Upload
others
View
4
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Részecskefizika 2: kozmológiaDebreceni Egyetem, BSc, 2014.04.22.
Horváth [email protected]
MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont, Budapest
és MTA Atommagkutató Intézet, Debrecen
Horváth Dezso: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, 2014.04.22. – p. 1/41
Vázlat
Táguló világegyetem.
Osrobbanás, felfúvódás.
Kozmikus háttérsugárzás.
Hubble-teleszkóp és korai galaxisok.
Az elemek keletkezése.
Evolúció, osrobbanás és vallás.
A standard modell problémái.
Horváth Dezso: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, 2014.04.22. – p. 2/41
Mi a kozmológia?
A Világegyetem egészével foglalkozik.
Hogyan jött létre?
Statikus vagy táguló?
Lapos, nyitott vagy zárt?
Anyaga, összetétele?
Múltja, jövoje?
Horváth Dezso: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, 2014.04.22. – p. 3/41
Miért van éjjel sötét?
Olbers paradoxonja, 1823
(Elotte Kepler, 1610; Halley, 1721 és Cheseaux, 1744)
Végtelen kiterjedésu és örökké létezo Világegyetemvégtelen sok csillaggal
⇓
egyenletesen fényes égbolt éjjel-nappal, mert mindenpontban csillagra nézünk
(fényesség ∼ 1/r2, suruség ∼ r2, por melegszik)
Sötét éjszaka ⇒ véges méretu és/vagy korú Világegyetem.
A Világegyetem véges!
Horváth Dezso: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, 2014.04.22. – p. 4/41
Távolodó galaxisokDoppler-hatás: z = (λv − λ0)/λ0
λv: hullámhossz v sebességnélKözeledo motor hangja magasabb, távolodóé mélyebb
William Huggins, 1868:
csillagok szinképébenz > 0: vöröseltolódás
Tolünk távolodó objektumfényhullámhossza no ⇒ vörösebb
Henrietta S. Leavitt, 1920:
Változócsillagok (cefeidák)periódusa ∼ abszolút fényessége
észlelt fényesség ⇒ távolság!
Horváth Dezso: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, 2014.04.22. – p. 5/41
A Hubble-állandó
Edwin Hubble, 1929:Galaxisok távolodnak tolünk
v = Hr sebességgel
H = 70 km/s/Mpc (1 Mpc ≈ 3×1022 m ≈ 3×106 fényév)1 pc (parsec): távolság, ahonnan a Nap-Föld távolság
1 szögmp alatt látszik)
A Világegyetem kora: t0 = r/v = H−1 ∼ 14 × 109 év
Horváth Dezso: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, 2014.04.22. – p. 6/41
Táguló világegyetem
Kozmológiai elv: Ha a tágulás lineáris
v(B/A) = v(C/B) ⇒ v(C/A) = 2v(B/A)
homogén világegyetem, nincs kitüntetett pont
Alexander Friedmann, 1922 és Georges Lemaître, 1927
matematikailag Einstein elméletébol
A világegyetem tágulása a téré, táguló koordináták
tömegek között vonzás, lokális inhomogenitás
Senki nem hitte el, legkevésbé Einstein
A. Friedmann1888-1925
G. Lemaître1894-1966
Horváth Dezso: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, 2014.04.22. – p. 7/41
Sötét anyag
Spirálgalaxisokforgási
sebessége kifelénem csökken,
pedig Kepler II:v = GM(r)
r
Sokkal többgravitáló anyag,
mint láthatóés nem kistérfogatban
Micsoda?WIMP...
Látható tömegsuruség ∼ luminozitás:ρlum(r) ∼ I(r)
De ρM(r) 6= ρlum(r)!
