Fiat lux

Fiat lux – Od Velikog praska (Big Bang) do kraja Svemira

Branko Guberina 27. IX. 2017.

• Veliki prasak - početak prostora i vremena • nastanak elementarnih čes2ca i prvih struktura iz kojih nastaju zvijezde.

• Fiat lux - postanak Svemira kao kvantni fenomen • što je vrijeme?

• inflacija svemira od “Ništa” u postojanje • tamna materija, tamna energija, misterij ubrzanog širenja svemira, • primordijalne crne rupe, • opservacijski tragovi Velikog praska, mjerenja satelita PLANCK, • otkriće gravitacijskih valova kao zadnju potvrdu Einsteinove opće teorije rela2vnos2 (zakon gravitacije) • misteriozna opažanja Osi Zla (Axis of Evil).

Apsolutno vrijeme - Newton Tempus absolutum verum & Mathema2cum, in se & natura sua absque rela2one ad externum quodvis, Ìquabiliter uit, alioque nomine dicitur Dura2o.

(Isaac Newton, Philosophiae Naturalis Principia Mathema2ca)

Einstein versus Newton • Newton: Tempus est absolutum, spatium est apsolutum • Einstein - specijalna teorija relativnosti: Continuum spatii et temporis est absolutum

Einstein – opća teorija relativnosti = teorija prostora-vremena ili gravitacije: - Vrijeme zakrivljeno, usporeno à GPS - Prostor zakrivljen - Prostor-vrijeme zakrivljeno

Zakrivljeno vrijeme?

Put u budućnost? - Vremenski stroj?

Salvador Dali: The Persistence of the Memory

• Pitanje o vremenu • u filozofiji: Martin Heidegger: Der vremena)

Begriff der Zeit (Pojam

• u teologiji/filozofiji: Aurelije Augustin: Confessiones • o prirodnoj znanosti i religiji:

Hans Küng: Der Anfang aller Dinge

Zakrivljenost prostora

Flammarion - Universum

Beyond the Horizon

A. Linde (orig. page): • 1) Energy of matter in the universe IS NOT CONSERVED: dE = -p dV Volume V of an expanding universe grows, so its energy decreases if pressure p is positive.

• 2) Total energy of ma^er and of gravity (related to the shape and the volume of the universe) is conserved, but this conserva2on is somewhat unusual: • The sum of the energy of ma^er and of the gravita2onal energy is equal to zero.

Kozmološka konstanta

Λ

• Einsteinova jednadžba

Rμν - ½gμνR + gμν Λ = -8πGTμν

tr eW*;

,* â‚r :bqr:ir'g*-JT_ --

W! --&--E

{ o9rr L'tL ), E

7iV:T,t

D^

rr39!

G"O" -t e

Georges Lemaître • Big Bang - (13.798 ± 0.037) milijardi godina (sat. PLANCK) • Nature 127(1931)706, "The Beginning of the World

from the Point of View of Quantum Theory” : • If the world has begun with a single quantum, the no2ons of space and 2me would altogether fail to have any meaning at the beginning . ... the beginning of the world happened a li^le before the beginning of space and 2me.

Georges Lemaitre i Albert Einstein

Teorija versus zbilja Λteorija /Λzbilja = 10123 = 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000

Brojke • Početak Svemira – kvantna gravitacija • Planckovo vrijeme:

• 0,000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 01 sekunde - 44 nule • Inflacija – milijuntnina bilijuntnog dijela od bilijuntnog dijela sekunde – Alan Guth i Andrej Linde • Planckova duljina:

• 0,000 000 000 000 000 000 000 000 001 centimetra - 33 nule

Alan Guth’s office at MIT

22

Big Bang - inflacija

July 13, 2006

Ramon Miquel

IRGAC 2006

23

July 13, 2006

Ramon Miquel

IRGAC 2006

24

July 13, 2006

Ramon Miquel

IRGAC 2006

25

July 13, 2006

Ramon Miquel

IRGAC 2006

26

July 13, 2006

Ramon Miquel

IRGAC 2006

27

July 13, 2006

Ramon Miquel

IRGAC 2006

28

Planck's power spectrum of temperature fluctuaEons in the Cosmic Microwave Background

Kozmološke spekulacije

• A posse ad esse non valet illatio.

(Zaključak od može-biti na biti ne vrijedi.)

