ievads kosmolo ij n.
Download
Skip this Video
Loading SlideShow in 5 Seconds..
Ievads kosmolo ģijā PowerPoint Presentation
Download Presentation
Ievads kosmolo ģijā

Loading in 2 Seconds...

play fullscreen
1 / 94

Ievads kosmolo ģijā - PowerPoint PPT Presentation


  • 303 Views
  • Uploaded on

Ievads kosmolo ģijā. Zinātne par Visuma rašanos un attīstību. Dmitrijs Docenko , LU AI dima@latnet.lv 200 8. Pasaules evolūciju var salīdzināt ar uguņošanu, kuru mēs ieraudzījām, kad tā jau iet uz beigām: dažas sarkanas oglītes, pelni un dūmi.

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

PowerPoint Slideshow about 'Ievads kosmolo ģijā' - melissa-becker


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.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript
ievads kosmolo ij

Ievads kosmoloģijā

Zinātne par Visuma rašanos

un attīstību

Dmitrijs Docenko, LU AI

dima@latnet.lv

2008

slide2
Pasaules evolūciju var salīdzināt ar uguņošanu, kuru mēs ieraudzījām, kad tā jau iet uz beigām: dažas sarkanas oglītes, pelni un dūmi.

Stāvot uz atdzisušiem pelniem, mēs redzam lēni dziestošas saules un mēģinām iztēloties pasauļu sākuma pazudušo krāšņumu.

Žoržs Lemetrs

3 lekcija liel spr dziena teorija 1
3. lekcijaLielā Sprādziena teorija 1
  • Karstā Visuma modelis
  • Agrīnajā Visuma notiekošo procesu teorētiskie pamati un novērojumu bāze
  • Visuma evolūcijas sākums
    • Planka ēra
    • Inflācija
karstais visums
Karstais Visums
  • Mūsdienu Visumā galvenokārt tiek izmantota kodoltermiskā enerģija no zvaigžņu dzīlēm
  • Tāpēc Visums savā eksistēšanas sākumā varēja būt gan karsts, gan auksts
  • Bet karstā Visuma gadījumā būtu jāpaliek reliktajam starojumam, kas evolūcijas sākumā dominēja pār vielu ( krīt ar izplešanos ātrāk, nekā vielai)
karstais visums1
Karstais Visums
  • 1940. gados Dž. Gamovsizveidoja karstā Lielā Sprādziena teoriju
  • Viņš paredzēja relikto starojumu ar temperatūru ap 5 K
  • Izstrādāja kosmoloģiskās kodolsintēzes teoriju

Džoržs Gamovs (1904-1968)

karstais visums2
Karstais Visums

Un reliktais starojums tiešām tika atklāts!!!

reliktais starojums
Reliktais starojums
  • 1965. gadā to nejauši ir atklājuši radioastronomi Arno Penziass un Poberts Vilsons
  • Mērījumi parādīja, ka mūsdienās tā temperatūra ir 2.725 ± 0.002 K
karstais visums3
Karstais Visums
  • Tā kā starojuma enerģijas blīvums Visumam izplešoties krīt ātrāk, nekā vielai, tad (cik mazs tas arī nebūtu šobrīd) pagātnē bija laiks, kad starojums dominēja pār vielu
  • Jaunākam Visumam atbilst lielākā šī starojuma temperatūra (T ~ 1/a)
  • Tātad, bija laiks, kad Visuma temperatūra sasniedza tūkstošus un miljonus grādu
karstais visums4
Karstais Visums
  • Lielas temperatūras nozīmē, ka sadursmēs daļiņas satuvojas ļoti cieši
  • Lai aprakstītu šos procesus, ir jāizmanto elementārdaļiņu teoriju
  • Parādas interesanta sakarība: lai izprastu agrīno Visumu (makrofiziku), ir jāsaprot mikrofizika
karstais visums5
Karstais Visums
  • Runājot par Visuma temperatūru, iet runa gan par starojuma, gan par vielas temperatūru
  • Tiešām, var parādīt, ka visi daļiņu veidi (ieskaitot fotonus, kā daļiņu tipu) agrīnā Visumā atradās termodinamiskā līdzsvarā
  • Parādīsim to!
termodinamiskais l dzsvars
Termodinamiskais līdzsvars
  • Daļiņu tips atrodas termodinamiskā (TD) līdzsvarā, ja laiks starp sadursmēm ir daudz mazāks par Visuma raksturīgo izplešanas laiku:

 << H-1

  • No statistiskās fizikas zinām, ka brīva lidoju-ma laiks ir , kur  ir sadursmes šķērsgriezums, n ir daļiņu koncentrācija, un v ir daļiņu savstarpējās kustības ātrums
termodinamiskais l dzsvars1
Termodinamiskais līdzsvars
  • Tad , kur (T), kā seko no eksperimenta, ir augoša funkcija no temperatūras
  • No otras puses, aug ar laiku lēnāk, nekā 
  • Tas nozīmē, ka katrs daļiņu tips izplešanās sākumā atradās TD līdzsvarā!
karstais visums6
Karstais Visums
  • Tālāk mums bieži būs nepieciešams pāriet starp enerģijas, temperatūras un masas vienībām
  • Pārejas formulas ir sekojošas:

T = E / kB

m = E / c2

U = E / e

karstais visums7
Karstais Visums
  • No šejienes iegūsim sakarības:

1 eV = 1.602·10-19 J

1 MeV = 106 eV, 1 GeV = 109 eV

1 eV atbilst 1.16 ·104 K

1 MeV atbilst 1.78·10-30 kg

karstais visums8
Karstais Visums
  • Tātad, karstā Visuma teorijas pamata atziņas
    • Sākumā Visums bija karsts
    • Izplešoties, tas atdziest
    • Izplešanas sākumā starojums dominēja pār vielu
    • Visi vielas tipi un starojums sākumā atradās termodinamiskā līdzsvarā
3 lekcija liel spr dziena teorija 11
3. lekcijaLielā Sprādziena teorija 1
  • Karstā Visuma modelis
  • Agrīnajā Visuma notiekošo procesu teorētiskie pamati un novērojumu bāze
  • Visuma evolūcijas sākums
    • Planka ēra
    • Inflācija
agr n visuma nov rojumi
Agrīnā Visuma novērojumi
  • Visuma ķīmiskais sastāvs
  • Barionu asimetrija
  • Reliktais starojums un barionu skaita attiecība pret fotonu skaitu
  • Magnētisko monopolu novērojumi
  • Telpas liekuma novērojumi
  • Vielas lielmēroga homogenitāte
visuma miskais sast vs
Visuma ķīmiskais sastāvs
  • Mēs zinām, ka mums visapkārt ir dažādi ķīmiskie elementi
  • Tie galvēnokārt radās zvaigžņu dzīlēs
  • Bet izradās, ka ar zvaigžņu kodolsintēzes teoriju nevar izskaidrot lielu hēlija 4He daudzumu zvaigznēs un starpzvaigžņu gāzē
visuma miskais sast vs1
Visuma ķīmiskais sastāvs
  • Šis hēlijs radās kosmoloģiskās kodolsintēzes procesā, kas notika tikai dažas minūtes pēc Lielā Sprādziena (T ~ daži miljoni K)
  • Mazos daudzumos radās arī citi ķīmiskie elementi – deitērijs D (2H), hēlija izotops 3He, litijs 7Li
  • Smagākie elementi (A>8) šajā laikā nepaspēja rasties ievērojamos daudzumos
visuma miskais sast vs2
Visuma ķīmiskais sastāvs
  • Lai noteiktu pirmatnējo smago elementu relatīvo daudzumu, novēro
    • starpzvaigžņu gāzi, kur nav notikusi ķīmiskā evolūcija (zvaigžņu veidošanās, samaisīšanās, zvaigžņu vējš)
    • Vecās zvaigznes, kuru atmosfērās nenotiek konvekcija
  • No šī relatīvā daudzuma var teorētiski noteikt barionu blīvumu b kritiskā blīvuma vienībās
visuma miskais sast vs3
Visuma ķīmiskais sastāvs
  • Ķīmiskā evolūcija dažādi iespaido pirmatnējās elementu koncentrācijas
    • Hēlija koncentrācija evolūcijas gaitā var tikai palielināties, jo tas ir ļoti stabils kodols, kas arī tiek ražots zvaigznēs
    • Deitērija koncentrācija var tikai samazināties, jo zvaigznēs tas tiek pārvērsts par hēliju
    • Litijam pastāv abu virzienu procesi
da i as un antida i as
Daļiņas un antidaļiņas
  • Katrai daļiņai pastāv antidaļiņa (daļiņa ar tādu pašu masu, spinu, bet pretējo lādiņu)
    • Elektronam atbilst pozitrons,
    • Protonam atbilst antiprotons,
    • Neitronam atbilst antineitrons, ...,
    • Fotona antidaļiņa ir pats fotons
  • Iemesls – vienādojumam ir divi simetriskie atrisinājumi
da i as un antida i as1
