FY8 –kurssi TNE Maailmankaikkeus. Yleinen suhteellisuusteoria Albert Einsteinin kehittämä teoria, jonka mukaan gravitaatio on avaruuden ja ajan vaikutusta.

Esitys aiheesta: "FY8 –kurssi TNE Maailmankaikkeus. Yleinen suhteellisuusteoria Albert Einsteinin kehittämä teoria, jonka mukaan gravitaatio on avaruuden ja ajan vaikutusta."— Esityksen transkriptio:

1 FY8 –kurssi TNE Maailmankaikkeus

2 Yleinen suhteellisuusteoria Albert Einsteinin kehittämä teoria, jonka mukaan gravitaatio on avaruuden ja ajan vaikutusta liikkeeseen. Sen peruslähtökohta on ekvivalenssiperiaate, jonka mukaan painovoimakentän ja tasaisesti kiihtyvän liikkeen vaikutuksia on mahdoton erottaa toisistaan. Yleisessä suhteellisuusteoriassa massa kaareuttaa aika-avaruutta, jolloin siellä vallitsevat geometrian säännöt muuttuvat. Myös energia vaikuttaa massan tavoin avaruuden kaareutumiseen. Kaareutuneessa avaruudessa planeetat kiertävät Aurinkoa ellipsiratoja pitkin. Painovoima johtuu ja valo taipuu aika-avaruuden kaareutumisen seurauksesta. Aika kuluu hitaammin lähellä massallista kappaletta. Tilanteita pitää tutkia neliulotteisina.

3 Suppea suhteellisuusteoria Klassisen mekaniikan (Galilein) suhteellisuusperiaatteen mukaan, jos 2m/s nopeudella kulkevasta veneestä heitetään köysi rantaan kulkusuuntaan nopeudella 1m/s, osuu se rantaan nopeudella 3m/s. Puhutaan rannan havaitsijan paikallaan pysyvästä sekä veneen mukana liikkuvasta koordinaatistosta. Einstein huomasi, että sähkömagnetismin teorian mukaan valonnopeus on c ja se on kaikille havaitsijoille sama, siis koordinaatistosta riippumaton. Jos valon lähettäjä siis liikkuu maanpinnalla, ja havaitsija on paikoillaan, saapuu valo silti havaitsijalle nopeudella c. Tästä syntyvä ristiriita selittyy sillä, että klassisen mekaniikan koordinaatistoissa aika etenee aina samalla tavalla ja etäisyydet ovat yhtä pitkät. Ristiriita häviää, kun hyväksytään se, että mitatut aikavälit ja matkat voivat saada eri koordinaatistoissa eri arvot. Tällaista ajan venymistä kuvaa aikadilaatio, jolloin siis hyvin suurella nopeudella liikkuvan kappaleen koordinaatistossa aika etenee hitaammin kuin paikalleen sidotussa koordinaatistossa. Pituuskontraktio taas tarkoittaa sitä, että kappaleiden pituudet ovat liikkeen suunnassa liikkuvasta koordinaatistosta mitattuna pienempiä kuin kappaleiden lepokoordinaatistosta mitattuna. Niinpä esim. auringosta maata kohti kiitävän myonin koordinaatistosta mitattu etäisyys maahan on lyhyempi kuin maasta mitattuna.

4 Taustasäteily Kosminen taustasäteily, joka täyttää avaruuden, on peräisin rekombinaation ajalta. Rekombinaatiossa elektronit jäivät pysyvästi ytimien ympärille, mikä teki aineista neutraalin, mikä puolestaan mahdollisti sähkömagneettisen säteilyn liikkumisen. Säteilyä kutsutaan myös kosmiseksi mikroaaltotaustaksi, koska sen intensiivisin aallonpituus on 1,9mm. Syntyessään säteilyn intensiteettijakauma vastasi 3000K lämpötilaa, mutta nykyään se vastaa n. 2,725K lämpötilaa, koska maailmankaikkeuden laajeneminen on aiheuttanut punasiirtymän. Tutkimalla taustasäteilyn voimakkuutta on huomattu, että se on hieman eri lämpöistä(10^-5K), johtuen aineen tiheydestä säteilyn syntyhetkellä, ja että säteilyn voimakkuus aallonpituuden funktiona noudattaa hyvin tarkasti mustan kappaleen säteilylakia. Hubblen lakia testaamalla on saatu selville, että maailmankaikkeuden laajeneminen on ensimmäiset 7 miljardia vuotta ollut hidastuvaa, mutta siitä lähtien kiihtyvää.

