Αυτός ο Κόσµος ο µικρός ο Μέγας. Αθήναι

Transcript

1 Αυτός ο Κόσµος ο µικρός ο Μέγας Αθήναι

2 Αυτός ο Κόσµος ο µικρός ο µέγας... Οι φυσικές ιδιότητες του όλου Σύµπαντος, φαίνεται να καθορίζονται από το πρώτο του στάδιο, όταν όλα του τα σηµεία και τα σωµάτια της ύλης του, ήταν πολύ κοντά το ένα στο άλλο. Έτσι το µικρό και το µεγάλο συµπλέκονται στον Φυσικό Κόσµο! Και µαζί του πάµπολλες συµπτώσεις, χωρίς τις οποίες η ύπαρξη µας θα ήταν αδύνατη... Μερικές τις καταλαβαίνουµε... άλλες απλώς τις θαυµάζουµε... Κατωτέρω θα προσπαθήσω να σας τα περιγράψω Αθήναι

3 Περίληψη 1. Οι ρίζες της επιστήµης 2. Η άµεση αστρική γειτονιά µας. 3. Ο µικρόκοσµος: Η δοµή και συµµετρίες των στοιχειωδών σωµατιδίων και των µεταξύ των δυνάµεων των 3 τύπου Maxwell και της βαρύτητος. Οι συµµετρίες παίζουν πρωτεύοντα ρόλο και υπάρχει και µια συνεχής επανεµφάνιση του O µικρόκοσµος καθορίζει τον µακρόκοσµο: τον Ήλιο, τις µελανές οπές, τους γαλαξίες, το Σύµπαν. 5. Οι δυνατότητες της επιστήµης φαίνεται να είναι πολύ πιο περιορισµένες απ ό,τι φανταζόµασταν... Η ανθρωπική αρχή. Αθήναι

4 Οι ρίζες: Αρχιµήδης π.χ. y = ax 2 Α Β Ο Γ E παρ E τριγ ( ΟΑΒΓΟ ) 4 = ( ΟΑΒΟ) 3 Πρώιµος απειροστικός λογισµός! Τα επόµενα βήµατα αρχίζουν µόλις τον ~16ο αιώνα: Valerio, Kepler, Fermat, Νεύτων, Leibniz Αθήναι

5 Ο Αρχιµήδης και η Γεωµετρία r d P d = 2r P E = = π 2 2r r E < π < π 3.14 Ο υπολογισµός του εµβαδού του κύκλου αποτελεί ένα ακόµη παράδειγµα πρώιµου απειροστικού λογισµού. Θαυµαστό επίτευγµα... ιδιαίτερα αν ληφθεί υπόψη και το αριθµητικό σύστηµα που χρησιµοποιούσε... Αθήναι

6 Η άµεση γειτονιά µας: Ο Ήλιος Ως τα τέλη του 19ου αιώνα η επιστήµη θεωρούσε πως ο Ήλιος είναι κοντά στο κέντρο του Γαλαξία µας... Η ύπαρξη άλλων γαλαξιών ήταν άγνωστη. Ο Ήλιος θα έπρεπε να καίει κάτι σαν κάρβουνο... Αθήναι

7 Η άµεση γειτονιά µας: H Γη και ο Ήλιος Αθήναι

8 Η Γη Ο Ερατοσθένης ήξερε ότι είναι σφαιρική και µέτρησε την ακτίνα της Αθήναι

9 Ερατοσθένης, π.χ. Τρίτος διευθυντής της Βιβλιοθήκης της Αλεξανδρείας σφάλµα <10 % θ o 7, D º5000 στάδια Περ. Γης º στάδια º40000 km κατεύθυνσις ζενίθ στην Αλεξάνδρεια Στην Αλεξάνδρεια τότε υπό γωνία θ. Στις 21 Ιουνίου το µεσηµέρι στην Syene ο ήλιος είναι στο ζενίθ. Περίµετρος Γης D Αθήναι

10 Οι 9 από τους πλανήτες Ποσειδών Μαζί µε τον Ήλιο αποτελούσαν για πολλούς αιώνες το όλο Σύµπαν. Η Κλασσική Μηχανική περιγράφει πλήρως την κίνησή τους Κρόνος Ουρανός Άρης Γη Αφροδίτη ίας Πλούτων Ερµής Αθήναι

