“chytří lovci stopují konečnou teorii hledáním známek symetrie. přírodní zákony jsou...
DESCRIPTION
“Chytří lovci stopují konečnou teorii hledáním známek symetrie. Přírodní zákony jsou všechny vyjádřením symetrie, a veškerá fyzika je v jistém smyslu hledáním symetrie.” T. Ferris: “Zpráva o stavu vesmíru”. Vladimír Wagner - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
Z čeho a jak je poskládán svět a jak to zkoumáme? aneb
standardní model hmoty a interakcí, co je vakuum ...
“Chytří lovci stopují konečnou teorii hledáním známek symetrie. Přírodní zákony jsou všechnyvyjádřením symetrie, a veškerá fyzika je v jistém smyslu hledáním symetrie.”
T. Ferris: “Zpráva o stavu vesmíru”
1. Úvod
2. Co víme o hmotě?
2.1 Složení hmoty 2.2 Hierarchická struktura hmoty 2.3 Problémy popisu mikrosvěta 2.4 Nástroje pro popis mikrosvěta 2.5 O platnosti teorie rozhoduje experiment
3. Standardní model
3.1 Kvarkový model
3.2 Kvantová chromodynamika 3.3 Elektroslabá interakce 3.4 Obecná teorie relativity
4. Hurá za standardní model
4.1 Proč - experimentální a teoretické důvody 4.2 Od velkého sjednocení k supersymetrii 4.3 Strunové teorie
5. Závěr
Vladimír Wagner
Ústav jaderné fyziky AVČR, 250 68 Řež, E_mail: [email protected], WWW: hp.ujf.cas.cz/~wagner/
Úvod
Atomová idea - řečtí atomisté Demokritos a Leukipos 5. století př. n. l. pouze filosofické úvahy
Od Adama ne! ale od řeckých atomistů ano !
Atomová hypotéza - konec 17. století, experimentální náznaky pro její budování testovatelné předpovědí
Atomová teorie - 18. a 19. století chemie a fyzika poskytla experimentální data pro její experimentální potvrzení
20. století - vybudování teorie popisu hmoty a tří ze známých interakcí - „standardního modelu“ a její experimentální potvrzení
21. století - dokončení sjednoceného popisu hmoty a všech interakcí (možná ve strunové teorii)
Pozorujeme náznaky 1) možnosti sjednocení popisu všech interakcí 2) možnosti, že „fundamentální“ částice nejsou bodové ale „struny“ s konečným rozměrem
Začátek zkoumání hmoty v 17. století Zkoumání hmoty dnes
experiment ALEPH v CERNu
Složení hmotyHmota je složena z částic - mezi nimi působí interakce
Důležité nástroje pro popis mikrosvěta:
1) Speciální teorie relativity - rychlosti blízké rychlosti světla, kinetická energie srovnatelná s klidovou2) Kvantová fyzika - velmi malé hodnoty veličin kvantový a pravděpodobnostní charakter, Heisenbergův princip neurčitosti
Atomová fyzika, fyzikální chemie
Jaderná fyzika
Fyzika elementárních částic
Superstrunové teorie? (rozměr 10-35 m)?
Fyzika mikrosvěta z pohledu metodologie
Mikrosvět – neobvyklé vlastnosti popisované kvantovou fyzikou
Přiblížení pomocí analogie – tato zjednodušení je třeba je brát velmi opatrně
Věda hledá popis reálného světa
Pravdivost různých interpretací lze řešit jen experimentálním pozorováním
Každá vědecká teorie i hypotéza musí být falzifikovatelná - testovatelná
„Jediné, co mě zajímá, je najít soubor pravidel, která by souhlasila s chováním přírody, a nezkoušet jít příliš daleko za to. Zjistil jsem, že většina filozofických diskusí je psychologicky užitečná, ale nakonec, když se podíváte zpátky do historie, zjistíte, že to, co bylo kdysi řečeno s takovou pádností, je téměř vždy -- do jisté míry -- nesmyslné! “
R. Feynman v rozhovoru v knize P. Daviese a J. Browna „Superstrings: A Theory of Everything?“
Nalezené zákonitosti umožňují dělat testovatelné předpovědi
Úplné pochopení teorie ↔ úplné osvojení fyzikálního i matema-tického aparátu → spočtení předpovídaných fyzikálních veličin Richard Feynman
Karl Popper v Prazev r. 1994 (těsně před smrtí)
Použití pojmů z makrosvěta na vlastnosti mikrosvěta ↔ pozor opatrně při interpretaci
Problémy při popisu mikrosvěta
Řada vlastností odlišná od běžné makroskopické zkušenosti – přímo jí odporují
Speciální teorie relativity: důsledky platnosti Lorentzovy transformace
Kvantová fyzika
Nerelativistické přiblížení:
E2 = (m0c2+EKIN)2= (m0c2)2 + p2c2
Ultrarelativistické přiblížení:
1) Ovlivnění měřeného objektu samotným aktem měření.2) Principielní neurčitost měření: px ħ Et ħ3) Pravděpodobnostní charakter.4) Diskrétní hodnoty některých veličin5) Popis vlnovou funkcí (není pozoro- vatelnou veličinou).