5 Heikko vuorovaikutus Kaikilla kvarkeilla ja leptoneilla on heikkoja vuorovaikutuksia. Hiukkasfysiikan standardimallin mukaan perusvuorovaikutukset siirtyvät välittäjähiukkasten kuljettamana, joita on heikolla vuorovaikutuksella kolmenlaisia. Kaksi W-bosonia (positiivinen ja negatiivinen) ja yksi neutraali Z- bosoni. Näitä kutsutaan välibosoneiksi. Heikon vuorovaikutuksen kantama on hyvin lyhyt, noin 10-17 m. Heikko vuorovaikutus tapahtuu niin, että kvarkki tai leptoni lähettää välibosonin, jonka toinen kvarkki tai leptoni ottaa vastaan tai välibosoni hajoaa kvarkeiksi tai leptoneiksi. Jos kyseessä on W-bosoni, lähettävä hiukkanen muuttuu samalla toiseksi hiukkaseksi, koska W- bosoni vie mukanaan sähkövarausta. Heikko vuorovaikutus peittyy usein muiden vuorovaikutusten alle, sillä hiukkaset kokevat sen harvemmin kuin sähkömagneettisen ja vahvan vuorovaikutuksen. Heikon vuorovaikutuksen lyhyestä kantamasta johtuen hiukkasten täytyy olla hyvin lähellä toisiaan vuorovaikutuksen tapahtumiseksi. Neutriinoille heikko vuorovaikutus on ainoa vuorovaikutustapa, ja siksi ne reagoivat muun aineen kanssa hyvin vähän. Heikkoon vuorovaikutukseen perustuvat esimerkiksi beetahajoaminen ja vedyn fuusio heliumiksi, joten myös Auringosta saatava energia ja elämä maapallolla ovat siitä riippuvaisia.

6 Maailmankaikkeus Maailmankaikkeuden historia on noin 13.7 miljardia vuotta vanha. Sen Tärkeimpiä virstanpylväitä olivat kosminen inflaatio, protonien ja neutronien synty, alkuaineiden (atomien ytimet ilman elektroneja) syntyminen eli nukleosynteesi, atomien ja kosmisen taustasäteilyn syntyminen ja suurien rakenteiden syntyminen. Kosminen inflaatio sekä protonien ja neutronien synty tapahtuivat ensimmäisen sekunnin aikana alkuräjähdyksen jälkeen. Alkuaineiden, sittemmin atomien, ja kosmisen säteilyn syntyminen tapahtui seuraavan muutaman kymmenen tuhannen vuoden aikana. Sen jälkeen alkoi muodostua suurempia kappaleita ja rakenteita perusvuorovaikutusten ansiosta. Näitä kappaleita ja rakenteita ovat mm. planeetat, tähdet, galaksit ja galaksijoukot.

7 Higgsin Kenttä Higgsin kenttä on osa Higgsin teoriaa. Sen ja Higgsin bosonin avulla selitetään eri hiukkasten erisuuruiset massat maailmankaikkeudessa ja se, miksi joillakin hiukkasilla on massat, mutta toisilla ei. Teorian mukaan maailmankaikkeuden täyttää Higgsin kenttä, joka vaikuttaa hiukkasiin. Tämä vuorovaikutus ilmenee hiukkasten massana. Mitä suurempi kentän ja hiukkasen välinen vuorovaikutus on, sitä suurempi massa hiukkasella havaitaan. Joidenkin hiukkasten kanssa Higgsin kenttä ei vaikuta lainkaan, ja tästä syystä ne havaitaan massattomina. Higgsin bosoni välittää vuorovaikutuksen kentän ja hiukkasten välillä. Yleensä kentät häviävät tyhjiössä, koska se on energian kannalta edullisinta. Higgsin kenttä on kuitenkin poikkeus, sillä se saavuttaa edullisimman energia-arvonsa silloin, kun kenttä on virittynyt. Tästä syystä se ei häviä. Higgsin kentästä tai Higgsin hiukkasesta ei vielä ole kokeellisia todisteita, vaan ne tunnetaan vain teoriassa.

