1 / 34

Filozofia przyrody Wykład 10. Elementy filozofii kosmologii

Filozofia przyrody Wykład 10. Elementy filozofii kosmologii. Andrzej Łukasik Instytut Filozofii UMCS http://bacon.umcs.lublin.pl/~lukasik lukasik@bacon.umcs.lublin.pl. Do lat dwudziestych XX wieku – Wszechświat jest wieczny i niezmienny (statyczny)

zaina
Download Presentation

Filozofia przyrody Wykład 10. Elementy filozofii kosmologii

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript


  1. Filozofia przyrodyWykład 10. Elementy filozofii kosmologii Andrzej Łukasik Instytut Filozofii UMCS http://bacon.umcs.lublin.pl/~lukasik lukasik@bacon.umcs.lublin.pl

  2. Do lat dwudziestych XX wieku – Wszechświat jest wieczny i niezmienny (statyczny) • Czas i przestrzeń – niezmienna scena, po której poruszają się gwiazdy, planety i wszystkie ciała niebieskie (klasyczny, Newtonowski obraz świata) • Albert Einstein – z rozwiązań równań ogólnej teorii względności (OTW) wynikało, że Wszechświat rozszerza się lub kurczy • Stała kosmologiczna λ w równaniach OTW (odpychanie grawitacyjne) miała zapewnić rozwiązania dające statyczny Wszechświat • …później uznał to za „największy błąd życia” • „Dziś wiemy, że nie da się skonstruować statycznego modelu nieskończonego Wszechświata, w którym siła ciążenia jest zawsze przyciągająca” (Stephen Hawking) 2011 Rok Marii Curie-Skłodowskiej

  3. Zasada kosmologiczna (kopernikańska) • Ziemia nie zajmuje wyróżnionego miejsca we Wszechświecie • Wszechświat wygląda tak samo niezależnie od kierunku, w którym patrzymy i jest to prawdą niezależnie od punktu, z którego wykonywane są obserwacje • Prawa fizyki obowiązujące na Ziemi są ważne w całym Wszechświecie • Zasada kosmologiczna dotyczy wielkoskalowej struktury Wszechświata – jest tym lepiej spełniona, im większe obszary Wszechświata rozważamy 2011 Rok Marii Curie-Skłodowskiej

  4. Kosmologia relatywistyczna • Baza obserwacyjna – astronomia pozagalaktyczna • Rozwiązania równań pola ogólnej teorii względności Einsteina (OTW – 1916, współczesna teoria grawitacji, zastępująca teorię Newtona) • Konstrukcja modeli kosmologicznych • Aleksander Friedman, 1922: ogólne jednorodne i izotropowe rozwiązanie równań Einsteina opisujące rozszerzanie się Wszechświata (równanie Friedmana) • Georges Lamaître, 1927: hipoteza pierwotnego atomu – prekursor modelu Wielkiego Wybuchu 2011 Rok Marii Curie-Skłodowskiej

  5. Ogólna teoria względności (Einstein, 1916) – rozszerzenie STW na układy nieinercjalne, uwzględnienie grawitacji Ogólna zasada względności: prawa fizyki są lokalnie takie same dla wszystkich (inercjalnych i nieinercjalnych) układów odniesienia Zasada równoważności: pole grawitacyjne jest lokalnie równoważne polu bezwładności

  6. Ogólna teoria względności – powiązanie własności czasu i przestrzeni z rozkładem materii Potwierdzenia – np. GPS

  7. Rozkład mas zakrzywia czasoprzestrzeń

  8. Ucieczka galaktyk • Edwin Hubble (1929), jedno z największych odkryć naukowych XX w. • Linie widmowe galaktyk są przesunięte w stronę większych długości fal (w stronę czerwieni), w stosunku do tych, które są obserwowane w laboratorium (przesunięcie ku czerwieni – ang. red shift) 2011 Rok Marii Curie-Skłodowskiej