Horváth Dezso: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, 2014.04.22. – p. 8/41
Az Osatom hipotézise
Monsignor Georges Henri JosephEdouard Lemaître (1894 – 1966)
Belga katolikus pap és fizikus(Leuveni Katolikus Egyetem)
G. Lemaître:A Világ kezdete a kvantumelmélet szempontjából,
Nature 127 (1931) 706.A kozmikus tojás felrobbanása a Teremtés pillanatában
(Tegnap nélküli nap)
Fred Hoyle (BBC, 1949), a stabil Univerzum híve,szarkasztikusan: Big Bang (Nagy Bumm) hipotéziseHorváth Dezso: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, 2014.04.22. – p. 9/41
Lemaître és Einstein
Einstein 1927-ben, Lemaître levezetésére,
hogy az általános relatívitáselmélet táguló teru
Világegyetemet ad:
Az Ön matematikája precíz, de a fizikája
förtelmes
Einstein, 1933-ban, miután Lemaître eloadta
Osatom-elméletét (habár nem hitte el):
Ez a legszebb és legkielégítobb
teremtés-magyarázat, amelyet valaha
hallottam! Lemaitre és Einstein, 1933
Fokozatosan gyulo elméleti és kísérleti tapasztalat 30 évig
Végso bizonyíték: Kozmikus háttérsugárzás, 1964
Horváth Dezso: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, 2014.04.22. – p. 10/41
Kozmikus háttérsugárzásArno Penzias és Robert Wilson, 1964
(Nobel-díj, 1978)Kiszurhetetlen mikrohullámú zaj
Modell: T=3 K kozmikus sugárzás (CMB)
COsmic Background Explorer, 1989-93T = 2, 728 K, pontos homérsékleti görbén
eredetileg 3000 K-es fotonok lehülése(1000-szeres!) táguláskor
Helyi irány-anizotrópia:magok galaxisok kialakulásához
(Felfúvódás elotti suruségfluktuációk?)
Megerosítés, sokkal pontosabban:WMAP: Wilkinson Microwave Anisotropy Probe
John C. Mather és George F. Smoot (COBE):Nobel-díj, 2006 A COBE urszonda
Horváth Dezso: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, 2014.04.22. – p. 11/41
Osrobbanás (Big Bang)Látható anyag:
∼ 75% hidrogén, ∼ 25% hélium, < 1% másHidrogénbol hélium csak csillagokban, nem lenne ennyi
⇒ forró korai Univerzum kiadja
Kozmikus háttérsugárzás eredete:Big Bang után 30 perc: plazma, T = 300 000 000 K.
Sugárzás dominál, fotonok halmaza átlátszatlan közegben
380000 év: lehülés 3000 K-re, semleges atomok,fotonoknak átlátszó
Mostanra: tágulás, fotonok lehultek
Galaxisok eredete:Kvantumfluktuációk ⇒ gyors táguláskor térbeli anizotrópia
⇒ sötét anyag gravitációs gödreiben barionos anyagsurusödése ⇒ csillagok, galaxisok kialakulása
Horváth Dezso: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, 2014.04.22. – p. 12/41
Osrobbanás, felfúvódás, sugárzás
Horváth Dezso: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, 2014.04.22. – p. 13/41
Hubble-teleszkóp: a Világegyetem mélye
250 nap megfigyelés egy sötét ponton ⇒
> 10000 tízmilliárd évnél régebbi galaxis
Horváth Dezso: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, 2014.04.22. – p. 14/41
Hubble-teleszkóp: eredmények
A galaxisok kialakulása már azOsrobbanás után 500-800millió évvel megkezdodött
Korai galaxisok kisebbek éskevésbé szimmetrikusak ⇒
gyorsabb formálódás
A galaxisok centrumábanáltalában fekete lyuk van
A legtávolabbi felvételekennyomon követheto csillagokképzodése
Az ultramély felvételkis része kinagyítva1010 évvel fiatalabb
galaxisok
Horváth Dezso: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, 2014.04.22. – p. 15/41
Sötét energia??
Távoli szupernovák vizsgálatából:gyorsulva táguló Világegyetem!
Valami „kifelé szívja”?
Saul Perlmutter Brian Schmidt Adam Riess
Felfedezés: 1998, Nobel-díj: 2011
Horváth Dezso: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, 2014.04.22. – p. 16/41
Sötét energia
Vákuum gravitáló energiája, összes tömeg 70%-a!Osrobbanás után nagy, korai univerzumban sokkal kisebb,
térrel noMa dominál és nem tudjuk, igazából micsoda
Nem vákuum-energia: 10−120-szor kisebb(Elmélet és kísérlet eltérésére világrekord :-)
Nem is energia, egyszeru állandó egy egyenletben!
Kozmológiai állandó: Λ > 0
Einstein legnagyobb tévedése,eredetileg beírta az egyenletébe, hogy stabilizálja aVilágegyetemet, aztán a tágulás hatására kihúzta.
Mégis létezik, és gyorsítva tágít.
Rengeteg modell, spekuláció, mi lehet mögötte:inflaton, kvintesszencia...
Horváth Dezso: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, 2014.04.22. – p. 17/41
Mitol jöttek létre a galaxisok?
Sötét anyag gravitációs gödrei!
