Fizyka XX wieku

Promienie Rentgena

Promienie katodowe (elektrony)

Promieniotwórczość Henri Becquerel Maria i Piotr Curie

Model J.J. Thomsona (ciasto z rodzynkami) wzorował się na pracy Mayera z 1878 roku nt. stabilnych kombinacji magnesów

„Cudowny rok” Alberta Einsteina 26-letni urzędnik Biura Patentowego w Bernie publikuje w „Annalen der Physik” serię rewolucyjnych prac z fizyki Światło ma naturę kwantową (praca nagrodzona w 1922 r. nagrodą Nobla). Wyjaśnienie ruchów Browna i praca nt. wyznaczania rozmiarów molekuł przedstawiona jako doktorat na uniwersytecie w Zurychu (jeszcze nie wszyscy uczeni wierzą w istnienie atomów i cząsteczek) Szczególna teoria względności (największa zmiana koncepcji czasu i przestrzeni od Newtona, czas absolutny nie istnieje, wzór E=mc 2 ).

Szczególna teoria względności Prędkość światła c jest maksymalną granicą prędkości w przyrodzie. Każdy obserwator zmierzy tę samą wartość c=3·10 8 m/s

Paradoks bliźniąt Czas własny jest najdłuższy dla prostoliniowej linii świata: nierówność trójkąta w przestrzeni Minkowskiego

Ernest Rutherford Geiger i Rutherford promieniotwórczość oraz odkrycie jądra atomowego; datowanie promieniotwórcze

Niels Bohr

Ruch peryhelium Merkurego – Le Verrier 41’’/stulecie niewyjaśnione Gdyby F  1/r n gdzie n=2, ? Wulkan?

Geometria nieeuklidesowa W sferycznej nie ma linii równoległych, w hiperbolicznej jest nieskończenie wiele. Suma kątów trójkąta sferycznego jest większa od 180º, hiperbolicznego – mniejsza. Tylko w euklidesowej nie zależy od rozmiarów trójkąta.

Twórcy geometrii nieeuklidesowej Carl Friedrich Gauss – książę matematyków ( ) Janos Bolyai ( ) Nikołaj Łobaczewski ( )

Bernhard Riemann ( ) Wielowymiarowa geometria na rozmaitościach Funkcja dzeta, określona na całej płaszczyźnie zespolonej oprócz punktu s=1. Hipoteza Riemanna: każde nietrywialne zero tej funkcji ma Re(s)= ½.

Równania Einsteina Skrótowy zapis dla 10 równań R, g określają krzywiznę  stała kosmologiczna (największy błąd Einsteina?) T - tensor energii-pędu (określa materię) Materia mówi czasoprzestrzeni, jak się zakrzywiać Czasoprzestrzeń mówi materii, jak się poruszać

Zakrzywienie światła w polu grawitacyjnym List Einsteina do astronoma Hale’a z przewidywaniem efektu zakrzywienia światła w pobliżu Słońca Całkowite zaćmienie Słońca – w takiej sytuacji po raz pierwszy potwierdzono teorię Einsteina w roku 1919

Powstanie mechaniki kwantowej ( ) Werner Heisenberg Erwin Schrödinger P. A. M. Dirac

Dyfrakcja, interferencja

Zasada nieoznaczoności a atom wodoru Energia kinetyczna plus potencjalna elektronu w polu ES protonu Minimum energii osiągamy przy wartościach r i E: Jest to tzw. promień Bohra oraz zgodna z doświadczeniem energia jonizacji atomu wodoru. Ścisła zgodność jest przypadkiem, ale zbieżność rzędów wielkości jest fundamentalna.

Ucieczka galaktyk (Edwin Hubble, 1929)

Ucieczka galaktyk?

Efekt Dopplera

Rozszerzający się wszechświat Każdy obserwator widzi taki sam obraz (średnio biorąc) Z obserwowanej szybkości ekspansji można obliczyć czas Hubble'a t H : jak dawno temu wszystkie galaktyki byłyby obok siebie, gdyby tempo ekspansji się nie zmieniało. Wyznaczane wartości t H były kiedyś krótsze niż wiek skał albo gromad kulistych; obecnie przyjmuje się około 10 mld. lat, sprzeczności już nie ma. Znika paradoks Olbersa (ciemnego nieba)

Wszechświat jest jednorodny i izotropowy w odpowiednio wielkiej skali

Ewolucja gwiazd i ich źródła energii

Diagram Hertzsprunga-Russella

Wnętrze Słońca Nie ma nic prostszego niż gwiazda… [Arthur Eddington]

