Vývoj vesmíru z hlediska fyziky

1. Monika Klapková monika.klapkova@seznam.cz Vývoj vesmíru z hlediska fyziky

2. I. Dějiny vesmíru • Jak vznikl svět?Mýty - pojetí různých kultur. • Poznatky prvních filosofů a vědců • Nástup objevů fyzikálních zákonů • Z čeho vznikl vesmír? • Má vesmír počátek? • Co je to čas? Pojem absolutní čas a prostoročas • Modely vesmíru a jak se k nim dospělo • Teorie velkého třesku, vznik hvězd a galaxií, vznik sluneční soustavy • Z čeho je vesmír, temná hmota ve vesmíru • Budoucnost vesmíru • Bonusy

3. Počátky kosmologie • První popisy představ o světě pocházejí z Číny z 3. tisíciletí př. n. l. (Kniha proměn), z Babylónu (Enúma Elíš) a z Řecka (Hesiodos).. • Rané kosmologie měly především mytický charakter, ale už předsokratičtí filosofové začali vznik světa zkoumat kriticky (Thales z Miletu, Anaximandros, Démokritos, Anaxagoras). Důležitého posunu dějiny kosmologie nabraly s prvním doloženým systémem, který nestavěl Zemi do středu vesmíru a který jí dával kulový tvar – ten pochází od Filolaa, žáka Pythagorova, z 5. nebo 4. stol př. n. l.

4. Jak vznikl svět? Mýty a pojetí různých kultur Hesiodos • Hesiodos ve své básni Zrození bohů uvádí: „Zajisté, první vznikl Chaos, ale po něm Země…“. Tím začíná řetěz plození a zrození. Nejprve spontánně vznikl Chaos, po něm temná noc Nyx a věčná tma Erebos, z Ereba a Nykty vzniklo věčné světlo Aithér a světlý den Hémerá. Poté se zrodila země Gaia a všeoživující láska Erós. Gaia zrodila nebe Urana a moře Ponta. S Úranem měla 12 synů a dcer, obrovských Titánů. Úranos se zmocnil vlády nad světem, později ji musel přenechat svému synu Kronos a ten zas svému synu Diovi. • Podle smyslu a významu slova je Chaos pro Hésioda prázdný prostor, v němž se může rozšiřovat vše později vzniklé.

5. Jak vznikl svět? Mýty a pojetí různých kultur • Podle židovské, křesťanské a islámské tradice byl vesmír stvořen v nepříliš vzdálené minulosti, např. sv. Augustin předpokládal počátek stvoření světa asi 5000 let před Kristem • Bůh architekt Ilustrace k francouzskému vydání Bible z roku 1250

6. Jak vznikl svět? Mýty a pojetí různých kultur V hindském pojetí vesmíru spočívá Země na hřbetech šesti slonů, peklo pak nese želva ležící na hadovi.

7. Jak vznikl svět? Mýty a pojetí různých kultur Severská kosmologie rozeznává devět světů. Jejich názvy jsou zakončeny na -heimr (-heim; říše, svět) nebo -garðr (-gard; sídlo, země). Midgard byl Mannheim, svět lidí, a Asgard měl název Godheim, svět bohů). • Mimo Midgard („středozem“) se dá zbývajících osm světů rozdělit do protikladných dvojic: • Oheň a horko × Led a chlad • Nebe x podsvětí • Tvoření × Ničení • Světlo × TemnotaVšechny světy spojuje Yggdrasil, strom světa.

8. Jak vznikl svět? Mýty a pojetí různých kultur Středověké znázornění raně řecké představy ploché Země, která plave na vodě

9. Poznatky prvních filosofů a vědců • Proč je Země kulatá a jaký je její poloměr? • Jak daleko je Slunce, Měsíc, planety a hvězdy?

10. Poznatky prvních filosofů a vědců • Ptolemaios rozvinul Aristotelovy myšlenky a vytvořil úplný kosmologický model sluneční soustavy, kde Zemi umístil do středu Sluneční soustavy

11. Poznatky prvních filosofů a vědců Mikuláš Koperník navrhl roku 1514 model vesmíru, kde do středu umístil Slunce, ale až do roku 1609 nebyl brán vážně, přestože jej podpořili J. Kepler, G. Galilei a další.

