Transcript Ciekawa fizyka - Maciej Synak i Lukasz Kawczynski 2004

„Fizyka także może być ciekawa, czyli...”
Najciekawsze zagadnienia współczesnej fizyki.
Einstein i prędkość światła.
Świat najmniejszych cząstek.
Wielki Wybuch i wieczność.
Łukasz Kawczyński
Maciej Synak
Einstein i prędkość światła.
Czy istnieje absolutnie największa prędkość?
Od kilku stuleci wiadomo, że w próżni światło rozchodzi się z niewiarygodną prędkością 300 000
km na sekundę. Sygnał świetlny, który astronauta wysyła z Księżyca, biegnie do Ziemi zaledwie 11/3 sekundy,
natomiast promień świetlny odległego od nas o 150 milionów km Słońca dochodzi do nas w około 8 minut.
Mówimy, że Księżyc odległy jest od Ziemi o 11/3 sekundy świetlnej, a Słońce o 81/3 minut świetlnych. Jak
wykazuje wiele eksperymentów, prędkość światła jest absolutnie najwyższą prędkością dla jakichkolwiek
sygnałów, które możemy przesłać lub otrzymać ze statków kosmicznych czy odległych planet. Fale radiowe, a
także promienie laserowe poruszają się w próżni dokładnie z prędkością światła. Rakiety i statki kosmiczne,
ale również atomy i cząstki elementarne muszą zawsze poruszać się z prędkością mniejszą od tej magicznej
prędkości granicznej. Statek kosmiczny XXIII wieku mógłby zatem —jeśli udałoby się rozwiązać wszystkie
problemy techniczne — polecieć na Syriusza albo Wegę z prędkością równą 95% prędkości światła, ale
nigdy z prędkością większą od prędkości światła, jak to często można wyczytać w niedobrych powieściach
science-fiction.
Podsumujmy więc: prędkość światła jest absolutnie najwyższą prędkością dla wszelkiego rodzaju
sygnałów; statki kosmiczne nigdy nie mogą osiągnąć jej w 100%; krótko mówiąc: nic nie może poruszać się
szybciej od światła.
Einstein i prędkość światła.
Sygnał świetlny byłby w drodze: z Księżyca przez 1 1/3 sekundy, ze Słońca przez 8 1/3 minuty, z
najbliższej gwiazdy stałej przez 4,3 roku, ale minęłoby aż kilka milionów lat, zanim dotarłby na
Ziemię z sąsiedniej galaktyki.
Einstein i prędkość światła.
Co się stanie, jeśli polecimy naprzeciw promieniowi świetlnemu?
Jeśli będziemy obserwować jakiekolwiek źródło światła, np. żarówkę albo daleką gwiazdę, to
stwierdzimy, że jego sygnał świetlny porusza się w naszym kierunku zawsze z tą samą prędkością. Samo w
sobie nie jest to niczym szczególnym; również dźwięk, który wprawdzie nie może rozchodzić się w próżni, ma
stałą prędkość. Ale oto pojawia się coś zadziwiającego, absolutnie nowego i niepojętego. Jeżeli z dużą
jednostajną prędkością będziemy się przemieszczać w kierunku źródła światła, jeżeli zatem będziemy lecieli
sygnałowi świetlnemu naprzeciw, to nie będzie ono do nas dochodzić prędzej niż przedtem: będziemy
uzyskiwać zawsze tę samą prędkość światła. Jeżeli np. kosmonauta z prędkością 100 000 km/s będzie zbliżał
się do gwiazdy, wysyłającej sygnał świetlny z prędkością 300 000 km/s, to sygnał ten nie będzie dochodził do
niego z prędkością 400 000 km/s, lecz tylko 300 000 km/s.
Podobnie będzie, jeślibyśmy oddalali się od źródła światła. Nawet gdybyśmy w wymyślonym
statku kosmicznym XXIV wieku oddalali się od jakiejś gwiazdy z prędkością równą 90% prędkości światła, to
jej światło i tak będzie dochodzić do nas zawsze z tą samą stałą prędkością 300 000 km/s. Obojętnie skąd
obserwujemy światło, z Ziemi czy szybkiego statku kosmicznego, ma ono zawsze tę samą prędkość.
