Γ Ι Γούναρης Α Π Θ - users.auth.grusers.auth.gr/~gounaris/omilies/Larisa_EEF06.pdf ·...

Γ.Ι. Γούναρης ΕΕΦ-Λάρισα 2006 1

ΗΦυσική του µικροκόσµου και του Σύµπαντος

Γ.Ι. Γούναρης, Α.Π.Θ.

Οι φυσικές ιδιότητες του όλου Σύµπαντος, φαίνεται να καθορίζονται από το πρώτο του στάδιο, όταν όλα του τα σηµεία, ήταν κολληµένα το ένα πάνω στο άλλο... και η ενέργεια είχε ασύλληπτη πυκνότητα… Οι νόµοι των στοιχειωδών σωµατιδίων και του όλου Σύµπαντος, εµπλέκονται σ’ ένα σύνολο...

Περίληψη


1. Οι ρίζες της επιστήµης. Η Φυσική στις αρχές του 20 αιώνα.

2. Ο µικρόκοσµος: Η δοµή και οι συµµετρίες των στοιχειωδών σωµατιδίων και των µεταξύ των δυνάµεων τύπου Maxwell. Ελπίδες για το όνειρο της ενοποίησης... Η πίστη στις συµµετρίες ... Η συνεχής επανεµφάνιση του 3 ... Οι µεγάλοι επιταχυντές…

3. Τα σωµατίδια αποκτούν µάζα: µηχανισµός Higgs.

4. Νετρίνο και οι ταλαντώσεις τους… µια καινούργια αστρονοµία...

5. Βαρύτης: η πιο άγνωστη δύναµη... Συγκρατεί τους γαλαξίες καιδρα και σαν φακός… Μαζί µε τις δυνάµεις Maxwell, καθορίζει τον µακρόκοσµο: τ’ άστρα, τις µελανές οπές, τον χωροχρόνο, …

6. Η Σκοτεινή Ύλη και η ανίχνευσή της. Η Σκοτεινή Ενέργεια. Η Υπερσυµµετρία.

7. Το όνειρο της ενοποίησης... Η ανθρωπική αρχή...

Οι ρίζες: Αρχιµήδης 297-212 π.Χ. 2y a x=

Β

Γ

Α

Ο

( ) 4( ) 3

EEπαρ

τριγ

ΟΑΒ Ο=

ΟΑΒΟ

Γ


Πρώιµος απειροστικός λογισµός !Εµβαδό αριστερά της παραβολής.Το εµβαδό του κύκλου αποτελεί ένα άλλο παράδειγµα που συνδέεται µε τον υπολογισµό του πº3.14...

Τα επόµενα βήµατα αρχίζουν µόλις τον ~16ο αιώνα:Valerio, Kepler, Fermat, Νεύτων, Leibniz…

Ερατοσθένης, 276-194 π.Χ. Μια ιδιοφυής µέτρηση ...

Στις 21 Ιουνίου το µεσηµέρι στην Syene ο ήλιος είναι στο ζενίθ.

σφάλµα <10 %

Περίµετρος Γης D

κατεύθυνσις ζενίθ στην Αλε

ξάνδρεια

Στην Αλεξάνδρεια τότε υπό γωνία θ.

D º5000 στάδιαΠερ. Γης º250000 στάδια º40000 km

7 ,oθ ≈


Μετά 21 αιώνες...

Αρχές του 20ου αιώνα: Είχαν κατανοηθεί οι περιοδικές τροχιές των ουρανίων σωµάτων… και είχαν υπερεκτιµηθεί οι δυνατότητες της Κλασσικής Φυσικής (ΚλΦ)… Επικρατούσε ένα πνεύµα ευφορίας...

Ο Ήλιος ήταν κοντά στο κέντρο του Γαλαξία µας. Θα έπρεπε να καίει κάτι σαν κάρβουνο...Η ύπαρξη άλλων γαλαξιών ήταν άγνωστη.

