Helsingin yliopisto, fysiikan laitos ja Fysiikan tutkimuslaitos

Esitys aiheesta: "Helsingin yliopisto, fysiikan laitos ja Fysiikan tutkimuslaitos"— Esityksen transkriptio:

1 Helsingin yliopisto, fysiikan laitos ja Fysiikan tutkimuslaitos
Kaareva todellisuus Syksy Räsänen Helsingin yliopisto, fysiikan laitos ja Fysiikan tutkimuslaitos F2k-klubi, Helsingin yliopisto,

2 Principia Mathematica
Isaac Newton (1642 – 1727) Principia 1687 Ensimmäinen kattava fysiikan teoria oli Newtonin mekaniikka. Esimerkki voimasta: gravitaatio. F2k-klubi, Helsingin yliopisto,

3 Suurella tarkkuudella
Newtonin teoria ennusti oikein kappaleiden radat Aurinkokunnassa kaksi vuosisataa, mutta Merkurius muodosti ongelman vuodesta 1859 lähtien. Auringon epäsymmetria? Vulkanus? F2k-klubi, Helsingin yliopisto,

4 Voimasta geometriaan Albert Einstein Vuonna 1915 Einstein löysi yleisen suhteellisuusteorian. Aika ja avaruus muodostavat dynaamisen kokonaisuuden, aika-avaruuden. Aineen ominaisuudet määräävät, miten aika-avaruus kaartuu. Aika-avaruus määrää, miten aine liikkuu. F2k-klubi, Helsingin yliopisto,

5 Voimasta geometriaan Albert Einstein Gravitaatio ei ole voima, vaan aika-avaruuden kaarevuuden ilmentymä. Gravitaatiota välittää aika-avaruus: gravitaatioaallot. Yleisen suhteellisuusteoriankin suuri menestys oli aluksi Aurinkokunnan selittämisessä: Merkuriuksen rata ja valon taipuminen. F2k-klubi, Helsingin yliopisto,

6 Askelia kosmologiaan Albert Einstein Yleinen suhteellisuusteoria mahdollisti koko maailmankaikkeuden käsittelemisen. Ensimmäinen kosmologinen malli vuonna 1917: Einsteinin staattinen maailmankaikkeus. Einstein lisäsi yleiseen suhteellisuusteoriaan kosmologisen vakion, jonka antigravitaatio tasapainottaa tavallisen aineen gravitaation. F2k-klubi, Helsingin yliopisto,

7 Kappaleet kulkevat suoraan, mutta avaruus on kaartunut.
suora viiva Kappaleet kulkevat suoraan, mutta avaruus on kaartunut. F2k-klubi, Helsingin yliopisto,

8 Maailmankuvan laajentuminen
Vuonna 1922 Aleksander Friedmann esitti mallin, jossa maailmankaikkeus laajenee. Vuonna 1924 havaittiin, että on muita galakseja. Vuosina havaittiin maailmankaikkeuden laajeneminen. F2k-klubi, Helsingin yliopisto,

9 Hubblen laki 1929 Maailmankaikkeus laajenee. (y-akselin yksiköt ovat km/s!) F2k-klubi, Helsingin yliopisto,

10 Hubblen laki 1996 F2k-klubi, Helsingin yliopisto,

11 Kaiken alku Galaksit eivät liiku avaruudessa, vaan avaruus laajenee.
Aineen tiheys on ollut menneisyydessä isompi. Noin 14 miljardin vuoden päässä menneisyydessä se olisi ääretön: alkuräjähdys. Yleinen suhteellisuusteoria ennustaa ajan ja avaruuden alun. F2k-klubi, Helsingin yliopisto,

12 pohjoisuus loppuu AIKA avaruus
Ilmaisu “ennen alkuräjähdystä” on yhtä mieletön kuin “pohjoisnavalta pohjoiseen”. pohjoisuus loppuu AIKA avaruus F2k-klubi, Helsingin yliopisto,

13 Havaintojen kautta Kosmologiassa tapahtui 1990-luvulla suurin murros sitten laajenemisen löytämisen. Havaintojen määrä ja tarkkuus kasvoi siinä määrin, että puhutaan täsmäkosmologiasta. Nykykosmologia yhdistää tähtitieteen ja hiukkasfysiikan. Edistys on tullut havainnoista. F2k-klubi, Helsingin yliopisto,