Ta tzw. stałość prędkości światła, która zachowana jest zarówno w próżni, jak dla obserwatorów w
spoczynku lub poruszających się ruchem jednostajnym, znana była już w ubiegłym wie<u i jest jedną z
podstaw teorii względności Alberta Einsteina, największego być może uczonego wszechczasów. Jak żaden
inny człowiek uformował on nasz współczesny obraz świata. Na prawie każdej stronie tej książki zetkniemy
się z jego genialnymi ideami i odkryciami.
Einstein i prędkość światła.
Światło dochodzi do nas zawsze z tą samą prędkością c = 300 000 km/s, obojętne, czy znajdujemy
się w stosunku do źródła światła w spoczynku, czy też poruszamy się ruchem jednostajnym w
kierunku do lub od niego.
Jeżeli jadę samochodem z prędkością 50 km/godz. i naprzeciw mnie jedzie inny samochód również
z prędkością 50 km/godz., to zbliża się on do mnie z prędkością 50 + 50 = 100 km/godz.
300 000 + 100 000 =
Jeżeli lecę z prędkością 100 000 km/s naprzeciw promieniowi świetlnemu gwiazdy, to zbliża się on
do mnie nie z prędkością 100 000 + 300 000 = 400 000 km/s, lecz tylko z prędkością 300 000
km/s.
Einstein i prędkość światła.
W bardzo szybkim statku kosmicznym, który mija Ziemię z prędkością równą połowie prędkości
światła, wyzwolony zostaje błysk świetlny. Dla obserwatora A w statku kosmicznym światło
rozchodzi się z prędkością światła c. Dla obserwatora B na Ziemi sygnał świetlny statku nie biegnie,
jak można by przypuszczać, z prędkością równą V\2 c, lecz tylko z prędkością c.
Einstein i prędkość światła.
Kim był Albert Einstein?
Wielki fizyk Albert Einstein urodził się jako syn żydowskich rodziców w r.1879 w Ulm. Dorastał
w Monachium, a kiedy miał 15 lat, przybył do Szwajcarii. W roku 1902 ten nieśmiały młody człowiek otrzymał
skromną posadę „eksperta III stopnia" w berneńskim urzędzie patentowym. Nikt wówczas nie uwierzyłby, że
ledwie w trzy lata później, drukując teorię względności oraz publikując inne prace, zmieni on cały nasz obraz
świata. Rok 1905 pozostanie z pewnością najbardziej znaczącym rokiem w rozwoju współczesnej fizyki. W
tym roku Einstein opublikował nie tylko swoją szczególną teorię względności, ale również w dwu innych
pracach położył podwaliny pod współczesną fizykę atomową oraz fizykę cząstek.
Sławę światową zyskał bardzo szybko. W roku 1914 był już dyrektorem Instytutu Fizyki im.
Cesarza Wilhelma w Berlinie, w 1915 ogłosił ogólną teorię względności, a w 1921 Albert Einstein otrzymał
nagrodę Nobla. W roku 1933 wraz z wieloma innymi znaczącymi naukowcami i pisarzami opuścił Niemcy,
które do tego momentu tworzyły światowe centrum badań naukowych. Rolę tę przejęły teraz Stany
Zjednoczone Ameryki, w których Einstein odnalazł swój nowy dom.
Fakt że przesądzająca losy wojny światowej bomba atomowa wywodziła się ostatecznie także z
idei Einsteina, mógłby może rzucić cień na tę wielką osobowość badawczą. Późne lata spędził Einstein w
Princeton (USA), gdzie zajmował się głównie teorią ujednolicenia wszystkich sił przyrody, zbyt wielkim celem,
jak na jedno krótkie ludzkie życie. Zmarł 18 kwietnia 1955 r.
Einstein i prędkość światła.
