A kozmológia 4,000 éve ( Rövid áttekintés) ( Rövid áttekintés) Balázs Béla, 2005 Farnese Atlasz.

Az előadások a következő témára: "A kozmológia 4,000 éve ( Rövid áttekintés) ( Rövid áttekintés) Balázs Béla, 2005 Farnese Atlasz."— Előadás másolata:

1 A kozmológia 4,000 éve ( Rövid áttekintés) ( Rövid áttekintés) Balázs Béla, 2005 Farnese Atlasz

2 Mi a kozmológia?  Az Univerzum mint egész tanulmányozása  Az idő kezdetétől mostanáig …  És az idő végezetéig. Csak az Univerzum megbízható feltérképezése és törvényeinek ismerete után érthetjük meg történetét …

3 A kezdet A babiloniaiak világmodellje szerint a lépcsőzetes felépítésű, kúp alakú Föld a világóceánon úszik. Föléje az első, második és harmadik égbolt borul. Alatta – hét fallal körülvéve – a holtak birodal- mának palotáját találjuk. A világóceánt az ég gátja határolja. Ezen helyezkedik el a hegyekből formált keleti, ill. nyugati kapu, amelyeken keresztül a Nap felkel, illetve lenyugszik.

4  A Krisztus előtti 6. században (624-547) élt matematikus, filozófus és utazó  Babiloni és egyiptomi (mindnekelőtt csillagászati) ismereteket hozott Görögországba. Előre jelzett egy napfogyatkozást  Nézetei átmenetet képeztek a mitológia és a valódi tudományok között. Azt taní- totta, hogy a lapos Föld a világóceánon úszik, és a nedvesség minden dolog lényege, de számára a világ jelenségeit már nem istenek irányítják. Megjelennek a természettörvények, melyeknek az egész anyagi világ engedelmeskedik. Thalés Thalés z

5  Krisztus előtt 384-től 322-ig élt filozófus és természettudós. Híres Metafizikájában a kozmikus tökéletesség alapelvére támaszkodott. Világában hierarchikus rend uralkodik, és mindennek megvan a maga természetes helye.  Bebizonyította, hogy a Föld gömbölyű. (Holdra vetülő árnyéka!)  Úgy gondolta, hogy a Föld a Világ- egyetem középpontja, és a Nap, a Hold, a bolygók valamint az „állócsillagok” szférája körülötte kering illetve forog. Arisztotelész

6 Ami népszerű, nem mindig igaz és ami igaz, nem mindig népszerű  A görögök nagy többsége elfogadta Arisztotelész tanait  Az egyetlen kivétel a közvetlenül Arisztotelesz halála után született Arisztarkhosz (310-230) volt, aki csillagászati mérések alapján jutott arra a következtetésre, hogy a Föld kering a Nap körül  Arisztarkhosz saját korában csak kevés követőre talált  Sajnos a csillagászati világképek történetében sem kap mindig méltó helyet, és  ”eretnek” nézetei miatt üldöztetéseknek is ki volt téve

7 A legismertebb görög csillagászok Nicaeai Hipparchosz (i.e. 190-125)  Pontos, részletes csillagkatalógust állított össze állított össze  A csillagok fényességének mérésére logaritmikus skálát állított fel logaritmikus skálát állított fel  Meghatározta a Hold távolságát Claudius Ptolemaiosz (i.u. 85-161)  300 évvel később munkálkodott  Tovább tökéletesítette az ég „feltérképezését” és megalkotta évszázadokon keresztül uralkodó, epiciklusosokat használó, geocentrikus rendszerét

8 Ptolemaiosz epiciklusai  Ptolemaiosz szerint a Nap, a Hold és a bolygók a Föld körül keringenek  A bolygók időnként azért látszanak hurkokat leírni, mert tökéletes körmozgásuk epiciklusok mentén megy végbe  Elméletét az Almagest-ben (Syntax Mathematicae) összegezte (kb. i. u. 140) összegezte (kb. i. u. 140)  Elképzeléseit mintegy 1500 éven keresztül általánosan elfogadták

9 Kopernikusz forradalma Kopernikusz forradalma  Nicolaus Copernicus (1473-1543) lengyel kanonok forradalmi meggyőződése: bolygó- rendszerünk centrumában a Nap áll  Mindazonáltal a katolikus egyház kitartott a Föld centrális helyzete mellett. Ezért új elgondolását Kommentár az égitestek elrendezéséről és mozgásairól szóló elméletekhez (1514) csak élete végén publikálta, hiszen heliocentrikus rendszere eretnekségnek számított! Kommentár az égitestek elrendezéséről és mozgásairól szóló elméletekhez (1514) csak élete végén publikálta, hiszen heliocentrikus rendszere eretnekségnek számított! A kopernikuszi forradalom győzelme főként az alábbiaknak köszönhető:  Brahe precíz észlelelései  Galilei teleszkópikus megfigyelései.  Ptolemaiosz rendszerének gyengeségei

