Historia naturalna pewnego Uniwersum Historia naturalna pewnego Uniwersum i Homo Sapiens Sapiensi Homo Sapiens Sapiens

GENEZIS – POWSTANIE UNIWERSUMGENEZIS – POWSTANIE UNIWERSUM

Dobiesław NazimekDobiesław Nazimek

e-mail: e-mail: dobieslaw.nazimek@up.lublin.pldobieslaw.nazimek@up.lublin.pl

Katedra Energetyki i Pojazdów, Katedra Energetyki i Pojazdów, Wydział Inżynierii Produkcji, Wydział Inżynierii Produkcji,

Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie, Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie, 20-950 Lublin, ul. Akademicka 1320-950 Lublin, ul. Akademicka 13

Przesłanki...Przesłanki...

Przesłanki czyli co z tym światłem...Przesłanki czyli co z tym światłem...

Przesłanki...Przesłanki...

W 1964 r. Arno Penzias i Robert Wilson odkryli promieniowanie tła.

Widmo promieniowania tła zgadza się z widmem promieniowania ciała doskonale czarnego.

Wyniki COBE

T = (2,7250,002) K

1992 r. sonda kosmiczna COBE 2006

Model Model standardowystandardowy

Taki był początek.....Taki był początek.....     1010-43-43 sekundy – dziesięciowymiarowy wszechświat rozpada się na cztero- i sześciowymiarowy. sekundy – dziesięciowymiarowy wszechświat rozpada się na cztero- i sześciowymiarowy.

Sześciowymiarowy wszechświat zapada się do rozmiaru 10Sześciowymiarowy wszechświat zapada się do rozmiaru 10 -32-32 centymetra. Czterowymiarowy centymetra. Czterowymiarowy wszechświat rozszerza się gwałtownie. Temperatura wynosi 10wszechświat rozszerza się gwałtownie. Temperatura wynosi 103232 kelwinów, gęstość 10 kelwinów, gęstość 109797 kg/m kg/m33. .

                1010-35-35 sekundy – siła GUT (Grand Unified Theory) rozpada się; silne oddziaływanie nie jest już sekundy – siła GUT (Grand Unified Theory) rozpada się; silne oddziaływanie nie jest już zjednoczone z elektrosłabym. Mały fragment większego wszechświata rozszerza się 10zjednoczone z elektrosłabym. Mały fragment większego wszechświata rozszerza się 105050 razy, razy, stając się ostatecznie naszym widzialnym Uniwersum. Pojawiają się kwarki i antykwarki. Dzięki stając się ostatecznie naszym widzialnym Uniwersum. Pojawiają się kwarki i antykwarki. Dzięki złamaniu symetrii między materią i antymaterią powstaje więcej kwarków niż antykwarków. Na złamaniu symetrii między materią i antymaterią powstaje więcej kwarków niż antykwarków. Na każde 30 miliardów utworzonych wówczas antycząstek pojawiało się jednocześnie 30 miliardów i każde 30 miliardów utworzonych wówczas antycząstek pojawiało się jednocześnie 30 miliardów i jedna cząstka. jedna cząstka.

        1010-9-9 sekundy – temperatura wynosi teraz 10 sekundy – temperatura wynosi teraz 101515 kelwinów i rozpada się symetria elektrosłaba. kelwinów i rozpada się symetria elektrosłaba.         1010-3-3 sekundy – kwarki zaczynają łączyć się w neutrony i protony. Temperatura wynosi około 10 sekundy – kwarki zaczynają łączyć się w neutrony i protony. Temperatura wynosi około 101414

kelwinów. kelwinów.                 3 minuty – protony i neutrony łączą się w stabilne jądra atomowe. Energia przypadkowych 3 minuty – protony i neutrony łączą się w stabilne jądra atomowe. Energia przypadkowych