Alberta Einstein
Oryginalne prace Alberta Einsteina
Einstein i prędkość światła.
Co rozumiemy przez teorię względności?
Jak już wiemy, w zakresie największych prędkości przyroda zachowuje się zupełnie inaczej, niż
można by
oczekiwać. Również w świecie najmniejszych cząstek i silnych pól grawitacyjnych nasza
wyobraźnia i tzw. Zdrowy rozsądek zawodzą zupełnie. W królestwie tego, co najszybsze, największe lub
najmniejsze zachodzi wiele zjawisk, których nie umiemy sobie wyobrazić, ale które potrafimy dokładnie opisać
w języku matematyki. Istnieją tu różnorakie teorie. Szczególna teoria względności zajmuje się — wyrażając to
w sposób bardzo uproszczony — zakresem największych prędkości i pokazuje, że przestrzeń, czas oraz
masa są względne, a więc zależne od obserwatora. Ogólna teoria względności opisuje m.in. wpływ wielkich
mas na czas i przestrzeń, a w szczególności na zjawiska w obrębie silnych pól grawitacyjnych. Do królestwa
najmniejszych cząstek odnosi się, obok teorii względności, również teoria kwantów.
Einstein i prędkość światła.
Dylatację czasu można zrozumieć nawet bez
znajomości wyższej matematyki. Wyobraźmy
sobie „zegar świetlny", który działa w następujący
sposób: w obudowie z lustrzanymi ścianami
wewnętrznymi porusza się w górę i w dół sygnał
świetlny. Za każdym razem, kiedy jest u góry,
wskazówka powinna przesunąć się
0 jedną jednostkę do przodu. Niech ten zegar
mija nas przelatując z wielką prędkością. Dla
obserwatora lecącego razem z nim będzie działał
on zupełnie normalnie. Promień światła poruszać
się będzie w górę i w dół w rytmie „tik — tak". Dla
obserwatora z Ziemi ten sam zegar będzie szedł
o wiele wolniej. Kiedy sygnał świetlny u góry
startuje, zegar znajduje się w pozycji 1, kiedy
przybywa do nas na dół - w pozycji
2. Ponieważ prędkość
światła jest
stała,
promień
świetlny potrzebuje o wiele dłuższego czasu, aby
dotrzeć z góry na dół, ponieważ musi przecież
pokonać wielki odcinek a. Dokładnie to samo
dzieje się z drogą z dołu do góry. Dla
obserwatora z Ziemi zegar poruszałby się w
rytmie „tiiik - taaak", a więc wolniej niż dla
obserwatora lecącego razem z zegarem.
Einstein i prędkość światła.
Czy w statkach kosmicznych zegary chodzą inaczej?
Fakt, że światło rozchodzi się zawsze tak samo prędko, niezależnie od tego, skąd je obserwujemy,
ma zadziwiające skutki, opisane w szczególnej teorii względności. Jednym z nich jest to, że zegary, mijające
nas, dolatujące bądź odlatujące od nas z wielką prędkością, chodzą dla nas, obserwatorów z Ziemi, wolniej,
niż tak samo zbudowane zegary na Ziemi. Jeśli, na przykład, przelatuje koło nas statek kosmiczny pędzący z
prędkością równą 99,9% prędkości światła, to u nas miną ±22 sekundy, podczas gdy wskazówka w statku
kosmicznym przesunie się o 1 sekundę. Dla znajdującego się praktycznie w stanie spoczynku obserwatora z
Ziemi zegar w statku kosmicznym chodzi 22 razy wolniej od zegarów na Ziemi. Tego eksperymentu nie można
jeszcze wprawdzie (a może nie będzie można nigdy) przeprowadzić, ale zjawisko objaśnione wyżej, tzw.