Bizonyíték: kozmikus háttérsugárzás anizotrópiája:
bizonyos irányokból sokkal erosebb
Ott már a csillagok kialakulása elottsokkal surubb volt az anyag
Horváth Dezso: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, 2014.04.22. – p. 18/41
A háttérsugárzás anizotrópiája
Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, 2001-2010COBE ⇒ WMAP ⇒ Planck
Horváth Dezso: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, 2014.04.22. – p. 19/41
A Planck-urszonda, ESA, 2009–2012
(a kozmikus háttérsugárzás vizsgálatára)
A Planck-urszonda:4,2 m; 2,4 t; 1,5 millió km
Csillagképzodés azOrion-ködben
A látható fényt vizsgáló Herschel-urteleszkóppal együtt lotték fel
Horváth Dezso: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, 2014.04.22. – p. 20/41
Anyagegyensúly ma
WMAP, 2010; PLANCK, 2013
ΩR + ΩM − Ωk + ΩΛ = 1Sugárzás + anyag - görbület + kozm-para = 1
Univerzum lapos, ha Ω0 = ΩR + ΩM + ΩΛ = 1Jelenleg: lapos, (Ωk ≈ 0),
anyag-dominálta (ΩM >> ΩR) VilágegyetemSugárzás kicsi, ΩR ∼ 0
ΩM = ΩB + ΩCDM
Barionos anyag (csillag, fekete lyuk, por, gáz): ΩB ∼ 4.9%Csomósodó, nem-barionos, hideg sötét anyag:
Cold Dark Matter: ΩCDM ∼ 26.8%
Gyorsuló tágulás: sötét energia ΩΛ ∼ 68.3%
A Világegyetem kora: 13.798 ± 0.037 milliárd év
Horváth Dezso: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, 2014.04.22. – p. 21/41
Evolúció és vallás
Osrobbanás értelmezéséhezaz evolúció a fo kérdés
A legtöbb vallás elfogadja
XII. Pius már az ötvenes évekbenbeletörodött egy részleges evolúcióba.
A Vatikán ma teljes mértékben elfogadja.XII. Pius pápa
Horváth Dezso: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, 2014.04.22. – p. 23/41
II. János Pál az evolúcióról
II. János Pál, Pontifical Academy of Sciences,
1996:
Mára ... új tudásunk elfogadja, hogy az
evolúció elmélete több, mint hipotézis. Valóban
figyelemre méltó, ahogy a kutatók a tudomány
különbözo területein tett felfedezések hatására,
fokozatosan elfogadták ezt az elméletet. A
függetlenül végzett munka eredményeinek sem
nem keresett, sem nem fabrikált
konvergenciája önmagában is jelentos
bizonyítéka az elméletnek.
http://www.newadvent.org/library/docs_jp02tc.htm
Horváth Dezso: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, 2014.04.22. – p. 24/41
Evolúció és a Vatikán2009. február: G. Ravasi bíboros, a Pontifical Academy of
Sciences elnöke, abból az alkalomból, hogy a Vatikánkonferenciát szervezett Charles Darwin: A fajok eredete
megjelenésének 150. évfordulójára:
Habár a Vatikán korábban ellenséges volt a darwinizmussalszemben, soha nem vetette azt hivatalosan el és a könyvet
sem ítélte el. Az evolúció ötlete már Szent Ágoston ésAquinói Szent Tamás müveiben is fellelheto.
Horváth Dezso: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, 2014.04.22. – p. 25/41
Szent Ágoston, Hippo püspöke, 354-430
Szent Ágoston vallomásai, 397
(Dr. Vass József fordítása)
http://vmek.niif.hu/04100/04187/04187.htm
Önéletrajz és vita Istennel a Szentírásról
Könyvekre és fejezetekre tagolódik
A fordítók fejezetcímekkel látták el,
pedig a latin eredetiben nem láttam. A
fejezet lehet egy mondat vagy több
oldal.
Szent Ágoston, 354 – 430
(Philippe de Champaigne, XVII. sz.)
Világképe igen közeli a modern kozmológiához
Horváth Dezso: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, 2014.04.22. – p. 26/41
Szent Ágoston vallomásai, XI. könyvA teremtés
V. fejezet: Isten a világot semmibol teremtette
VI. fejezet: A teremto ige nem lehetett valami idoben elhangzó
parancs. Akárminek képzelem ugyanis azt a teremtést
megelozo valamit, ami hordozója lett volna parancsodnak,
biztosan nem volt, hacsak azt is meg nem teremted vala.
X. fejezet: Muködött-e Isten a világ teremtése elott?
Ez vissza-visszatéro kérdése. A válasz:
XI. fejezet: Isten örökkévalóságához nincs köze idonek.
XII. fejezet: A teremtés elott Isten kifelé, vagyis teremto
módon semmit nem cselekedett.
