Részecskefizika 2: kozmológia

Átírás

1 Horváth Dezső: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, p. 1/41 Részecskefizika 2: kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, Horváth Dezső MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont, Budapest és MTA Atommagkutató Intézet, Debrecen

2 Horváth Dezső: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, p. 2/41 Vázlat Táguló világegyetem. Ősrobbanás, felfúvódás. Kozmikus háttérsugárzás. Hubble-teleszkóp és korai galaxisok. Az elemek keletkezése. Evolúció, ősrobbanás és vallás. A standard modell problémái.

3 Horváth Dezső: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, p. 3/41 Mi a kozmológia? A Világegyetem egészével foglalkozik. Hogyan jött létre? Statikus vagy táguló? Lapos, nyitott vagy zárt? Anyaga, összetétele? Múltja, jövője?

4 Horváth Dezső: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, p. 4/41 Miért van éjjel sötét? Olbers paradoxonja, 1823 (Előtte Kepler, 1610; Halley, 1721 és Cheseaux, 1744) Végtelen kiterjedésű és örökké létező Világegyetem végtelen sok csillaggal egyenletesen fényes égbolt éjjel-nappal, mert minden pontban csillagra nézünk (fényesség 1/r 2, sűrűség r 2, por melegszik) Sötét éjszaka véges méretű és/vagy korú Világegyetem. A Világegyetem véges!

5 Horváth Dezső: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, p. 5/41 Távolodó galaxisok Doppler-hatás: z = (λ v λ 0 )/λ 0 λ v : hullámhossz v sebességnél Közeledő motor hangja magasabb, távolodóé mélyebb William Huggins, 1868: csillagok szinképében z > 0: vöröseltolódás Tőlünk távolodó objektum fényhullámhossza nő vörösebb Henrietta S. Leavitt, 1920: Változócsillagok (cefeidák) periódusa abszolút fényessége észlelt fényesség távolság!

6 Horváth Dezső: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, p. 6/41 A Hubble-állandó Edwin Hubble, 1929: Galaxisok távolodnak tőlünk v = Hr sebességgel H = 70 km/s/mpc (1 Mpc m fényév) 1 pc (parsec): távolság, ahonnan a Nap-Föld távolság 1 szögmp alatt látszik) A Világegyetem kora: t 0 = r/v = H év

7 Horváth Dezső: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, p. 7/41 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 A. Friedmann Alexander Friedmann, 1922 és Georges Lemaître, 1927 matematikailag Einstein elméletéből A világegyetem tágulása a téré, táguló koordináták tömegek között vonzás, lokális inhomogenitás Senki nem hitte el, legkevésbé Einstein G. Lemaître

8 Horváth Dezső: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, p. 8/41 Sötét anyag Spirálgalaxisok forgási sebessége kifelé nem csökken, pedig Kepler II: v = GM(r) r Sokkal több gravitáló anyag, mint látható és nem kis térfogatban Micsoda? WIMP... Látható tömegsűrűség luminozitás: ρ lum (r) I(r) De ρ M (r) ρ lum (r)!

9 Az Ősatom hipotézise Monsignor Georges Henri Joseph Edouard Lemaître ( ) 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: Horváth Dezső: Kozmológia Big Bang (Nagy Debreceni Bumm) Egyetem, BSc, hipotézise p. 9/41

10 Horváth Dezső: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, p. 10/41 Lemaître és Einstein Einstein 1927-ben, Lemaître levezetésére, hogy az általános relatívitáselmélet táguló terű Világegyetemet ad: Az Ön matematikája precíz, de a fizikája förtelmes Einstein, 1933-ban, miután Lemaître előadta Ősatom-elméletét (habár nem hitte el): Ez a legszebb és legkielégítőbb teremtés-magyarázat, amelyet valaha hallottam! Lemaitre és Einstein, 1933 Fokozatosan gyűlő elméleti és kísérleti tapasztalat 30 évig Végső bizonyíték: Kozmikus háttérsugárzás, 1964

