Ένα πείραμα θα δημιουργήσει ένα νέο σύμπαν;

Transcript

1 ΤΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΤΗΣ ΜΕΓΑΛΗΣ ΕΚΡΗΞΗΣ (BIG BANG)

2 Ένα πείραμα θα δημιουργήσει ένα νέο σύμπαν;

3 Η θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης με όλες τις σύγχρονες παραλλαγές και βελτιώσεις της είναι η πλέον αποδεκτή εκδοχή της Ιστορίας του Σύμπαντος σήμερα.

4 Παρά τα αναπάντητα προβλήματα που υπάρχουν ακόμα, το μοντέλο αυτό εξηγεί πολύ ικανοποιητικά σχεδόν το σύνολο των παρατηρησιακών δεδομένων που υπάρχουν μέχρι στιγμής: Το νόμο του Hubble, την ακτινοβολία υποβάθρου, τον τρόπο σύνθεσης των ελαφρών στοιχείων (Η, He He,, Li κ.ά.), τη μεταβολή της πυκνότητας των γαλαξιών σε συνάρτηση με το χρόνο κτλ.

5

6 Η κατασκευή του μοντέλου στηρίζεται στις γενικότερες θεωρίες της Φυσικής. Η σχέση χώρου, χρόνου και ύλης απορρέουν από τη Γενική θεωρία της Σχετικότητας του Αϊνστάιν. Η συμπεριφορά της ύλης στις διαδοχικές φάσεις της ζωής του Σύμπαντος προβλέπεται από τη Κβαντική Φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων.

7 ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΤΟΥ ΣΥΜΠΑΝΤΟΣ ΤΑ ΒΑΣΙΚΑ ΣΤΑΔΙΑ ΤΗΣ ΙΣΤΟΡΙΑΣ ΤΟΥ

8 Με δεδομένα τη διαστολή του Σύμπαντος και την ακτινοβολία υποβάθρου, καταλήξαμε στο συμπέρασμα ότι όσο πιο πίσω στο παρελθόν κοιτάζουμε τόσο πυκνότερο και θερμότερο ήταν το Σύμπαν. Οδηγούμαστε λοιπόν στην υπόθεση ότι το Σύμπαν, δηλαδή ο χώρος, ο χρόνος, η ύλη και η ακτινοβολία, δημιουργήθηκαν με μια μεγάλη έκρηξη σε μια συγκεκριμένη στιγμή στο παρελθόν. Από τη στιγμή αυτή της δημιουργίας του χρόνου (t=0) t=0) ξεκίνησε και η διαστολή του Σύμπαντος. Υπολογίστηκε ότι αυτό συνέβη πριν από 10 έως 20 δισεκατομμύρια χρόνια.

9 Η Μεγάλη Έκρηξη από την οποία γεννήθηκε το Σύμπαν είναι ένα φαινόμενο, του οποίου δεν υπάρχει ανάλογο στον κόσμο που ζούμε. Ο νους μας δεν μπορεί να το κατανοήσει στηριζόμενος στην εμπειρία του. Είναι, επομένως, απαραίτητες ορισμένες διευκρινίσεις:

10 α) Δεν πρέπει να φανταζόμαστε ότι η Μεγάλη Έκρηξη έγινε σε κάποιο σημείο του χώρου, όπως π.χ. εκρήγνυται μια χειροβομβίδα, και από τότε το Σύμπαν διαστέλλεται μέσα σ' αυτόν. Αντίθετα, η έκρηξη συνέβη σε ολόκληρο το χώρο ταυτόχρονα τη στιγμή της δημιουργίας του. Η ύλη και η ακτινοβολία δημιουργήθηκαν ομοιόμορφα την ίδια στιγμή σε κάθε σημείο του χώρου και μαζί με αυτόν.

11 β) Δεν έχει νόημα η ερώτηση «τι υπήρχε πριν τη Μεγάλη Έκρηξη;» Ο χρόνος δημιουργήθηκε μαζί με το χώρο, την ύλη και την ακτινοβολία ακριβώς τη στιγμή της Μεγάλης Έκρηξης.

12 γ) Δε γνωρίζουμε γιατί και πώς έγινε η Μεγάλη Έκρηξη. Επίσης δεν είμαστε σε θέση να περιγράψουμε με την κατάσταση του Σύμπαντος από τη στιγμή της δημιουργίας του (t=0 (t=0)) μέχρι sec μετά από αυτήν. Στις εξαιρετικά ιδιάζουσες συνθήκες της περιόδου αυτής οι έννοιες και οι νόμοι της σύγχρονης Φυσικής αποδεικνύονται ανεπαρκείς και μη εφαρμόσιμοι.