  9. Efekt Dopplera • Christian Andreas Doppler (1842) • Obserwowalna długość fali (dźwięku lub światła) zależy od ruchu źródła fal względem obserwatora • Dla źródła spoczywającego:  = cT • Dla źródła oddalającego się prędkością v: T’ = T + vT/c • Długość fali światła emitowanego przez źródło:  = cT • Długość fali światła przybywającego do O:’= cT’ ’/ = T’/T = 1 + v/c 2011 Rok Marii Curie-Skłodowskiej

  10. Prawo Hubble’a v = H0 r v - prędkość, r – odległość, H0= 73 km/s/Mpc - stała Hubble’a (1pc = 3,2616 roku świetlnego); 1 Mpc = 106 pc Uwaga: ucieczka galaktyk a zasada kosmologiczna – galaktyki oddalają się od siebie nawzajem (Ziemia nie jest wyróżnionym punktem) 2011 Rok Marii Curie-Skłodowskiej

  11. Teoria Wielkiego Wybuchu • Ok. 13,7 mld lat temu cała materia skupiona była w jednym punkcie (początkowa osobliwość – nieskończenie wielka temperatura i gęstość materii, zerowe rozmiary) • Na początku był Wielki Wybuch (ang. Big Bang) … • Wszechświat rozszerza się i stygnie – gdy rozmiary Wszechświata rosną dwukrotnie, temperatura spada o połowę • T = 1/H – wiek Wszechświata • „Przed” Wielkim Wybuchem nie było ani czasu ani przestrzeni 2011 Rok Marii Curie-Skłodowskiej

  12. George Gamow, Ralph Alpher, Robert Hermann – zastosowanie znanej fizyki do badania wczesnych etapów ewolucji Wszechświata • 1948: Wszechświat powinien być kiedyś bardzo gęsty i wypełniony promieniowaniem o wysokiej temperaturze • Promieniowanie to powinno obecnie mieć temperaturę kilku K – ochłodzone wskutek ekspansji Wszechświata • Wcześniej materia była „nieprzezroczysta” dla fotonów (fotony oddziaływały ze zjonizowanym gazem wodorowo-helowym) 2011 Rok Marii Curie-Skłodowskiej

  13. Kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła • 1965 – Arno Penzias i Robert Wilson (Bell Laboratories, New Jersey) – odkrycie mikrofalowego promieniowania o T = 2,7 K izotropowo wypełniającego Wszechświat (podczas kalibracji anteny radiowej do komunikacji z satelitą Echo) • 1978 – Nagroda Nobla • Robert Dicke i jego grupa z Princeton – interpretacja promieniowania mikrofalowego jako pozostałości po Wielkim Wybuchu • Pomiary natężenia promieniowania tła – 1989 satelita COBE (Cosmic Background Explorer)

  14. Modele Friedmana

  15. To, który scenariusz odpowiada rzeczywistości zależy od gęstości materii we wszechświecie (10-29 g/cm3 – ok. 1 atom H na m3) • Najprawdopodobniej Wszechświat jest płaski (gęstość materii = gęstości krytycznej) • „Gdyby materię pochodzącą ze wszystkich galaktyk i gwiazd rozproszyć równomiernie w dzisiejszym Wszechświecie, to w każdym metrze sześciennym znalazłby się mniej więcej jeden atom wodoru. Jest to o wiele doskonalsza próżnia, niż kiedykolwiek mogłaby być wytworzona w ziemskim laboratorium. Nasza przestrzeń jest głównie właśnie — pustą przestrzenią” (J. Barrow, Początek wszechświata, s. 53). 2011 Rok Marii Curie-Skłodowskiej

  16. 1. Era Plancka od Wielkiego Wybuchu do czasu Plancka t = 10-43 s (era kwantowej grawitacji, kosmologii kwantowej) • Symetria i unifikacja wszystkich oddziaływań (grawitacji, elektromagnetycznych, silnych i słabych jądrowych) – jedno „superoddziaływanie” • Przy gęstości materii >10 94 g/cm3 i T = 1033 K nie obowiązują znane nam prawa fizyki • Potrzebna jest synteza mechaniki kwantowej z ogólną teorią względności – kwantowa teoria grawitacji • Pod koniec ery Plancka, gdy spada gęstość i temperatura, oddzielają się oddziaływania grawitacyjne i zaczynają obowiązywać znane nam prawa fizyki 2011 Rok Marii Curie-Skłodowskiej