Daļiņas un antidaļiņas
  • Satuvojoties daļiņai un antidaļiņai, tās anihilē (pārvēršas fotonos vai citā daļiņu un antidaļiņu pārī)
  • Visa daļiņu miera enerģija tiek pārvērsta gamma-starojumā (vai citās daļiņas)
  • Tāpēc ievērojams antidaļiņu saturs uz parasto daļiņu fona būtu novērojams kā stipra gamma-starojuma apgabals
barionu asimetrija
Barionu asimetrija
  • Viela un antiviela šķiet simetriskas, taču...
    • Visa Saules sistēma sastāv tikai no vielas
    • Mūsu Galaktika sastāv tikai no vielas (ir arī nelieli antidaļiņu saturošie apgabali)
    • Šķiet, ka praktiski visa viela Visuma novērojamā daļā ir parastā viela (jo nav zināms mehānisms, kas atdalītu vielu no antivielas un radītu atsevišķus dažāda tipa vielas apgabalus)
barionu asimetrija1
Barionu asimetrija
  • Rodas jautājums – kāpēc antidaļiņas nav tikpat izplatītas Visumā, kā daļiņas?
  • Vai noformulējot citādi – kāpēc pastāv barionu asimetrija?
  • To, cik stipra ir šī asimetrija, parāda reliktais starojums
    • Agrīnā Visuma fotonu un barionu skaits bija vienāds (TD līdzsvars!)
reliktais starojums1
Reliktais starojums
  • Reliktā starojuma spektrs precīzi sakrīt ar termisko spektru
  • Tāpēc ir iespējams izrēķināt relikto fotonu skaitu tilpuma vienībā
  • Tas izradās vienāds ar nRS = 410.4 ± 0.9 cm-3
relat vs barionu skaits
Relatīvs barionu skaits
  • Tagad izrēķināsim vidējo barionu skaitu tilpuma vienībā
  • No novērojumu datiem: Habla konstante H=71km/s/Mpc, b=0.044
  • Tātad, vidējais barionu skaits ir 0.25 m-3
relat vs barionu skaits1
Relatīvs barionu skaits
  • No šejienes izrēķināsim barionu skaita attiecību pret relikto fotonu skaitu
  • Barionu un relikto fotonu skaits Visuma evolūcijā saglabājās!
  • Kāpēc šī attiecība ir tik maza???
relat vais barionu skaits
Relatīvais barionu skaits
  • Šī attiecība parāda barionu asimetrijas pakāpi (t.i. cik daudz barionu skaits Visuma evolūcijas sākumā atšķīrās no antibarionu skaita)
  • Tiešām, kad Visuma temperatūra bija daudz lielāka par 1 GeV (ap 1011 K), tad barioni un antibarioni varēja rasties no enerģētiskiem fotoniem
relat vais barionu skaits1
Relatīvais barionu skaits
  • Tā kā tie atradās TD līdzsvarā ar starojumu, tad to skaits bija aptuveni vienāds ar fotonu skaitu
  • Pēc temperatūras pazemināšanās barionu un antibarionu vienāds skaits anihilēja, bet kāda niecīga daļa bija palikusi
  • Šī daļa veido visu vielu Visumā
barionu asimetrija2
Barionu asimetrija
  • Ja nebūtu barionu asimetrijas, tad vielas Visumā vispār nebūtu
  • Barionu asimetrija parāda fundamentālo asimetriju starp daļiņām un antidaļiņām
  • Šīs asimetrijas iespējamu teorētisko iemeslu mēs aplūkosim nedaudz vēlāk
reliktais starojums2
Reliktais starojums
  • Atgriezīsimies pie reliktā starojuma un aplūkosim, kā tas ietekmē Visuma evolūciju
  • Izrēķināsim reliktā starojuma enerģijas blīvumu un salīdzināsim to ar parastās vielas enerģijas blīvumu!
reliktais starojums3
Reliktais starojums
  • Pēc Vīna nobīdes likuma var izrēķināt viļņa garumu, kas ir raksturīgs starojumam ar doto temperatūru: , kur a = 2.9 mm K
  • Atbilstoši tipiskā fotona enerģija ir
  • Un relikto fotonu blīvums ir:
reliktais starojums4
Reliktais starojums
  • Izsakot skaitliskās vērtības,
  • Salīdzināsim to ar parastās vielas blīvumu:
  • Redzam, ka starojuma blīvums mūsdienās ir aptuveni 500 reizes (precīzāk – 3000) mazāks par vielas blīvumu