13 Το χρονικό αυτό διάστημα (10-43 sec) προκύπτει απ' την αρχή της αβεβαιότητας της Κβαντικής Μηχανικής και ονομάζεται χρόνος του Planck. Planck.

14 Μπορούμε όμως σήμερα να περιγράφουμε την εξέλιξη του Σύμπαντος με βάση τις θεωρίες της Φυσικής των στοιχειωδών σωματιδίων 10-35s από τη Μεγάλη Έκρηξη και μετά. Η ιστορία του Σύμπαντος μπορεί να υποδιαιρεθεί σε τέσσερις περιόδους:

15 α) Την περίοδο των αδρονίων (ή βαρέων σωματιδίων) β) Την περίοδο των λεπτονίων (ή ελαφρών σωματιδίων) γ) Την περίοδο του πλάσματος και δ) Την περίοδο της ύλης.

16 Οι περίοδοι (α), (β) και (γ) συνιστούν την εποχή της ακτινοβολίας, ενώ η (δ) την εποχή της ύλης. Κατά την εποχή της ακτινοβολίας το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας του Σύμπαντος βρίσκεται στα φωτόνια. Αντίθετα, την εποχή της ύλης η ενέργεια βρίσκεται κυρίως σε υλική μορφή.

17 Οι καταστάσεις του Σύμπαντος από sec έως sec καθώς και φαινόμενα που δεν προβλέπονται από τη θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης περιγράφονται από τις Μεγάλες Ενοποιημένες θεωρίες (GUTs - Grand Unified Theories). Theories).

18 Σύμφωνα με αυτές, οι τέσσερις δυνάμεις της Φύσης η ισχυρή, η ασθενής, η ηλεκτρομαγνητική και η βαρυτικήβαρυτικήτη στιγμή της έκρηξης ήταν ενοποιημένες. Οι διάφορες «αλλαγές της κατάστασης» του Σύμπαντος ερμηνεύονται από τις διαδοχικές αποδεσμεύσεις καθεμιάς δύναμης από τις υπόλοιπες.

19 Κοινό χαρακτηριστικό όλων αυτών των φάσεων της κοσμικής ιστορίας είναι η διαστολή του Σύμπαντος που ακολούθησε τη Μεγάλη Έκρηξη. Η διαστολή αυτή -που ήταν ταχύτατη στα αρχικά της στάδιαστάδιαπροκάλεσε συνεχή πτώση της θερμοκρασίας και της πυκνότητας του Σύμπαντος. Σύμπαντος.

20 α) Περίοδος των αδρονίων Διήρκεσε λιγότερο από 10-6s μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Η θερμοκρασία του Σύμπαντος ήταν μεγαλύτερη από 1012 Κ. Στην περίοδο των αδρονίων, τα φωτόνια έχουν τόσο μεγάλη ενέργεια, ώστε μετασχηματίζονται σε σωματίδια ύλης και αντιύλης (για παράδειγμα, πρωτόνια και αντιπρωτόνια). αντιπρωτόνια ).

21 Ωστόσο, τα σωματίδια της ύλης, όταν συναντηθούν με τα αντισωματίδιά τους, καταστρέφονται αμοιβαία και παράγουν πάλι φωτόνια. Έτσι αποκαταστάθηκε μια πρόσκαιρη δυναμική ισορροπία. Η φάση αυτή χαρακτηρίζεται από ισόρροπη δημιουργία και καταστροφή αδρονίων. Το Σύμπαν αποτελείται από φωτόνια, σωματίδια ύλης και σωματίδια αντιύλης ομοιόμορφα κατανεμημένα σ' όλο το χώρο.

22 β) Περίοδος των λεπτονίων Διήρκεσε από 10-6 έως 6s μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Η θερμοκρασία του Σύμπαντος μεταβλήθηκε από τους 1013 στους Κ. Η γρήγορη διαστολή προκάλεσε πτώση της θερμοκρασίας και μείωση της ενέργειας των φωτονίων. Τα φωτόνια δεν μπορούν πλέον να δημιουργούν βαρέα σωματίδια.

23 Μπορούν όμως να δημιουργούν ελαφρότερα (λεπτόνια) που απαιτούν λιγότερη ενέργεια. Οι πιο σημαντικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ στοιχειωδών σωματιδίων κατά την περίοδο των λεπτονίων ήταν :

24 -Η παραγωγή φωτονίων υψηλής ενέργειας από την αμοιβαία καταστροφή αντισωματιδίων, αντισωματιδίων, -που συνεχίστηκε από την προηγούμενη περίοδο. - Ο σχηματισμός ζευγών ηλεκτρονίων ποζιτρονίων από φωτόνια γ. -Ο σχηματισμός νετρονίων από αντιδράσεις μεταξύ πρωτονίων και ηλεκτρονίων ή αντιπρωτονίων και ποζιτρονίων.