XIII. fejezet: A teremtés elott nem volt ido, mert ez maga a
teremtmény.Horváth Dezso: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, 2014.04.22. – p. 27/41
Szent Ágoston: teremtés és ido
XXX. fejezet: ... mit muvelt Isten a világ teremtéseelott? - Vagy: hogyan jutott eszébe teremteni valamit,mikor azelott soha semmit sem teremtett? ... nemlehet ott sohasem-rol beszélni, ahol egyáltalán nincsenido. ... teremtmény híján ido sincs
Az ido is a Teremtéskor jött létre.
VII. fejezet: Semmibol lett az osanyag, az osanyagbólaz egész világ.
IX. fejezet: Sem a mennyország, sem az osanyagmegteremtése nem idoben történt.
Horváth Dezso: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, 2014.04.22. – p. 28/41
Osrobbanás és teremtés: XII. Pius pápa
XII. Pius 1951-ben (jóval az elott, hogy a fizika elfogadta volna!)
üdvözölte az Osrobbanást, mint a Világ teremtését.
Isten létezésének bizonyítékai a modern természettudomány
fényében
XII. Pius pápa beszéde a Vatikáni Tudományos Akadémia 1951
november 22-i ülésén
http://www.papalencyclicals.net/Pius12/P12EXIST.HTM
51. Így tehát a Teremtés megtörtént. Tehát van Teremto. Tehát
Isten létezik! Habár nem nyíltan kimondott és nem teljes, ez az a
válasz, amelyet a tudománytól vártunk, és amelyet az emberiség
jelenleg vár tole.
Horváth Dezso: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, 2014.04.22. – p. 29/41
Edwin Hubble és XII. Pius pápa, 1951
Edwin Hubble levelet kapott egybarátjától, aki megkérdezte, a pápa
bejelentése kvalifikálja-e szenttéavatásra:
Amíg a reggeli újságban nem olvastamróla, nem gondoltam volna, hogy a
pápának rád van szüksége Isten léténekbizonyításához.
Edwin Hubble
1889 – 1953
Georges Lemaître meggyozte a Vatikán tudósait, hogy nemszabad túlságosan építeni erre a nem bizonyított elméletre,
és a pápa többet nem hivatkozott rá.
Horváth Dezso: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, 2014.04.22. – p. 30/41
Osrobbanás és II. János Pál
II. János Pál, Pontifical Academy of Sciences, 1996:
... úgy tunik, hogy a modern tudománynak ... sikerültmegtalálnia az elsodleges fiat lux [legyen világosság]pillanatát, amikor a semmibol az anyag mellett fény éssugárzás tengere tört elo, az elemek meghasadtak éskavarogtak és galaxisok millióivá váltak. ... Így tehát a
fizikai bizonyításra jellemzo konkrétsággal [a tudomány]megerosítette a Világegyetem esetlegességét és annak a
kornak a megalapozott levezetését, amikor a Világ elojött aTeremto kezébol. Így megtörtént a teremtés. Kijelentjük:
tehát létezik Teremto. Tehát Isten létezik!
Horváth Dezso: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, 2014.04.22. – p. 31/41
II. János Pál és Stephen HawkingStephen W. Hawking, miután beszélt II. János Pállal,aki azt tanácsolta, ne feszegessék az Osrobbanás
pillanatát, mert az Isteni beavatkozás volt:
Örültem, hogy nem ismerte a konferencián éppenelhangzott eloadásom témáját — a lehetoségét annak,
hogy a tér-ido ugyan véges, de nincs határa, kezdete sem,tehát a Teremtésnek sincs idopontja.
Szerintem a ketto nincs ellentmondásban...
Horváth Dezso: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, 2014.04.22. – p. 32/41
Teológia és fizikaVallások nagyrészt elfogadják az Osrobbanást Teremtésnek
Ez ki is következtetheto a táguló Világegyetembol:valamikor mindennek egészen közel kellett lennie
egymáshoz.A modern fizika tér- és idofogalma is logikailag levezetheto
Spinoza, Kant, Hegel, Engels: értékes tudományoskövetkeztetések
A fizika kísérleti tudomány, másképpen kérdez és kutat,mint a filozófia vagy a teológia.
Kérdése: hogyan muködik a VilágunkMódszere: Elmélet, számítások, kísérleti ellenorzés
megfigyelésselLemaître számítása pontos volt, mégsem fogadták el (omaga sem), amig megfigyelések nem erosítették meg.
Horváth Dezso: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, 2014.04.22. – p. 33/41
Fizika és teológia
Osrobbanás: modell, amelyet eddig minden megfigyelésalátámaszt
De a megfigyelések csak az elso 0,01 mp-tol érvényesek,azelottre csak elméleti becslések és spekulációk.