12. Nástup objevů fyzikálních zákonů • Newtonova teorie pohybu a teorie gravitace1687! • Myšlenka nekonečného a neměnného vesmíru • Olbersův paradox 1823 Pokud je vesmír nekonečný, v každém směru bychom viděli nějakou hvězdu, celá obloha by tedy měla stále zářit, což Olbers zdůvodňoval nesprávně. Jediným vysvětlením je, že hvězdy nesvítí odjakživa, nýbrž vznikaly postupem času

13. Nástup objevů fyzikálních zákonů • Skládání rychlostí v klasické fyzice • Speciální teorie relativity • Rychlost světla je v daném prostředí konstantní, dosahuje hodnoty 300 000 000 m/s ve vakuu • Relativistické skládání rychlostí

14. Nástup objevů fyzikálních zákonů • Einsteinova teorie gravitace – obecná teorie relativity, zakřivený prostoročas • Max Planck – 1900 kvantová teorie

15. Nástup objevů fyzikálních zákonů • Důsledek OTR – gravitační ohyb světla • Hmota Slunce zakřivuje prostoročas v jeho okolí, poloha hvězdy se nám tedy jeví trochu v jiné poloze • Princip gravitačních čoček-později

16. Nástup objevů fyzikálních zákonů • ZOTR vyplývá, že čas v blízkosti hmotných těles probíhá pomaleji • V teorii relativity neexistuje žádný jednoznačně daný absolutní čas, každý jednotlivec má svou vlastní míru času, závislou na tom, kde se nachází a jak se pohybuje • V OTR se prostor a čas staly dynamizujícími veličinami, pohybující se objekt či působící síla ovlivňují křivost prostoročasu

17. Dopplerův jev – rudý posuv

18. Spektrální analýza • Emisní spektra • Absorpční spektra Dávají informace o fyzikálních podmínkách (teplota) a o složení vesmírné hmoty

20. Z čeho je vesmír? • Aristoteles pokládal hmotu za spojitou • Démokritos zavedl pojem atom • Dalton pochopil, že atomy se spojují v molekuly • Thomson objevil elektron • Rutherford objevil jádro a domníval, se, že se skládá z protonů • Chadwick pojmenoval další částice v jádře neutrony • Gell-Mann zjistil, že protony jsou složeny z kvarků • Podle současných poznatků je všechna hmota vytvořena ze 6 druhů leptonů a 6 druhů kvarků. Leptony jsou elektrony, miony a tauony a 3 neutrína a kvarky up, down, strange, charmed, bottom, top.

21. Interakce ve vesmíru • Čtyři druhy interakcí: silná, slabá , gravitační a elektromagnetická • Vzájemné působení dvou částic lze znázornit jako výměnu částic, zprostředkujících sílu

22. Anihilace hmoty • Ke každé částici existuje i antičástice: elektron a pozitron, proton a antiproton atd. • Při setkání částice a antičástice obě částice zmizí a jejich energie se objeví ve formě 2 fotonů gama záření • Soubor částic – hmota, soubor antičástic - antihmota • Falešné vakuum

23. Jaká je velikost vesmíru?

24. Rozpínání vesmíru • Teoreticky rozpracoval rozpínání vesmíru Alexandr Fridman a využil k tomu Einsteinovy rovnice obecné teorie relativity. Podle těchto rovnic není možné aby byl vesmír stacionární (aby se nerozpínal nebo nesmršťoval). • Pozorovat lze toto rozpínání nepřímo na velmi vzdálených objektech (kvasary) a jejich světelných spektrech (spektrální čáry) – viz rudý posuv. Čím jsou galaxie vzdálenější, tím věší je jejich rudý posuv a tím rychleji se od nás také vzdalují. Tato závislost je téměř lineární a je vyjádřena Hubbleovou konst.

25. Kosmické reliktní záření • V roce 1965 ho objevili Penzias a Wilson, pátrali po něm Dicke a Peebles • Jeví se ze všech směrů prakticky stejné • Je to záření z velmi vzdálených oblastí vesmíru, vypovídá o raném vesmíru • Je to mikrovlnné záření o vlnové délce 1,1 mm a „teplotě“ 2,7 K, díky obrovskému rudému posuvu

26. Velký třesk a vznik galaxií

27. Velký třesk • Teorie Velkého třesku je v současnosti nejpopulárnější vědeckou teorií vzniku vesmíru, často je přitom uváděna jako teorie odpovídající stvoření. Předpověděla velké množství experimentálních výsledků, zahrnujíce měření anizotropie (závislost fyzikálních vlastností prostředí na směru, ve kterém se měří) záření kosmického pozadí, které nemohlo být známo v době, kdy byla teorie poprvé navržena.