25

26 γ) Περίοδος πλάσματος Διήρκεσε ένα εκατομμύριο χρόνια από τη Μεγάλη Έκρηξη. Η θερμοκρασία του Σύμπαντος μεταβλήθηκε από τους 109 στους Κ. Κ. Κατά την περίοδο αυτή από τα πρωτόνια και τα νετρόνια που είχαν σχηματιστεί σε προηγούμενες φάσεις, δημιουργήθηκαν οι πυρήνες των ελαφρότερων στοιχείων: Πυρήνες των ισοτόπων του υδρογόνου (δευτερίου και τριτίου), ηλίου και σε μικρότερες αναλογίες λιθίου (Li) και βηρυλλίου (Be (Be). ).

27 Λόγω της υψηλής ακόμα θερμοκρασίας, η ύλη είναι πλήρως ιονισμένη. Δηλαδή, δεν υπάρχουν ηλεκτρόνια γύρω από τους πυρήνες των ατόμων. Το Σύμπαν συμπεριφέρεται σαν ένα πολύ πυκνό και θερμό αέριο που αποτελείται από πρωτόνια, νετρόνια ηλεκτρόνια, πυρήνες ελαφρών στοιχείων και ακτινοβολία.

28 Η ακτινοβολία αλληλεπιδρά ισχυρά με την ιονισμένη ύλη, το φάσμα της είναι συνεχές και διαχέεται ομοιόμορφα σε ολόκληρο το Σύμπαν, Σύμπαν, πρόκειται για τον πρόγονο της ακτινοβολίας υποβάθρου.. υποβάθρου

29 δ) Περίοδος της ύλης Διαρκεί από το τέλος της περιόδου του πλάσματος μέχρι σήμερα. Όταν η θερμοκρασία έπεσε στους Κ, Κ, έγινε δυνατός ο σχηματισμός των πρώτων ατόμων:

30 Οι πυρήνες των ελαφρών στοιχείων, που είχαν ήδη συντεθεί, παγίδευσαν ηλεκτρόνια και δημιουργήθηκαν τα αντίστοιχα ουδέτερα άτομα: υδρογόνου, δευτερίου, τριτίου, ηλίου, λιθίου και βηρυλλίου.

31 Η ακτινοβολία δεν παγιδεύεται από την ουδέτερη πλέον ύλη και αποδεσμεύεται απ' αυτήν. Καθώς το Σύμπαν διαστέλλεται και ψύχεται, η θερμοκρασία της μειώνεται μέχρι τη σημερινή τιμή των 2,7 Κ. Κ. Η ακτινοβολία αυτή δεν είναι άλλη από την ακτινοβολία υποβάθρου, της οποίας η ανακάλυψη αποτέλεσε πραγματικό θρίαμβο για τη θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης.

32 Κατά την περίοδο αυτή τοπικές διαταραχές της ομοιογένειας της κοσμικής ύλης προκάλεσαν το σχηματισμό των γαλαξιών και των αστέρων. Στους πυρήνες των αστέρων δημιουργήθηκαν τα υπόλοιπα γνωστά μας στοιχεία. Τελικά σε κάποιο (ή κάποια;) πλανητικά συστήματα διαμορφώθηκαν οι κατάλληλες προϋποθέσεις για την εμφάνιση της ζωής.

33 ΤΟ ΜΕΛΛΟΝ ΤΟΥ ΣΥΜΠΑΝΤΟΣ

34 Γνωρίζουμε ότι το Σύμπαν εξακολουθεί να διαστέλλεται. Στη διαστολή του, ωστόσο, αντιτίθεται η βαρύτητα, η οποία και την επιβραδύνει. Είναι άραγε η βαρύτητα αρκετά ισχυρή, ώστε να ανακόψει κάποτε τη διαστολή εντελώς και να προκαλέσει συστολή του Σύμπαντος; Ή το Σύμπαν θα συνεχίσει να διαστέλλεται επ' άπειρον, έστω και με μειούμενο ρυθμό;

35 Όλα τα πιθανά σενάρια απορρέουν από τη Γενική θεωρία της Σχετικότητας: Το τι θα συμβεί εξαρτάται αποκλειστικά από το αν η πυκνότητα της ύλης του Σύμπαντος είναι μεγαλύτερη, ίση ή μικρότερη από μια κρίσιμη τιμή. Η κρίσιμη τιμή της πυκνότητας υπολογίστηκε θεωρητικά. Αν η σταθερά του Hubble είναι 75 Km/s/ Km/s/Mpc Mpc,, τότε βρίσκεται ότι: dc = Kg/m2

36 Διαμορφώνονται λοιπόν τρία πιθανά ενδεχόμενα: α) Αν η πραγματική τιμή της πυκνότητας (d) του Σύμπαντος είναι μικρότερη από την κρίσιμη (d<dc), β) Αν d=dc, τότε η διαστολή τείνει να σταματήσει οριακά σε άπειρο χρόνο. Το Σύμπαν είναι «επίπεδο».

