O neutrinech a temné energii, mikrosvěta a makrosvěta Ray Davisovi a 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? 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

Co dnes víme o struktuře hmoty 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

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 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

U u d neutron= proton= kvarky v přírodě neexistují jako volné částice Z barevných kvarků jsou složeny dobře známé částice, jako jsou například proton a neutron U d proton= neutron= u 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. 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

Síly mezi kvarky a leptony gravitační elektromagnetické slabé silné. Tři z nich mají společnou charakteristiku: lze je popsat pomocí „výměny“ částic se spinem 1 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

Teorii relativity a kvantové teorii 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 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

O neutrinech 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

Hans Bethe, laureát Nobelovy ceny za fyziku v roce 1967. Neutrina, vítaní poslové ze Slunce V březnu roku 2005 zemřel ve věku 99 let Hans Bethe, laureát Nobelovy ceny za fyziku v roce 1967. 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. 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

neutrin ze Slunce k nám přilétá méně, 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: jeho detektor zaznamenával jen asi třetinu teoreticky předpo-věděného počtu neutrin. 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. 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

Toho sice nezajímali neutri-na ze Slunce, ale počátkem 80 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. 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

Earth’s Radioactivity sources of ’ s Accelerators E 0.3 – 30 GeV zdroje neutrin Slunce velký třesk lidské tělo atmosferická neutrina jaderné reaktory pozemská radioaktivita urychlovače The Big Bang  = 330 / cm3 SN1987 20 n’s SN1987 20 n’s The Sun 6 x 1010  / cm2s Atmospheric ’s 1 /cm2s - - Human Body  = 340 x 106 /day Nuclear Reactors   few MeV Earth’s Radioactivity  6 x 106 /cm2s 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera _ 

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. 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

1896: H. Becquerel objevil spontánní radioaktivitu uranu 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. 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

Anglický astronom Arthur Eddington téhož roku ukázal, že 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. Zjednodušená základní reakce: 4 protony → Helium + 2 pozitrony (+ 2 elektronová neutrina) 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

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 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

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 Produkce energie ve hvězdách Kromě skutečnosti, že v práci popsaných procesech chybí neutrino, vystihl Bethe podstatu procesů dokonale. 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

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. 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

1 interagujícímu neutrinu za 40 let Snad trocha (velkých a přibližných) čísel nikoho nezabije Víme, že ze Slunce přichází na čtvereční centimetr za vteřinu 60 miliard neutrin (62x106) Davisův detektor měl objem 400 krychlových metrů dopadlo do něj za vteřinu 30 milionů miliard neutrin (30x1015) tj. za rok (31 milionů vteřin) celkem milion miliard miliard neutrin (1024) z nichž v Davisově detektoru interagovalo s neutrony jen 100 v případě člověka (100 kg) to odpovídá 1 interagujícímu neutrinu za 40 let 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

Hodně velká kupka sena 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 10-20 atomů argonu. přitom v 400 tunách perchloretylenu je asi 40 tisíc miliard miliard miliard (40x1030) molekul. 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. 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

Vyřešení problému solárních neutrin Fyzikální neutrina dané „vůně“, tj. νe, νμ,ντ jsou směsi stavů ν1, ν2,ν3 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. 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

Pravděpodobnost oscilace původního elektronového neutrina Oscilace závisí na vzdálenosti, kde ji měříme a energii neutrina 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

Neutrina v Opeře Postavena za účelem detekce oscilace 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

Pravděpodobnost oscilace původního mionového neutrina 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

CERN Accelerator Complex PS SPS LHC CNGS Lake Geneva CERN Accelerator Complex 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera Edda Gschwendtner, CERN Neu2012, 27-28 Sept. 2010, CERN 29

9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

Bilance experimentu: od počátku roku 2009 bylo: produce muon-neutrinos measure tau-neutrinos CERN Gran Sasso 732km ~4·1019 p/year ~2·1019 nm/year ~2 nt/year (~1·1017 nm/year) Bilance experimentu: od počátku roku 2009 bylo: ze 100 miliard miliard protonů (1020) v CERN vyrobeno 50 miliard miliard mionových neutrin (5x1019) z nichž jich do detektoru OPERA dopadla setina (5x1017) 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 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

bez oscilace s oscilací 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

Jak OPERA měřila rychlost neutrin 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. 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

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 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

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. 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

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. 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

O rozpínání vesmíru 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

(Některé) klíčové etapy vývoje moderní kosmologie 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. 1927 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). 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

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° 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

Lokálně hmota prostor zakřivuje 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

Dopplerův efekt 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

Rudý posuv z=0.25 z=0.06 z=0.02 nanometry 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

v=H(t)D(t) t0 =1/H0: Hubbleův čas 1929 Edwin Hubble vynesl závislost rudého posuvu (tím pádem i rychlosti vzdalování) galaxií na jejich vzdálenosti Původní Hubbleův graf vzdálenost v Mpc Časový vývoj hodnoty H0 ! rychlost v km/sec v=H(t)D(t) t0 =1/H0: Hubbleův čas udává zhruba stáří vesmíru 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

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. 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

V článku The begining of the world from the point of quantum theory, publikovaném v r. 1931 v časopise Nature, vyslovil hypotézu, že svět měl počátek, kdy byla veškerá hmota koncentrována v jednom bodě. Jeho slova: „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. Einstein v lednu 1933 po Lemaitreově přednášce v Kalifornii “Tohle je nejkrásnější a nejuspokojivější vysvětlení stvoření světa, jenž jsem kdy slyšel“ 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