11 Η άµεση γειτονιά µας: Ερµής, Αφροδίτη, Γη, Άρης, ίας Οι κινήσεις των αστέρων υπακούουν στην Κλασσική Μηχανική. Όπως και ένα τραίνο Αθήναι

12 Η άµεση γειτονιά µας: ίας, Κρόνος, Ουρανός Ποσειδών Αλλά πολλές τροχιές τόσο ασταθείς, ώστε η αιτιοκρατία γι αυτές χάνεται: χάος Αθήναι

13 Τα όρια της άµεσης γειτονιάς µας: Το ταξίδι του voyager Αθήναι

14 Το κέντρο του Γαλαξία µας Λοβός θερµού αερίου Περικλείει µια µελανή οπή µάζης 1εκ Ηλίων. Απέχουµε ~25000 έτη φωτός απ αυτήν. Λοβός θερµού αερίου Γαλακτικό επίπεδο Αθήναι

15 Η κατάσταση στις αρχές του 20 αιώνα Λόγω της εξηγήσεως, στις αρχές του 20ου αιώνα, των περιοδικών κινήσεων των σωµάτων είχαν υπερεκτιµηθεί οι επιτυχίες της Κλασσικής Φυσικής (ΚλΦ).. Ήταν µετά τα µέσα του 20 αιώνα, όταν διαπιστώθηκε ότι οι δοµές των σωµάτων, δεν κατανοούνται χωρίς την Αρχή της Απροσδιοριστίας, την Κβαντική Μηχανική Χωρίς αυτά δεν θα υπήρχαν άτοµα, ούτε αστέρια, ούτε χηµεία, ούτε ζωντανό Σύµπαν. Νοµίζαµε ότι το Σύµπαν είναι αιώνιο και αναλλοίωτο, και βρέθηκε να αυτοδιαλύεται επιταχυνόµενα. Αυτά θα προσπαθήσω στα επόµενα πηγαίνοντας πρώτα στα «µικρά» Αθήναι

16 900 kpc Το µόριο του νερού Εκατοµµύρια ατόµων σ ένα DNA µόριο Το άτοµο Αθήναι

17 Τα στοιχεία της ύλης Αν mp > mn + me δεν θα υπήρχαν άτοµα Άτοµο και ο πυρήνας του He Υπάρχει κάποιο ελάχιστο όριο; (Όχι µόνον στην ύλη ) Ο ηµόκριτος θα έλεγε: Ναι. Αθήναι

18 Μαθηµατική οµή: U(1)xSU(2) xsu(3) mn > mp + me Βαρύτης Κβαντουµ Βαρυτόνιο σπιν=2 Αθήναι

19 Η ανακάλυψη του t κουάρκ το 1994 Αθήναι

20 Τα κουάρκ και τα αδρόνια Τα τρία κουάρκ συνδυάζονται έτσι ώστε το πρωτόνιο είναι «λευκό»... Παρόµοια και για το νετρόνιο και τα πλείστα βαρυόνια... Αθήναι

21 Οι 3 δυνάµεις Maxwell και η βαρύτης Η µαθηµατική δοµή της βαρύτητος ουσιωδώς διαφορετική από την των άλλων δυνάµεων Ισχυρά δύναµη: γλουόνιο Ηλεκτροµαγνητική: φωτόνιο Ασθενής δύναµη: W, Z Βαρύτης: βαρυτόνιο Αθήναι

22 Η ισχύς των τριών δυνάµεων Maxwell: U(1) SU(2) SU(3) Υπερσυµµετρία: Ίσως κάποτε οι 3 να αποτελούσαν µία δύναµη... Αθήναι

23 Η δοµή του Ηλίου Η κβαντική δοµή και η βαρύτης εγγυώνται την ύπαρξη του, και οι ηλεκτροασθενείς δυνάµεις την λάµψη του! (H=73.5%, He=25%, βαρ. στοιχεία=1.5%) R T T N L επ κεν γ = 7 10 = = m K 7 0 K 3/ 2 c GNmN / s erg 57 N L star γ star ( ) N 7/2 star c G m N 2 N 3/2 Αθήναι

24 Πως λάµπει ο Ήλιος; 4 + 4p He 2e 2ν e ενέργεια 4 4p 2e He 2ν e ενέργεια Αθήναι