37 γ) Αν τέλος ισχύει d>dc τότε η βαρύτητα είναι αρκετά ισχυρή, ώστε να σταματήσει κάποια χρονική στιγμή τη διαστολή του Σύμπαντος. Aπό τη στιγμή αυτή και μετά θα αρχίσει η συστολή του και διαγράφοντας αντίστροφα την Ιστορία του θα καταλήξει σε μια μελανή οπή. Στην περίπτωση αυτή το Σύμπαν είναι «κλειστό» (ή παλλόμενο).

38

39

40

41 Οι μέχρι σήμερα μετρήσεις της τιμή της πυκνότητάς του δείχνουν ότι είναι μικρότερη από την κρίσιμη τιμή. Το Σύμπαν φαίνεται ότι είναι ανοιχτό. Ωστόσο, δεν μπορεί να αποκλειστεί η ανατροπή αυτής της εκδοχής, αν στο μέλλον ανακαλυφθεί ύλη που δεν έχει ακόμα ανιχνευτεί. Το ζήτημα αυτό αναφέρεται στην Αστρονομία ως «πρόβλημα της σκοτεινής ύλης του Σύμπαντος»

42

43 Η κοσμολογία έχει, όπως και η σωματιδιακή φυσική, το καθιερωμένο πρότυπο της. Η θεωρία αυτή αναπτύχτηκε από τις αρχές του 20ου αιώνα, μετά την ανάπτυξη της γενικής θεωρίας τις σχετικότητας (1919). Η θεωρία του Big Bang δεν είναι μια ακόμη θεωρία που προσπαθεί να εξηγήσει το σύμπαν και την εξέλιξη του, είναι Η θεωρία.

44 Είναι ενδιαφέρον πώς η θεωρία του Big Bang δεν ήταν πάντα της μόδας Όταν ο Αϊνστάιν διετύπωσε την γενική θεωρία της σχετικότητας, είδε ότι οι εξισώσεις έδειχναν πώς το σύμπαν δεν μπορεί να είναι στατικό όπως ήταν η επικρατούσα θεωρία εκείνη την εποχή. Έβαλε λοιπόν με το χέρι μια ακόμη παράμετρο στην εξίσωση του που έκανε το σύμπαν «με το ζόρι» στατικό. Αυτή η παράμετρος ήταν η κοσμολογική σταθερά του Αϊνστάιν, που αργότερα παραδέχτηκε πώς ήταν το μεγαλύτερο ολίσθημα της καριέρας του.

45 Η επικρατούσα θεωρία στις αρχές του αιώνα θεωρούσε πώς το σύμπαν είναι αιώνιο και αμετάβλητο. Είχε όμως ένα μικρό πρόβλημα: δεν μπορούσε να εξηγήσει εύκολα το παράδοξο του μαύρου νυχτερινού ουρανού. Ένας Βέλγος επιστήμονας, ο Georges LeMaitre LeMaitre,, εξέλιξε την θεωρία πως το σύμπαν είχε αρχή. Ο αντίπαλος του, Fred Hoyle, Hoyle, βάφτισε εμπαίζοντας την θεωρία αυτή το μεγάλο γδούπο (Big (Big Bang)) Bang Η θεωρία βασίζεται στο πλαίσιο της θεωρίας της σχετικότητας του Αϊνστάιν όπως διατυπώθηκε από τον Ρώσο μαθηματικό Alexander Friedmann

46 Αντίθετα με ότι ίσως περιμένετε, η θεωρία του Big Bang δεν ασχολείται (ούτε την ενδιαφέρει) τι συνέβη πριν την μεγάλη έκρηξη η τι την προκάλεσε. Ασχολείται μόνο με το τι συνέβη μετά τι μεγάλη έκρηξη. Η θεωρία άρχισε να καθιερώνεται μετά της μετρήσεις του Hubble και εδραιώθηκε μετά την ανακάλυψη της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου. Η θεωρία είχε ακόμα πολλά κενά (και συγκριμένα τα προβλήματα του ορίζοντα και της επιπεδότητας)) που συμπληρώθηκαν από την επιπεδότητας θεωρία του κοσμικού πληθωρισμού (A. (A. Guth, Guth, 1980)

47 Για πρώτη φορά καλέστη τεχνικά δυνατόν να μετρήσει κάποιος την σχετική ταχύτητα αστεριών σε σχέση με την απόσταση τους από τη γη. Η ταχύτητα μετριέται με την αρχή του Doppler shift Ο Hubble περίμενε να μετρήσει τα μισά αστέρια να απομακρύνονται από τη γη (red (red shifted) και τα άλλα μισά να πλησιάζουν (blue (blue shifted) Αυτό που μέτρησε ήταν πως όλα τα αστέρια απομακρύνονταν από τη γη.

