Vývoj vesmíru z hlediska Vývoj vesmíru z hlediska fyzikyfyziky

Monika Klapková

monika.klapkova@seznam.cz

I. Dějiny vesmíruI. Dějiny vesmíru1. Jak vznikl svět? Mýty - pojetí

různých kultur.2. Poznatky prvních filosofů a vědců3. Nástup objevů fyzikálních zákonů4. Z čeho vznikl vesmír?5. Má vesmír počátek?6. Co je to čas? Pojem absolutní čas a

prostoročas7. Modely vesmíru a jak se k nim

dospělo8. Teorie velkého třesku, vznik hvězd

a galaxií, vznik sluneční soustavy9. Z čeho je vesmír, temná hmota ve

vesmíru10. Budoucnost vesmíru11. Bonusy

Počátky kosmologiePočátky 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.

Jak vznikl svět? Mýty a pojetí různých Jak vznikl svět? Mýty a pojetí různých kulturkultur

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.

Jak vznikl svět? Mýty a pojetí různých Jak vznikl svět? Mýty a pojetí různých kulturkultur

• 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

Jak vznikl svět? Mýty a pojetí různých Jak vznikl svět? Mýty a pojetí různých kulturkultur

V hindském pojetí vesmíru spočívá Země na hřbetech šesti slonů, peklo pak nese želva ležící na hadovi.

Jak vznikl svět? Mýty a pojetí různých Jak vznikl svět? Mýty a pojetí různých kulturkulturSeverská 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 × Temnota

Všechny světy spojuje Yggdrasil, strom světa.

Jak vznikl svět? Mýty a pojetí různých Jak vznikl svět? Mýty a pojetí různých kulturkultur

Středověké znázornění raně řecké představy ploché Země, která plave na vodě

Poznatky prvních filosofů a vědcůPoznatky prvních filosofů a vědců

• Proč je Země kulatá a jaký je její poloměr?• Jak daleko je Slunce, Měsíc, planety a

hvězdy?

Poznatky prvních filosofů a vědcůPoznatky prvních filosofů a vědců

• Ptolemaios rozvinul Aristotelovy myšlenky a vytvořil úplný kosmologický model sluneční soustavy, kde Zemi umístil do středu Sluneční soustavy

Poznatky prvních filosofů a vědcůPoznatky 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.

Nástup objevů fyzikálních zákonůNástup objevů fyzikálních zákonů

• Newtonova teorie pohybu a teorie gravitace1687!

• Myšlenka nekonečného a neměnného vesmíru

• Olbersův paradox 1823Pokud 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

Nástup objevů fyzikálních zákonůNástup 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

Nástup objevů fyzikálních zákonůNástup objevů fyzikálních zákonů

• Einsteinova teorie gravitace – obecná teorie relativity, zakřivený prostoročas

• Max Planck – 1900 kvantová teorie

Nástup objevů fyzikálních zákonůNástup 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

Nástup objevů fyzikálních zákonůNástup objevů fyzikálních zákonů• Z OTR 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

Dopplerův jev Dopplerův jev – rudý posuv– rudý posuv

Spektrální analýzaSpektrální analýza

• Emisní spektra• Absorpční spektra Dávají informace

o fyzikálních podmínkách (teplota) a o složení vesmírné hmoty

Z čeho je vesmír?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.

Interakce ve vesmíruInterakce ve vesmíru

• Čtyři druhy interakcí: silná, slabá , gravitační a elektromagnetická

• Vzájemné působení dvou částic lze znázornit jako výměnu částic, zprostředkujících sílu

Anihilace hmotyAnihilace 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

Jaká je velikost vesmíru?Jaká je velikost vesmíru?

Rozpínání vesmíruRozpínání 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.

Kosmické reliktní zářeníKosmické 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

Velký třesk a vznik galaxiíVelký třesk a vznik galaxií

Velký třeskVelký 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.

Proč Big Bang?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

Teorie stacionárního vesmíruTeorie 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.

Vznik a vývoj hvězdVznik 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

Vznik a vývoj hvězdVznik a vývoj hvězd

Budoucnost vesmíruBudoucnost vesmíru

Existují 3 druhy modelů, jak se bude ubírat vývoj vesmíru:

• Otevřený vesmír• Plochý vesmír• Uzavřený vesmír

Budoucnost vesmíruBudoucnost 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.

ShrnutíShrnutí

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.

Obrovský disk chladného plynu a Obrovský disk chladného plynu a prachu je „potravou“ černé díry v jádru prachu je „potravou“ černé díry v jádru NGCNGC

Oblaka plynu odvržená „umírající“ Oblaka plynu odvržená „umírající“ hvězdouhvězdou

Obraz vzdálených galaxií v inverzních Obraz vzdálených galaxií v inverzních barvách pořízený Hubbleovým barvách pořízený Hubbleovým teleskopemteleskopem

Spirální galaxie M100Spirální galaxie M100

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

Šňůra kosmických perel obklopující Šňůra kosmických perel obklopující explodující hvězduexplodující hvězdu

„„Kanibalismus“ galaxiíKanibalismus“ galaxií

Disk prachu okolo černé díryDisk prachu okolo černé díry

Gravitační čočka zvětšuje jasnost Gravitační čočka zvětšuje jasnost vzdálených galaxiívzdálených galaxií

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

Nové hvězdy rodící se uvnitř prachu a Nové hvězdy rodící se uvnitř prachu a plynuplynu

Červený veleobrČervený veleobr

Květen 2002 Září 2002 Říjen Květen 2002 Září 2002 Říjen 20042004