Ex nihilo nihil fit.

(Iz ničega ništa nastaje) “Cosmologists often err, but they never doubt” Lev Landau

July 13, 2006

Ramon Miquel

IRGAC 2006

31

Is it not possible that consciousness, like space-2me, has its own intrinsic degrees of freedom, and that neglec2ng these will lead to a descrip2on of the universe that is fundamentally incomplete? What if our percep2ons are as real (or maybe, in a certain sense, are even more real) than material objects?

What if my red, my blue, my pain, are really exis2ng objects, not merely reflec2ons of the really exis2ng material world? Is it possible to introduce a “space of elements of consciousness,” and inves2gate a possibility that consciousness may exist by itself, even in the absence of ma^er, just like gravita2onal waves, excita2ons of space, may exist in the absence of protons and electrons?

A. Linde

Os Zla – Axis of Evil

Hladna točka – Cold spot

Dodaci

Type-Ia Supernovae (I) • Defined empirically as supernovae without Hydrogen but with Silicon in spectrum.

• Progenitor understood as a white dwarf accreting material from a binary companion.

• As the white dwarf approaches Chandrasekhar mass, a thermonuclear runaway is triggered.

• A naturally triggered and standard bomb.

July 13, 2006

Ramon Miquel

IRGAC 2006

39

Are Type-Ia SNe Standard Candles?

apparent magnitude → distance → time

July 13, 2006

Ramon Miquel

IRGAC 2006

40

July 13, 2006

Ramon Miquel

IRGAC 2006

41

Povijest svemira 13 milijardi g 5 milijardi g

1 milijarda g

Svemir danas Formiranje solarnog sustava, prve supernove Formiranje zvijezda i galaksija

100 000 g

Slaganje atoma, odvajanje zraÄ?enja od materije

100 s

Nukleosinteza lakih elemenata

10-10 s

Sinteza protona, neutrona QG Plazma: kvarkovi, gluoni

10-34 s

SvrĹĄetak inflacije

10-43 s

Era kvantne gravitacije

Početak: Kvantna kozmologija Uvjeti stvaranja svemira Svemir nastaje kao kvantna fluktuacija početnog vakuuma Ukupna energija svemira (energija materije+tamna energija +gravitacija) = 0 Zbog relacija neodređenosti DE Dt  h gdje je h - Planckova konstanta posudba male količine energije (E0 ) omogućuje dugo (skoro beskonačno) trajanje svemira (t  )

Inflacija Slijedi kratki period inflacije - vrlo brzo napuhavanje 1030 puta u trajanju od 10-33 sek.

Najvažniji problemi standardne kozmologije koje rješava inflacija • Problem horizonta – izotropnost mikrovalnog pozadinskog zračenja • Problem ravnosti svemira – fino podešavanje početnih uvijeta • Generiranje početnih perturbacija gustoće – sjeme stvaranja današnjih struktura

Problem horizonta i izotropnosti CMB Opažanja pokazuju da je pozadinsko kozmičko mikrovalno zračenje (CMB) izotropno do na male fluktuacije.

Problem je u tome što informacija o CMB zračenju dolazi iz udaljenih područja koja nisu bila u kauzalnom kontaktu prije emisije zračenja tako da nije postojala mogućnost termalizacije – u suprotnosti s opažanjem da je izmjerena temperatura zračenja jednaka (do na odstupanja od najviše oko 10-5 ) u svim smjerovima promatranja.

Kvarkovska epoha: od kraja inflacije do10-10 (0.0000000001) sek Kratki period podgrijavanja (reheating) – inflatorno polje raspada se i prelazi u zračenje (uglavnom čestice bez mase ili vrlo male mase) Rađanje čestica (i antičestica) standardnog modela – kvarkovi i gluoni (tzv. kvarkovsko-gluonska plazma) , eletroni, muoni, neutrini Bariogeneza i leptogeneza – lomljenje simertije materijaantimaterija, tj., stvaranje male asimetrije između broja čestica materije i antimaterije

Hadronsko-Leptonska epoha: od 10-10 (0.0000000001) do 10 sek Iščezavanje (glavnine) antkvarkova putem anihilacije Sužanjstvo (confinement) kvarkova – sinteza protona i neutrona