14 COBE 1992 http://map.gsfc.nasa.gov/
F2k-klubi, Helsingin yliopisto,

15 WMAP 2003 http://map.gsfc.nasa.gov/
F2k-klubi, Helsingin yliopisto,

16 Planck 2010 F2k-klubi, Helsingin yliopisto, 8.11.2012
F2k-klubi, Helsingin yliopisto,

17 Planck 2010 Katso simulaatio osoitteessa
F2k-klubi, Helsingin yliopisto,

18 Euclid ESA päätti Euclid-satelliitin toteuttamisesta kesäkuussa 2012.
Kartoittaa puolet taivaasta. Fysiikan laitos mukana. F2k-klubi, Helsingin yliopisto,

19 Tyypin Ia supernovat F2k-klubi, Helsingin yliopisto,

20 Kosmologian aikakaudet
t (∝ E-2) E Tapahtuma 14 Gyr eV tänään 10 Gyr eV laajeneminen kiihtyy 400 Myr eV reionisaatio 40 Myr 10-1…10-2 eV ensimmäiset rakenteet yr 0.1 eV valo ja aine eroavat yr 1 eV materia saa säteilyn kiinni 3-30 min 0.1 MeV Big Bang Nucleosynthesis 10-5 s 100 MeV QCD-faasitransitio (?) 10-11 s 100 GeV sähköheikko faasitransitio (?) 10-13…10-36 s 103…1016 GeV baryogenesis? 10-13…10-36 s 103…1016 GeV inflaatio? 10-13…10-42 s 103…1019 GeV kvanttigravitaatio? F2k-klubi, Helsingin yliopisto,

21 Fysiikan Nobel-palkinto 2011
“maailmankaikkeuden kiihtyvän laajenemisen löytämisestä kaukaisten supernovien havaintojen kautta” Saul Perlmutter Brian P. Schmidt Adam G. Riess F2k-klubi, Helsingin yliopisto,

22 Kirkkaudesta pimeyteen
Havainto: kaukaiset supernovat ovat odotettua himmeämpiä. Tulkinta: laajeneminen on kiihtynyt. Kolme mahdollista selitystä. F2k-klubi, Helsingin yliopisto,

23 Kolme vaihtoehtoa Vähintään yksi seuraavista pitää paikkansa:
1) On olemassa ainetta, joka antigravitoi. 2) Yleinen suhteellisuusteoria ei päde. 3) Maailmankaikkeuden rakenteilla on merkittävä vaikutus laajenemiseen. F2k-klubi, Helsingin yliopisto,

24 Pimeä energia Pimeä energia: “it is an enigma, perhaps the greatest in physics today”. Antigravitaation lähde, jakautunut tasaisesti, ei koostu hiukkasista. Paras kandidaatti: tyhjön energia. F2k-klubi, Helsingin yliopisto,

25 Gravitaation muutos Kenties yleinen suhteellisuusteoria ei päde kosmologisilla etäisyyksillä. Yleinen suhteellisuusteoria on varmennettu Aurinkokunnassa 10-5 tarkkuudella. F2k-klubi, Helsingin yliopisto,

26 Rakenteiden vaikutus Myöhäinen maailmankaikkeus sisältää monimutkaisia rakenteita. Rakenteet vaikuttavat laajenemisnopeuteen ja etäisyyksiin. Etäisyydet voivat olla pidempiä ilman kiihtymistä. Laajeneminen voi kiihtyä ilman antigravitaatiota. Vaikutus keskimääräiseen laajenemisnopeuteen on epäselvä. F2k-klubi, Helsingin yliopisto,

27 Suhteellisuusteorian tuolle puolen
Yleinen suhteellisuusteoria on ennustanut havaintoja onnistuneesti 97 vuotta. Gravitaation suhteen yleistä suhteellisuusteoria ei kenties ole tarvetta muokata. Mutta se ei sisällä kvanttimekaniikkaa. Inflaatio raottaa ovea kvanttigravitaatioon. F2k-klubi, Helsingin yliopisto,