25 Η βαρύτης: Η αρχαιότερη δύναµις. Καθορίζει τις τροχιές των γαλαξιών και δρα και ως µεγεθυντικός φακός, επιτρέποντας την παρατήρηση πολύ αποµακρυσµένων γαλαξιών Αθήναι

26 Είδωλα από την βαρύτητα Ένα αστέρι πίσω από τον Ήλιο Το βαρυτικό πεδίο ενός γαλαξία στο κέντρο σχηµατίζει τα 4 είδωλα ενός µακρινού quasar που βρίσκεται πίσω του Αθήναι

27 Μελανές οπές: τυλιγµένες µέσα στους ορίζοντές τους αποτελούν αναπόφευκτο επακόλουθο της βαρύτητας στην Γενική Σχετικότητα. Πρέπει να είναι πολλές στο Σύµπαν... Αλλά τίποτε σίγουρο Αθήναι

28 Συγκρούσεις Γαλαξιών: Προκαλούν νέες µελανές οπές και νέους αστέρες Αθήναι

29 Το ισχυρό πεδίο γύρω από την µελανή οπή µπορεί να προκαλέσει κρίσιµες πυκνότητες αερίων, από τις οποίες να ξεκινήσουν καινούργιοι αστέρες Αθήναι

30 Η γέννηση του χώρου, της ύλης και των δυνάµεων, καθώς αρχίζει ο χρόνος Οι πρώτοι πυρήνες Τα q δεσµεύονται και p,n σχηµατίζονται τα αντι-q εξαφανίζονται q q, L L Κοσµικός πληθωρισµός Μεγάλη ενοποίηση των 3 δ. Η Βαρύτης ξεχωρίζει από τις άλλες δυνάµεις και γίνεται κλασσική. Ο χώρος γίνεται τριδιάστατος Αθήναι

31 Η Ιστορία του Σύµπαντος εύτερο µέρος Σήµερα Η διαστολή επιταχύνεται Υπερκαινοφανείς ηµιουργία αστέρων και Γαλαξιών Πρώτοι αστέρες και Γαλαξίες. Το Σύµπαν ιονίζεταιι Το Σύµπαν γίνεται διαφανές και... φωτογραφίζεται. Αθήναι 2005 Οι πρώτοι πυρήνες 31

32 Το νεογέννητο Σύµπαν... Μόλις είχε γίνει διαφανές... Ήταν ετών! Τα πρώτα αστέρια φαίνεται πως άρχισαν να γεννιούνται µέσα του όταν έφτασε τα 100εκ χρόνια του. Η θερµοκρασία ελαττώνεται κατά την φορά: κόκκινο, κίτρινο, πράσινο, µπλε, µαύρο Αθήναι

33 Μια Hubble εικόνα του αρχαίου Σύµπαντος µε χιλιάδες γαλαξίες Μερικοί υπήρχαν ήδη όταν το Σύµπαν ήταν 2 δισ ετών και κείνται σε φλοιούς... Οι πολύ φωτεινοί όµως είναι πλησιέστεροι, και δύο φαίνεται να συγκρούονται... Χρειάζεται ψυχρή σκοτεινή ύλη για να κρατούνται στις θέσεις τους... Και επίσης m ν < 1eV j j Η σκοτεινή ύλη από τα ν είναι θερµή Αθήναι

34 Η σκοτεινή ύλη και ενέργεια T T T + T θ 12 m ν < 1eV j j Γωνιακή εξάρτηση των µέσων θερµοκρασιακών διακυµάνσεων Abel 2029 σµήνος γαλαξιών πριν 1δισ έτη. Οι γαλάζιες κουκκίδες είναι γαλαξίες στο οπτικό φως. Οι κόκκινες είναι θερµές αέριες µάζες 1εκ βαθµών στις συχνότητες X. Η βαρύτης της παρατηρουµένης ύλης δεν επαρκεί για να συγκρατήσει το σύστηµα. Κατανοµή της ενεργειακής πυκνότητος του Σύµπαντος σήµερα Αδρόνια και λεπτόνια º4%, Ψυχρή σκοτεινή ύλη º23%, Κενός χώροςº73%, Θερµή σκοτεινή ύλη º0%, Αθήναι

35 Αστρονοµία νετρίνο Νετρίνος: 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 Η µη µηδενική ν-µάζα, επιτρέπει στην «φύση» τους να «ταλαντώνεται», καθώς ταξιδεύουν... Αθήναι