(p m0c) → EKIN E pc
Složitá forma vakua možnost popisu pomocí virtuálních částic
(p << m0c) → EKIN p2/2m
v → cEKIN → ∞
Symetrie a jejich význam
Symetrie - neměnnost některých vlastností při změně jiných
Vzhled dvojhlavé karty se nemění při jejím otočení o 180o
Fyzika - fyzikální zákonitosti se nemění při jistých transformacích - vlastnosti fyzikálních objektů se nemění při jistých transformacích
Prostoročasové transformace - posunutí v čase, posunutí v prostoru, otočení
Vnitřní transformace - změna nábojů
Neměnnost (invariance) vůči jisté změně (transformaci)
Narušení symetrie - symetrie neplatí úplně, pro všechny zákonitosti, interakce ...
„Stejně jako v hudbě právě drobné disharmonie a narušení pravidelnosti vedou k dokonalosti“
Měření v mikrosvětě – o platnosti teorie rozhoduje experiment
&
Urychlovač (LHC v CERNu) Systém detektorů (experiment D0 ve Fermilabu)
Experimentální pozorování je rozhodujícím kritériem pro uznání platnosti hypotézy a její přeměnu v teorii
Neustálé průběžné experimentální testování všech teorií
(testuje se oblastí jejich platnosti)
Stěžejní nástroj – srážka urychlených částic
Nárůst energie → větší detaily
Největší urychlovače E ~ 100 GeV → 10-18m
Standardní model
Hmota je tvořena částicemi (fermiony s=1/2), mezi kterými působí interakce, které jsou zprostředkovány výměnou částic (bosony s=celé číslo)
Tři druhy interakcí: 1) Silná - kvantová chromodynamika2) Elektromagnetická - kvantová elektrodynamika3) Slabá - elektroslabá teorie
+ antičástice
Interakce a jejich popis
Interakce zprostředkující boson interakční konstanta dosah
Gravitační graviton 2·10-39 nekonečný
Slabá W+ W- Z0 7·10-14 *) 10-18 m
Elektromagnetická γ 7·10-3 nekonečný
Silná 8 gluonů 1 10-15 m
Výměnný charakter interakce - je zprostředkována výměnou „virtuálních částic“ – jedná se o bosony (celočíselný spin)
Možnost existence virtuálních částic důsledek kvantové fyziky:
*) Efektivní hodnota dána velkými hmotnostmi W+, W- a Z0 bosonů
Dosah interakce závisí i na hmotnosti zprostředkující částice:nulová klidová hmotnost nekonečný dosah
Interakce – pojem popisující možnost přenosu energie, hybnosti, náboje ... nebo možnost kreace či anihilace částic
Při dostatečné energii lze částice interakcí „zviditelnit“ - stanou se reálnýminaopak částice hmoty mohou být i virtuální – kreace virtuálního páru částice a antičástice a následná anihilacenosičem interakce mohou být i virtuální „složené částice“ – mezony jako nositelé silnéjaderné interakce
Cesta k jednoduchosti - sjednocení popisu interakcí
Síla interakce se mění s energií - při určité hodnotě se pro různé interakce vyrovnají
Počátek - sjednocení popisu elektrických a magnetických jevů - Maxwelova teorie
Hledání podobnosti různých interakcí
Využití symetrií a narušení symetrií - budování příslušného matematického aparátu
Další krok: sjednocení popisu slabých a elmg interakcí
Mikrosvět - kvantové vlastnosti:vybudování kvantové elektrodynamiky
Cíl - co nejjednoduššími pravidly a s co nejmenším počtem počátečních parametrů popsat hmotu a její chování
Očekávané sjednocení popisu všech interakcí
Základní pravidla budou jednoduchá - konkrétní popis složitějších systémů může být i velmi náročný dokonce i neřešitelný v konečném čase
Kvarkový model
M. Gell-Mann - kvarky
Hadrony složeny z kvarků (původně tři druhy, nyní šest):
mezony - kvark a antikvarkbaryony - tři kvarky (patří k nim proton i neutron)
(Gell-Mann či Zweig - epos a sláva či fraška a tragedie)
1) Objevem předpověděné částice 2) Vysvětlením vlastností hadronů 3) Rozptylem elektronů z vysokou energií na hadronech4) Pozorováním výtrysků hadronů
Částice interagující silnou interakcí - hadrony
Nutnost zavedení nové fyzikální veličiny „barvy“
G. Zweig - esa
Elektrické náboje kvarků: neceločíselné násobky jednotkového náboje
Dekuplet s předpovídanou
novou částicí Ω
Kvarkový model vycházel z podobností - symetriíve světě elementárních částic
Kvarkový model byl plně potvrzen:
Nepozorování volných kvarků se později vysvětlilo vlastností silných interakcí - asymptotickou volností
Silná interakce - kvantová chromodynamika
Váže kvarky do částic (hadronů)
Interakce mezi barevnými náboji:tři druhy č + m + zzprostředkovaná osmi druhy gluonů
Barevné náboje vytváří bezbarvé objekty