10 Tycho Brahe Dán csillagász (1546-1601). Jelentősen megjavította a csillagá- szati pozícióméréseket (8’ !) 1572-ben fényes “új csillagot” észlelt a Cassiopeia csillagképben; ma már tudjuk, hogy szupernóvát! Majd tanítványa (Kepler) 1604-ben újabb szupernóvát talált Ezek a megfigyelések aláaknázták a ptolemaioszi rendszer talpkövét, hiszen nyilvánvalóvá vált, hogy a csillagok szférája sem változatlan.

11 A csillagászok új „szemei” és új felismerései  1609-ben Galileo Galilei (1564-1642) olasz fizikus és csillagász, miután értesült a távcső feltalálá- sáról, maga is készített egyet, és csillagászati észlelésekhez kezdte használni  Első távcsöves sikereinek egyike a Jupirer négy holdjának felfedezése volt  A Jupiter körül a kopernikuszi Naprendszer miniatűr verzióját találta: a holdak körpályán keringtek a bolygó körül  A katolikus egyház a Föld mozdulatlanságát és centrális helyzetét tagadó tanainak visszavoná- sára kényszerítette Galileit, birtokára száműzte, de felismeréseinek elterjedését nem tudta megakadályozni

12 Isaac Newton  Newton (1643-1727), minden idők egyik legnagyobb fizikusa. Munkássága vezetett a mechanika alaptörvényeinek, valamint az általános gravitáció jelenségének, mint az égi mozgások okának, feltárásához  Newton (a differenciál- és integrálszámítás egyik megalkotója) a megfigyeléseket matematikai alapokon értelmezte. Kepler bolygómegfigyeléseinek és törvényeinek világos elméleti magyarázatát adta  Newton munkássága szintetizálta és szilárd fizikai alapokra fektette Arisztarkhosz, Kopernikusz, Kepler és Galilei eredményeit.

13 A gravitáció kulcsszerepe  Mint láttuk, a gravitációs erő tartja a bolygókat pályájukon.  Newton mozgástörvényei szerint nem a nyugalom a testek természetes állapota: az égitestek folytonosan mozognak térbeli és időbeli korlátok nélkül  Newton szerint az Univerzum térben és időben végtelen (ez a nézet a Vatikánnak is megfelelt)  A tudomány és az egyház közötti egyezség nem volt könnyű, de szükséges a tudomány további fejlődéséhez

14 Ősrobbanás  1917-ben Albert Einstein (1879-1955) az Általános Relativitás-elmélet alapján javasolta az Univerzum szerkezetének leírását (modellje statikus)  A Szovjetunióban A. A. Friedmann (1888-1925) 1922-ben dinamikus relativisztikus kozmológiai modellt alkotott  1927-ben Georges Lemaitre (1894-1966) belga apát – akit a Big Bang apjának szoktak nevezni – saját relativisztikus modellt dolgozott ki, amikor tudomást szerzett róla, hogy a Világegyetem expandál. Eszerint  Az Univerzum „ősatomként“ keletkezett  Az Univerzum „ősatomként“ keletkezett  Rendkívül forró és sűrű volt  Az ősatom felrobbanása indította el az expanziót

15 Edwin Hubble, a nagy felfedező  Hubble (1889-1953) volt az elsők között, akik felismerték, hogy a galaxisok Tejútrendszerünkön kívüli objektumok  Módszere: a galaxisok távolságának mérése a cefeida változócsillagok segítségével  Ő jött rá arra is, hogy összefüggés van a galaxisok távolsága (r) és távolodási sebessége (V) között: V = H 0 r  Hubble-állandó [km/s/Mpc]

16 Távolság és vöröseltolódás 24 Mpc 1200 km/s 300 Mpc 15 000 km/s 780 Mpc 39 000 km/s 1220 Mpc 61 000 km/s

17 Hubble constant graph Távolság (Mpc ) Távolodási sebesség (km/s)

18 Big Bang: mai képünk születése George Gamow (1904-1968), orosz-amerikai fizikus alkotta meg (az 1940-es évek végén) a modern ősrobbanás-elméletet George Gamow (1904-1968), orosz-amerikai fizikus alkotta meg (az 1940-es évek végén) a modern ősrobbanás-elméletet  Munkatársaival együtt a következőket állította: -- az elemek az expanzió korai fázisában keletkeztek -- jelenleg is észlelhetőnek kell lennie a korai forró fázisban keletkezett hőmérsékleti sugárzásnak -- jelenleg is észlelhetőnek kell lennie a korai forró fázisban keletkezett hőmérsékleti sugárzásnak  Elképzelése feledésbe merült, és csak a 60-as évek végén, a kozmikus háttérsugárzás felfedezése után, figyeltek fel ismét rá

