Elementy filozofii kosmologii

Slides:



Advertisements
Podobne prezentacje
Jak powstał Wszechświat?
Advertisements

Krzywa rotacji Galaktyki
Radioźródła pozagalaktyczne
Ewolucja Wszechświata
Ewolucja Wszechświata
Festiwal Nauki Politechnika Warszawska Wydział Fizyki.
Ewolucja Wszechświata
Andrzej Radosz Instytut Fizyki
Festiwal Nauki Politechnika Warszawska Wydział Fizyki.
Obserwacje astronomiczne
Historia naturalna pewnego Uniwersum i Homo Sapiens Sapiens GENEZIS – POWSTANIE UNIWERSUM Dobiesław Nazimek
gwiazdy nauki światowej
Festiwal Nauki w Centrum Fizyki Teoretycznej PAN
Fizyka współczesna Nadprzewodnictwo
Kosmologiczne Powiązania w Przyrodzie
test wyboru Ewolucja Wszechświata
Test wyboru Ewolucja Wszechświata Fizyka. zasady 40 pytań (40 x 50 sekund + 40 x 15 sekund) Każde pytanie ma 4 możliwe odpowiedzi. Odpowiedzi prawidłowych.
Ewolucja Wszechświata Wykład 6
Początki Wszechświata
Ewolucja Wszechświata Wykład 6
Ewolucja Wszechświata
Ewolucja Wszechświata
, Prawo Gaussa …i magnetycznego dla pola elektrycznego…
FIZYKA III MEL Fizyka jądrowa i cząstek elementarnych
FIZYKA III MEL Fizyka jądrowa i cząstek elementarnych
Elementy kosmologii Rozszerzający się Wszechświat
?.
WIELKI WYBUCH Standardowy Model Kosmologiczny Big Bang
EWOLUCJA GWIAZD Na podstawie diagramu Hertzsprunga - Russella.
Współcześnie na podstawie obserwacji stwierdza się, że Wszechświat ciągle się rozszerza, a to oznacza, że kiedyś musiał być mniejszy. Powstaje pytanie:
Elementy filozofii kosmologii
Dlaczego we Wszechświecie
Co to jest teoria względności?
Filozofia przyrody Wykład 10. Elementy filozofii kosmologii
Nasz rozszerzający się Wszechświat
Opracowała: Klaudia Kokoszka
KOSMICZNE ROZBŁYSKI Z ODLEGŁYCH GALAKTYK
Nasza Galaktyka.
PRZYGOTOWAŁA PROJEKT:
Czarna dziura Patryk Olszak.
Historia Późnego Wszechświata
Historia Wczesnego Wszechświata
Ewolucja Wszechświata
Ewolucja galaktyk Agnieszka Pollo
Wczesny Wszechświat Krzysztof A. Meissner CERN
Teorie powstania Wszechświata
Historia Wszechświata w (dużym) skrócie Agnieszka Pollo Instytut Problemów Jądrowych Warszawa Obserwatorium Astronomiczne UJ Kraków.
SŁOŃCE.
Elementy filozofii kosmologii
Teoria promieniowania cieplnego
Astronomia gwiazdowa i pozagalaktyczna II Wielkoskalowa struktura Wszechświata: od CMB do dzisiejszej struktury wielkoskalowej.
Astronomia gwiazdowa i pozagalaktyczna II Obserwacje we Wszechświatach Friedmana  M. Demiański “Astrofizyka relatywistyczna”, rozdział 10.
Treści multimedialne - kodowanie, przetwarzanie, prezentacja Odtwarzanie treści multimedialnych Andrzej Majkowski 1 informatyka +
Ewolucja w układach podwójnych
Ewolucja i budowa Wszechświata.
Ewolucja i budowa Wszechświata
Ciemna energia. Czy istnieje naprawdę?
Filozofia przyrody Wykład 10. Elementy filozofii kosmologii Andrzej Łukasik Instytut Filozofii UMCS
FIZYKA KLASA I F i Z Y k A.
centralne ciało Układu Słonecznego
Mroczna Przyszłość Ziemi
Kosmos.
Budowa atomu Poglądy na budowę atomu. Model Bohra. Postulaty Bohra
Ewolucja i budowa Wszechświata Data Wykonał: Mateusz Wujciuk Zarządzanie i Inżynieria Produkcji Wydział Górnictwa i Geoinżynierii Akademia Górniczo-Hutnicza.
mgr Eugeniusz Janeczek
SŁOŃCE.
ODKRYWAMY WSZECHŚWIAT
Krzywa rotacji Galaktyki
Uniwersytet Marii Curie-Skłodowskiej
Zapis prezentacji:

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

Problemy nieskończoności czasowej i przestrzennej wszechświata Religia chrześcijańska: „Na początku stworzył Bóg niebo i ziemię” (Gen. 1,1) – creatio ex nihilo Filozofia grecka: ex nihilo nihil fit Nauka: „Od zarania nauki nowożytnej do lat dwudziestych naszego wieku wśród uczonych panowało przeświadczenie, że u podłoża dociekań naukowych nad wszechświatem leżeć musi założenie o jego zarówno odwieczności jak i wieczności” (H. Eilstein, Uwagi o kreacjonizmie na tle hipotezy Wielkiego Wybuchu, [w:] Szkice ateistyczne, s. 255). Albert Einstein – stała kosmologiczna i „największy błąd życia”

Paradoks Olbersa (fotometryczny) Heinrich Olbers (1826): „Dlaczego nocą niebo jest ciemne?” Jeśli Wszechświat jest statyczny i nieskończony czasowo i przestrzennie oraz zawiera nieskończoną liczbę mniej więcej równomiernie rozmieszczonych gwiazd, to… obserwowana jasność gwiazdy (gęstość strumienia światła) maleje odwrotnie proporcjonalnie do kwadratu odległości (I ~ 1/ r 2)… … ale liczba gwiazd, jakie obserwujemy w dowolnym wycinku nieba rośnie proporcjonalnie objętości tego wycinka, a zatem do trzeciej potęgi odległości r 3. Zatem nocne niebo powinno być przynajmniej tak jasne, jak powierzchnia Słońca.

Paradoks grawitacyjny Carl Neumann i Hugo von Seeliger (XIX w.) Według klasycznej teorii grawitacji Newtona wszystkie ciała przyciągają się do siebie. Dlaczego nie nastąpił kolaps grawitacyjny (tzn. dlaczego materia nie skupiła się w jednym miejscu?) Hipotezy: - h1: modyfikacja teorii Newtona (odpychanie grawitacyjne) - h2: w nieskończonym Wszechświecie nie istnieje wyróżnione centrum (ale wówczas pozostaje paradoks Olbersa) - h2 nie jest poprawna: w nieskończonym Wszechświecie każdy punkt może być uznany za centrum

Teoria śmierci cieplnej Wszechświata Hermann von Helmholtz (1856) II zasada termodynamiki (Clausius 1850): ciepło przepływa zawsze od ciał cieplejszych do zimniejszych Entropia S = Q/T jest niemalejącą funkcją stanu Entropia Wszechświata rośnie – gwiazdy promieniują energię w zimne obszary, więc gwiazdy tracą energię – wszystkie procesy we wszechświecie dążą do osiągnięcia stanu równowagi termodynamicznej, czyli stanu maksymalnej entropii Jeśli Wszechświat jest wieczny, to dlaczego nie nastąpił jeszcze stan śmierci cieplnej Wszechświata?

„Dziś wiemy, że nie da się skonstruować statycznego modelu nieskończonego Wszechświata, w którym siła ciążenia jest zawsze przyciągająca” (Stephen Hawking)

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

Ucieczka galaktyk Edwin Hubble (1929) – jedno z największych odkryć naukowych dwudziestego wieku Przesunięcie ku czerwieni linii widmowych odległych galaktyk (ang. red shift) Badania przy użyciu 2,5 metrowego teleskopu na Mont Wilson w Arizonie: linie widmowe odległych galaktyk są systematycznie przesunięte w stronę większych długości fal, czyli w stronę czerwieni, w stosunku do tych, które są obserwowane w laboratorium