zderzeń nie jest już wystarczająco duża, aby rozbijać powstające jądra atomowe. Jednak zderzeń nie jest już wystarczająco duża, aby rozbijać powstające jądra atomowe. Jednak przestrzeń jest ciągle nieprzeźroczysta dla neutrin. Gdy temperatura spadła do 10przestrzeń jest ciągle nieprzeźroczysta dla neutrin. Gdy temperatura spadła do 101010 kelwinów, kelwinów, przestrzeń stałą się przeźroczysta dla neutrin. Oddzielają się one od materii i do dziś pozostają we przestrzeń stałą się przeźroczysta dla neutrin. Oddzielają się one od materii i do dziś pozostają we wszechświecie w postaci cząstek swobodnych. Po 10 sekundach od Wielkiego Wybuchu wszechświecie w postaci cząstek swobodnych. Po 10 sekundach od Wielkiego Wybuchu rozpoczęła się synteza jąder helu i deuteru oraz śladowych ilości litu. W 500 sekund od chwili rozpoczęła się synteza jąder helu i deuteru oraz śladowych ilości litu. W 500 sekund od chwili „zero” gęstość i temperatura Wszechświata spada na tyle, że kończy się era pierwotnej „zero” gęstość i temperatura Wszechświata spada na tyle, że kończy się era pierwotnej nukleosyntezy. Materia składa się z mniej niż 25% helu, 75% wodoru, 10nukleosyntezy. Materia składa się z mniej niż 25% helu, 75% wodoru, 10 -3-3% deuteru i śladowych % deuteru i śladowych ilości litu. Materia pozostaje w stanie całkowitej jonizacji.ilości litu. Materia pozostaje w stanie całkowitej jonizacji.

                300 tysięcy lat (10300 tysięcy lat (101313 sekund) – era promienista. Temperatura ośrodka obniża się do kilku tysięcy sekund) – era promienista. Temperatura ośrodka obniża się do kilku tysięcy kelwinów. Jądra atomowe otaczają się elektronami. Następuje rozdzielenie materii od kelwinów. Jądra atomowe otaczają się elektronami. Następuje rozdzielenie materii od promieniowania. Promieniowanie i materia zaczynają ewoluować odrębnie. Era ta to dominacja promieniowania. Promieniowanie i materia zaczynają ewoluować odrębnie. Era ta to dominacja materii nad promieniowaniem. Promieniowanie w wyniku ekspansji zmniejszało swoją temperaturę materii nad promieniowaniem. Promieniowanie w wyniku ekspansji zmniejszało swoją temperaturę tak, że dzisiaj temperatura promieniowania tła (promieniowanie reliktowe) ma wartość zaledwie 2.7 tak, że dzisiaj temperatura promieniowania tła (promieniowanie reliktowe) ma wartość zaledwie 2.7 K. K.

                Około 1 mld lat po wybuchu – z chmur zimnego wodoru i helu wykształcają się protogalaktyki. Około 1 mld lat po wybuchu – z chmur zimnego wodoru i helu wykształcają się protogalaktyki. Zaczyna się era galaktyczna, powstaje pierwszy Wszechświat, całkowicie abiogenny, złożony w Zaczyna się era galaktyczna, powstaje pierwszy Wszechświat, całkowicie abiogenny, złożony w zasadzie jedynie z trzech pierwiastków, wodoru, helu i deuteru (no i oczywiście śladów litu).zasadzie jedynie z trzech pierwiastków, wodoru, helu i deuteru (no i oczywiście śladów litu).

Ewolucja UniwersumEwolucja Uniwersum

Na początku był wodór....Na początku był wodór....

Gwiazdy umierają....Gwiazdy umierają....

Po wybuchu supernowej Po wybuchu supernowej pulsar lub czarna dziurapulsar lub czarna dziura

Powody powstawania colapsara....Powody powstawania colapsara....

Za dużo węgla za mało berylu.....Za dużo węgla za mało berylu.....

H

Fe

C

Masa atomowa

Ro

zpo

wsz

ech

nie

nie

Hybrydyzacja - unikalne właściwości atomu węglaHybrydyzacja - unikalne właściwości atomu węgla

Kolebka gwiazd i systemów planetarnychKolebka gwiazd i systemów planetarnych

Tworzy się Słoneczne Imperium...Tworzy się Słoneczne Imperium...