Ήταν µετά τα µέσα του 20ου αιώνα, όταν διαπιστώθηκε ότι στα πλαίσια της ΚλΦ δεν θα υπήρχαν άτοµα, ούτε χηµεία, ούτε ζωή, ούτε αστέρια....

‘Ότι οι δοµές των σωµάτων, δεν κατανοούνται χωρίς την Αρχή της Απροσδιοριστίας και την Κβαντική Μηχανική.

Και το Σύµπαν που το νοµίζαµε αιώνιο, βρέθηκε να αυτοδιαλύεται επιταχυνόµενα....


Εκατοµµύριαατόµων σ’ ένα DNA µόριο

Από τα µεγάλα στα µικρά...1m

910 m−



Τα συστατικά της ύλης

Άτοµο και ο πυρήνας του He

Υπάρχει κάποιο ελάχιστο όριο σ’ αυτή την πορεία προς τα µικρότερα; Στην ύλη; Στον χωροχρόνο; Ο ∆ηµόκριτος θα έλεγε: Ναι

Ανδεν θα υπήρχαν άτοµα

p n em m m> +


Βαρύτης: κβάντουµ Βαρυτόνιο σπιν=2, m=0

Higgs: κβάντα Higgs σπιν=0 , m >114 GeV

Τα στοιχεία της ύλης: U(1)xSU(2) xSU(3)

Οι δυνάµεις: µποζόνια µε σπιν=1, 2, 0

EW δυνάµεις Ø µεταστοιχειώσεις

και υλοποίηση της ενέργειας

Αδρόνια: δέσµιες καταστάσεις από κουάρκ

Τα τρία κουάρκ πρέπει να έχουν διαφορετικό χρώµα, για να γίνει το πρωτόνιο «λευκό» ...

Παρόµοια και για το νετρόνιο και τα άλλα βαρυόνια...

Τα p και n µέσα στους πυρήνες, διατηρούν την ακεραιότητά τους και δεν συνθλίβονται σ’ ένα σύνολο από κουάρκ! Γιατί;



Η ισχύς των τριών δυνάµεων Maxwell: (1) (2) (3)U SU SU⊗ ⊗

Υπερσυµµετρία: Ίσως κάποτε οι 3 να αποτελούσαν µία δύναµη ... αν η υπερσυµµετρία υπάρχει πραγµατικά. Το όνειρο της ενοποίησης... Η βαρύτης είναι εντελώς διαφορετική από τις άλλες δυνάµεις.

Τα στοιχειώδη σωµάτια και οι µεταξύ τους δυνάµεις µελετώνται κυρίως µε τους επιταχυντές... Η βαρύτης, µέχρι σήµερα, έµεινε εκτός της φυσικής των στοιχειωδών σωµατιδίων ...


LHC

Μηχανισµός Higgs: Η µάζα που χαρακτηρίζει το κάθε σωµάτιο εξαρτάται και από το περιβάλλον του.

Το περιβάλλον µπορεί να περιέχει σωµάτια (πραγµατικά ή δυνάµει), ή απλώς πεδία, που συγκεντρώνονται γύρω από οποιοδήποτε δεδοµένο σωµάτιο, µεταβάλλοντας τις ιδιότητες κινήσεως του. Το περιβάλλον µπορεί π.χ. να αυξήσει την αντίσταση στη κίνησή κάποιου σωµατιδίου, και να του δώσει έτσι µάζα. Έτσι, µέσα σε ένα υλικό µε δείκτη διαθλάσεως n, το φωτόνιο θα µπορούσε να πάρει µάζα

Ή µη µηδενική τιµή ενός πεδίου, που παίζει τον ρόλο του περιβάλλοντος, µπορεί να προκληθεί από ένα κατάλληλο δυναµικό Ø πεδίο Higgs

1m nγ −∼



Higgs

0 2500

kT eVm

Gκενφ ≠ →≠

( )222 4( )V κεν κενφ φ φ φ⎡ − ⎥− ⎤⎢⎣ ⎦

∼

0 2500

kT eVm

Gκενφ →=

=

Το µη-µηδενικό πεδίο Higgsστο «κενό», είναι το περιβάλλον που δηµιουργεί τις µάζες των σωµατιδίων.Τα γ, g, G, ... παραµένουν όµως χωρίς µάζα. ∆εν ήταν έτσι στη Αρχή ...