rozciągnięcie, czyli dylatację czasu, można jednak udowodnić. Na wielkiej wysokości, około 20 km nad
naszymi głowami, powstają w atmosferze wskutek oddziaływania kosmicznego miony, cząstki żyjące tak
krótko, że już po 1 l/i milionowej części sekundy, tzn. po 1,5 mikrosekundy, połowa z nich się rozpada. Miony
te, chociaż pędzą ku nam z prędkością bliską światłu, nie powinny właściwie w ogóle dotrzeć do powierzchni
Ziemi, lecz już po przebyciu drogi o długości ok. 450 m rozpaść się. Pomimo to wiele tych cząstek do nas
dociera. Jak to jest możliwe? Teoria względności dostarcza nam odpowiedzi na to pytanie. Ponieważ cząstki
te osiągają prawie prędkość światła, ich „zegary" — z naszego punktu widzenia — chodzą wolniej. Jeżeli np.
dla nich mija 1,5 mikrosekundy, to u nas na Ziemi wskazówka przesuwa się do przodu o 80 mikrosekund, a w
ciągu tak długiego czasu cząstki mogą do nas dotrzeć. Opisany tu w sposób uproszczony eksperyment
mionowy był jednym z pierwszych dowodów na słuszność Einsteinowskich przewidywań. Obecnie istnieje już
wiele innych.
Einstein i prędkość światła.
Jeżeli mija nas statek kosmiczny
lecący z prędkością równą 99,9%
prędkości światła, to u nas miną ±22
sekundy, podczas gdy wskazówka
w statku przesunie się o 1 sekundę.
Einstein i prędkość światła.
Czy ludzie polecą kiedyś na dalekie gwiazdy?
Opisane wyżej szybkie miony żyją dla nas 80 mikrosekund; z ich punktu widzenia żyłyby 1,5
mikrosekundy. W tym krótkim czasie mogłyby przebyć, osiągając nawet prędkość światła (największą ze
wszystkich prędkości), najwyżej 450 m. W jaki sposób udaje im się — patrząc z punktu widzenia tych cząstek
— przebyć w krótkim życiu 20 km?
Z dylematu pomaga nam wyjść inne ważne twierdzenie szczególnej teorii względności: przedmioty
mijające nas z wielką prędkością postrzegamy jako skrócone. Nazywa się to zmniejszeniem długości. Jeżeli
statek kosmiczny o długości I = 100 m mija nas z prędkością równą 95% prędkości światła, to z naszego
punktu widzenia ma on 33 metry, a więc jest skrócony do 1/» I. Coś podobnego przeżywałyby także miony. Z
ich punktu widzenia atmosfera ziemska przelatuje prawie z prędkością światła, jawiąc im się jako mocno
zwężona. Wysokość 20 km kurczy się im do około 300 m, a ten odcinek mogą w swym krótkim życiu cząstek
przelecieć i dotrzeć do Ziemi. Przestrzeń i czas są względne i zależą od pozycji obserwatora.
Einstein i prędkość światła.
Również astronaucie zbliżającemu się do prędkości światła przestrzeń kurczyłaby się coraz
bardziej, otwierając mu fantastyczne możliwości. Co prawda, wątpliwe jest, czy będzie to kiedykolwiek
technicznie możliwe. Załóżmy jednak, że kosmonauta siedzi w statku kosmicznym, którego prędkość wzrasta
z każdą sekundą o 10 m. Jest to przyspieszenie, które człowiek może dobrze znieść. Po czterech latach
czasu pokładowego kosmonauta będzie starszy o 4 lata. Na Ziemi minie 27 lat, a on osiągnie odległą od
Ziemi o 26 lat świetlnych Wegę (1 rok świetlny równa się 9,461 bilionów km). Będzie to możliwe, ponieważ te
26 lat świetlnych odczuje on podobnie jak mion swoją drogę ku Ziemi. Po 8 latach czasu pokładowego na
Ziemi przejdzie 1500 lat, a statek kosmiczny przybędzie na odległą od naszej planety o 1500 lat świetlnych
gwiazdę Deneb. Wszyscy przyjaciele astronauty dawno już nie będą żyli, on sam prawdopodobnie dawno
będzie już zapomniany. Po około 15 latach czasu pokładowego (a więc ciągle jeszcze za życia astronauty), na
Ziemi miną 2 miliony lat, a on dotrze do Mgławicy Andromedy, innej galaktyki, odległej od ziemskich
obserwatorów o około 2 miliony lat świetlnych. Dla astronauty wszakże byłaby to odległość tak krańcowo
zmniejszona, że ze swego punktu widzenia nie mógłby lecieć z prędkością większą od prędkości światła, co
jest przecież niemożliwe. Dla cząstki światła, czyli kwantu światła, podróżującego dokładnie z prędkością
światła, przestrzeń skraca się do zupełnej nicości i czas staje w miejscu.