28. Proč Big Bang? Pro teorii Velkého třesku hovoří : • Rozpínání vesmíru – Hubbleův zákon • Reliktní záření • Stav hmoty ve vesmíru Podle teorie Velkého třesku vznikl vesmír z nekonečně malého bodu o velké hustotě. Tato singularita byla jak počátkem hmoty a prostoru tak i počátkem času. Vznikl první okamžik a od něho se začal odvíjet vývoj vesmíru. Ten probíhal zpočátku velmi rychle a měl (nebo mohl) mít podobu nesmírné exploze (v podstatě se rozepnul ve velmi malém čase na ohromný objem a to ještě daleko rychleji než probíhá rozpínání vesmíru v dnešní době - to je nazýváno inflace). I když slovo třesk navozuje představu zvuku, jakési rány, je v tomto případě ekvivalentem slova výbuch

29. Teorie stacionárního vesmíru • Vypracovali ji Bondi a Hoyle. Vesmír je podle této teorie homogenní a izotropní (kosmologický princip) a to nejen v prostoru, ale i v čase. Bez ustání se rozpíná a stálou homogenitu zaručuje nově vznikající hmota. Proti této teorii mluví pozorovatelné rozdíly mezi blízkým a vzdáleným (tedy i starým) vesmírem. • K tomuto stacionárnímu popisu se zpočátku klonil i sám Einstein, přestože jeho OTR takový stav vylučovala. Vypořádal se s tím tak, že do rovnic přidal pomocnou konstantu (kosmologická konstanta), kterou následně nazval svým největším omylem. Dnes se ale kosmologická konstanta opět přehodnocuje.

30. Vznik a vývoj hvězd • Hvězdy vznikají z molekulových mračen plynu a prachu zhuštěním vlivem gravitace nebo např. výbuchem blízké supernovy • Bílý nebo hnědý trpaslík, rudý obr, veleobr, neutronová hvězda, černá díra, supernova jsou poslední stadia hvězd

31. Vznik a vývoj hvězd

32. Budoucnost vesmíru Existují 3 druhy modelů, jak se bude ubírat vývoj vesmíru: • Otevřený vesmír • Plochý vesmír • Uzavřený vesmír

33. Budoucnost vesmíru • Bude se vesmír neustále rozšiřovat, anebo se expanze jednou zastaví a začne smršťování? Abychom na tuto otázku mohli odpovědět, potřebujeme znát současnou rychlost expanze vesmíru a jeho průměrnou hustotu. Přesahuje-li hustota tzv. kritickou hustotu, gravitace časem expanzi zabrzdí a začne smršťování.

34. Shrnutí Každý přírůstek v poznání vesmíru přináší uspokojení zvídavým lidem, fyzikům a astronomům, ale zároveň ukazuje jasněji naši relativní bezvýznamnost v celkové struktuře vesmíru. Lidstvo muselo dojít k poznání, že: • Naše Země je kulatá. • Naše Země není středem sluneční soustavy. • Naše Slunce je jenom jedna z mnoha hvězd. • Naše galaxie je jen jedna z mnoha a Slunce je bezvýznamná hvězda při jejím vnějším okraji. • Naše Země existuje po zhruba třetinu stáří vesmíru a zcela jistě zanikne, když naše Slunce spálí své zásoby paliva a stane se rudým obrem. • Lidstvo obývá Zemi v kosmologických měřítcích nepatrný okamžik. • Neutrony a protony, ze kterých jsme stvořeni, nejsou převládající formou hmoty ve vesmíru.

35. Obrovský disk chladného plynu a prachu je „potravou“ černé díry v jádru NGC

36. Oblaka plynu odvržená „umírající“ hvězdou

37. Obraz vzdálených galaxií v inverzních barvách pořízený Hubbleovým teleskopem

38. Spirální galaxie M100

39. Pozůstatek po supernově z roku 1987, rozpínající se obálka z materiálu odfouknutého při výbuchu kolem nově vzniklé neutronové hvězdy ve středu snímku

40. Šňůra kosmických perel obklopující explodující hvězdu

41. „Kanibalismus“ galaxií

42. Disk prachu okolo černé díry

43. Gravitační čočka zvětšuje jasnost vzdálených galaxií

44. Snímek z ledna 1996 galaxie v souhvězdí Panny, diskovitý útvar prachu a plynu padá do černé díry, jejíž hmotnost je milardkrát větší než sluneční soustava

45. Nové hvězdy rodící se uvnitř prachu a plynu

46. Červený veleobr

47. Květen 2002 Září 2002 Říjen 2004