11 Horváth Dezső: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, p. 11/41 Kozmikus háttérsugárzás Arno Penzias és Robert Wilson, 1964 (Nobel-díj, 1978) Kiszűrhetetlen mikrohullámú zaj Modell: T=3 K kozmikus sugárzás (CMB) COsmic Background Explorer, T = 2,728 K, pontos hőmérsékleti görbén eredetileg 3000 K-es fotonok lehülése (1000-szeres!) táguláskor Helyi irány-anizotrópia: magok galaxisok kialakulásához (Felfúvódás előtti sűrűségfluktuációk?) Megerősítés, sokkal pontosabban: WMAP: Wilkinson Microwave Anisotropy Probe John C. Mather és George F. Smoot (COBE): Nobel-díj, 2006 A COBE űrszonda

12 Horváth Dezső: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, p. 12/41 Ősrobbanás (Big Bang) Látható anyag: 75% hidrogén, 25% hélium, < 1% más Hidrogénből hélium csak csillagokban, nem lenne ennyi forró korai Univerzum kiadja Kozmikus háttérsugárzás eredete: Big Bang után 30 perc: plazma, T = K. Sugárzás dominál, fotonok halmaza átlátszatlan közegben év: lehülés 3000 K-re, semleges atomok, fotonoknak átlátszó Mostanra: tágulás, fotonok lehűltek Galaxisok eredete: Kvantumfluktuációk gyors táguláskor térbeli anizotrópia sötét anyag gravitációs gödreiben barionos anyag sűrűsödése csillagok, galaxisok kialakulása

13 Ősrobbanás, felfúvódás, sugárzás Horváth Dezső: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, p. 13/41

14 Horváth Dezső: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, p. 14/41 Hubble-teleszkóp: a Világegyetem mélye 250 nap megfigyelés egy sötét ponton > tízmilliárd évnél régebbi galaxis

15 Horváth Dezső: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, p. 15/41 Hubble-teleszkóp: eredmények A galaxisok kialakulása már az Ősrobbanás után millió évvel megkezdődött Korai galaxisok kisebbek és kevésbé szimmetrikusak gyorsabb formálódás A galaxisok centrumában általában fekete lyuk van A legtávolabbi felvételeken nyomon követhető csillagok képződése Az ultramély felvétel kis része kinagyítva évvel fiatalabb galaxisok

16 Horváth Dezső: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, p. 16/41 Sötét energia?? Távoli szupernovák vizsgálatából: gyorsulva táguló Világegyetem! Valami kifelé szívja? Saul Perlmutter Brian Schmidt Adam Riess Felfedezés: 1998, Nobel-díj: 2011

17 Horváth Dezső: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, p. 17/41 Sötét energia Vákuum gravitáló energiája, összes tömeg 70%-a! Ősrobbanás után nagy, korai univerzumban sokkal kisebb, térrel nő Ma dominál és nem tudjuk, igazából micsoda Nem vákuum-energia: szor kisebb (Elmélet és kísérlet eltérésére világrekord :-) Nem is energia, egyszerű állandó egy egyenletben! Kozmológiai állandó: Λ > 0 Einstein legnagyobb tévedése, eredetileg beírta az egyenletébe, hogy stabilizálja a Világegyetemet, aztán a tágulás hatására kihúzta. Mégis létezik, és gyorsítva tágít. Rengeteg modell, spekuláció, mi lehet mögötte: inflaton, kvintesszencia...

