace


Reklamy Google