Einstein i prędkość światła.
Miony żyją około 1,5 mikrosekundy.
Skoro powstają na wysokości około 20
km, nie miałyby w zasadzie prawa do
nas dotrzeć, lecz po przebyciu odcinka
drogi wynoszącego około 450 m
musiałyby się rozpaść. Pomimo to
docierają do powierzchni Ziemi,
ponieważ u nas mija 80 mikrosekund,
podczas gdy cząsteczki ze swego
punktu widzenia starzeją się o 1,5
mikrosekundy.
Einstein i prędkość światła.
Jeżeli rakieta mija nas z prędkością równą 95% prędkości światła, to postrzegamy ją skróconą do V 3 I.
Einstein i prędkość światła.
Statek kosmiczny poruszający się prawie z prędkością światła
mógłby osiągnąć za 15 łat czasu pokładowego odległą o około
2 miliony lat świetlnych Mgławicę Andromedy. Patrząc z Ziemi,
podróż ta trwałaby 2 miliony lat.
Dla szybkich mionów odległość 20
km skraca się do 300—400 m.
Einstein i prędkość światła.
Czas ziemski
Odległość od
ziemi
Lata
Lata
Lata świetlne
1
1,18
0,54
0,76
2
3,6
2,8
0,96
4
27
26
0,9993
6
200
200
0,99999
8
1 500
1 500
10
11 000
11 000
12
81 000
81 000
Opuszczenie Drogi
Mlecznej
15
2 min
2 min
Mgławica
Andromedy
Czas
pokłado
wy
v/c
1 rok świetlny = 9,641 bilionów km
v = prędkość podróżowania mierzona z Ziemi
c = prędkość światła
Obiekt
Wega
Deneb
Einstein i prędkość światła.
Czy możemy dożyć roku 3986?
Ludzie żyją przeciętnie 70 lat, niektórzy czasami dożywają do 100. Pomimo to, gdyby ktoś wybrał
się superszybkim statkiem kosmicznym z prędkością równą 99,94% prędkości światła w podróż okrężną,
mógłby po swoim powrocie przeżyć na Ziemi rok 3991.
Podczas podróży trwającej 68 lat, na Ziemi minęłoby 2000 lat i starszy o 68 lat kosmonauta
wróciłby do domu w r. 3991.
Przy podróży krótszej i nieco wolniejszej nasz kosmonauta jako czterdziestolatek może jeszcze
mógłby przywitać się ze swoim bratem bliźniakiem, który stałby się w tym czasie 90-letnim starcem. Ten
„paradoks bliźniąt", którego dokładne wyjaśnienie przekroczyłoby ramy tej książki, poruszał umysły przez
długie lata. Dziś można go łatwo udowodnić i pomagają tu nam znowu miony. Niech cząstka ta krąży z
prędkością równą 99,94% prędkości światła, to wtedy dla nas, umiejscowionych zewnątrz, mion taki będzie
żył 44 mikrosekundy, podczas gdy z jego punktu widzenia minie tylko 1,5 mikrosekundy. Jego czas istnienia
wyda nam się podobnie długi jak 68-letni lot astronauty, który dla pozostającego w bezruchu obserwatora
ziemskiego trwać będzie aż 2000 lat.
Einstein i prędkość światła.
Dla kosmonauty wykonującego z
prędkością
równą
99,94%
prędkości światła pętle w kosmosie
mija 68 lat, podczas gdy na Ziemi
mija 2000 lat. Jeżeli mion, którego
życie trwa 1,5 mikrosekundy krąży
z prędkością równą 99,94%
prędkości światła, to my z zewnątrz
obserwujemy życie cząstki przez
44 mikrosekundy.