18 Horváth Dezső: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, p. 18/41 Mitől jöttek létre a galaxisok? Sötét anyag gravitációs gödrei! Bizonyíték: kozmikus háttérsugárzás anizotrópiája: bizonyos irányokból sokkal erősebb Ott már a csillagok kialakulása előtt sokkal sűrűbb volt az anyag

19 Horváth Dezső: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, p. 19/41 A háttérsugárzás anizotrópiája Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, COBE WMAP Planck

20 Horváth Dezső: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, p. 20/41 A Planck-űrszonda, ESA, (a kozmikus háttérsugárzás vizsgálatára) A Planck-űrszonda: 4,2 m; 2,4 t; 1,5 millió km Csillagképződés az Orion-ködben A látható fényt vizsgáló Herschel-űrteleszkóppal együtt lőtték fel

21 Horváth Dezső: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, p. 21/41 Anyagegyensúly ma WMAP, 2010; PLANCK, 2013 Ω R + Ω M Ω k + Ω Λ = 1 Sugárzás + anyag - görbület + kozm-para = 1 Univerzum lapos, ha Ω 0 = Ω R + Ω M + Ω Λ = 1 Jelenleg: lapos, (Ω k 0), anyag-dominálta (Ω M >> Ω R ) Világegyetem Sugárzás kicsi, Ω R 0 Ω M = Ω B + Ω CDM Barionos anyag (csillag, fekete lyuk, por, gáz): Ω B 4.9% Csomósodó, nem-barionos, hideg sötét anyag: Cold Dark Matter: Ω CDM 26.8% Gyorsuló tágulás: sötét energia Ω Λ 68.3% A Világegyetem kora: ± milliárd év

22 A történet eddig Horváth Dezső: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, p. 22/41

23 Horváth Dezső: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, p. 23/41 Evolúció és vallás Ősrobbanás értelmezéséhez az evolúció a fő kérdés A legtöbb vallás elfogadja XII. Pius már az ötvenes években beletörődött egy részleges evolúcióba. A Vatikán ma teljes mértékben elfogadja. XII. Pius pápa

24 Horváth Dezső: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, p. 24/41 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 különböző területein tett felfedezések hatására, fokozatosan elfogadták ezt az elméletet. A függetlenül végzett munka eredményeinek sem nem keresett, sem nem fabrikált konvergenciája önmagában is jelentős bizonyítéka az elméletnek.

25 Horváth Dezső: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, p. 25/41 Evolúció és a Vatikán február: G. Ravasi bíboros, a Pontifical Academy of Sciences elnöke, abból az alkalomból, hogy a Vatikán konferenciát szervezett Charles Darwin: A fajok eredete megjelenésének 150. évfordulójára: Habár a Vatikán korábban ellenséges volt a darwinizmussal szemben, soha nem vetette azt hivatalosan el és a könyvet sem ítélte el. Az evolúció ötlete már Szent Ágoston és Aquinói Szent Tamás müveiben is fellelhető.

26 Horváth Dezső: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, p. 26/41 Szent Ágoston, Hippo püspöke, Szent Ágoston vallomásai, 397 (Dr. Vass József fordítása) 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, (Philippe de Champaigne, XVII. sz.) Világképe igen közeli a modern kozmológiához

27 Horváth Dezső: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, p. 27/41 Szent Ágoston vallomásai, XI. könyv A teremtés V. fejezet: Isten a világot semmiből teremtette VI. fejezet: A teremtő ige nem lehetett valami időben elhangzó parancs. Akárminek képzelem ugyanis azt a teremtést megelőző valamit, ami hordozója lett volna parancsodnak, biztosan nem volt, hacsak azt is meg nem teremted vala. X. fejezet: Működött-e Isten a világ teremtése előtt? Ez vissza-visszatérő kérdése. A válasz: XI. fejezet: Isten örökkévalóságához nincs köze időnek. XII. fejezet: A teremtés előtt Isten kifelé, vagyis teremtő módon semmit nem cselekedett. XIII. fejezet: A teremtés előtt nem volt idő, mert ez maga a teremtmény.

28 Horváth Dezső: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, p. 28/41 Szent Ágoston: teremtés és idő XXX. fejezet:... mit művelt Isten a világ teremtése előtt? - Vagy: hogyan jutott eszébe teremteni valamit, mikor azelőtt soha semmit sem teremtett?... nem lehet ott sohasem-ről beszélni, ahol egyáltalán nincsen idő.... teremtmény híján idő sincs Az idő is a Teremtéskor jött létre. VII. fejezet: Semmiből lett az ősanyag, az ősanyagból az egész világ. IX. fejezet: Sem a mennyország, sem az ősanyag megteremtése nem időben történt.