Cykl proton-proton Bethe i Critchfield (1938) Hans Bethe

Ewolucja z ciągu głównego

Krótka historia czarnych dziur

Syriusz B

Fotografia Syriusza A i B

Orbita Syriusza A i B

Rozwiązanie Schwarzschilda (1915) Promień Schwarzschilda (dla Słońca 3 km):

Subrahmanyan Chandrasekhar (Chandra) Arthur Stanley Eddington Białe karły nie mogą mieć masy przekraczającej 1,4 masy Słońca (granica Chandrasekhara)

Rozbłysk supernowej w M51

SN w M51

Mgławica Krab (M1)

Pulsar w mgławicy Krab (SN w roku 1054 )

Kolaps grawitacyjny

Cygnus X-1 masa gwiazdy jasnej 30 mas Słońca masa gwiazdy jasnej 30 mas Słońca masa ciemnego towarzysza 7 mas Słońca masa ciemnego towarzysza 7 mas Słońca migocze w setnych sekundy: rozmiary rzędu tysiąca km migocze w setnych sekundy: rozmiary rzędu tysiąca km promień Schwarzschilda promień Schwarzschilda

Promieniowanie Hawkinga Czarne dziury promieniują jak ciało doskonale czarne Mają entropię proporcjonalną do pola powierzchni horyzontu zdarzeń

Pierwszy tranzystor (1948, Bardeen, Brattain, Shockley)

Laser Theodore Maiman (1960)

Mikroskop tunelowy (1981) Gerd Binning, Heinrich Rohrer Laboratorium IBM, Szwajcaria

Komputery Alan Turing John von Neumann Tim Berners-Lee

Pierwsze realizacje Bill Hewlett i David Packard w garażu, 1939 ENIAC, 1946

Chaos deterministyczny

Henri Poincaré Szeregi perturbacyjne Laplace’a i Le Verriere’a nie są zbieżne. Układ Słoneczny nie musi być stabilny.

Czas Lapunowa Rozbieżność dwóch torów rośnie wykładniczo z czasem. Czas, po którym rozbieżność rośnie e=2,718 razy nazywa się czasem Lapunowa t L. Po upływie 25t L początkowa rozbieżność o 1m urasta o czynnik Oznacza to, że początkowy błąd 1m urasta do połowy jednostki astronomicznej (odległości Ziemia- Słońce) Czas istnienia Układu Slonecznego 4,5 mld. lat = 4500 mln. lat Wyniki G. J. Sussmana i J. Wisdoma dla Plutona (1988). Czas Lapunowa równy jest około 10 mln. lat. Po 300 mln. lat przewidywania położenia Plutona są niemożliwe.

Chaos w Układzie Słonecznym Kształt orbity Ziemi (dokładnie: mimośród) gdy popełnimy na początku błąd w położeniu o 10 -n radianów, to po n·10 mln. lat przewidywania przestają być możliwe sekundy kątowej po 100 mln. lat urasta do 100 stopni. Rozmieszczenie planet wewnętrznych (Merkury, Wenus, Ziemia, Mars) jest stabilne - nie grozi nam wyrzucenie z Układu Słonecznego. Nie można jednak przewidywać położeń i szczegółowych orbit w długiej skali czasowej. Planety zewnętrzne (Jowisz, Saturn, Uran, Neptun) poruszają się bardziej regularnie, choć niektóre obliczenia także w tym przypadku prowadziły do zachowań chaotycznych. J. Laskar (1999)

Planety zewnętrzne Dla planet zewnętrznych w granicach dokładności obecnych pomiarów (ok ) otrzymuje się zarówno rozwiązania chaotyczne, jak i regularne. Aby rozstrzygnąć, która ewentualność zachodzi, potrzeba jeszcze dokładniejszych danych obserwacyjnych. W przypadku rozwiązań chaotycznych czas Lapunowa może być rzędu zaledwie 10 mln. lat. Orbity planet są mniej więcej stałe, ale przewidywania położeń planet na orbitach mogą być niemożliwe w dłuższym okresie. Różne rozwiązania dla planet zewnętrznych zgodne z obecnymi obserwacjami W. Hayes (Nature, 2007)

Cząstki elementarne i Wielki Wybuch

Elektrodynamika kwantowa (QED) R. P. Feynman i jego diagramy Tomonaga

Niektórzy twórcy teorii cząstek elementarnych M. Gell-Mann A. Salam S. Weinberg

Model standardowy

Odkrycie promieniowania tła, rok 1965

Promieniowanie reliktowe

Wielki Wybuch

Kosmologiczne supernowe (1998-) Brian Schmidt i Saul Perlmutter oraz ich zespoły

Kosmologia początku XXI wieku

Historia wszechświata