48

49 Η σχετική ταχύτητα δυο σημείων στο σύμπαν εξαρτάται από την απόσταση τους: διπλάσια απόσταση, διπλάσια ταχύτητα Αυτό μας θυμίζει αυτό που συμβαίνει όταν τραβάμε ένα λαστιχάκι Η σχετική ταχύτητα των κόκκινων χανδρών ως προς την πράσινη χάνδρα είναι διπλάσια από ότι αυτή των κίτρινων

50 Στο σύμπαν σε μεγάλες αποστάσεις επιδρά η βαρύτητα και το σύμπαν εξελίσσεται ακλουθώντας τις εξισώσεις του Friedmann Ωο ορίζεται ως το κλάσμα ρ/ρc όπου ρ είναι η πραγματική (μετρήσιμη) πυκνότητα του σύμπαντος σήμερα και ρc είναι η κρίσιμη πυκνότητα Η κρίσιμη πυκνότητα είναι η πυκνότητα που θα έπρεπε να έχει το σύμπαν για να είναι επίπεδο (και με την έλλειψη άλλων παραγόντων αυτή η πυκνότητα είναι ικανή μόλις να σταματήσει τελείως την διαστολή του σύμπαντος ρ 8πG ρ Ωo = ρc 3H 2 Ωο = 1 σημαίνει πως το σύμπαν έχει πυκνότητα ίση με την κρίσιμη πυκνότητα

51

52 1. 2. Μετράμε την μετακίνηση προς το ερυθρό των γραμμών γνωστών χημικών στοιχείων. Έτσι έχουμε την ταχύτητα της πηγής ως προς τη γη. Χρειαζόμαστε ένα σώμα με γνωστή φωτεινότητα, ούτως ώστε να μπορέσουμε να μετρήσουμε την απόσταση του από την γη μετρώντας την φαινομενική φωτεινότητα του. Αυτά τα σώματα στην αστρονομία λέγονται Standard Standard candles. Ένα καλό standard candle είναι ένας ειδικός τύπος υπέρυπέρ-καινοφαινών αστέρων (τύπος 1α)

53 Ένα σουπερνόβα είναι μια Η πιο γνωστή έκρηξη σουπερνόβα (Type II P) P) αστρική έκρηξη Τεράστια ποσά ενέργειας εκλύονται για χρονικά διαστήματα εβδομάδων η μηνών Έχουμε περίπου δυο τέτοιες εκρήξεις τον αιώνα σε ένα γαλαξία σαν τον δικό μας Έχουμε διάφορα είδη σουπερνόβα ανάλογα με τον μηχανισμό της έκρηξης. Για αυτή την παρουσίαση ιδιαίτερα σημαντικά είναι τα σουπερνόβα τύπου 1α που πάντα εκρήγνυνται με την ίδια φωτεινότητα (η έκρηξη έχει να κάνει με φαινόμενο κατωτάτου ορίου)

54 μέχρι σήμερα, η διαστολή του σύμπαντος σήμερα είναι επιταχυνόμενη! Η διαστολή του σύμπαντος ήταν όντως επιβραδυνόμενη τα πρώτα 5 δισεκατομμύρια χρόνια από την αρχή του σύμπαντος, αλλά μετά αυτή η διαστολή έγινε επιταχυνόμενη Αυτή ήταν η μεγαλύτερη έκπληξη στη φυσική τα τελευταία χρόνια Μέγεθος σύμπαντος Αντίθετα με ότι ξέρουμε μετρήσαμε περιμέναμε y χρόνος

55 αποστάσεις η μόνη δύναμη που επιδρά είναι η βαρύτητα, η οποία είναι πάντα ελκτική και μειώνεται με το 1/r2 Αυτό σημαίνει πως υπάρχει μια άλλη δύναμη εκτός από τη βαρύτητα, απωθητική, που επικρατεί της βαρύτητας σε χρόνους μετά τα 5 δισεκατομμύρια χρόνια Αυτή η δύναμη έχει τη μορφή αρνητικής πίεσης και αυξάνεται με το r Αυτό ονομάζεται Σκοτεινή Ενέργεια Ισχύς Ξέρουμε πως σε μεγάλες βαρύτητα Σκοτεινή ενέργεια y χρόνος

56 Το άθροισμα των γωνιών του τριγώνου δεν ισούται με 180. Η περίμετρος του κύκλου δεν ισούται με 2πR, όπου R η ακτίνα του. Δεν ισχύει το Πυθαγόρειο Θεώρημα.