29 Horváth Dezső: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, p. 29/41 Ősrobbanás és teremtés: XII. Pius pápa XII. Pius 1951-ben (jóval az előtt, hogy a fizika elfogadta volna!) üdvözölte az Ősrobbanást, mint a Világ teremtését. Isten létezésének bizonyítékai a modern természettudomány fényében XII. Pius pápa beszéde a Vatikáni Tudományos Akadémia 1951 november 22-i ülésén Így tehát a Teremtés megtörtént. Tehát van Teremtő. Tehát Isten létezik! Habár nem nyíltan kimondott és nem teljes, ez az a válasz, amelyet a tudománytól vártunk, és amelyet az emberiség jelenleg vár tőle.

30 Horváth Dezső: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, p. 30/41 Edwin Hubble és XII. Pius pápa, 1951 Edwin Hubble levelet kapott egy barátjától, aki megkérdezte, a pápa bejelentése kvalifikálja-e szentté avatásra: Amíg a reggeli újságban nem olvastam róla, nem gondoltam volna, hogy a pápának rád van szüksége Isten létének bizonyításához. Edwin Hubble Georges Lemaître meggyőzte a Vatikán tudósait, hogy nem szabad túlságosan építeni erre a nem bizonyított elméletre, és a pápa többet nem hivatkozott rá.

31 Horváth Dezső: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, p. 31/41 Ősrobbanás és II. János Pál II. János Pál, Pontifical Academy of Sciences, 1996:... úgy tűnik, hogy a modern tudománynak... sikerült megtalálnia az elsődleges fiat lux [legyen világosság] pillanatát, amikor a semmiből az anyag mellett fény és sugárzás tengere tört elő, az elemek meghasadtak és kavarogtak és galaxisok millióivá váltak.... Így tehát a fizikai bizonyításra jellemző konkrétsággal [a tudomány] megerősítette a Világegyetem esetlegességét és annak a kornak a megalapozott levezetését, amikor a Világ előjött a Teremtő kezéből. Így megtörtént a teremtés. Kijelentjük: tehát létezik Teremtő. Tehát Isten létezik!

32 Horváth Dezső: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, p. 32/41 II. János Pál és Stephen Hawking Stephen W. Hawking, miután beszélt II. János Pállal, aki azt tanácsolta, ne feszegessék az Ősrobbanás pillanatát, mert az Isteni beavatkozás volt: Örültem, hogy nem ismerte a konferencián éppen elhangzott előadásom témáját a lehetőségét annak, hogy a tér-idő ugyan véges, de nincs határa, kezdete sem, tehát a Teremtésnek sincs időpontja. Szerintem a kettő nincs ellentmondásban...

33 Horváth Dezső: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, p. 33/41 Teológia és fizika Vallások nagyrészt elfogadják az Ősrobbanást Teremtésnek Ez ki is következtethető a táguló Világegyetemből: valamikor mindennek egészen közel kellett lennie egymáshoz. A modern fizika tér- és időfogalma is logikailag levezethető Spinoza, Kant, Hegel, Engels: értékes tudományos következtetések A fizika kísérleti tudomány, másképpen kérdez és kutat, mint a filozófia vagy a teológia. Kérdése: hogyan működik a Világunk Módszere: Elmélet, számítások, kísérleti ellenőrzés megfigyeléssel Lemaître számítása pontos volt, mégsem fogadták el (ő maga sem), amig megfigyelések nem erősítették meg.

34 Horváth Dezső: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, p. 34/41 Fizika és teológia Ősrobbanás: modell, amelyet eddig minden megfigyelés alátámaszt De a megfigyelések csak az első 0,01 mp-től érvényesek, azelőttre csak elméleti becslések és spekulációk. CERN Nagy hadron-ütköztetője: Ősrobbanás utáni milliomod mp megközelítése anyagállapotban. Talán a sötét anyagot is megtaláljuk.