+ tumšā matērija

reliktais starojums5
Reliktais starojums
  • Atceramies, ka starojuma blīvums samazinās proporcionāli a4, bet vielas blīvums – kā a3
  • Tas nozīmē, ka laikā, kad aa0/3000 (tas ir, z  zeq3000) vielas un starojuma blīvumi bija vienādi
  • Bet vēl agrāk starojuma enerģija dominēja un izplešanās dinamika sekoja sakarībām, iegūtām priekš UR vielas un starojuma
reliktais starojums6
Reliktais starojums
  • Mēs zinām, ka šobrīd reliktā starojuma temperatūra ir T = 2.725 K
  • Ar laiku tā samazinās pēc likuma , ja z < 3000, un mēs varam atrast Visuma vecumu un temperatūru blīvumu vienādības laikā:
reliktais starojums7
Reliktais starojums
  • Agrāk par blīvumu vienādības momentu Visumā dominēja starojums, un
  • Proporcionalitātes konstante
  • Atbilstoši pirms blīvuma vienādības momenta ir spēkā sakarība:
karstais visums9
Karstais Visums
  • Apkopojot iepriekšteikto:
    • Momentā ar z3000 starojuma un vielas blīvumi bija vienādi
    • Agrāk par šo momentu dominēja starojums, bet vēlāk (arī šobrīd) dominē viela
    • Pirms šī momenta temperatūras atkarība no laika bija
    • Laikam palielinoties no nulles, temperatūra samazinās no bezgalības!
magn tiskie monopoli
Magnētiskie monopoli
  • Vai kāds no jums ir redzējis magnētiskos lādiņus???
  • Es neesmu...
  • Bet saskaņā ar Visuma evolūcijas modeļiem, tiem būtu jābūt mums visapkārt aptuveni tādos pašos daudzumos, kā parastai vielai
magn tiskie monopoli1
Magnētiskie monopoli
  • Tāpēc to faktu, ka magnētiskie monopoli nav novērojami mums visapkārt, arī uzskata par vienu no agrīnā Visuma novērojumu datiem
  • Šobrīd novērojumi dod monopolu plūsmu ne vairāk par 10-15 cm-2 sr-1 s-1
telpas liekums
Telpas liekums
  • Telpas liekuma zīme un vērtība nav noteikta ar Visuma evolūcijas modeli
  • Tāpēc tas arī ir viens no kosmoloģiskiem parametriem
  • Ar mūsdienu tehniku nav iespējams tieši izmērīt telpas liekumu
  • Tāpēc izmanto netiešas metodes
telpas liekums1
Telpas liekums
  • To var noteikt pēc
    • Relikta starojuma fluktuāciju pētījumiem
    • Lielmēroga struktūras statistiskā sadalījuma
    • Spožuma un leņķiskā izmēra atkarības no sarkanās nobīdes
    • ...
  • Pēc visiem mērījumiem kļūdu robežās telpa ir plakana
telpas liekums2
Telpas liekums
  • Fridmana modelim faktu, ka telpa ir plakana (vai, kas ir tas pats, enerģijas blīvums ir vienāds ar kritisko) var uzskatīt par problēmu
  • Tiešām, var parādīt, ka  – 1 ~ a2
  • Zināms, ka šobrīd  – 1 = 1.02 ± 0.02
  • Tas nozīmē, ka, piemēram, kosmoloģiskās kodolsintēzes laikā  – 1 būtu jābūt ap 10-24, kas nav loģiski
telpas liekums4
Telpas liekums
  • Tēlaini izsakoties, var pateikt, ka Lielā Sprādziena “spēks” tika ārkārtīgi rūpīgi piemeklēts tā, lai vielas blīvums sakristu ar kritisko blīvumu
  • To sauc par parametru piemeklēšanas (fine tuning) problēmu
vielas homogenit te
Vielas homogenitāte
  • Tiek novērots, ka viela lielos mērogos tiek izvietota homogēni (tas ir arī kosmoloģiskā principa empiriskais pamats)
  • Bet to arī var uzskatīt par Fridmana modeļa problēmu...
vielas homogenit te1
Vielas homogenitāte
  • Tiešām, katras daļiņas notikumu horizonts aug proporcionāli laikam: l = c t
  • Bet Visuma mēroga faktors aug lēnāk (starp t2/3 un t1/2)
    • Pieņemot, ka izplēšanu nenosaka L
  • Tas nozīmē, ka tās daļiņas, kas agrāk nebija savstarpēji saistītas (viena notikumu horizonta ietvaros) ar laiku kļūst saistītas
vielas homogenit te2
Vielas homogenitāte
  • Un problēma ir sekojoša:
    • Mēs šobrīd novērojam Visuma daļas, kas vēl nav saistītas
    • Tāpēc nav iemesla sagaidīt, ka tām būtu vienāds vidējais blīvums
    • Bet tomēr tām ir vienāds vidējais blīvums
  • Tas nav pretrunā ar Fridmana modeli, bet pats fakts nešķiet loģisks
teor tisk b ze