  17. „Pomimo swej nazwy, teoria Wielkiego Wybuchu nie dotyczy wcale samego wybuchu. W rzeczywistości jest tylko teorią jego następstw. Równania tej teorii opisują, w jaki sposób pierwotna kula ognista rozszerzała się, ochładzała i zagęszczała, tworząc galaktyki, gwiazdy i planety. Samo to jest już ogromnym osiągnięciem. Niemniej standardowa teoria Wielkiego Wybuchu nie mówi nic o tym, co wybuchło, dlaczego wybuchło ani co działo się przedtem”. Alan H. Guth, Wszechświat inflacyjny. W poszukiwaniu nowej teorii pochodzenia kosmosu, Warszawa 2000, s. 15 2011 Rok Marii Curie-Skłodowskiej

  18. 2. Era hadronowa (od czasu Plancka t = 10-43 s do t = 10-4 s) • t = 10-35 s – oddziela się silne oddziaływanie jądrowe • t = 10-12 s, T = 1015 – oddziaływanie elektrosłabe rozpada się na elektromagnetyczne i słabe (odtąd istnieją 4 odrębne oddziaływania) • t = 10-6 s, T = 1013 – z kwarków powstają hadrony (proton, neutron, piony…) i antyhadrony • t = 10-4 s – anihilacja hadronów w promieniowanie (E = mc2) • Pozostaje niewielka nadwyżka hadronów nad antyhadronami (stanowi obecnie całą materię, która wypełnia Wszechświat) 2011 Rok Marii Curie-Skłodowskiej

  19. Inflacja (od t = 10-35 s do t = 10-32 s) • Obserwowalny Wszechświat – ok. 100 mld lat świetlnych średnicy • Wszechświat (wszystko, co istnieje) może być znacznie większy… • Gwałtowne (wykładnicze) rozszerzanie się Wszechświata • Alan Guth (1979) • Inflacja wyjaśnia dlaczego jest:1. płaski (euklidesowy)2. jednorodny • Przestrzeń Wszechświata powiększyła się 1030 (lub 1050) razy (sto milionów miliardów miliardów razy), czyli tyle ile w ciągu pozostałej 13,7 mld lat trwającej ewolucji 2011 Rok Marii Curie-Skłodowskiej

  20. 3. Era leptonowa (od t = 10-4 s do t = 10 s) • t = 10-4 s, T = 1012 K – tworzą się leptony (elektrony, neutrina i ich antycząstki) • Rozpoczyna się nukleosynteza – postają jądra He • Gdy t = 2 s neutrina przestały oddziaływać z resztą materii – powstaje tło neutrinowe (obecnie o. 100 neutrin/cm3, T= 2 K) 2011 Rok Marii Curie-Skłodowskiej

  21. 4. Era promienista (od t = 10 s do t = 1 mld lat) anihilacja: cząstka + antycząstka → promieniowanie e + e+ → 2γ • Elektrony i pozytony anihilują, zamieniając się w promieniowanie elektromagnetyczne • Po ok. 400 000 latach następuje oddzielenie promieniowania od materii (nie oddziałuje już silnie z materią), materia staje się „przezroczysta” dla promieniowania (obserwowane dziś jako mikrofalowe promieniowanie tła o T = 2,7 K; odkrycie: Penzias i Wilson, 1965) • T = 104 – rekombinacja: powstają pierwsze atomy H (75%) i He (25%) 2011 Rok Marii Curie-Skłodowskiej