8 Higgsin hiukkanen Higgsin hiukkanen on sähkövaraukseton hiukkanen, jonka olemassaoloa ei ole vielä kokeellisesti todistettu. Standardimallin mukaan Higgsin hiukkasen massa voi olla lähes mitä vain. Supersymmetria kuitenkin rajaa sen 120-130 GeV. Hiukkasta on etsitty jo pari vuotta Cernin uusimmalla hiukkaskiihdyttimellä LHC:llä. Se on kvantti Higgsin kentässä, joka selittäisi hiukkasten massat. Higgsin bosonin löytäminen täydentäisi standardimallin, mutta massan ongelma ei ratkeaisi kokonaan. Pitäisi pystyä myös selvittämään, miksi hiukkasten massat poikkeavat toisistaan niin paljon. LÄHTEET: http://www.tekniikkatalous.fi/innovaatiot/tiede/silmukka+higgsin+hiukkasen+ymparilla+kiristyy+ +jos+ei+loydy+fysiikan+teoriat+menevat+uusiksi/a684748 http://www.hs.fi/ulkomaat/Kaivattu+Higgsin+hiukkanen+vilahti+jo+havaintolaitteissa/a13055512 95135 Physica 8: Aine ja säteily (s.152)

9 Vektori- ja skalaaribosonit Fyysikko Satyendra Bosen mukaan nimettyjen bosonien eli fysiikan tietynlaisten alkeishiukkasten ja niiden yhdistelmien spini on aina kokonaisluku. Bosonit eroavat fermioneista Paulin kieltosäännön perusteella. Bosoneja voi olla samassa kvanttitilassa kuinka monta tahansa, kun taas fermioneja ei voi olla kahta tai usempaa samassa kvanttitilassa. Ero bosonien ja fermionien välillä perustuu niiden aaltofunktion käyttäytymiseen kahden hiukkasen vaihdossa. Kahden samanlaisen fermionin aaltofunktio on antisymmetrinen ja bosoneilla symmetrinen. Tällöin kahden samassa tilassa olevan samanlaisen fermionin yhdistetty aaltofunktio häviää identtisesti, joka ei ole mahdollista. Erona fermionien ja bosonien välillä on myös se, että fermionien eri ryhmille, kuten leptoneille ja baryoneille on voimassa lukumäärän säilymislaki. Bosoneille ei kyseistä säilymislakia ole, vaan niitä voi syntyä ja hävitä eri vuorovaikutustapahtumissa. Sana "vektoribosoni" tulee siitä, kun kyseessä oleva hiukkanen toimii jonkin kentän välittäjähiukkasena, jolloin kysessä on siis vektorikenttä. Esimerkiksi fotonit ovat vektoribosoneja, koska sähkömagneettinen kenttä on vektorikenttä. Vektoribosonit ovat spin-1-hiukkasia, toisin kuin skalaaribosonit, jotka ovat spin-0-hiukkasia (esimerkiksi Higgsin hiukkanen).

10 Supersymmetria Supersymmetrian mukaan fermionilajeja ja bosonilajeja on luonnossa sama määrä. Jokaisella kvarkilla, leptonilla ja vuorovaikutusten kvanteilla oletetaan olevan vastinhiukkanen. Sen mukaan on olemassa esimerkiksi elektronin kaltainen spin-0-bosoni (selektroni), joka on elektronin kaltainen muutoin, mutta sen spin on puoli yksikkö pienempi kuin elektronin spin. Samoin on olemassa fotonin vastinhiukkanen, fotiino, jonka spini on puoli yksikkö pienempi kuin fotonin eli 1/2. Samanmassaisia hiukkaspareja ei ole kuitenkaan löydetty.