}

Tiks apskatīti lekcijas gaitā

Teorētiskā bāze
  • Elementārdaļiņu un lauku klasifikācija
  • Fizikāls vakuums
  • Mijiedarbību apvienošanās teorijas
  • Spontānā simetrijas sabrukšana
  • Higsa lauks
  • Fāzu pāreja
  • Kvantu fluktuācijas
element rda i u klasifik cija
Elementārdaļiņu klasifikācija
  • Visas elementārdaļiņas tiek dalītas trīs klasēs:
    • Leptoni (vieglās elementārdaļiņas)
    • Hadroni (smagās elementārdaļiņas)
      • Mezoni (sastāv no diviem kvarkiem)
      • Barioni (sastāv no trim kvarkiem)
    • Mijiedarbību pārnesēji (fundamentālie bozoni)
  • Gan leptoni, gan arī kvarki ir fermioni

Varbūt katrai daļiņai ir vēl

supersimetriskie partneri

Ir vēl X-daļiņas, Higsa daļiņas...

mijiedarb bas
Mijiedarbības
  • Ir zināmas četras fundamentālās mijiedarbības
    • Elektromagnētiskā (E/M) – piedalās lādētās daļiņas
    • Gravitācijas – piedalās visas daļiņas
    • Stiprā – piedalās tikai kvarki
    • Vājā – piedalās kvarki un leptoni
  • Dažādām mijiedarbībām ir atšķirīgi likumi, lādiņi un konstantes
fundament l s da i as
Fundamentālās daļiņas
  • Mijiedarbību pārnesēji
    • Fotons ir E/M mijiedarbības pārnesējs (tam nav elektriskā lādiņa)
    • Gravitons pārnes gravitācijas mijiedarbību (tāds vēl nav atklāts; tam ir masa)
    • 8 gluoni pārnes stipro mijiedarbību
    • W+, W- un Zbozoni pārnes vājo mijiedarbību
fundament l s da i as1
Fundamentālās daļiņas
  • Leptoni
    • elektrons e- un elektrona neitrīno e
    • mions  un miona neitrīno 
    • tau-leptons  un tau-neitrīno 
  • Kopējais leptonu skaits: 2 daļiņas 3 paaudzes  2 (ieskaitot antidaļiņas) = 12
  • e-,,  ir negatīvi lādēti (lādiņš -e); visi neitrīno ir nelādēti
fundament l s da i as2
Fundamentālās daļiņas
  • Kvarki
    • up u, down d
    • charm c, strange s
    • top t, bottom b
  • Kvarkiem ir daļveida lādiņi (e vienībās): u, c, t lādiņi ir +2/3e, bet d, s, b lādiņi ir –1/3e
  • Daļiņu skaits: 2 daļiņas  3 paaudzes  2  3 krāsas = 36
kvarki
Kvarki
  • Katram kvarkam bez elektriskā lādiņa piemīt arī “stiprais” lādiņš. Atšķirībā no elektriskā lādiņa tas nav tikai “+” vai “–”, bet tam var būt trīs vērtības: “red”, “green”, “blue” (šie apzīmējumi, protams, ir nosacīti)
  • Antikvarkam piemīt antikrāsas: atbilstoši “red”, “green”, “blue”
kvarki1
Kvarki
  • Brīvā veidā kvarki nepastāv, bet pastāv tikai to bezkrasainās kombinācijas: RGB, RGB, RR, GG, BB
  • Divu kvarku sistēmu sauc par mezonu (piemēri – ,, , , K, D, B,  u.c.)
  • Triju kvarku sistēmu sauc par barionu (piemēri – protons, neitrons, , , , ,  u.c.)
nenoteikt bas princips
Nenoteiktības princips
  • No mikropasaules fizikas kursa ir zināms Heizenberga nenoteiktības princips:
  • Ir spēkā arī tā 4-analogs:Šeit E ir daļiņas enerģijas nenoteiktība, bet t ir mērīšanas laiku starpības nenoteiktība
nenoteikt bas princips1
Nenoteiktības princips
  • Formāli spriežot, šī formula izsaka to, cik precīzi mikropasaulē izpildās enerģijas nezūdamības likums
  • Tas nozīmē arī, ka vakuuma “no nekā” var uz īsu brīdi t parādīties (un uzreiz izzust) daļiņa un tās antidaļiņa, ja to kopējā miera masa nepārsniedz ħ/(tc2)
fizik ls vakuums
Fizikāls vakuums
  • Lai to labāk saprastu, izpētīsim sīkāk fizikālā vakuuma jēdzienu
  • Ar fizikālo vakuumu mēs tālāk sapratīsim to, kas paliek telpā, kad no turienes tiek izņemtas visas daļiņas un visi lauki
  • Saskaņā ar kvantu lauku teoriju, vakuums ir kaut kas ļoti atšķirīgs no tukšās telpas
fizik ls vakuums1

