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*;
,* € 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 (E0 ) 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