11 Big Bang Big bang eli alkuräjähdys on teoria maailmankaikkeuden synnystä. Universumi on havaittu laajenevan ajan myötä ja tästä voidaan tehdä päätelmä, että alussa on ollut äärimmäisen tiheä ja kuuma tila. Tässä tilassa (mallien mukaan) kaikkeus on ollut yhtenäistä kvarkki-leptoni-säteily(fotoneja)-mössöä, jossa kaikki neljä perusvuorokutusta ovat olleet yhtä. Ajalla 10 −35 –10 −32 alkuräjähdyksen alkamisesta laajentuminen tapahtui valoa nopeammin (deal with it). Ensimmäisen sekunnin aikana mössöstä on muodostunut protonit, neutronit ja muut hiukkaset ja perusvuorovaikutukset ovat eronneet omikseen. Lämpötila on laskenut biljoonaan kelviniin. Seuraavien minuuttien aikana protonit ja neutronit alkavat muodostaa ytimiä ja lämpötila laskee joihinkin miljardeihin. Seuraavien 380 000 vuoden aikana kevyitä ytimiä alkaa muodostua (vety 75 %, helium 24 % ja litium 1 %). Lämpötila 3000K. Seuraavana miljardina vuotena elektronit liittyvät protoneihin, atomit muodostuvat. Avaruus laajenee ja lämpötila laskee edelleen. Nykyään, 13,7 miljardia vuotta sitten, lämpötila on 2,725K.

12 Hiukkasfysiikan standardimalli Kaikki aineen ominaisuudet voidaan selittää neljän perusvuorovaikutuksen avulla. Perusvuorovaikutuksia ovat: gravitaatiovuorovaikutus sähkömagneettinen vuorovaikutus vahva vuorovaikutus heikko vuorovaikutus Vuorovaikutukset ilmenevät kvarkkien ja leptonien välisinä voimina. Hiukkasista ja niiden välisistä ilmiöistä ja säilymislaeista johdettuja matemaattisia malleja kutsutaan hiukkasfysiikan standardimalleiksi. Kaikkia vuorovaikutuksen muotoja gravitaatiota lukuunottamatta kuvataan standardimallissa yhtenäisellä tavalla, sillä vuorovaikutusten ilmenemismuodoista huolimatta ne ovat hyvin samankaltaisia. Gravitaation merkitys hiukkasten välisissä ilmiöissä on äärimmäisen vähäinen.

13 Kosminen inflaatio Kosmiseksi inflaatioksi sanotaan alkuräjähdyksen jälkeistä hyvin nopeaa universumin laajenemista, joka johtui tyhjiöenergian eksponentiaalisesta laajenemisesta. Kosminen inflaatio tapahtui n. 10^-37 s alkuräjähdyksen jälkeen. Todisteina siitä ovat maailmankaikkuden osien samankaltaisuus. Samankaltaisuuden katsotaan johtuvan siitä, että alussa osat olivat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa ja niin niistä tuli samanlaisia. Inflaatiomalleja ja- teorioita on useampia.

14 Punasiirtymä Punasiirtymällä tarkoitetaan ilmiötä, jossa valon spektri siirtyy lähemmäs punaista, eli aallonpituus pitenee. Punasiirtymä johtuu taivaankappaleen nopeasta etääntymisestä havaitsijan suhteen. Mitä kauempana havaittava kohde sijaitsee, sitä suurempi punasiirtymä sillä on. Sen avulla voidaan havaita, että galaksit etääntyvät toisistaan, joka tukee teoriaa alkuräjähdyksestä. Suurimmat havaitut punasiirtymät ovat hyvin kaukana sijaitsevilla kvasaareilla. Joissakin tapauksissa voi myös tapahtua punasiirtymän vastakohta eli sinisiirtymä, joka taas johtuu kohteen nopeasta lähestymisestä. Sinisiirtymä on kuitenkin huomattavasti harvinaisempi ilmiö joka havaitaan vain muutamissa lähigalakseissa, kuten Andromedan galaksissa. Puna- ja sinisiirtymä ovat siis taivankappaleissa esiintyvä Dopplerin ilmiö.