57 Το WMAP μπορεί να μετρήσει την γεωμετρία του σύμπαντος μετρώντας το μέγεθος των περιοχών με διαφορετική θερμοκρασία και συγκρίνοντας τις με το τι περιμένουμε για ανοιχτό και κλειστό σύμπαν. Αυτό που μετράμε είναι ένα επίπεδο σύμπαν (όπως προβλέπεται από την θεωρία του κοσμικού πληθωρισμού.

58 Επίπεδο είναι το σύμπαν όταν το άθροισμα των γωνιών ενός οποιοδήποτε τριγώνου είναι α+β+γ=180ο β α γ Για να ελέγξουμε αν αυτό ισχύει στο σύμπαν μας αναλύουμε την φωτογραφεία του WMAP: μετράμε το γωνιακό φάσμα ισχύος βασικά ένας μαθηματικός τρόπος να δούμε πόσο απέχουν (γωνιακά) θερμά και ψυχρά σημεία

59 Οι φωτογραφίες του WMAP είναι η εικόνα του σύμπαντος σε πολύ νεαρή ηλικία (380,000 χρόνων). Το σύμπαν εξελίχθηκε καθώς η υλη που τυχαία βρέθηκε σε σημεία με μεγαλύτερη πυκνότητα συμπτύχτηκε για να δημιουργήσει γαλαξίες και αστέρες

60 Βάζοντας όλα τα δεδομένα μαζί (από το WMAP και από τα σουπερνόβα σουπερνόβα)) καταλήγουμε στο (θλιβερό) συμπέρασμα: Η σκοτεινή ενέργεια αποτελεί το 70% του σύμπαντος Η σκοτεινή υλη το 26% Και όλα τα υπόλοιπα (που λίγο-πολύ ξέρουμε) το 4% Αλλά ξέρουμε ότι δεν ξέρουμε για το 96% του σύμπαντος!

61 Η κοσμολογία έχει κάνει την μετατροπή από επιστήμη πεινασμένη για πειραματικά δεδομένα σε επιστήμη οδηγούμενη από πειραματικά δεδομένα. Το καθιερωμένο πρότυπο της κοσμολογίας βρίσκεται πλέον στο ίδιο επίπεδο που βρίσκονταν η σωματιδιακή φυσική πριν από 30 χρόνια: προσπαθεί να προχωρήσει πιο πέρα από απλές παραμετροποιήσεις, και είναι έτοιμη να απογειωθει απογειωθει!! Οι ακριβείς μετρήσεις του κοσμικού υποβάθρου και η πιο ακριβής μέτρηση κοσμικών αποστάσεων έχει βοηθήσει ιδιαίτερα την κοσμολογία τα τελευταία χρόνια. Το πρόβλημα της σκοτεινής ενέργειας είναι συναρπαστικό, αναπάντεχο και φοβερά ενδιαφέρον!

62 Βαρυτική θεωρία [Einstein 1915] Οι 3 διαστάσεις του στερεού εξαρτώνται και από την κίνησή του στον χώρο, όπου υφίσταται και 4η διάσταση, ο χ ρ ό ν ο ς. Ο χ ω ρ ό χ ρ ο ν ο ς ως ενοποιημένη έννοια, που είναι μαθηματικά χώρος Μινκόφσκι, είναι απόλυτος, ενώ οι συνιστώσες του, ο χώρος και ο χρόνος, αποτελούν πλευρές του που εξαρτώνται από τον παρατηρητή (το σύστημα αναφοράς). Η β α ρ υ τ ι κ ή δ ύ ν α μ η περιγράφεται μέσω καμπυλώσεων του χωροχρονικού συνεχούς παρουσία μάζας.

63 To δισδιάστατο ανάλογο παραμόρφωσης του χωρόχρονου. Η παρουσία ύλης αλλάζει τη γ ε ω μ ε τ ρ ί α του χωροχρονικού συνεχούς, η θετική κ α μ π ύ λ ω σ η του οποίου ερμηνεύεται ως βαρύτητα.