19 Az ősrobbanás bizonyítékai  A galaxisok fényének vöröseltolódása (az Univerzum expandál).  A kozmikus háttérsugárzás ( = 2,728 Kº). Az Univerzumnak forróbbnak és sűrűbbnek kellett akkor lennie, amikor keletkezett. Az Univerzumnak forróbbnak és sűrűbbnek kellett akkor lennie, amikor keletkezett.  A megfigyelt eredeti hélium-, deutérium- és lítium- gyakoriság megegyezik az ősrobbanás modellből adódóval.  A gömbhalmazok legidősebb csillagainak kora jól összeegyeztethető az Univerzum expanziós korával.  Az Olbers paradoxon (miért sötét az éjszakai égbolt?) a táguló Univerzum modell keretében megmagyarázható.

20 Olbers paradoxon

21 Az Univerzum tágulása Az Univerzum tágulása idő  Visszafelé tekintve az Univerzum kezdetéig jutunk

22 A kezdeti kis fluktuációk a mai galaxishalmazokká fejlődtek Idő 

23 A kozmikus háttérsugárzás COBE térképe ( = 2,728 Kº) Δ T = 3,353 mK: Ez a dipólszerű jel a Föld térbeli mozgásának tulajdonítható. A CMB a kék felé tolódott el haladásunk irányában, de vörös felé az ellenkező irányba nézve. ΔT = 18 μK.: Miután a dipól- jelet levontuk, viszonylag meleg központi sáv bukkan elő, melyet Galaxisunk saját sugárzása okoz. ΔT  1 μK: Az utolsó CMB térképet az előző két jel levonása után kapjuk. Az átlagnál néhány mikrokelvinnel meleg - ebb területek itt is vörösnek, a hideg - ebbek kéknek látszanak.

24 nyílt Az Univerzum geometriája euklideszizárt

25 A Big Bang modell problémái  Hogyan keletkezett a nagyléptékű struktúra?  Miért olyan sima (egyenletes) az univerzum már a korai szakaszokban is? (Homogén és izotróp.)  Miért közel kritikus az univerzum anyagsűrűsége? (A tér kvázieuklideszi, a sűrűség ennek megfelelő.)  Ezek a kérdések megfelelhetők a módosított (un. Inflációs) modell segítségével, amely szerint közvetlenül a kezdet után kvantumgravitációs fluktuációk következtében az Univerzum döbbene- tesen kitágult: 10 -33 s alatt sugara 30-tól 50 nagyság- renddel nőtt (szubatomi méretről galaktikus méretig), miközben erőteljesen felmelegedett.

26 Infláció és multiverzum  A jelenleg legelterjedtebb feltevés szerint az infláció annak a következménye, hogy a vákuum magasabb energiájú állapotból alacsonyabb energiájú állapotba billent át, és az eredetileg tízdimenziós téridő kontínuum hat térdimenziója a tágulási folyamatban már nem vett részt és kompakt maradt.  Az infláció elmélete azt is felveti, hogy világegyetemünk (egy nagy, alkalmasint eléggé, de nem teljesen elkülönült téridő tartomány) csak egy kis része a fizikai létezők teljességének (multiverzum). Az univerzumok azonban nem mind egyformák. Egyesekben több dimenzió vagy másfajta anyag létezhet, sőt másokban másmilyenek lehetnek még a fizikai törvények is. http://www.geographic.hu/ngm/0505/ Multiverzum

27 Az infláció következményei  A görbület problémája megoldódik. megoldódik.  A kezdeti fluktuációkat látjuk felnagyítva, mint inhomogenitásokat a COBE méréseiben.  A horizont és egyenletesség problémája szintén megszűnik. megszűnik.