  22. 5. Era galaktyczna (od t = 1 mld lat do teraz) • Składniki materii = atomy H i He • Pod wpływem przyciągania grawitacyjnego po ok. 400 (może nawet 200) mln lat tworzą się pierwsze gwiazdy i galaktyki • W gwiazdach powstają ciężkie pierwiastki (synteza H w He, w późniejszym etapie ewolucji gwiazdy – następuje przemiana helu w węgiel, azot, krzem, fosfor i inne pierwiastki istotne m.in. dla ewolucji biologicznej) • „Każdy atom węgla w naszym ciele powstał w gwiazdach”. J. Barrow, Początek Wszechświata, s. 26 2011 Rok Marii Curie-Skłodowskiej

  23. Przyspieszanie ekspansji i problem ciemnej materii • Najnowsze obserwacje: tempo ekspansji Wszechświata wzrasta • Co powoduje przyspieszenie? • Ponowne wprowadzenie stałej kosmologicznej do OTW • Jedynie 5% zawartości Wszechświata stanowi zwykła materia (barionowa) • ok. 95% Wszechświata stanowi ciemna materia i ciemna energia • Ciemna materia (ok. 25%) • MACHO (masywne zwarte obiekty halo galaktycznego – wygasłe gwiazdy: czerwone, brązowe i białe karły, gwiazdy neutronowe, czarne dziury? • WIMP (słabo oddziałujące masywne cząstki – aksjony, cząstki supersymetryczne)? • Neutrina z niezerową masą spoczynkową? • Ciemna energia (ok. 70%) – nieznany dotąd rodzaj energii odpowiedzialny za przyspieszanie ekspansji Wszechświata (związana ze stałą kosmologiczną) 2011 Rok Marii Curie-Skłodowskiej

  24. Wielki Wybuch a stworzenie świata przez Boga • „Kosmologia pozostaje więc neutralna wobec zagadnienia stworzenia świata przez Boga – wynika to z podstawowej zasady, jaką musi respektować każda dziedzina wiedzy naukowej, to znaczy z zasady naturalizmu metodologicznego. Zgodnie z tą zasadą, nauka musi wyjaśniać wszechświat samym wszechświatem i nie może w tym wyjaśnianiu odwoływać się do czynników nadprzyrodzonych”. M. Heller, T. Pabjan, Elementy filozofii przyrody, s. 169-170 2011 Rok Marii Curie-Skłodowskiej

  25. Teoria stanu stacjonarnego • Hermann Bondi, Thomas Gold, Fred Hoyle (1948) – koncepcja usiłująca uniknąć pierwotnej osobliwości • Hipoteza: w miarę, jak galaktyki oddalają się od siebie, w pustych obszarach powstają stale nowe zbudowane z ciągle tworzonej materii (ok. 1 cząstki na km3 na rok; 1 atom wodoru na m3 na miliard lat): liczba galaktyk na jednostkę objętości powinna być taka sama zawsze i wszędzie we wszechświecie. Wszechświat jest niezmienny w czasie — zawsze taki sam. 2011 Rok Marii Curie-Skłodowskiej

  26. Model Hartle’a-Hawkinga • W erze Plancka czas staje się jednym z wymiarów przestrzeni – znika „początek czasu”, a zatem osobliwość • Wszechświat nie istnieje odwiecznie, wyłania się z kwantowej próżni (tunelowanie świata z nicości) 2011 Rok Marii Curie-Skłodowskiej

  27. Zasada antropiczna • Koncepcja wyprowadzająca wnioski dotyczące wszechświata i obowiązujących w nim praw przyrody (B. Carter, 1973) • Stałe fizyczne (i prawa przyrody) nie mogą być dowolne, by istniał człowiek • R. H. Dicke (1961) – aby mógł się pojawić człowiek np. musi istnieć węgiel, który powstał w gwiazdach (życie nie mogło się pojawić przed powstaniem gwiazd); muszą istnieć gwiazdy, które są źródłem energii (życie nie może istnieć w epoce po wypaleniu się gwiazd…) • Słaba zasada antropiczna – obserwujemy wszechświat takie a nie inny i w takiej a nie innej epoce, ponieważ w innych epokach nie moglibyśmy istnieć • Mocna zasada antropiczna – wszechświat musi być taki, aby dopuszczał w pewnym etapie istnienie rozumnych obserwatorów (czy Wszechświat został „zaprojektowany”?) 2011 Rok Marii Curie-Skłodowskiej

