fiz03_podrecznik_dla_nauczyciela.doc

Podręcznik dla nauczyciela

OD KWARKÓW DO GROMAD GALAKTYK – BUDOWA I DZIEJE WSZECHŚWIATA

dr Krystyna Wosińska

Kosmologia i fizyka cząstek elementarnych to powiązane ze sobą, pasjonujące dziedziny wiedzy, które dają okazję do zadawania fundamentalnych pytań: jakie jest pochodzenie Wszechświata, czy to, co mnie otacza, to kosmiczny przypadek czy Czyjś plan? Teoria Wielkiego Wybuchu wzbudza wielkie emocje i dyskusje światopoglądowe. Jedni uważają, że Wielki Wybuch to dowód na stworzenie świata opisane w Księdze Rodzaju. Taki pogląd wydaje się potwierdzać fakt, że najmniejsza zmiana wartości stałych fizycznych, takich jak stała grawitacji, prędkość światła czy przenikalność elektryczna próżni uniemożliwiłaby istnienie atomów, a więc świata, jaki obserwujemy. Takie idealne wykalibrowanie stałych fizycznych może wydawać się celowym. Jednak wielu fizyków szuka wyjaśnienia bez odwoływania się do Stwórcy. Bardzo ciekawa jest hipoteza Lee Smolina, który założył, że nasz Wszechświat jest jednym z wielu. Wielkie Wybuchy zachodzą podczas powstawania czarnych dziur i tworzą nowe wszechświaty o rozłącznej czasoprzestrzeni. Prawa fizyczne w nowopowstałych wszechświatach mogą być różne i spośród wielu wszechświatów, w których nie może powstać życie, są i takie, jak nasz Wszechświat, w którym życie jest możliwe. Jednak dyskusje o powiązaniu nauki z wiarą są bezcelowe, ponieważ żadne odkrycie naukowe nie udowodni, ani nie zaprzeczy istnieniu Boga. Jeśli okazałoby się, że Smolin ma rację, to dla osoby wierzącej Bóg będzie Panem Wieloświata. Po prostu nauka zajmuje się wyłącznie światem materialnym, a Bóg nie należy do tego świata. Kilka lat temu przetoczyły się w Polsce dyskusje, czy teoria ewolucji przeczy religii. Niektórzy nauczyciele na wszelki wypadek zdejmowali ze ścian plansze o ewolucji. Jednak autorzy takich wątpliwości dowiedli jedynie swojej ignorancji zarówno w dziedzinie nauki jak i teologii.

W wykładzie powołałam się na słynny wzór Einsteina E = mc2, który wiąże masę z energią. W mikroświecie wszystko jest małe. Posługujemy się też mniejszą jednostką energii – elektronowoltami ( 1eV≈1,6∙10-19J). W badaniach cząstek występują wielokrotności elektronowolta, tworzone w tradycyjny sposób, tzn:  keV, MeV, GeV, TeV. Natomiast, jeżeli  przekształcimy cytowany wyżej, wzór Einsteina, to możemy uzyskać wyrażenie wyrażające masę przez energię c2 cząstki:

W trakcie wykładu posługiwałam się właśnie taką jednostką masy.

1.   Opis wykładu

Model standardowy

Model standardowy jest teorią opisująca budowę materii. Cząstki elementarne to 6 kwarków i 6 leptonów tworzących 3 rodziny różniące się zapachem. Do pierwszej należą kwarki u i d (górny i dolny) oraz leptony: elektron i neutrino elektronowe. Rodzina druga to kwark powabny c i dziwny s oraz leptony mion i neutrino mionowe. Do rodziny trzeciej należą kwark prawdziwy (zwany też wierzchnim) t, piękny (inaczej spodni) b i leptony taon i neutrino taonowe. Każdej cząstce odpowiada antycząstka o jednakowej masie i spinie a przeciwnym ładunku i pozostałych liczbach kwantowych. Masy, ładunki i czasy życia t cząstek elementarnych przedstawione są w poniższej tabeli [PPb 2002]:

Masy cząstek z pierwszej rodziny są najmniejsze i tylko te cząstki są trwałe. Ładunki kwarków wynoszą 2/3 i -1/3 ładunku elementarnego e. Obserwujemy jednak tylko cząstki o ładunkach będących wielokrotnością e z powodu „uwięzienia” kwarków. Z kwarków zbudowane są hadrony: 3 kwarki tworzą barion, kwark i antykwark – mezon.

Oddziaływania

Znane są 4 oddziaływania: silne, słabe, elektromagnetyczne i grawitacyjne. Oddziaływania przenoszone są przez cząstki wirtualne. Zgodnie z zasadą nieoznaczoności , pojawienie się w próżni cząstki o masie m = E/c2 na dostatecznie krótki czas t taki, aby iloczyn E∙t spełniał zasadę nieoznaczoności, nie narusza zasady zachowania energii. Próżnię wypełniają więc cząstki wirtualne, których nie możemy jednak obserwować bezpośrednio.