e–

e+

Fizikāls vakuums
  • Tikko minētā nenoteiktības principa dēļ vakuumā visu laiku rodas un izzūd visu veidu daļiņu un antidaļiņu pāri
  • Tās daļiņas sauc par virtuālām daļiņām, jo tās nevar būt novērotas, kaut gan tās pastāv
fizik ls vakuums2

e+

e–

Fizikāls vakuums
  • Taču stiprajos laukos (piemēram, fotona E/M laukā) virtuālās daļiņas var būt atrautas viena no otras un pārvērsties reālās daļiņas
  • Šis process notiek uz lauka enerģijas rēķina (šajā piemērā – fotons pazūd)

t

fotoni

fizik ls vakuums3

e+

e–

Fizikāls vakuums
  • Šis process ir pretējs anihilācijas procesam (salīdzini attēlus!)
  • Termodinamiskā līdzsvarā abi šie pretējie procesi notiek ar vienādu ātrumu

t

fotoni

3 lekcija liel spr dziena teorija 12
3. lekcijaLielā Sprādziena teorija 1
  • Karstā Visuma modelis
  • Agrīnajā Visuma notiekošo procesu teorētiskie pamati un novērojumu bāze
  • Visuma evolūcijas sākums
    • Planka ēra
    • Inflācija
visuma ra an s
Visuma rašanās
  • Visuma rašanās iemesls nav zināms..., bet
  • Pastāv trīs uzskati par šo jautājumu
    • Visums varēja rasties kvantu tunelēšanās rezultātā no nekā... (A. Vilenkins)
    • Visuma sākuma moments nav ne ar ko īpašs, un ir līdzīgs sfēras polam (šķietamā singularitāte koordinātu sistēmas izvēles dēļ) (S. Hokings)
    • Visums ir bezgalīgs laikā (A. Linde)
tunel an s no nek
Tunelēšanās no nekā
  • Kā jau tika apskatīts, vakuums un nekas ir ļoti atšķirīgi jēdzieni
  • Pēc viena no uzskatiem, Visums (kas saturēja vakuumu) radās no nekā
  • Diemžēl, es nevaru matemātiski izklāstīt teoriju, jo tam ir nepieciešami zināt kvantu lauku teorijas pamatus...
sf ras pols
Sfēras pols
  • Pēc angļu fiziķa Stīvena Hokinga uzskata, Visuma rašanas moments nav ne ar ko īpašs
  • Apskatot Visuma evolūciju, ir ērti lietot nevis parasto, bet imagināro laiku it. Tad Minkovska telpas intervāls izskatās simetriski
  • Un ir iespējams uzbūvēt teoriju, kurā sākuma stāvokļa singularitāte nepastāv
sf ras pols1
Sfēras pols
  • “Laiktelpai nav robežu un tāpēc nav nekādas nepieciešamības noteikt, kāda ir laiktelpa uz robežām”
  • “Par Visumu var teikt, ka tā robežnosacījums ir robežu neeksistēšana. Gravitācijas kvantu teorijā Visumam jābūt pilnīgi patstāvīgam <...>. Tas nav radīts, to nevar iznīcināt. Tas vienkārši EKSISTĒ.”