35 Horváth Dezső: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, p. 35/41 Az elemek keletkezése Ősrobbanás után 3 perc: T < 10 9 K egy nagy csillag, H He fúzió (75% H % He) Sokkal később csillagok, belül forró fúzió, nehezebb elemek (szén felett). Szupernova robbanása nehéz atomok szészóródnak. Li, Be, B: csillagban szétesik, csillagközi térben keletkezik. Nehéz elemek mennyisége lassan növekszik.

36 Horváth Dezső: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, p. 36/41 Ősrobbanás (Big Bang) időrendje Esemény idő hőmérséklet ρ 1/4 Planck-idő (infláció?) s GeV Nagy egyesítés s GeV Elektrogyenge? (bariogenezis) 10 6 s K 100 GeV Kvark hadron 10 4 s K 100 MeV Nukleonok s K 0,1 1 MeV Lecsatolódás év 3000 K 0,1 ev Szerkezet kialakulása > 10 5 év Mai helyzet 13,75 G év 2,7 K ev Jelenlegi kép: gyorsulva táguló Univerzum

37 Horváth Dezső: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, p. 37/41 LHC = időgép?? Kezdet: ősrobbanás 13,7 milliárd éve Hogyan mehetünk vissza időben, az Ősrobbanás közelébe? Távcső: 4 milliárd év a Nagy Bumm után (Európai Déli Obszervatórium, Chile, Very Large Telescope) Mikrohullámú kozmikus háttérsugárzás: Párszázezer év (amikor az Univerzum átlátszó lett). Nagyenergiájú részecskeütközés: Milliomod másodperc (mielőtt az atomok kialakultak volna) Ükanyánkkal nem találkozunk...

38 Horváth Dezső: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, p. 38/41 A Standard modell problémái 1 3 független (??) összetevő: U(1) Y SU(2) L SU(3) C Gravitáció? S = 2 graviton? Aszimmetriák: Mesterséges tömegkeltés: jobb bal világ antivilág Rengeteg alapvető részecske: = 13 bozon 3 2 ( ) = 48 fermion Higgs-tér kívülről Töltéskvantálás: Q e = Q p, Q d = Q e /3 Miért éppen 3 fermioncsalád? Eredetileg: Minek a müon?? Nukleon spinje: hogyan áll össze 1/2-dé?

39 Horváth Dezső: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, p. 39/41 A Standard modell problémái 2 19 szabad paraméter: 3 csatolás: α, Θ W, Λ QCD 2 Higgs: M H, λ 9 fermion-tömeg: 3 M l, 6 M q CKM-mátrix 4 paramétere: Θ 1, Θ 2, Θ 3, δ QCD-vákuum: Θ M ν > 0 +7 paraméter Sötét anyag és energia?? Univerzum tömegének 4,9 %-a közönséges anyag (csillag, gáz, por, ν) 26,8 %-a láthatatlan sötét anyag 68,3 %-a rejtélyes sötét energia Megoldás: több bizonyítatlan elmélet

40 Horváth Dezső: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, p. 40/41 Részecskefizikai módszerek haszna Világháló: CERN, 1989 nagyvilág: 1994 Müonspin-rezonancia módszere (kémia, szilárdtestfizika) Pozitronemissziós tomográfia az orvosi diagnosztikában Gyorsítók fele (cca. 7000!) gyógyászatban: hadronterápia Grid-hálózatok a számítástechnikában

41 Horváth Dezső: Kozmológia Debreceni Egyetem, BSc, p. 41/41 Konklúzió helyett "Van egy elmélet, miszerint, ha egyszer kiderülne, hogy mi is valójában az Univerzum, és mit keres itt egyáltalán, akkor azon nyomban megszűnne létezni, és valami más, még bizarrabb, még megmagyarázhatatlanabb dolog foglalná el a helyét" "Van egy másik elmélet, amely szerint ez már be is következett" Douglas Adams: Vendéglő a világ végén (Nagy Sándor fordítása)