Asymptotická volnost nelze vytrhnout jeden samotný kvark z částice:
Tvorba nových hadronů
Ještě vyšší energie - tvorba výtrysků
Popis: kvantová chromodynamika
Potvrzení: popis rozptylu částic při vysokých energiích, tvorby výtrysků
Struktura protonu a dalších hadronů
1) Proton je složen ze tří „konstituentních“ kvarků
2) virtuální gluony
3) virtuální páry kvarku a antikvarku
Tři složky tvořící proton:
proton – velmi silně interagující systém tří tzv. konstituentních kvarků
Každá složka ~ 1/3 celkové hybnosti
Tři „konstituentní“kvarky k popisu protonu nestačíNutno brát v úvahu při produkci částic pomocí
srážek protonů
Komplikovaná struktura protonu se projevuje při rozptylových experimentech při vysokých energiích
Strukturu protonu bylo třebabrát v úvahu při produkci W, Zbosonů na urychlovači SPS vCERNU (obrazky WWW CERNu)
nosiče silné interakce – gluony – mají barevný náboj → komplikovaná struktura protonupodíl komplikované struktury vakua
Potvrzení existence kvarků a gluonů
1) Lze pomocí nich vysvětlit všechny pozorované hadrony (skladbu multipletů):
2) Na strukturu nukleonů (i dalších hadronů) ukazují jejich anomální magnetické momenty (30. léta – Stern, Gerlach)
3) Rozptyl elektronů (50. léta) – rozložení náboje a magnetického momentu → hadrony nejsou bodové
4) Hluboce nepružný rozptyl (70. léta) – produkce výtrysků → důkaz existence partonů, které lze spojit s kvarky a gluony (případy s třemi výtrysky prokazují existenci gluonů)
Kvarky nelze z hadronů uvolnit – lze je však pozorovat uvnitř nich
Problémy – komplikovaná struktura silné interakce, interpretace měření je závislá na teorii
Elektromagnetická interakce - kvantová elektrodynamika
Náboj - elektrický, může být + a -
Zprostředkující částice - foton
Magnetický moment elektronu: Experiment: 1.001159652187(4) eħ/me
Výpočet: 1.001159652307(110) eħ /me
Popis: Makrosvět - Maxwelovy rovnice Mikrosvět - kvantová elektrodynamika
Slabá interakční konstanta α = 1/137 použití poruchového počtu
Možnost velmi přesných výpočtů jedny z nejpřesnějších předpovědí potvrzené experimentem:
Feynmanův diagram rozptylu elektronů
Slabá interakce elektroslabá interakce
Nejslabší - zodpovědná za radioaktivní rozpady jader
1) Přeměna mezi jednotlivými druhy leptonů2) Přeměna mezi jednotlivými druhy kvarků3) Jediná interakce neutrin
Zprostředkována výměnou W+, W- a Z bozonů
Popsána jednotnou teorií elektroslabé interakce
Rozpad neutronu
Rozptyl neutrina na elektronu
Potvrzena objevem neutrálních proudů a zprostředkujících bosonů - urychlovač SPS v CERNu
Produkce a rozpad W bosonu v experimentu DELPHI na urychlovači LEP v CERNu:
Gravitace - obecná teorie relativity
Hledání kvantové podoby teorie gravitace:
Vypařování černých děr - vyváření párů částice a antičástice v blízkosti horizontu jeho rychlost nepřímo úměrné hmotnosti
Gravitační interakce je nejslabší ale působí na velké vzdálenosti a je pouze přitažlivá(má pouze jeden typ náboje)
Vyrovnání gravitační síly s ostatními při vysokých energiích 1019 GeV, na malých rozměrech 10-35 m - Planckův rozměr
Zavádění pojmu entropie, teploty a dalších termodynamických veličin do popisu černých děr
Zakřivení prostoru v okolí rotující černé díry
Jedna z předpokládaných černých děr (NASA)
S. Hawking
S. Hawking hraje poker s I. Newtonem, A. Ein-steinem a Datem v jednom z dílů seriálu Star Treck
Závěr
1) Stavba hmoty je hierarchická, skládá se z částic, mezi kterými působí čtyři druhy interakcí, zprostředkovanou výměnou částic
2) Tato stavba je popsána „standardním modelem“, potvrzeným velkým množstvím experimentálních pozorování. Ač nemůžeme kvarky pozorovat samostatně v hadronech je „vidíme“.
3) Jsou dobré důvody teoretické i experimentální jít za standardní model.
4) Jsou dobré důvody pro předpoklad, že strunová „hypotéza“ je správnou cestou k jednotnému popisu hmoty a interakcí.
5) Zda-li je tomu opravdu tak, rozhodne experimentální pozorování.
6) Příslušné experimenty využijí: A) Velmi citlivé a velké detektory (rozpad protonu, oscilace neutrin, hledání částic tvořících temnou hmotu …) B) Velmi výkonné urychlovače (LHC …) C) Různé druhy vesmírných pozorování (černých děr, kosmologie, …)
7) Velmi důležité je hledání matematického aparátu, který umožní přesné kvantitativní předpovědi.