1666 – Isaac Newton: rozszczepienie światła (przepuszczając światło słoneczne przez mały otwór w zasłonie okiennej, a następnie przez pryzmat, zaobserwował barwne widmo słoneczne) 1802 - William Hyde Wollaston (1766–1828): obserwacje ciemnych linii w widmie słonecznym 1814 - Joseph von Fraunhofer (1787–1826): spektrometr, w widmie słonecznym kilkaset ciemnych prążków występujących w obszarach różnych barw 1834 - William Henry Fox Talbot (1800–1877) - rozróżnianie substancji chemicznych na podstawie ich widm 1859 - Gustav Robert Kirchhoff (1824–1887) i Robert Bunsen (1811–1899): wyjaśnienie pochodzenia ciemnych linii w widmie słonecznym jako rezultat absorpcji światła o określonej barwie przez różne pierwiastki.

Prawa spektroskopii Kirchhoffa 1. Każdemu pierwiastkowi odpowiada charakterystyczne widmo. 2. Każdy pierwiastek zdolny jest absorbować promieniowanie, które może emitować. Początek nowej nauki — astrofizyki Badanie widma światła (promieniowania elektromagnetycznego) stanowi współcześnie jedną z podstawowych metod astronomii obserwacyjnej

Redshift

Efekt Dopplera 1842 - J. Ch. Doppler (profesor matematyki z Pragi) Zmiana obserwowanej długości fali (dźwięku lub światła) w przypadku, gdy jego źródło fal porusza się 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 Efekt Dopplera wykorzystuje m.in. policja (radar)

Prawo Hubble’a Jeżeli przesunięcie to zinterpretujemy jako optyczny efekt Dopplera, to możemy wówczas wywnioskować, że galaktyki oddalają się od siebie. Pomiar przesunięcia ku czerwieni pozwala określić prędkość ucieczki galaktyk. Prawo Hubble’a stwierdza, że względna prędkość dowolnych dwóch galaktyk jest proporcjonalna do odległości między nimi: v = H x r H - stała Hubble’a

Teoria Wielkiego Wybuchu Termin „Wielki Wybuch” (ang. Big Bang) wprowadził Fred Hoyle w 1965 roku w cyklu audycji radiowych, których tematem była dyskusja między zwolennikami kosmologii stanu stacjonarnego a zwolennikami koncepcji rozszerzającego się Wszechświata 13,7 miliardów lat temu cała materia była skupiona w jednym punkcie (początkowej osobliwości) o ekstremalnych wartościach temperatury (i energii), ciśnienia i gęstości, nastąpiła ekspansja – Wszechświat nieustannie się rozszerza i stygnie (temperatura jest odwrotnie proporcjonalna do rozmiarów Wszechświata)

Promieniowanie mikrofalowe tła 1965 – Arno Penzias i Robert Wilson (Bell Laboratories, New Jersey) - odkrycie mikrofalowego promieniowania o T = 2,7 K izotropowo wypełniającego Wszechświat Pozostałość po Wielkim Wybuchu 1978 – Nagroda Nobla

Gamow, Alpher, Hermann (1948): wszechświat powinien być kiedyś bardzo gęsty i wypełniony promieniowaniem o wysokiej temperaturze. Promieniowanie mikrofalowe jest pozostałością po bardzo wczesnym etapie ewolucji Wszechświata (T = 3000 K) Wcześniej materia była nieprzezroczysta dla fotonów (fotony oddziaływały ze zjonizowanym gazem wodorowo-helowym)

Standardowy model ewolucji kosmologicznej (teoria Wielkiego Wybuchu) Wszechświat powstał ok. 13,7 miliarda lat temu w gorącym wielkim wybuchu Wszechświat rozszerza się i stygnie Wyróżnia się 5 etapów ewolucji Wszechświata:

1. Era Plancka (kwantowej grawitacji) Od t = 0 do t = 10-43 s („prefizyczne” stadium ewolucji Wszechświata – terra incognita): Zgodnie z ogólną teorią względności (GTR) Wszechświat rozpoczął się od początkowej osobliwości (wymiary przestrzenne i czasowe Wszechświata wynosiły zero, temperatura i gęstość materii były nieskończone) O erze Plancka niewiele wiadomo, ponieważ przy gęstości materii ok. 10 94 g/cm 3 przestają obowiązywać znane prawa fizyki Potrzebna jest synteza mechaniki kwantowej (QM) z GTR – kwantowa teoria grawitacji

„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).