  28. Wieloświat (multiverse) • Nasz Wszechświat jest tylko jednym z wielu (może nieskończenie wielu) wsześchwiatów równoległych, które są tak samo realne, jak nasz. • W różnych wszechświatach wartości stałych fizycznych i warunków początkowych mogą być różne. • Zycie (i rozumni obserwatorzy) mogą istnieć tylko w szczególnych światach, które sprzyjają ich zaistnieniu. 2011 Rok Marii Curie-Skłodowskiej

  29. wiek Wszechświata — 13,7 mld lat • dinozaury — 230 mln lat temu • najstarsze skamieniałe bakterie — 3 mld lat • Układ Słoneczny i Ziemia — 4,6 mld lat 2011 Rok Marii Curie-Skłodowskiej

  30. Droga Mleczna — dysk o średnicy 80 000 i grubości 6000 lat świetlnych, M = 100 miliardów Ms • Układ Słoneczny — ok. 30 000 lat świetlnych od centrum, dysk wiruje 250 km/s • Najbliższa gwiazda — Proxima Centauri — 4 lata świetlne • Słońce jest przeciętną gwiazdą na brzegu jednego z ramion galaktyki spiralnej ok. 35 000 lat świetlnych o jej centrum. 2011 Rok Marii Curie-Skłodowskiej

  31. Stała kosmologiczna • 2000 r. – odkrycie, że galaktyki oddalają się coraz szybciej • Niezgodność z Modelami Friedmanna • Hipoteza: stała kosmologiczna (którą Einstein wprowadził do swoich równań i uznał za „największy błąd w życiu”) ma niezerową wartość, co oznacza wprowadzenie grawitacyjnego odpychania się galaktyk na wielkich odległościach 2011 Rok Marii Curie-Skłodowskiej

  32. „zwykła materia” (czyli ta, którą opisuje model standardowy) to jedynie ok. 4% zawartości Wszechświata • ok. 23% zawartości Wszechświata - ciemna materia (materia, która nie emituje promieniowania elektromagnetycznego) • hipotetyczne subatomowe cząstki, zwane aksjonami • ząstkisupersymetryczne • neutrina. • Według innych hipotez: • duże obiekty zwane MACHO (massive compact halo objects) – ciała wielkości co najmniej Jowisza, które nie są jednak wystarczająco masywne, aby stać się gwiazdami i nie emitują promieniowania elektromagnetycznego • czarne dziury. 2011 Rok Marii Curie-Skłodowskiej

  33. Ciemna energia, stanowiąca ok. 73% zawartości Wszechświata, miałaby równomiernie wypełniać całą przestrzeń i być odpowiedzialna obserwowane przyspieszanie ekspansji Wszechświata • Problem antymaterii: podczas Wielkiego Wybuchu materia i antymateria były produkowane w takiej samej ilości. Dlaczego Wszechświat składa się niemal wyłącznie z materii? 2011 Rok Marii Curie-Skłodowskiej

  34. Pytania kontrolne • Sformułuj ogólną zasadę względności Einsteina (zasadę równoważności) • Co to jest zasada kosmologiczna • Omów przesunięcie ku czerwieni, ucieczkę galaktyk i prawo Hubble’a • Jakie znaczenie dla modelu Wielkiego Wybuchu miało odkrycie mikrofalowe go promieniowania tła • Co to są modele Friedmana i jaki jest ich związek z geometrią czasoprzestrzeni • Opisz model standardowy Wielkiego Wybuchu • Co to jest zasada antropiczna (wersja słaba i mocna) • Omów nierozwiązane problemy współczesnej kosmologii 2011 Rok Marii Curie-Skłodowskiej

More Related