Imperium Słońca dzisiajImperium Słońca dzisiaj

Dalej niż daleko .... Pluton i CharonDalej niż daleko .... Pluton i Charon

Chmura OortaChmura Oorta

A może kreacja Uniwersum.....jest A może kreacja Uniwersum.....jest też procesem ewolucyjnym?też procesem ewolucyjnym?

Ale co wybuchło i dlaczego? Czyli Ale co wybuchło i dlaczego? Czyli Wszechświat inflacyjny – próba Wszechświat inflacyjny – próba

poszukiwania nowej teorii pochodzenia poszukiwania nowej teorii pochodzenia Uniwersum Uniwersum

Wstydliwy problem Wstydliwy problem płaskości....płaskości....

• - czyli stosunek rzeczywistej gęstości materii w Uniwersum do gęstości krytycznej- czyli stosunek rzeczywistej gęstości materii w Uniwersum do gęstości krytycznej

•Uniwersum wydaje się płaskieUniwersum wydaje się płaskie

•A to znaczy, że już w sekundę po Wielkim Wybuchu A to znaczy, że już w sekundę po Wielkim Wybuchu musiała zawierać się pomiędzy: musiała zawierać się pomiędzy: 0.999999999999999 a 1.000000000000001!!0.999999999999999 a 1.000000000000001!!

Wynik badania promieniowania reliktowego (2003):

02,002,1 tot

Suma kątów w trójkącie równa jest 1800

Linie równoległe nie przecinają się

Geometria UniwersumGeometria Uniwersum

Geometria UniwersumGeometria Uniwersum

•Ω = 1 Ω = 1 Wszechświat płaskiWszechświat płaski

•Ω>1 Ω>1 Wszechświat zamkniętyWszechświat zamknięty

•Ω<1 Ω<1 Wszechświat otwartyWszechświat otwarty

< 1

> 1

= 1

Geometria UniwersumGeometria Uniwersum

Ekspansja UniwersumEkspansja Uniwersum

jasn

ość

Ekspansja UniwersumEkspansja Uniwersum

W 1979 roku Alan Guth zaproponował teorię Wszechświata inflacyjnego, która mówiła, że Wszechświat prawie na samym początku swego istnienia przeszedł fazę wykładniczej (niezwykle szybkiej) ekspansji, podczas której powiększył swe rozmiary przynajmniej 1025 razy w czasie szacowanym na 10-30 sekundy. Wszechświat na początku cechowały tzw. pola Higgsa o zerowych wartościach i bardzo wysokich gęstościach energii. Ze spadkiem temperatury pola te nie zmniejszały gęstości energii, tylko trwały w tym stanie względnie długo. Były w stanie tzw. przechłodzenia. Nosi on nazwę fałszywej próżni. Ze względu na ujemne ciśnienie, które ją cechuje, wywiera ona też wewnętrznie ujemną siłę grawitacyjną na siebie. Wskutek tego odpychania grawitacyjnego nastąpiło gwałtowne rozdęcie wczesnego Wszechświata – inflacja. Po czasie 10-30 s fałszywa próżnia zamieniała się w zwykłą próżnię o małych gęstościach energii i niezerowych polach Higgsa. Dalsza ekspansja była już taka, jaką przewiduje standardowy model Big Bangu.

Inflacja Uniwersum......Inflacja Uniwersum......

Problem próżni kwantowejProblem próżni kwantowej

Dwie teorieDwie teorie

Problem próżni kwantowej i spontaniczne Problem próżni kwantowej i spontaniczne łamanie symetriiłamanie symetrii

Problem płaskości znikaProblem płaskości znika

Jeśli miała miejsce inflacja, problem Jeśli miała miejsce inflacja, problem płaskości znika. W trakcie inflacji wpływ płaskości znika. W trakcie inflacji wpływ grawitacji zostaje odwrócony. Omega, grawitacji zostaje odwrócony. Omega, zamiast oddalać się od jedności zbliża zamiast oddalać się od jedności zbliża się do tej wartości. Po stu „czasach” się do tej wartości. Po stu „czasach” podwojenia różnica pomiędzy wartością podwojenia różnica pomiędzy wartością ΩΩ a 1 zmniejsza się o czynnik 10 a 1 zmniejsza się o czynnik 106060. Tak . Tak więc początkowa wartość więc początkowa wartość ΩΩ, przed , przed inflacją, może być w zasadzie inflacją, może być w zasadzie dowolna....dowolna....