Imf=0Imf=0


Higgs

0 2500

kT eVm

Gκενφ ≠ →≠

( )222 4( )V κεν κενφ φ φ φ⎡ − ⎥− ⎤⎢⎣ ⎦

∼

0 2500

kT eVm

Gκενφ →=

=

Το µη-µηδενικό πεδίο Higgsστο «κενό», είναι το περιβάλλον που δηµιουργεί τις µάζες των σωµατιδίων.Τα γ, g, G, ... παραµένουν όµως χωρίς µάζα. ∆εν ήταν έτσι στη Αρχή ...

Imf=0Imf=0

Στην αρχή της ∆ηµιουργίας, οι ιδιότητες του χώρου ήταν τέτοιες, ώστε όλα τα κουάρκ και τα λεπτόνια και τα W και Z είχαν µηδενική µάζα...

Στο SM αναµένουµε130 250GeVHm< <

, ,e

eµ τν ν ν

µ τ− − −

⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠

Οι 3 νετρίνο καθορισµένης χροιάς

Νετρίνο: Σχετικιστικά, κβαντικά και ουδέτερα. Οι συνήθεις αστέρες είναι σχεδόν διαφανείς στο πέρασµά τους. Η µεγάλη τους εµβέλεια και η µη-εκτροπή τους κατά την διαδροµή,παρέχουν πληροφορίες για την Γη, τον Ήλιο, τους γαλαξίες, το Σύµπαν ολόκληρο…


Τα 3 νετρίνο καθορισµένης µάζης

2 2 2 2 2 212 2 1 13 3 1 23 3 2 13 120 , ,m m m m m m∆ ≡ − > ∆ ≡ − ∆ ≡ − = ∆ −∆

012

023

013

32.6 ,

45 ,

14

θ

θ

θ <


Οι ταλαντώσεις των νετρίνο

)e(

(, p) x j

j j

i p x Etx tν ν

− −⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠

∼

• Οι εντάσεις των πεδίων νετρίνο καθορισµένης µάζαςπαραµένουν ανεξάρτητες των (x,t): ∆εν ταλαντώνονται.

• Τα νετρίνο καθορισµένης χροιάς είναι «µίγµατα» νετρίνο καθορισµένης µάζης.

• Η ένταση ενός πεδίου νετρίνο που γεννήθηκε µε καθορισµένη χροιά και ταξιδεύει, ταλαντώνεται ανάµεσα στις 3 δυνατές χροιές του.

• Τα νετρίνο παράγονται και ανιχνεύονται κατά την χροιά τους, αλλά ταξιδεύουν κατά τη µάζα τους.


Πείραµα SK

23

12

13 23

12

2 560km

2 1500

1

0km

E G

L

eVEL

EL

ν

ν

ν

π

π

→

∆

∆

≈ = ≈

= ≈

∼

Οι ταλαντώσεις ανάµεσα στις 3 χροιές των νετρίνο, καθορίζονται από τρία µήκη. Για ατµοσφαιρικά νετρίνο

º15χµ

Μετρώντας τα µήκη κύµατος, µετράµε τις διαφορές µαζών των νετρίνο.



Αστρονοµία νετρίνο: AMANDA και IceCube

19 σειρές φωτοανιχνευτών στο ν-τηλεσκόπιο AMANDA στον Ανταρκτικό, 1500m κάτω από την επιφάνεια του πάγου. Καλύπτουν έκταση 50000 m2

Οι µετρήσεις διευκολύνονται όταν τα νετρίνο έρχονται µέσα από την Γη...