S. Hawking, A Brief History of Time

3 lekcija liel spr dziena teorija 13
3. lekcijaLielā Sprādziena teorija 1
  • Karstā Visuma modelis
  • Agrīnajā Visuma notiekošo procesu teorētiskie pamati un novērojumu bāze
  • Visuma evolūcijas sākums
    • Planka ēra
    • Inflācija
kvantu gravit cija
Kvantu gravitācija
  • Mēs zinām, ka Einšteina VRT ir nepilnīga, jo tā neiekļauj kvantu efektus (nenoteiktības principu, mērīšanas procedūru)
  • Teoriju, kas ievērotu arī šos efektus, sauc par kvantu gravitācijas teoriju
  • Tāda teorija uz šo brīdi nav izstrādāta...
  • Bet mēģināsim saprast, kur tā varētu būt svarīga
planka ra
Planka ēra
  • Kādi ir gravitācijas raksturīgie parametri?
    • Planka blīvums
    • Planka temperatūra
    • Planka laiks
    • Planka izmērs
planka ra1
Planka ēra
  • No teorētiskā viedokļa Visumam šie parametri ir daudzkārt dabiskāki, nekā tie, kuros tas atrodas šobrīd
  • Tāpēc tiek uzskatīts, ka Visums radās tieši ar tādu blīvumu un temperatūru, un pastāvējis šādā stāvoklī ļoti īsu Planka laiku
  • Planka izmērs izsaka horizonta izmēru
mijiedarb bu apvieno an s
Mijiedarbību apvienošanās
  • Tiek uzskatīts, ka pie tādiem apstākļiem VISAS četras mijiedarbības “apvienojas” vienā “super-mijiedarbībā”
  • Kad temperatūra krīt zemāk par Planka vērtību, “atdalās” gravitācijas mijiedarbība
  • Pie temperatūras ap 1027 K atdalās stiprie spēki, bet pie T ~ 1013 K veidojas atsevišķas vājā un elektromagnētiskā mijiedarbība
reliktie gravitoni
Reliktie gravitoni
  • Kad atdalās gravitācijas mijiedarbība, gravitoni sāk kustēties brīvi un mūsdienās izveido tā saukto relikto gravitonu fonu
  • Šis fons ir līdzīgs reliktā starojuma fonam, bet ataino procesus, kas notika pašā Visuma eksistēšanas sākumā
  • Šodien relikto gravitonui temperatūrai būtu jābūt ap 1 K (viļņa garums – daži mikroni)
izple anas s kums
Izplešanas sākums
  • Kāpēc Visums sāka izplesties?
  • Atbildi uz to dod inflācijas teorija
    • Saskaņā ar mūsdienu kvantu lauku teoriju, vakuums var atrasties dažādos stāvokļos
    • Pie tam dažādām temperatūrām (t.i. daļiņu enerģijām) ir stabili dažādi vakuuma stāvokļi ar stipri atšķirīgu enerģijas blīvumu
3 lekcija liel spr dziena teorija 14
3. lekcijaLielā Sprādziena teorija 1
  • Karstā Visuma modelis
  • Agrīnajā Visuma notiekošo procesu teorētiskie pamati un novērojumu bāze
  • Visuma evolūcijas sākums
    • Planka ēra
    • Inflācija
izple an s s kums
Izplešanās sākums
  • Inflācijas teorija apskata vakuuma potenciālās enerģijas (kura ir proporcionāla kosmoloģiskam loceklim ) atkarību no kāda skalāra lauka  (inflatona lauka, visdrīzāk Higsa daļiņu lauka)
  • Šai atkarībai lielām temperatūrām (>> 1027 K) tiek pieņemts viens minimums pie =0
  • Bet var pieņemt, ka mazām temperatūrām raksturs mainās!
izple an s s kums1
Izplešanās sākums