64 Σχηματοποιώντας τον χώρο σε δύο διαστάσεις, το ξεδίπλωμα του χρόνου μας δίνει την αίσθηση του χωροχρόνου σε τρεις διαστάσεις

65 Η 5η Διάσταση: Ηλεκτρομαγνητική δύναμη [Kaluza-Klein] Κάθε σημείο του χώρου αποτελεί βρόγχο της 5ης διάστασης,που τυλίγεται για να φτάσει να είναι μικρότερη απο την κλίμακα του Planck (10-33cm). Φορτίο κίνηση στην 5η διάσταση Μεγάλος Συγκρουστής Αδρονίων (LHC) CERN

66 Η ΓΕΝΙΚΗ ΘΕΩΡΙΑ ΤΗΣ ΣΧΕΤΙΚΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ Η ΓΕΩΜΕΤΡΙΑ ΤΟΥ ΣΥΜΠΑΝΤΟΣ

67 Στη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας του Αϊνστάιν αντιμετωπίζεται το πρόβλημα της σχέσης χώρου, χρόνου και βαρύτητας. Το βασικό της αξίωμα είναι η αρχή της ισοδυναμίας: Δύο παρατηρητές, από τους οποίους ο ένας βρίσκεται μέσα σε ομογενές πεδίο βαρύτητας και ο άλλος επιταχύνεται με σταθερή επιτάχυνση, θα αντιληφθούν τα ίδια φυσικά φαινόμενα και θα διατυπώσουν τους ίδιους φυσικούς νόμους. νόμους.

68 Από τις πλέον ενδιαφέρουσες προβλέψεις της θεωρίας είναι τα φαινόμενα της καμπύλωσης του χώρου και της καθυστέρησης του χρόνου που προκαλούνται από ένα ισχυρό βαρυτικό πεδίο.

69 Στη θεωρία της Σχετικότητας οι ιδιότητες του χώρου και του χρόνου είναι στενά συνυφασμένες. Οι μεταβλητές που προσδιορίζουν ένα γεγονός στο χώρο δεν μπορούν να θεωρηθούν ανεξάρτητες από το χρόνο στον οποίο συνέβη. Ο χώρος και ο χρόνος θεωρούνται ως ένα ενιαίο συνεχές που ονομάζεται χωρόχρονος. Έτσι τα φαινόμενα της καμπύλωσης του χώρου και της καθυστέρησης του χρόνου που προκαλούνται από τα βαρυτικά πεδία, ονομάζονται και τα δύο μαζί καμπύλωση του χωρόχρονου.

70 Σε έναν Ευκλείδειο χώρο η γραμμή ελάχιστου μήκους που συνδέει δύο σημεία είναι η ευθεία που διέρχεται από αυτά. Όταν όμως ο χώρος είναι καμπυλωμένος -μη ΕυκλείδειοςΕυκλείδειος- η γραμμή ελάχιστου μήκους που συνδέει δύο σημεία δεν είναι πλέον ευθεία. Σε έναν τέτοιο χώρο ένα ελεύθερο υλικό σώμα θα κινηθεί, όπως και το φως, πάνω σε μια καμπύλη γραμμή ελάχιστου μήκους.

71 Ενας χώρος ονομάζεται Ευκλείδιος, Ευκλείδιος, όταν ισχύουν σ'αυτόν τα γνωστά αξιώματα της Ευκλείδιας Γεωμετρίας. Για παράδειγμα, ένα επίπεδο είναι ένας Ευκλείδιος χώρος. Ο πραγματικός χώρος είναι Ευκλείδιος σε τοπική κλίμακα και με την απουσία ισχυρών βαρυτικών πεδίων..

72 Ελεύθερο υλικό σώμα: Είναι ένα σώμα πάνω στο οποίο δεν ασκούνται δυνάμεις. Στη Νευτώνεια Μηχανική ο χώρος Θεωρείται Ευκλείδειος. Σύμφωνα με τον 1ο νόμο του Νεύτωνα, ένα ελεύθερο σώμα που κινείται από ένα σημείο σ' ένα άλλο θα ακολουθήσει την ευθεία που τα συνδέει. Ακολουθεί, δηλαδή, τη γραμμή ελάχιστου μήκους. Αν όμως ο χώρος δεν είναι Ευκλείδειος, οι γραμμές ελάχιστου μήκους είναι καμπύλες. Ένα ελεύθερο σώμα θα κινηθεί πάνω σε μια τέτοια γραμμή.

73 Σε έναν επίπεδο χώρο (α) η συντομότερη γραμμή που συνδέει δύο σημεία Α και Β είναι η ευθεία. Σε έναν καμπυλωμένο χώρο, όπως π.χ. η επιφάνεια μιας σφαίρας (β), ο συντομότερος δρόμος για να πάμε από το Α στο Β είναι το τόξο του κύκλου της σφαίρας που έχει κέντρο του το κέντρο της σφαίρας και διέρχεται από τα σημεία Α και Β, ή όπως λέμε ενός μέγιστου κύκλου.