AMANDA 2000-2002

8 2 -110 cm s− −×

Βόρειο ηµισφαίριο, ∆εκ. 2004

10GeVEν >

∆εν έχουν παρατηρηθεί συνεχείς ροές νετρίνο.


Βαρύτης: Καθορίζει τις τροχιές των πλανητών... Μαζί µε την ατοµική δοµή, καθορίζουν και το µέγεθος των αστέρων… Ενώ οι ηλεκτροασθενείς δυνάµεις την λάµψη τους...

257

3/ 2

10N N

cG m

N⎛ ⎞

≈ 2⋅⎜ ⎟⎝ ⎠∼

Η λάµψη αστέρων µεγέθους σαν τον Ήλιο εξασφαλίζεται µέσω

4

4

4 2 2

4 2 2e

e

e

e

p He

p He

γν

ν γ

+

−

→ + + +

+ → + +

Η Θερµότης και το φως στο Σύµπαν παράγονται από πυρηνική σύντηξη !



Η βαρύτης δρα και ως µεγεθυντικός φακός,επιτρέποντας την παρατήρηση πολύ αποµακρυσµένων γαλαξιών

Η σχετικιστική βαρύτης ανήκει σχεδόν αποκλειστικά στην Αστρονοµία...


Είδωλα βαρυτικής οπτικής

Το βαρυτικό πεδίο ενός γαλαξία στο κέντρο σχηµατίζει τα 4 είδωλα ενός µακρινού quasar που βρίσκεται πίσω του

Ένα αστέρι πίσω από τον Ήλιο

Μια εντυπωσιακή επιτυχία της ΓΣ


Μελανές οπές: τυλιγµένες µέσα στους ορίζοντές τους αποτελούν αναπόφευκτο επακόλουθο της Γενικής Σχετικότητος.Οι µελανές οπές στο Σύµπαν... υπεύθυνες για πολλά βαρυτικά είδωλα

Ορίζοντας της µελανής οπής

κώνος φωτός

x

y

ct

2 2 2 2

22 2 0

ds c dt dr

drdt cdt

= −

⎡ ⎤⎛ ⎞= − ≥⎢ ⎥⎜ ⎟⎝ ⎠⎢ ⎥⎣ ⎦

2

2 Ng

mGrc

=

Κλασσικές µελανές οπές: καταβροχθίζουν οτιδήποτε πέφτει επάνω στην επιφάνειά τους. ∆εν έχουν σύσταση. Έχουν όµως µάζα, ηλεκτρικό φορτίο, στροφορµή, θερµοκρασία T, εντροπία S… Το ισχυρό πεδίο βαρύτητος γύρω από την µελανή οπή µπορεί να προκαλέσει κρίσιµες πυκνότητες αερίων, από τις οποίες να ξεκινήσουν καινούργιοι αστέρεςΟι κβαντικοί νόµοι τις επιτρέπουν να ακτινοβολούν αχνά … Αν είναι πολύ µικρές, ενδεχοµένως και να εξατµίζονται… και να αποδίδουν την πληροφορία που κατεβρόχθισαν.


3

6

32

2

10

1 1, ,4

,

N

g

N

gN g

c m MG

AcS A r TG r

r

G m

λ

τ

< <

=

∼

∼

∼

∼ ∼

∼

χρόνος ηµιζωής


Μια σύντοµη ιστορία του Χρόνου

Η Βαρύτης ξεχωρίζει από τις άλλες δυνάµεις και γίνεται κλασσική. Ο χώρος γίνεται τριδιάστατος

Μεγάλη ενοποίηση των 3 δυν.

,q q L L− −Κοσµικός πληθωρισµός10-34-10-32 sec

Τα q δεσµεύονται και p,n σχηµατίζονται

τα αντι-q εξαφανίζονται

Οι πρώτοι πυρήνες

Γέννηση της µάζης

τα e+ εξαφανίζονται


∆εύτερο µέρος

Η διαστολή επιταχύνεται

Σήµερα

Υπερκαινοφανείς

Μια σύντοµη ιστορία του Χρόνου

Οι πρώτοι πυρήνες

Το Σύµπαν γίνεται διαφανές και ... φωτογραφίζεται.