Einstein i prędkość światła.
Jeżeli mion, którego życie trwa 1,5 mikrosekundy, krąży z prędkością równą
99,94% prędkości światła, to z zewnątrz życie cząstki obserwujemy przez 44
mikrosekundy.
Einstein i prędkość światła.
Przed podróżą na dalekie gwiazdy kosmonauta żegna się ze swoim 20-letnim bratem bliźniakiem. Po 20
latach czasu pokładowego wraca do domu. On ma 40 lat, a jego brat-bliźniak 90.
Einstein i prędkość światła.
Czy jabłko może ważyć 50 kg?
Wprawiony w prędki ruch przedmiot posiada energię kinetyczną, która jest tym wyższa, im
większą ma on masę i im większa jest jego prędkość. Ciężarówka o masie 10 000 kg i prędkości 100 km/godz
ma na przykład więcej energii kinetycznej niż ptak o masie 20 g i prędkości 20 km/godz. Jeżeli podwyższymy
energię kinetyczną auta, a więc dodamy gazu, to zwiększymy jego prędkość, natomiast jego masa pozostanie
bez zmiany. Ma ono zawsze 1000 kg masy, obojętnie jak prędko jedzie. Co się stanie jednak, gdy statek
kosmiczny przyszłości będzie leciał prawie z prędkością światła i dołoży mu się jeszcze więcej energii, np.
przez włączenie dodatkowego napędu? Prędkość można podwyższyć zaledwie troszeczkę, ponieważ
największą ze wszystkich możliwych prędkości już prawie uzyskano, a więc — wnioskował Einstein —
zwiększyć się musi masa pojazdu. Taki przyrost stwierdzają codziennie naukowcy w DESY i CERN
(urządzenia do przyspieszania cząstek), kiedy przyspieszają małe cząstki do prędkości bliskiej prędkości
światła. Ale wróćmy z powrotem do naszej rakiety.
Einstein i prędkość światła.
Zgodnie z formułą Einsteina, jeżeli w spoczynku posiada ona 1 000 kg masy, to przy prędkości
równej 80% prędkości światła osiąga masę 1 700 kg, przy 99% prędkości światła 7100 kg, a przy 99,99%
prędkości światła 224 000 kg. Jest to zresztą powód, dla którego statek kosmiczny nigdy nie zdoła osiągnąć
prędkości światła. Jeżeli zbliży się do tej magicznej prędkości granicznej, to jego masa stanie się praktycznie
nieskończenie wielka i trzeba by dysponować nieskończenie mocnym napędem, aby go nadal przyspieszać.
Widzimy, że masa jakiegoś przedmiotu jest również względna i zależy od obserwatora. Statek kosmiczny,
który dla swego pasażera ma masę 1 000 000 kg, jeżeli mija nas z prędkością około 99% prędkości światła,
posiada dla nas, obserwatorów z zewnątrz, masę 7 100 000 kg. Wielkie jabłko przelatujące koło nas z
prędkością 99,99% prędkości światła miałoby dla nas masę 50 kg. Naturalnie nikt nie może przyspieszyć
prędkość jabłka aż tak dalece. Jest to jednak możliwe w odniesieniu do cząstek elementarnych. Na przykład w
uniwersytecie w Zurychu przyspieszano elektrony do prędkości równej dokładnie 99% prędkości światła, a
następnie za pomocą pól elektrycznych i magnetycznych kierowano je na inny tor. Z krzywizn torów można
było określić masę elektronów. Jak to wyliczył Einstein, była ona 7 razy większa od masy elektronów
spoczywających. Dziś w DESY, w instytucie badawczym koło Hamburga, podwyższenie masy cząstek
elementarnych nawet 6 000 razy stanowi drobiazg.
Einstein i prędkość światła.