28 A kozmikus sötét anyag  A galaxishalmazokban a galaxisok mozgásából kiszámítható, hogy kb. 70-szer annyi anyag van bennük, mint amennyi látható! A sötét anyag egyetlen ismert tulajdonsága, hogy gravitációsan kölcsönhat.  Először azt gondolták, hogy sok „barna törpe” van a galaxisokban. A nehéz hidrogén, a deuteron gyakoriságából azonban kiderült, hogy a kozmikus barionsűrűség pusztán a kritikus anyagsűrűség 5%-a körül lehet, tehát ilyen égitestek csak a sötét anyag töredékét adhatják ki.  Azt is feltételezték, hogy tömeggel rendelkező neutrínók alkotják a sötét anyagot, de egyrészt tömegük nem elég nagy, másrészt a közel fénysebességgel mozgó, gyengén kölcsönható részecskék nem csomósodnak galaxisokba.  Fekete lyukakra is gondoltak, de azok egyrészt barionos anyagból alakulnak ki, másrészt nem észlelhetők kellő gyakorisággal.

29 Possible forms of dark matter Lehetsé- ges sötét anyagok fekete lyukMACHOWIMPneutrínónév kellő gyakorisággal nem észlelhető nem adhat- ják ki egye- dül a sötét anyagot még nem figyelték meg tömege kér- déses, nem struktúrakép- ző kontra elméletileg és empirikusan is létezik biztosan vannak elméletileg létezik nagy szám- ban létezik a kozmoszban pro még fényt is fogva tartóan erős gravitá- ciójú objektum masszív, kompakt halo objek- tumok masszív, gyengén kölcsön- ható rész. elektromos töltés nélkü- li, gyengén kölcsönható részecske leírás

30 A titokzatos sötét energia  230 db. Ia-típusú igen távoli szupernóva fénygörbéjének vizsgálata alapján az utóbbi években az adódott, hogy a kozmoszban domináns „antigravitáló” összetevő is található.  A sötét energia lényegesen különbözik a sötét anyagtól. A háromdimenziós empirikus galaxistérképek és az elméleti kozmológiai modellek közötti optimális egyeztetés adja meg, hogy az Univerzum teljes energiájának mekkora hányadát adja ki a sötét energia.  Eszerint a Világegyetem anyagi összetétele:  5% látható barionos anyag (protonok, neutronok, stb.)  30% sötét anyag (zérus nyomással)  65% sötét energia (negatív nyomással) A homogén, izotróp esetre érvényes Robertson-Walker- metrikát használva, az Einstein- egyenletek a tágulás időbeli változására (ä) a következő egyszerű összefüggést adják: Itt a az Univerzum skálája,  a sűrűsége, p a nyomás, G a gravitációs állandó és w = p/ . Látható, hogy ä csak akkor lehet pozitív – azaz gyorsuló tágulás csak akkor lehetséges –, ha w < -1/3. A nyomásnak tehát negatívnak kell lennie, a baj csak az, hogy ez ismert anyagformákra nem teljesül!

31 HiggsinosHiggs particles Photinos Photons SquarksQuarks SelectronsElectrons NeutralinosNeutrons The Theory of Supersymmetry The supersymmetric theory postulates that every particle we observe has a massive "shadow" particle partner.

32 barionkorszak sugárzási korszak 14 milliárd év 5 milliárdév 1 milliárd év 10 13 sec 10 2 sec 10 -10 sec 10 -34 sec 10 -43 sec bb

33 Az Univerzum, a Föld és az emberiség története egy évbe sűrítve: Ősrobbanás, az Univerzum keletkezése A sugárzás és a barionos anyag szétválása. Első atomok. Galaxisunk születése. Naprendszerünk keletkezése. A Föld kialakulása. A földi élet keletkezése. Legidősebb kőzetek. Legidősebb fosszíliák (kék-zöld algák). Első fotoszintetizáló növények. Első eukarióták (sejtmaggal rendelkező sejtek) Első férgek. Első planktonok, trilobiták. Első halak. Első bogarak. Első hüllők. Első dinoszauruszok. Első emlősök. Első madarak. Első emberszabásúak. Első emberek. Kőeszközök elterjedése A tűz „háziasítása” A földművelés kezdete. Trójai háború. Vaskorszak kezdete. Buddha születése. Krisztus születése Róma eleste. Keresztes háborúk Reneszánsz Űrkorszak kezdete Január 1. 0 óra Január 1. 0 óra, ~ 700 s Május 1. Szeptember 9. Szeptember 14. Szeptember 25. Október 2. Október 9. November 12. November 15. December 16. December 18. December 19. December 21. December 23. December 24. December 26. December 27. December 30. December 31. 22h 30m 23h 00m 23h 46m 23h 59m 20s 23h 59m 53s 23h 59m 54s 23h 59m 55s 23h 59m 56s 23h 59m 57s 23h 59m 58s 23h 59m 59s 24h 00m 00s