Teoria a obserwacje i konsekwencje....Teoria a obserwacje i konsekwencje....

Stała Hubble’a a wiek UniwersumStała Hubble’a a wiek Uniwersum

)(3

471MPcs

kmH

Czy nasze Uniwersum jest najbardziej Czy nasze Uniwersum jest najbardziej prawdopodobne?prawdopodobne?

Pr = 10Pr = 10-287-287 ! !

Żyjemy w jakimś zupełnie Żyjemy w jakimś zupełnie nieprawdopodobnym nieprawdopodobnym

Wszechświecie !!! Ale może on Wszechświecie !!! Ale może on musi taki być aby mogło powstać musi taki być aby mogło powstać

w nim życie ?w nim życie ?

Nowa teoria n-bran – czyli wieczne i powtarzalne Nowa teoria n-bran – czyli wieczne i powtarzalne Uniwersum... i Big BangUniwersum... i Big Bang

M-teoria − jedna z potencjalnych teorii wszystkiego, czyli teorii opisującej w uniwersalny, spójny sposób prawa fizyki. Została wymyślona w 1995 roku przez Edwarda Wittena. Jej powstanie, zwane drugą rewolucją superstrunową, wywołało spory fizyków z powodu nieznanej możliwości jej eksperymentalnego sprawdzenia.

Erozja teorii.... Erozja teorii....

Erozja teorii.... Erozja teorii....

Jeden z najbardziej znanych i najbardziej wstydliwych dla współczesnej fizyki problemów. Ciemna energia jest hipotetyczną formą energii, która wypełnia cały Wszechświat.

Posiada niezwykłe właściwości, takie jak np. ujemne ciśnienie. W odróżnieniu od ciemnej materii, ciemna energia miałaby być rozłożona w całej przestrzeni jednorodnie.

Oddziaływanie ciemnej energii musi mieć charakter odpychający, gdyż inaczej, wpływałaby dynamicznie na widoczną materię. Tymczasem - żadnego takiego wpływu nie zaobserwowano.

Znane nam współcześnie zasady mechaniki i fizyki nie pozwalają wyjaśnić niektórych zjawisk zachodzących w przestrzeni kosmicznej. Przede wszystkim tego, iż nie wiemy dlaczego łączna gęstość pierwiastków chemicznych i ciemnej materii we Wszechświecie stanowi zaledwie około jednej czwartej wartości postulowanej przez większość teoretyków (tzw. gęstości krytycznej).

Dlatego naukowcy badający Wszechświat musieli wprowadzić dodatkową energię, której wkład wyrównałby brakujące trzy czwarte całkowitej gęstości energii.

Erozja teorii.... Erozja teorii....

Żeby sprawę uczynić jeszcze bardziej zagadkową, mniej więcej w tym samym czasie inna grupa, kierowana przez Aleksandra Kashlinsky’ego z NASA, doniosła o jeszcze bardziej sensacyjnym odkryciu. Analizując ruch już nie galaktyk, lecz całych galaktycznych gromad, naukowcy zauważyli, że poruszają się one w kierunku bardzo zbliżonym do otrzymanego przez grupę Watkinsa. Według nich, ruch gromad galaktycznych na przestrzeni do co najmniej 1,5 mld lat świetlnych odbywa się z prędkością ok. 2–3 mln km/godz. Dodatkowo, nie stwierdzili, aby ruch ten wykazywał tendencję do zaniku, co sugeruje, że może odbywać się także dalej, w rejonach przez Kashlinsky’ego nieobserwowanych.