2. Era hadronowa od progu Plancka (t = 10-43 s) do t = 10-4 s: g = 1094 g/cm3, T = 1033 K, r = 10–33 cm Plazma kwarkowo-gluonowa (swobodne kwarki i gluony) – obecnie istnieją one w stanie uwięzionym w hadronach i mezonach Powstają hadrony (cząstki ciężkie, m.in. nukleony - proton i neutron, piony i antyhadrony) – kwarkowo-hadronowe przejście fazowe Istniała czasoprzestrzeń, w której hadrony się poruszały

3. Era leptonowa Od t = 10 -4 s do t = 10 s g = 1014 g/cm3, T = 1012 K Leptony (np. elektrony, neutrina) Gdy t = 2 s od Wielkiego Wybuchu neutrina przestały oddziaływać z resztą materii – powstaje tło neutrinowe Wszechświat składa się z leptonów, tła neutrinowego i czasoprzestrzeni

4. Era promienista Od t = 10 s do t = 1 mld lat po Wielkim Wybuchu: Przewagę nad materią korpuskularną uzyskuje promieniowanie elektromagnetyczne Ok. milion lat po Wielkim Wybuchu z cząstek elementarnych powstają atomy Wszechświat staje się nieprzezroczysty dla promieniowania elektromagnetycznego, które tworzy kosmiczne promieniowanie tła (promieniowanie reliktowe) odkryte w roku 1965 przez Penziasa i Wilsona Istnieją atomy (głównie H – ok. 75% i He – ok. 25%), promieniowanie neutrinowe, promieniowanie reliktowe oraz czasoprzestrzeń

5. Era galaktyczna Od t = 1 mld lat do chwili obecnej Era kształtowania się gwiazd i galaktyk (każda galaktyka składa się z miliardów gwiazd) W gwiazdach powstają ciężkie pierwiastki (w gwiazdach istnieje wystarczająco duże ciśnienie do zainicjowania spontanicznych reakcji jądrowych: synteza wodoru w hel, 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).

Teoria inflacji Alan Guth (1979) Teoria Wszechświata inflacyjnego jest uzupełnieniem Modelu Standardowego dla bardzo wczesnych faz ewolucji Wszechświata i wyjaśnia dlaczego jest: 1. płaski (euklidesowy) 2. jednorodny W od t = 10-35 s do t = 10-32 s faza inflacyjna – wykładnicze rozszerzanie się Wszechświata – Wszechświat rozszerzył się o współczynnik 1030 (lub 1050), czyli tyle ile w ciągu pozostałej 13,7 mld lat trwającej ewolucji

1917 – Einstein stosuje równania ogólnej teorii względności do rozważań nad Wszechświatem – początek kosmologii relatywistycznej

Równania Friedmanna 1917 r. W. de Sitter - znalazł rozwiązanie równań Einsteina, z którego wynikało przesunięcie ku czerwieni 1922 Aleksander Friedmann – ogólne jednorodne i izotropowe rozwiązanie równań Einsteina opisujące rozszerzanie się Wszechświata Równanie Friedmanna - podstawa współczesnych teorii kosmologicznych a (t) - czynnik skali Wszechświata (miara tempa ekspansji), G - stała grawitacji, ρ - gęstość materii, k – krzywizna (opisuje geometrię Wszechświata)

Modele Friedmanna a (t) k < 0 Wszechświat otwarty (hiperboliczny) k = 0 Wszechświat płaski (euklidesowy) k > 0 Wszechświat zamknięty (sferyczny) t = 0 Wielki Wybuch

Modele Friedmanna a geometria Wszechświata

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.

„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” (Barrow, Początek wszechświata, s. 53).

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

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.

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