Statek kosmiczny ma 70 metrów długości i
masę 1000 ton. Jeżeli mija nas z prędkością
równą 99% prędkości światła, to ma masę 7100
ton, jego długość wynosi 10 metrów, a zegary
na jego pokładzie chodzą 7x wolniej niż nasze.
Wszystkie liczby są zaokrąglone w górę lub w
dół.
Einstein i prędkość światła.
Czy można uzyskać energię z materii?
Jeżeli jakiejś bardzo szybkiej cząstce dodamy energii, to zwiększymy jej masę. Masa jest zatem
wnioskował Einstein — tylko formą energii. Jak przecież widzieliśmy, energia napędowa superszybkiego
statku kosmicznego może być przekształcona w masę, podobnie, jak można np. energię elektryczną przetworzyć w ciepło. Zatem — wnioskował dalej Einstein — możliwy musi być również proces odwrotny:
uzyskiwanie energii z masy. Dokładnie to wypowiada najbardziej chyba znana, najsławniejsza formuła całej
fizyki:
E = mc2
Masa m może być przekształcona w gigantyczną porcję energii, którą otrzymamy po
przemnożeniu tej masy przez kwadrat olbrzymiej prędkości światła. Zarówno Słońce, jak i bomba atomowa,
przekształcając masę w energię uwalniają jej potężne zasoby.
Einstein i prędkość światła.
Jak Słońce wytwarza energię?
We wnętrzu Słońca panują warunki dla nas niewyobrażalne. W temperaturze 15 milionów stopni i
przy ciśnieniu 200 miliardów atmosfer atomy wodoru — by wyrazić to w sposób uproszczony —
przekształcane są w atomy helu. Z 4 jąder wodorowych powstaje w ciągu kilku stadiów pośrednich jądro
helu. Ma ono znacznie mniejszą masę niż budujące je 4 składniki. Masa zatem zostaje przekształcona,
zgodnie z formułą Einsteina, w energię. Proces ten nosi nazwę syntezy jądrowej.
W ciągu każdej sekundy Słońce zużywa 564 miliardy kg wodoru, z czego powstaje 560 miliardów
kg helu. Pozostałe 4 miliony ton, tj. zaledwie 0,7% paliwa, stają się energią, która ostatecznie
wypromieniowywana jest w formie światła i ciepła. Pomimo wielkiego zużycia paliwa nasze Słońce może
świecić 10 miliardów lat, z których za sobą ma już 5 miliardów. Znajduje się zatem w połowie swego życia.
Einstein i prędkość światła.
protony (jądra wodoru)
Z czterech jąder wodoru powstaje w Słońcu w ciągu kilku stadiów pośrednich jądro helu. Cztery
składniki mają większą masę niż powstające z nich nowe jądro. Różnica masy zostaje zamieniona w
energię.
Einstein i prędkość światła.
Co łączy Einsteina z bombą atomową?
Również w bombie atomowej i reaktorze jądrowym masa zamieniana jest w energię. Wielki atom
uranu trafiany jest przy tym małą cząstką, neutronem. Jądro uranu rozszczepiane jest na dwa średniociężkie
jądra atomowe, ponadto powstaje kilka nowych neutronów, które ze swej strony mogą trafiać i rozszczepiać
dalsze jądra uranu. Ważna jest przy tym rzecz następująca: powstające podczas rozszczepiania nowe jądra i
cząstki mają mniejszą masę niż jądro wyjściowe i trafiający je neutron. Podobnie jak wewnątrz Słońca zostaje
znów utracona masa, tym razem w procesie rozszczepienia jądra. Utracona masa przekształcana jest i tutaj
wedle formuły Einsteina: E = mc2 w olbrzymie zasoby energii. W bombie atomowej przybiera to charakter
eksplozji; wiele jąder rozszczepianych jest w tzw. reakcji łańcuchowej prawie jednocześnie. W elektrowni
atomowej rozszczepia się tylko tyle jąder, ile potrzeba do produkcji energii o stałej wartości.
Einstein i prędkość światła.
W bombie atomowej lub elektrowni atomowej wielkie jądro plutonu rozszczepiane jest przez neutron.