• Oddziaływanie silne odpowiedzialne jest za wiązanie kwarków w barionach, nośnikami są gluony. Zasięg wynosi 10-15 m, jest to odległość typowa dla kwarków w nukleonie. Oddziaływanie silne zwiększa się wraz z odległością. Ta własność jest przyczyną uwięzienia kwarków w hadronach. Podczas próby rozerwania hadronu (np. podczas wysokoenergetycznych zderzeń cząstek) zwiększanie odległości między kwarkami wymaga dostarczania coraz większej energii, aż dochodzi do sytuacji, gdy utworzenie nowej pary cząstka-antycząstka jest korzystniejsze energetycznie niż dalsze zwiększanie odległości między kwarkami. Zwiększanie energii zderzeń prowadzi do zwiększenia krotności produkowanych cząstek.
• Oddziaływanie słabe jest odpowiedzialne za rozpad ciężkich kwarków i leptonów na lżejsze kwarki i leptony (zmiana zapachu). Przykładem oddziaływania słabego jest rozpad β. Cząstki przenoszące oddziaływanie słabe to bozony: W+, W- i Z0. Cząstki te mają duże masy rzędu 80 GeV (masa protonu to ok. 1 GeV).

·      Oddziaływanie elektromagnetyczne działa na ładunki. Cząstką przenoszącą oddziaływanie jest foton, zasięg - nieskończony. Odpowiada za wiązanie chemiczne, a także za większość sił z jakimi mamy do czynienia w życiu codziennym (tarcie, lepkość, siły sprężystości itp.).

·      Oddziaływanie grawitacyjne działa na każde ciało i jest odpowiedzialne za istnienie gwiazd, planet, galaktyk. Zasięg nieskończony.

·      Witrynę „Przygoda z cząstkami” stworzoną przez naukowców pracujących w CERN-ie  (http://www.ifj.edu.pl/przygoda/)  i przetłumaczoną przez polskich fizyków na język polski warto polecić uczniom zainteresowanym tematyką badań cząstek elementarnych.

Gwiazdy, galaktyki

Źródłem energii gwiazd jest nukleosynteza zachodząca w jądrze gwiazdy. Szybkość ewolucji gwiazdy zależy od jej masy – gwiazdy o większej masie ewoluują szybciej. Gwiazdy o masach mniejszych niż 0,08 masy Słońca (brązowe karły) nie są w stanie zapoczątkować przemiany wodoru w hel. Gwiazdy o masach mniejszych niż 0,8 masy Słońca nie są w stanie zapoczątkować przemiany helu w węgiel.

Gwiazdy o masach (0,8 –3) masy Słońca nie są w stanie zapalić węgla. Gdy jądro gwiazdy typu Słońca wypełniają węgiel i tlen, nukleosynteza ustaje i niezrównoważone siły grawitacji powodują zapadnięcie się jądra i utworzenie białego karła. Zewnętrzne warstwy gwiazdy są odrzucone i tworzą mgławice planetarne. Biały karzeł to gwiazda o rozmiarach podobnych do rozmiaru Ziemi i gęstości rzędu 106g/cm3. Siła grawitacji jest zrównoważona przez kwantowo-mechaniczne ciśnienie zdegenerowanego gazu elektronów, które zajmują wszystkie dostępne stany kwantowe.

Gwiazdy o masach większych niż 3 masy Słońca mogą zapoczątkować spalanie węgla i tworzą się kolejne pierwiastki, aż do żelaza, którego jądro ma maksymalną energię wiązania na nukleon. Po ustaniu reakcji termojądrowej żelazne jądro o masie zbliżonej do masy Słońca i promieniu podobnym do promienia Ziemi w ciągu ułamka sekundy kurczy się do około 10 km, tworząc gwiazdę neutronową. W gwieździe neutronowej siła grawitacji jest zrównoważona przez kwantowo-mechaniczne ciśnienie zdegenerowanego gazu neutronów. Podczas gwałtownego kurczenia się jądra gwiazdy, zewnętrzne warstwy zapadają się i z prędkością około 1/3 prędkości światła odbijają się od jądra. Przeciwbieżne strumienie materii zderzają się. Wytworzona fala uderzeniowa przechodzi przez materię wytwarzając pierwiastki cięższe od żelaza. Jest to wybuch supernowej, który wyzwala energię porównywalną z energią emitowaną przez całą galaktykę. Gwiazdy o największych masach po wypaleniu się zapadają się, tworząc czarną dziurę.

Galaktyki to skupiska miliardów gwiazd o masach rzędu 1010 – 1012  mas Słońca. Typowe odległości między sąsiednimi gwiazdami w galaktykach są dziesiątki milionów razy większe niż ich średnice. Niezwykle rzadkie są spotkania gwiazd tak bliskie, aby wskutek grawitacyjnego przyciągania znacząco zmieniły swoją orbitę. Ruch gwiazd w galaktykach jest określony przez wypadkowe pole grawitacyjne wytworzone przez wszystkie gwiazdy (przez całkowitą masę układu). Gwiazdy w galaktyce tworzą tzw. gaz bezzderzeniowy.

Galaktyki dzielą się na spiralne i eliptyczne.

Galaktyki eliptyczne są pozbawione wewnętrznej struktury, zbudowane wyłącznie z gwiazd starych prawie nie zawierają gazu i pyłu. Orbity gwiazd w galaktykach eliptycznych są zorientowane w przestrzeni chaotycznie. Rozkład prędkości gwiazd jest izotropowy.

Galaktyka spiralna zbudowana jest z jądra i ramion spiralnych, których wygięcie wskazuje na ruch obrotowy. Układ ramion tworzy dysk galaktyczny. Przykładem galaktyki spiralnej jest Droga Mleczna – galaktyka, do której należy nasz układ słoneczny. Ramiona galaktyk spiralnych zawierają sporo gazów i pyłów i często zachodzą tam procesy gwiazdotwórcze.

Gromady galaktyk, wielkoskalowe struktury Wszechświata

Galaktyki tworzą gromady galaktyk. Nasz galaktyka Droga Mleczna należy do niewielkiej grupy galaktyk zwanej Grupą Lokalną...