CERN Nagy hadron-ütköztetoje: Osrobbanás utánimilliomod mp megközelítése anyagállapotban.
Talán a sötét anyagot is megtaláljuk.
Horváth Dezso: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, 2014.04.22. – p. 34/41
Az elemek keletkezése
Osrobbanás után 3 perc: T < 109 K ⇒ egy nagycsillag, H→ He fúzió (75% H2 + 25% He)
Sokkal késobb csillagok, belül forró fúzió, nehezebbelemek (szén felett).
Szupernova robbanása ⇒ nehéz atomokszészóródnak.
Li, Be, B: csillagban szétesik, csillagközi térbenkeletkezik.
Nehéz elemek mennyisége lassan növekszik.
Horváth Dezso: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, 2014.04.22. – p. 35/41
Osrobbanás (Big Bang) idorendje
Esemény ido homérséklet ρ1/4
Planck-ido (infláció ↓?) 10−36 s 1018 GeVNagy egyesítés 10−32 s 1016 GeVElektrogyenge ↑?
(bariogenezis) 10−6 s 1015 K 100 GeVKvark → hadron 10−4 s 1012 K 100 MeVNukleonok 1–1000 s 109 − 1010 K 0,1 – 1 MeVLecsatolódás 380000 év 3000 K 0,1 eVSzerkezet kialakulása > 105 évMai helyzet 13,75 G év 2,7 K 3 · 10−4 eV
Jelenlegi kép: gyorsulva táguló Univerzum
Horváth Dezso: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, 2014.04.22. – p. 36/41
LHC = idogép??
Kezdet: osrobbanás 13,7 milliárd éveHogyan mehetünk vissza idoben, az Osrobbanás
közelébe?
Távcso: 4 milliárd év a Nagy Bumm után (Európai DéliObszervatórium, Chile, Very Large Telescope)
Mikrohullámú kozmikus háttérsugárzás: Párszázezerév (amikor az Univerzum átlátszó lett).
Nagyenergiájú részecskeütközés: Milliomodmásodperc (mielott az atomok kialakultak volna)
Ükanyánkkal nem találkozunk...
Horváth Dezso: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, 2014.04.22. – p. 37/41
A Standard modell problémái – 13 független (??) összetevo:U(1)Y ⊗ SU(2)L ⊗ SU(3)C
Gravitáció? S = 2 graviton?
Aszimmetriák: jobb ⇔ bal világ ⇔ antivilág
Mesterséges tömegkeltés: Higgs-tér kívülrol
Rengeteg alapveto részecske:8 + 3 + 1 + 1 = 13 bozon3 × 2 × (2 + 3 × 2) = 48 fermion
Töltéskvantálás: Qe = Qp, Qd = Qe/3
Miért éppen 3 fermioncsalád?Eredetileg: Minek a müon??
Nukleon spinje: hogyan áll össze 1/2-dé?
Horváth Dezso: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, 2014.04.22. – p. 38/41
A Standard modell problémái – 219 szabad paraméter:
3 csatolás: α, ΘW , ΛQCD
2 Higgs: MH , λ
9 fermion-tömeg: 3 × Mℓ, 6 × Mq
CKM-mátrix 4 paramétere: Θ1, Θ2, Θ3, δ
QCD-vákuum: Θ
Mν > 0 ⇒ +7 paraméter
Sötét anyag és energia ??Univerzum tömegének
4,9 %-a közönséges anyag (csillag, gáz, por, ν)26,8 %-a láthatatlan sötét anyag68,3 %-a rejtélyes sötét energia
Megoldás: több bizonyítatlan elméletHorváth Dezso: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, 2014.04.22. – p. 39/41
Részecskefizikai módszerek haszna
Világháló: CERN, 1989 ⇒ nagyvilág: 1994–
Müonspin-rezonancia módszere (kémia,szilárdtestfizika)
Pozitronemissziós tomográfia az orvosidiagnosztikában
Gyorsítók fele (cca. 7000!) gyógyászatban:hadronterápia
Grid-hálózatok a számítástechnikában
Horváth Dezso: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, 2014.04.22. – p. 40/41
Konklúzió helyett
"Van egy elmélet, miszerint, ha egyszer kiderülne, hogy miis valójában az Univerzum, és mit keres itt egyáltalán, akkorazon nyomban megszunne létezni, és valami más, mégbizarrabb, még megmagyarázhatatlanabb dolog foglalná ela helyét"
"Van egy másik elmélet, amely szerint ez már be iskövetkezett"
Douglas Adams: Vendéglo a világ végén (Nagy Sándor fordítása)
Horváth Dezso: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, 2014.04.22. – p. 41/41