74 Σύμφωνα με τη Γενική θεωρία της Σχετικότητας, η καμπύλωση του χώρου προκαλείται από τη μάζα των υλικών σωμάτων, αυξανόμενη με αυτήν. Έτσι, όπως εύστοχα έχει ειπωθεί, η ύλη λέει στο χώρο πώς θα καμπυλωθεί, και ο χώρος στην ύλη πώς θα κινηθεί. Στην καμπύλωση του χώρου αποδίδεται η παρατηρούμενη απόκλιση της διεύθυνσης των φωτεινών ακτίνων, όταν περνάνε κοντά από τον Ήλιο.

75 Η γωνιακή απόσταση δύο αστέρων φαίνεται διαφορετική, όταν ο Ήλιος βρίσκεται ανάμεσά τους. Η παρατήρηση μπορεί βέβαια να γίνει μόνον κατά τη διάρκεια μιας ηλιακής έκλειψης, ώστε οι αστέρες να είναι ορατοί. Η διαφορά οφείλεται στην απόκλιση των φωτεινών ακτίνων, όταν περνάνε κοντά στον Ήλιο. Οι ακτίνες αποκλίνουν λόγω της καμπύλωσης του χωρόχρονου που προκαλείται από το ισχυρό βαρυτικό πεδίο του 'Ηλιου 'Ηλιου..

76 Η εφαρμογή της Γενικής θεωρίας της Σχετικότητας σε ολόκληρο το Σύμπαν οδηγεί στο συμπέρασμα ότι ο χώρος μέσα στον οποίο ζούμε είναι καμπυλωμένος. Το είδος και το μέγεθος της καμπύλωσης του εξαρτάται από την πυκνότητα της ύλης του Σύμπαντος.

77 Αν η πυκνότητα είναι μεγαλύτερη από την κρίσιμη τιμή, τότε η βαρύτητα αναγκάζει το χώρο να είναι καμπυλωμένος σφαιρικά. Το φως καμπυλώνεται σαν να κινείται πάνω στην επιφάνεια μιας σφαίρας και το Σύμπαν είναι τότε κλειστό.

78 Αν η πυκνότητα του Σύμπαντος είναι μικρότερη από την κρίσιμη τιμή, η καμπύλωση είναι αντίθετη από την προηγούμενη. Το φως ακολουθεί στην περίπτωση αυτή ελλειπτικές αποκλίνουσες καμπύλες γραμμές και το Σύμπαν είναι ανοιχτό.

79 Αν τέλος η πυκνότητα είναι ίση με την κρίσιμη, ο συμπαντικός χώρος δεν παρουσιάζει καμπύλωση. Είναι ένας Ευκλείδειος χώρος και το φως κινείται πάνω σε ευθείες γραμμές. Το Σύμπαν είναι τότε ανοιχτό και επίπεδο.

80 Είδος Ηλεκτρασθε νής Μεγάλη ενοποίηση (GUT) Χορδή Planck Ενέργει Μήκος που α αντιστοιχεί (GeV) (m) Σημασία Η ηλεκτρομαγνητική δύναμη συγχωνεύεται με την ασθενή πυρηνική για να δημιουργήσουν την ηλεκτρασθενή Η ηλεκτρασθενής μαζί με την ισχυρή πυρηνική δύναμη ενώνονται στην δύναμη της θεωρίας της μεγάλης ενοποίησης (GUT), που μεταφέρεται από ένα φωτόνιο, τρία διανυσματικά μποζόνια, οκτώ γκλουόνια και πλήθος άλλων σωματιδίων Χαρακτηριστική ενέργεια των χορδών. Σύμφωνα με την θεωρία χορδής, είναι το σημείο που η GUT δύναμη συγχωνεύεται με τη βαρύτητα σε μία 'υπερδύναμη' Η κλίμακα στην οποία η βαρύτητα θα γίνεται συγκρίσιμη σε ισχύ προς τις άλλες δυνάμεις εάν δεν έχουν ήδη συγχωνευτεί στην κλίμακα της χορδής

81 ΑΣΚΗΣΗ : Η ακτίνα (R) κύκλου με σταθερό κέντρο Ο μεταβάλλεται ανάλογα με το χρόνο, σύμφωνα με τη σχέση R = αt όπου α σταθερά. Να δείξετε ότι δύο σημεία του κύκλου απομακρύνονται μεταξύ τους με ρυθμό ανάλογο προς το μήκος του κυκλικού τόξου s που ορίζουν. Συγκεκριμένα, να αποδείξετε ότι ισχύει η σχέση:

82 s α = s t R Σχολιάστε το αποτέλεσμα αυτό σε σχέση με το νόμο του Hubble και τη διαστολή του Σύμπαντος.

83 s R s 0 = φr 0, s = φr } s = φ R =φ (1) t t R = αt R = α t (2) s s s Aπό (1), (2) = αφ =α t t R {

84

85