T1 > 1027 K  T2 > T3 > T4 0 K

infl cija
Inflācija
  • Šī atkarība no temperatūras ir tieši tāda pati, kā fāzu pārejā
  • Tāpēc saka, ka agrīnā Visuma notika fizikālā vakuuma (2. veida) fāzu pāreja
  • Pirms šīs fāzu pārejas vakuuma potenciālā enerģija ir liela (dažādi novērtējumi dod no 1077 līdz 1093 g/cm3)
infl cija1
Inflācija
  • Atbilstoši kosmoloģiskās konstantes vērtība ir ļoti liela, un tās atgrūšanās pārsniedz starojuma un vielas pievilkšanos
  • Atcerēsimies pagājušo lekciju – tādā gadījuma izplešanas likums ir , precīzāk,
infl cija2
Inflācija
  • Mūsu gadījumā mēroga faktors dubultojas pēc katras 10-44 sekundes daļas
  • Izplešoties, vielas temperatūra strauji krīt un enerģētiski izdevīgs kļūst stāvoklis ar nenulles  lauka vērtību
  • Tomēr šī fāzu pāreja nevar notikt uzreiz (tapāt kā pastāv pāratdzesēts ūdens)
infl cija3
Inflācija
  • Fāzu pāreja notiek pēc aptuveni 109 raksturīgiem izplešanas laikiem (ap 10-35 s).
  • Atbilstoši telpas apgabala izmērs palielinās reizes
  • Fāzes pārejas laikā veidojas jaunās fāzes “burbuļi”, kuru raksturīgie izmēri ir daudz lielāki par mūsdienu Metagalaktikas izmēru
infl cija4
Inflācija
  • Jaunajā fāzē potenciālā enerģija bija vienāda ar nulli un paātrinātā izplešanās beidzās
  • Taču inflācija iedeva to sākotnējo ātrumu, ar kuru Visums sāka izplesties tālāk!
  • Visa milzīga vakuuma potenciālā enerģija aizgāja uz daļiņu-antidaļiņu rašanos
infl cija6
Inflācija
  • Tātad, inflācijas teorija atrisina vairākas standarta Lielā Sprādziena teorijas problēmas:
    • Telpa ir plakana, jo pēc inflācijas telpa ir ļoti tuva plakanai
    • Telpa paliek homogēna, jo sākotnējās nehomogenitātes tika izsmērētās pa tilpumu, kas daudzkārt pārsniedz Metagalaktikas izmēru
infl cija7
Inflācija
  • Tātad, inflācijas teorija atrisina vairākas standarta Lielā Sprādziena teorijas problēmas:
    • Magnētisko monopolu problēma pazūd, jo monopoli varēja veidoties tikai pirms inflācijas, bet nevarēja pēc tās (1027 K ir pārāk zema temperatūra priekš tā)
    • Telpā eksistē starojums un viela, jo tie radās no vakuuma potenciālās enerģijas pēc fāzu pārejas
infl cija8
Inflācija
  • No sākuma (1980. g.) inflācijas teorija bija tikai skaista teorija
  • Bet 2000. gadā reliktā starojuma novērojumu norādīja (un 2003. gada dati ar noteiktību apstiprināja) uz to, ka inflācijas fāze tiešām notika agrīnā Visuma evolūcijas stadijā
  • Uz šo brīdi tā ir vispārpieņemtā teorija
haotisk infl cija
Haotiskā inflācija
  • Kā tika pieminēts, ir arī trešais ceļš, kā iztēloties Visuma sākumu
  • Var pieņemt, ka Visumam nekad nav bijis sākums, un tas pamatā atrodas mūžīgā inflācijas stadijā
  • Tikai dažos niecīgos apgabalos (piemēram, mūsu Metagalaktikā) inflācija ir beigusies
haotisk infl cija1
Haotiskā inflācija
  • Šī teorija būtiski izmanto kvantu fluktuāciju jēdzienu
    • Kvantu fluktuācijas ir nejaušās un neprognozējamās kāda parametra izmaiņas
    • Šādu fluktuāciju lielumu parāda Heizenberga nenoteiktības sakarības
haotisk infl cija2
Haotiskā inflācija
  • Teorija uzskata, ka Visuma normālajā stā-voklī tam ir Planka blīvums un temperatūra
  • Fluktuāciju rezultātā vakuuma blīvums var nedaudz samazināties vai arī palielināties
  • Ja blīvums samazinās, tad samazinās arī fluktuācijas
  • Ja blīvums stipri palielinās, tad fluktuācijas arī dilst, jo vairāk par Pl nevar būt
haotisk infl cija3
Haotiskā inflācija
  • Pastāvēs tādi apgabali, kuros vakuuma blīvums būs stipri mazāks par Planka blīvumu
  • Tie apgabali izpletīsies lēnāk un būs mazāki
  • Tajos blīvums var samazināties tiktāl, ka fluktuācijas ir mazākas par likumsakarīgo blīvuma samazināšanos (sk. inflācija)