∆ηµιουργία αστέρων και Γαλαξιών

Πρώτοι αστέρες και γαλαξίες. Το Σύµπαν επανιονίζεταιι: zº15

Το νεογέννητο Σύµπαν... µέσα στο αρχαιότερο Φως! Μόλις 350000 ετών ! Το Σύµπαν περιέχει κυρίως Σκοτεινή Ύλη και Σκοτεινή Ενέργεια! Ελάχιστη γνωστή ύλη. ΣΕ= µια απωστική συνιστώσα της βαρύτητος, επιτρεποµένη από την Γενική Σχετικότητα.... (NASA 16 Μαρ. 2006)


Οι συχνότητες του φωτός αυτού έχουν κατανοµή µέλανος σώµατος. Η ένταση του καθορίζεται από την θερµοκρασία του ... Λευκές γραµµές παριστούν πόλωση. Η θερµοκρασία ελαττώνεται κατά την φορά: κόκκινο, κίτρινο, πράσινο, µπλε, µαύρο

Η σκοτεινή ύλη και ενέργεια

1eVj

jmν <∑

Γωνιακή εξάρτηση των διακυµάνσεων των θερµοκρασιακών. (Μαρ. 2006)


Κατανοµή της ενεργειακής πυκνότητος του Σύµπαντος

σήµερα

Αδρόνια και λεπτόνια º4% , Ψυχρή σκοτεινή ύλη º22% ,

Κενός χώρος º74%, Θερµή σκοτεινή ύλη º0%.

Το Σύµπαν επιταχύνει την διάλυσή του!

1 212

1 2

T TT T

θ−+

↔

Επανιονισµός: zº15

Υπερσυµµετρία Τι µπορεί να είναι η ψυχρή Σκοτεινή Ύλη (ΣΥ)... ;

•Υπερσυµµετρία: ∆εν έχει νόηµα να µιλούµε για κενό χώρο και χρόνο. Ο χώρος, ο χρόνος και η ύλη δηµιουργήθηκαν µαζί.Όλα µαζί αποτελούν συνιστώσες της αυτής οντότητας:

•Εξασφαλίζει την ενοποίηση των τριών δυνάµεων µεταξύ τους, και ίσως και µε τη βαρύτητα.

•Ίσχυσε τα πρώτα , όταν όλες οι δυνάµεις ήταν µία...

•Απαλύνει τις δυνάµεις στις µικρές αποστάσεις.

•Παρέχει υποψηφίους για την ψυχρή ΣΎ: νιουτραλίνο, αξιόνια, αξίνο, βαρυτόνια...

4310 sec−


Μια εικόνα των µαζών των προβλεποµένων από την Υπερσυµµετρία νέων σωµατιδίων.

Το θα µπορούσε να αποτελεί την κυρία συνιστώσα της ψυχρής Σκοτεινής Ύλης.

01χ

Για τέτοιες µάζες, το LHC αναµένεται να παράγει πάρα πολλά γλουίνο και σκουαρκς. Μέσα στον πρώτο χρόνο θα ξέρουµε... Τότε ίσως καταφέρουµε να µελετήσουµε την ΣΥ σε γήινα πειράµατα

0 0... ,

( , ) 1, 2,3,4i jpp

i j

χ χ→

=


Από αερόστατο µεγάλου ύψους

HEAT (High Energy Antimatter Telescope): Αγνώστου αιτιολογίας ακτινοβολία e+ από το κέντρο του Γαλαξία µας


01

0 01 1 ... ,

8

108GeVe

E GeeV

mχ

χ χ

+

+

≈

→∼

Ασφαλέστερο αν ξέραµε τα νιουτραλίνο από επίγεια πειράµατα, και τα χρησιµοποιούσαµε για την κατανόηση της καταστάσεως κοντά στο γαλακτικό κέντρο...