36 Ενοποιώντας και την Βαρύτητα -Υπερσυµµετρία Την απαιτούν όλες οι προσπάθειες ενοποιήσεως και της βαρύτητας, 43 µαζί µε τις άλλες δυνάµεις. Ίσχυσε τα πρώτα 10 sec, όταν όλες οι δυνάµεις ήταν µία... Κοινή πεποίθηση ότι οι µαθηµατικές συµµετρίες χρησιµοποιούνται στην Φύση. Γιατί; Γιατί εφαρµόζονται τα µαθηµατικά στην Φύση; Γιατί επιτρέπεται η µερική κατανόηση της Φύσεως; Ο Κόσµος φαίνεται να είναι φτιαγµένος στα µέτρα µας Υπερσυµµετρία: Είναι η πιο πλήρης µαθηµατική δοµή που περιέχει την χωροχρονική. Απαλύνει τις δυνάµεις που χωρίς αυτήν γίνονται εξαιρετικά σκληρές σε µικρές αποστάσεις. Παρέχει υποψηφίους για την ψυχρή Σκοτεινή Ύλη: Νιουτραλίνο, αξιόνια, αξίνο... Αθήναι

37 Μάζα των σωµατιδίων της ψυχρής σκοτεινής ύλης χ χ γ..., m χ 60GeV 0 1 Μέχρι το ~2020, επίγεια LHC πειράµατα πρέπει να µπορέσουν να παράγουν στη Γη τα σωµάτια της Σκοτεινής Ύλης, και να ελέγξουν τις αστρονοµικές παρατηρήσεις. Αθήναι

38 Μέγας αδρονικός επιταχυντής (LHC) Περίµετρος: 27 χιλµ Αθήναι

39 Η αρχή και το τέλος του ονείρου της Φυσικής Ονειρευτήκαµε την ενοποίηση όλων των δυνάµεων... Και θα θέλαµε, 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. Αν οι παράµετρες αυτές (δυνάµεις, σωµατίδια, γεωµετρικές διαστάσεις) δεν ήταν αυτές που είναι, το Σύµπαν µας θα πέθαινε από την πρώτη του στιγµή... Αν το Σύµπαν ήταν τυχαίο, το µόνο εύλογο Σύµπαν είναι το νεκρό. Το Σύµπαν µας γεννήθηκε και εξακολουθεί να υπάρχει, γιατί Κάποιος καθόρισε και διατηρεί µε φανταστική ακρίβεια τις τιµές των παραµέτρων του... Αθήναι

40 Τα σηµεία παριστούν «επιλογές παραµέτρων». Το Σύµπαν έπρεπε να είχε πεθάνει αµέσως......αλλά παρ ελπίδα επέζησε ~14 δισ έτη! Αθήναι

41 Η ανθρωπική αρχή: Το Σύµπαν έγινε για να βαστάξει ζωή Υπάρχουν απειράριθµα τέτοια περιστατικά. m > m + m Αν το ħ=0, ή οι µάζες, δεν θα υπήρχαν άτοµα... p n e Και αν οι εντάσεις των τεσσάρων δυνάµεων ξέφευγαν από τις τιµές τους, το Σύµπαν θα νεκρωνόταν... 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... Αλλά και η ανεξήγητη επανάληψη του 3, στις γεωµετρικές διαστάσεις, τις φυσικές διαστάσεις, στις ιδιότητες των στοιχειωδών σωµατιδίων, και την µαθηµατική δοµή των τριών δυνάµεων τύπου Maxwell, κάτι φαίνεται να θέλει να µας πει... Όλα αυτά δεν είναι επιστήµη, όπως συνήθως την ορίζουµε. Ίσως είναι κάτι πολύ ανώτερο από την επιστήµη... Αθήναι

42 Επίλογος Ο µικρός και µέγας Κόσµος που σας παρουσίασα είναι όµορφος και γεµάτος µυστήριο.., αλλά φθαρτός και θα παρέλθει Αλλ εµείς θα µείνουµε. Καινούς δε ουρανούς και καινή γη κατά το επάγγελµα αυτού προσδοκώµεν, εν οις δικαιοσύνη κατοικεί Και για κείνη την οµορφιά γνωρίζουµε ότι «οφθαλµός ουκ είδε και ους ουκ ήκουσε και επί καρδίαν ανθρώπου ουκ ανέβη». Αθήναι