15 Musta aukko Musta aukko on massakeskittymä, jonka painovoima on niin suuri, että sen pakonopeus ylittää valonnopeuden (jolloin edes valo ei pääse pakenemaan sieltä, ja kohde näyttää mustalta). Tätä rajaa kutsutaan tapahtumahorisontiksi. Musta aukko on yksinkertaisimmillaan pistemäinen kohde, singulariteetti, johon on keskittynyt kaikki mustan aukon massa; atomin, tähden tai jopa miljoonien tähtien massa. Musta aukko syntyy raskaimmista tähdistä supernovaräjähdyksessä. Mustista aukoista on olemassa kolme mallia: Schwarzschildin aukko: pyörimätön musta aukko, jolla on vain singulariteetti ja tapahtumahorisontti Kerrin aukko: pyörivä musta aukko, jolla on muiden lisäksi myös ergosfääri Reissner-Nordströmin aukko: sähkövarauksellinen musta aukko, jolla on kaksi sisäkkäistä tapahtumahorisonttia, joiden välissä aika- ja avaruuskoordinaatit vaihtavat paikkaa

16 GPS GPS (virallisesti Navstar GPS) eli Global Positioning System on Yhdysvaltain puolustusministeriön kehittämä satelliittipaikannusjärjestelmä. Järjestelmän toiminta perustuu GPS-vastaanottimeen sekä vähintään neljään vastaanottimelle näkyvissä olevaan satelliittiin. Satelliitit pitävät sisällään tarkan tiedon omasta senhetkisestä sijainnistansa sekä kellonajasta, ja kun GPS-vastaanotin samanaikaisesti muodostaa yhteyden neljän tai useamman satelliitin kanssa, voidaan vastaanottimen sijainti laskea laskemalla vakionopeutta kulkevien signaalien kulkemiseen kulunut aika vastaanottimen sekä satelliittien välillä. Pelkästään vastaanotinta ja satelliitteja käyttämällä päästään noin muutaman metrin tarkkuuteen, mutta esimerkiksi kiinteitä maanpäällisiä tukiasemia hyödyntämällä voidaan päästä vielä tarkempiin tuloksiin. Häiriöitä GPS:ään aiheuttavat muun muassa ilmakehä, vastaanottimen virheet sekä satelliittien rata- ja kellovirheet. Esimerkiksi kellovirheitä syntyy ajan dilaation sekä gravitaation vaikutuksesta, koska suhteellisuusteorian mukaisesti aika kulkee nopeammin avaruudessa. Tämän seurauksena satelliittien kellot edistävät noin muutama kymmenen miljoonasosa sekuntia vuorokaudessa.

17 Pimeä aine

18 VÄLITTÄJÄHIUKKASET Perusvuorovaikutuksia pyritään selittämään välittäjähiukkasten avulla. Kvanttimekaniikkaan ja sähkömagneettisen kentän kvanttirakenteeseen perustuva kvanttisähködynamiikka on osa standardimallia. Sähkömagneettisen vuorovaikutuksen välittäjähiukkanen fotoni siirtää energiaa ja liikemäärää varatulta hiukkaselta toiselle. Jos hiukkanen saa edes yhden fotonin, tapahtuu vuorovaikutus. Heikko vuorovaikutus ja vahva vuorovaikutus voidaan kuvata myös kvanteista muodostuneen kentän avulla. Niissä kvantit (välibosonit ja gluonit) välittävät energian ja liikemäärän lisäksi myös muita ominaisuuksia kuten sähkövarausta. Gravitaatiovuorovaikutuksen välittäjähiukkasta gravitonia ei ole vielä löydetty, mutta oletetaan, että sekin pystytään selittämään vastaavalla tavalla. Kaksi protonia vaikuttavat toisiinsa kaikilla neljällä vuorovaikutuksella, joista vahva vuorovaikutus on voimakkain, sitten sähkömagneettinen, heikko vuorovaikutus ja heikoimpana gravitaatiovuorovaikutus.

19 Supersäieteoria Supersäieteoria on fysiikan teoria joka yrittää selittää alkeishiukkasia ja perusvuorovaikutuksia. Sen mukaan alkeishiukkaset ovat todella pienten supersymmetristen säikeiden värähtelyjä. Gravitoni, painovoimahiukkanen, on osa teoriaa. Supersäieteoriaa ei olla pystytty kokeellisesti todistamaan.