PulsarAGN

SNR

GRBRadio Galaxy

EGRET: Ψάχνοντας για ΣΥ σε ακτίνες γ από το ∆ιάστηµα

01

100 MeV < 30GeV

10GeV

50 < m 175GeV

E

Eγ

γ

χ

<

Σϒ ↔ >

<

Pulsar

GRB

AGN

SNR

Radio Galaxy

EGRET: Ψάχνοντας για ΣΥ σε ακτίνες γ από το ∆ιάστηµα

01

100 MeV < 30GeV

10GeV

50 < m 175GeV

E

Eγ

γ

χ

<

Σϒ ↔ >

<

Η πλεονάζουσα, αυξηµένης ενεργείας, ακτινοβολία γ από το κέντρο του Γαλαξία, ίσως προέρχεται από την ΣΥ.

Το όνειρο της ενοποίησης Το όνειρο της ενοποίησης

Ονειρευτήκαµε την ενοποίηση όλων των δυνάµεων...

Και θελήσαµε, επί τη βάσει Φυσικών αρχών, να µπορούσαµε να υπολογίζουµε όλες τις παραµέτρους: Όλες τις µάζες των στοιχειωδών σωµατιδίων και όλες τις εντάσεις των δυνάµεων.

Ονειρευτήκαµε πως ο σκοπός της επιστήµης ήταν να αποδείξει πως το Σύµπαν µας ήταν το µόνο δυνατόν.

Και βρήκαµε πληθώρα παραµέτρων για τις τιµές των οποίων δεν µπορούµε να εντοπίσουµε καθορίζουσα Φυσική Αρχή, όπως παραδοσιακά θα την εννοούσαµε...

Όµως ξερουµε σίγουρα πως αν οι παράµετρες αυτές (δυνάµεις, σωµατίδια, αριθµός και µορφή των γεωµετρικών διαστάσεων) δεν ήταν αυτές που είναι, το Σύµπαν µας θα πέθαινε από την πρώτη του στιγµή ... αλλά παρ’ ελπίδα επέζησε ήδη ~14 δισ έτη !


Η ανθρωπική αρχή: Το Σύµπαν έγινε για να βαστάξει ζωήΗ ανθρωπική αρχή: Το Σύµπαν έγινε για να βαστάξει ζωή

Αν το ħ=0, ή οι µάζες , δεν θα υπήρχαν άτοµα...

Η ενέργεια του κενού δρα σαν «απωστική βαρύτητα» και επιταχύνει την διαστολή του Σύµπαντος. Βρίσκεται ακριβώς στα όρια. Αν ήταν µεγαλύτερη, δεν θα υπήρχαν αστέρια...

Και αν οι εντάσεις των τεσσάρων δυνάµεων ξέφευγαν από τις τιµές τους, το Σύµπαν θα νεκρωνόταν ... Το Σύµπαν υπάρχει, γιατί Κάποιος καθόρισε και διατηρεί µε φανταστική ακρίβεια τις τιµές των παραµέτρων του...

p n em m m> +

Αλλά και η ανεξήγητη επανάληψη του 3, στις γεωµετρικές διαστάσεις, στις φυσικές διαστάσεις, στις οικογένειες των στοιχειωδών σωµατιδίων, στη µαθηµατική δοµή των τριών δυνάµεων τύπου Maxwell, κάτι φαίνεται να θέλει να µας πει... Όλα αυτά είναι ενδείξεις ότι κάτι µας λείπε... ∆εν είναι βέβαια επιστήµη, όπως συνήθως την ορίζουµε... Ίσως είναι κάτι πολύ ανώτερο από την επιστήµη ...


Γ Ι Γούναρης Α Π Θ - users.auth.grusers.auth.gr/~gounaris/omilies/Larisa_EEF06.pdf ·...

Documents

Transcript of Γ Ι Γούναρης Α Π Θ - users.auth.grusers.auth.gr/~gounaris/omilies/Larisa_EEF06.pdf ·...