Epoha nukleosinteze: od 10 do 1000 sek IĹĄÄ?ezavanje (glavnine) pozitrona Sinteza lakih stabilnih elemenata: helija (4He) i helijevog izotopa (3He), vodikovog izotopa deuterija (D ili 2H), litija (7Li), te radioaktivnih izotopa: vodikovog izotopa tricija (3H) i berilija (7Be)

Period rekombinacije: oko 100.000 godina nakon Big Banga Odvezivanje (decoupling) zraÄ?enja od materije Vezanje elektrona i jezgara u atome Svemir postaje transparentan

Nakon inflacije svemir se ĹĄiri puno sporije tako da je danas, nakon otprilike 13.5 milijardi godina, vidljivi dio svemira promjera oko 90 milijardi svjetlosnih godina.

Tamna priroda svemira Prema današnjim opažanjima (Planck 2015): • Više od 99% materije nije svijetleća • Od toga manje od 4% obična (“barionska”) materija • Oko 26% nebarionska tamna materija • Oko 69% energija vakuuma (tamna energija)

0.69 0.26 0.04 0.01

TAMNA MATERIJA rotacijske krivulje galaksija

Klaster 1E0657-558, Tane (Bullet)

Clowe et al, astro-ph/0608407 http://chandra.harvard.edu

Sastav tamne materije - mogući kandidati barionska TM (u obliku astrofizičkih objekata)

MACHO • bijeli i smeđi patuljci • neutronske zvijezde • planeti

Crne rupe

nebarionska TM • Sterilni neutrino • Aksion • SUSY stabilne čestice gravitino, neutralino, aksino eksperimentalna potvrda? Velika očekivanja od akceleratora LHC u CERNu

Ubrzano širenje S obzirom da među svemirskim objektima gravitacijska sila djelujuje privlačno očekujemo da će se širenje postepeno usporavati.

Novija opažanja širenja svemira ukazuju da se svemir od prije otprilike 5 milijardi svjetlosnih godina širi ubrzano.

Repulzivna gravitacija?

Tamna energija – energija vakuuma Kozmološka konstanta   gustoća energije vakuuma Ubrzano širenje omogućuje negativni tlak energije vakuuma!

Novi pojam: Tamna Energija poopćenje vakuumske energije Bitno svojstvo tamne energije je negativni tlak koji, ako je dovoljno velik, omogućava ubrzano širenje svemira

Einsteinova najveća pogreška?

1917 Einstein uvodi kozmološku konstantu 1929 Hubble otkriva širenje svemira

1934 Einstein proglašava kozmološku konstantu svojom najvećom pogreškom 1998 Pearlmutter, Riess i Schmidt nalaze dokaze u prilog kozmološkoj konstanti

Porijeklo kozmološke konstante: K vragu!

Vakuum nije prazan!

Kvantne fluktuacije vakuuma

W+ We+

kvark eantikvark

čestica antičestica

Hvala

Institut Ruđer Bošković

Vibor Jelić

Zavod za eksperimentalnu fiziku Laboratorij za astročestičnu fiziku i astrofiziku

Kako istražujemo svemir ?!

Vibor Jelić

Vibor Jelić

M51 Vibor Jelić

Vibor Jelić

Opća teorija rela-vnos- A. Einstein (1915. godine)

• svjetlost putuje po najkraćoj putanji između dvije točke u prostorvremenu • uz prisustvo gravitacije, svjetlost putuje po zakrivljenoj putanji u prostorvremenu izvor slika: ESA

Opća teorija rela-vnos- Gravitacijske leće

izvor slika: NASA

Opća teorija rela-vnos- Gravitacijske leće - Einsteinov prsten

izvor slika: Wikipedia, ESA-Hubble & NASA

Centaurus A (NGC 5128) Vibor Jelić

Vibor Jelić

supermassive black hole (4 x 106 M⊙) in the centre of the Milky Way

Vibor Jelić

Supernove i ekspanzija svemira

2011 Saul PerlmuWer Brian P. Schmidt Adam G. Riess

CMB - rudnik znanja za kozmologiju Big Bang CMB (13.7 Byr) z=1100

3000 K

A. Penzias & R. Wilson (1978) J. Mather & G. Smooth (2006) CMB

2.73 K TODAY

CMB - rudnik znanja za kozmologiju

CMB - rudnik znanja za kozmologiju

CMB - rudnik znanja za kozmologiju