Jest to odkrycie zupełnie zaskakujące, ponieważ w ramach obecnie przyjętych poglądów na naturę Wszechświata taki wielkoskalowy ruch nie ma prawa istnieć! Tak więc, o ile ruch potwierdzony przez grupę Watkinsa jeszcze mieści się w ramach standardowego, ogólnie przyjętego modelu kosmologicznego, o tyle już poruszające się gromady galaktyczne w odległości 1,5 mld lat świetlnych są zupełnie nie do pomyślenia. Po prostu ten ruch w ogóle nie powinien mieć miejsca, gdyż istniejące struktury w naszym Wszechświecie nie mogą czegoś podobnego swoim przyciąganiem grawitacyjnym wygenerować. Co więcej, najnowsze badania ogłoszone w „The Astrophysical Journal Letters” sugerują, że mamy dowody, iż ruch ten sięga swoim zakresem niemalże dwukrotnie dalej niż początkowo sądzono. – Nawet w odległości 2,5 mld lat świetlnych – mówi Kashlinsky, który uważa, że najprawdopodobniej odbywa się on wszędzie w widocznym dla nas Wszechświecie.

A jak to się skończy....A jak to się skończy....

Za 100 mld lat umrą wszystkie Za 100 mld lat umrą wszystkie gwiazdy w Galaktykach....gwiazdy w Galaktykach....

Trzy scenariusze końca Uniwersum....Trzy scenariusze końca Uniwersum....

W ostatnim akordzie trwania Uniwersum, gdzieś przed 10W ostatnim akordzie trwania Uniwersum, gdzieś przed 10 -32 -32 sekundy, sekundy, przed ostatecznym kolapsem, wyłoni się nasz bratni przed ostatecznym kolapsem, wyłoni się nasz bratni sześciowymiarowy Wszechświat, aby dać znowu 10-cio wymiarową sześciowymiarowy Wszechświat, aby dać znowu 10-cio wymiarową strukturę. Ta, nie będąc trwała, załamie się i otworzy się znowu tunel strukturę. Ta, nie będąc trwała, załamie się i otworzy się znowu tunel czasoprzestrzenny, powodując Wielki Wybuch .....czasoprzestrzenny, powodując Wielki Wybuch .....

Raz rozpoczęta inflacja nigdy nie zanika, tak więc po 4 mld lat Raz rozpoczęta inflacja nigdy nie zanika, tak więc po 4 mld lat trwania Uniwersum pojawiła się siła, którą można utożsamiać z trwania Uniwersum pojawiła się siła, którą można utożsamiać z antygrawitacją i Wszechświat rozszerza się coraz szybciej. Kiedyś antygrawitacją i Wszechświat rozszerza się coraz szybciej. Kiedyś rozbiegną się wszystkie galaktyki i gwiazdy a Uniwersum będzie rozbiegną się wszystkie galaktyki i gwiazdy a Uniwersum będzie pustą i czarną przestrzenią, aż do momentu, gdy przetuneluje do pustą i czarną przestrzenią, aż do momentu, gdy przetuneluje do niego mały pęcherzyk próżni kwantowej ...... pojawi się niego mały pęcherzyk próżni kwantowej ...... pojawi się 10-cio 10-cio wymiarowwymiarowaa struktur strukturaa. Ta, nie będąc trwała, załamie się i otworzy się . Ta, nie będąc trwała, załamie się i otworzy się znowu tunel czasoprzestrzenny, powodując Wielki Wybuch ..znowu tunel czasoprzestrzenny, powodując Wielki Wybuch .. ......

Jeżeli ciemna energia przezwycięży grawitację, to .... może nastąpić Jeżeli ciemna energia przezwycięży grawitację, to .... może nastąpić Wielkie Rozdarcie i wówczas umrze również materia... I to już będzie Wielkie Rozdarcie i wówczas umrze również materia... I to już będzie prawdziwy i nieuchronny koniec Uniwersum. Najgorsze jest to, że nie prawdziwy i nieuchronny koniec Uniwersum. Najgorsze jest to, że nie potrafimy określić kiedy to nastąpi... jeżeli nastąpi....potrafimy określić kiedy to nastąpi... jeżeli nastąpi....

Czekając na pytania...Czekając na pytania...

Dziękuję za uwagęDziękuję za uwagę