Lemaitrova představa o rozpínání vesmíru: Singularita čas Dnešní vesmír 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 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

v=H(t)D(t) Velký třesk je velmi netriviální hypotéza, kterou si nelze plně představit, ale lze ji jen přiblížit různými analogiemi jako je rozpínající se míč rychlost vzdálenost či kynoucí těsto V obou případech: v=H(t)D(t) 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

Znamená velký třesk návrat k Newtonovi? Do jisté míry ano, neboť 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. absolutní prostor i absolutní čas. Pohyb vůči tomuto systému lze detegovat. Náš sluneční systém se vůči němu pohybuje rychlostí 370 km/sec. Existují tělesa, která jsou „vázaná“ a jež se s expanzí nerozpínají. Jedině díky nim můžeme expanzi pozorovat. 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

V romantické komedii Woodyho Allena z roku 1977 Annie Hall je 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. 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

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. 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

Konkrétní hodnoty rychlosti v(R) rozpínání prostoru: Mléčná dráha Sluneční soustava R= 150 milionů km R= půl miliardy miliard km v(R)= 10 metrů za rok v(R)= 30 milionů kilometrů za rok Brooklyn R= 15 km v(R)= tisícina milimetru za rok 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

1998: (Ne)vítaný objev - expanze vesmír se zrychluje! Skutečnost, že se rozpínání prostoru zrychluje, zjistili letošní nobelisté měřením rudého posuvu světla ze vzdálených supernov 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 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

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. 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

Konkrétní hodnoty zrychlení a(R) rozpínání prostoru: Mléčná dráha Sluneční soustava R= půl miliardy miliard km R= 150 milionů km v(R)= 30 milionů kilometrů za rok v(R)= 10 metrů za rok a(R)= 2m/rok a(R)= 6 desetin miliardtiny m Brooklyn v(R)= tisícina milimetru za rok R= 15 km a(R)= tisícina poloměru protonu za rok 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

Dnešní představa o hlavních stádiích vývoje vesmíru expandující vesmír zpomalovaní expanze zrychlování čas 1-14 miliard let současnost Nejvzdálenější supernova zrychlování expanze 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

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 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

Temná energie Vakuum kvantové teorie totiž 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!! 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

odpudivou gravitační sílu což v rámci obecné teorie relativity vede na odpudivou gravitační sílu a vznik našeho vesmíru jako oběd (skoro) zdarma. 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

O tom a dalším píše Hawking ve své nové knize 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

Problém ovšem není pochopit proč se v sou- časné době rozpínání prostoru zrychluje, ale proč je toto zrychlení (naštěstí) 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 (a možná ještě více) krát menší, než by mělo být, vezmeme-li jeho energii vážně!! Tohle je ústřední záhada současné fyziky! 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

Konec 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

a právě energie vakua pohání rozpínání prostoru a způsobuje jeho zrychlení záporný tlak 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

historie námi pozorovatelné části vesmíru 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

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 1932. 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. 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

Originál první části Pauliho dopisu 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

První část Pauliho dopisu V Curychu dne 2. 12. 1930 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. 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

Závěr dopisu 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. 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

Síly mezi kvarky a leptony gravitační elektromagnetické slabé silné. Patří do jedné třídy tzv. kalibračních teorií jež představují základní rámec pro popis sil v mikrosvětě. Mají společnou charakteristiku: lze je popsat pomocí výměny zprostředkujících částic se spinem 1, tzv. intermediální vektorové bosony (IVB) 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

Cesta ke dnešnímu chápání mikrosvěta začala zhruba před sto lety objevem atomového jádra Realita a schéma Rutherfordova experimentu 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

1948: Objev „podivných“ částic R. Butler a jeho mlžná komora 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

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 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

.... na tomto zařízení které je „jen“ zvětšeninou Rutherfordova experimentu 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

Zkoumání struktury protonu pokračovalo v letech 1989-2007 na urychlovači HERA elektrony 27 GeV protony 920 GeV 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

ve dvou hlavních experimentech, H1, jehož jsme se účastnili a ZEUS. protony elektrony Detektor experimentu H1 v DESY v Hamburku 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

Základní informace o LHC Ženevské jezero Základní informace o LHC LEP/LHC SPS Protonový synchrotron 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

Tunel LHC je 27 km dlouhý a cca 100 metrů pod zemí 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

Základní parametry LHC 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

Jak vypadá detektor ATLAS 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

vnitřní dráhový subdetektor 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

Edwin Hubble na Mt. Wilson Jeho objev byl prvním experimentálním svědectvím pro Lamaitrovu hypotézu. 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

1934: Zwicky: v galaxiích musí být temná hmota 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. 1934: Zwicky: v galaxiích musí být temná hmota 1946: Gamow, Alpher, Herman: syntéza lehkých prvků v raném vesmíru, předpověď reliktního mikrovlného záření 1964: Penzias, Wilson: objevili reliktní mikrovlné záření (Nobelova cena 1978) 1992: sonda COBE pozorovala anizotropii reliktního záření (Mather&Smoot Nobelova cena 2006). 1998: expanze vesmíru se zrychluje!!! 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

objevil (2 roky před Hubblem) „Hubbleův zákon“ 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 objevil (2 roky před Hubblem) „Hubbleův zákon“ 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. 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

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. 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

velký třesk 1965: 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 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

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 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

Normální expanze vesmíru (podle Hubbleova zákona) dnes čas minulost horizont Normální expanze vesmíru (podle Hubbleova zákona) rychlostí menší než je rychlost světla. čas dnes minulost horizont Inflační expanze vesmíru následovaná normální expanzí. Při srovnání s inflační expanzí se jeví normální jako stacionární stav 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

Vesmírný koláč Díky jim víme, že hmota ve vesmíru je tvořena z vakuum hraje klíčovou roli! 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera

Davis ve vodě, která stínila nadrž 9.4.2017 Gymnázium Jan Keplera