Powstają przy tym 2 mniejsze jądra atomowe oraz nowe neutrony, które mogą rozszczepiać następne
jądra.
Einstein i prędkość światła.
W bombie atomowej, a także w elektrowni
atomowej, masa zamieniana jest w energię.
Einstein i prędkość światła.
Co spotkałoby kosmonautę w pobliżu czarnej dziury?
Dotychczas zajmowaliśmy się głównie szczególną teorią względności, a więc pomijaliśmy wielkie
pola grawitacyjne, wielkie masy czy przyspieszenia. Tak samo zajmująca, ale niestety o wiele bardziej
skomplikowana, jest ogólna teoria względności. Jednym z jej istotnych twierdzeń jest, że w obrębie wielkich
pól grawitacyjnych zegary chodzą wolniej, a przy mniejszej grawitacji prędzej. Dziś można to twierdzenie
łatwo udowodnić przy pomocy zegarów atomowych, chodzących na pokładach samolotów na wysokości 10
km wyraźnie szybciej od tak samo zbudowanych zegarów umieszczonych na powierzchni Ziemi, gdzie
przecież siła ciężkości jest trochę większa niż na górze w samolocie. Chodzi tu o niewielkie odstępstwa.
Rzecz unaoczni się dopiero, kiedy wyobrazimy sobie kosmonautę okrążającego supergęstą porcję materii,
czarną dziurę, której pole grawitacyjne jest nieopisanie wielkie, co ekstremalnie spowalnia tam zegary.
Patrząc z Ziemi, życie naszego kosmonauty biegłoby bardzo wolno. Lekarze z NASA, kontrolujący przez radio
funkcje jego ciała, stwierdzaliby co 20 minut jedno uderzenie serca. Natomiast dla naszego kosmonauty
zegary na Ziemi pędziłyby zawrotnie. Nowa gazeta codzienna ukazywałaby się co 90 sekund, nowy parlament
wybierano by 5 razy w tygodniu, nie licząc wyborów przedterminowych. Po 4 tygodniach czasu pokładowego
nie żyliby już wszyscy przyjaciele astronauty; on sam byłby starszy o 1 miesiąc, podczas gdy na Ziemi
minęłoby 80 lat. Gdyby można było żyć na ciele niebieskim o krańcowo silnym polu grawitacyjnym (może na
gwieździe neutronowej), to dzień pracy przebiegałby zupełnie inaczej niż u nas: człowiek jechałby rano do
biura na 30. piętrze wieżowca i tam spędzał osiem godzin dnia pracy przy mniejszej sile ciążenia. Potem
wracałby z powrotem na dół i stwierdzał, że tu, przy większej sile ciążenia, minęła zaledwie godzina. A więc
początek pracy o 9., fajrant o 10. Godziny spędzone na górze przeżywane byłyby jednakże jako 8 godzin. My
sami z naszego punktu widzenia, możemy żyć tylko lat 70 czy 90, nawet jeśli dla obserwatorów w innych
systemach odniesień nasze życie trwa 10 sekund czy 10 000 lat.
Einstein i prędkość światła.
Interesujące jest także zakrzywienie przestrzeni w wielkich polach grawitacyjnych. Na gwieździe
neutronowej można byłoby zobaczyć tył swojej głowy, ponieważ wychodzący stąd promień światła w
zakrzywionej przestrzeni biegłby dookoła gwiazdy. Również ten efekt można łatwo udowodnić i już sam Albert
Einstein pokazał, jak można to zrobić. Przyjrzyjmy się tu rzadkiemu zjawisku przyrodniczemu, które w Polsce
będzie można znowu zobaczyć dopiero w roku 1999: całkowitemu zaćmieniu Słońca, podczas którego
Księżyc zupełnie przysłoni Słońce. W totalnej ciemności, gdy Księżyc całkiem przykryje Słońce, na krótki czas
staną się widoczne gwiazdy. Przebiegające w pobliżu Słońca promienie świetlne gwiazd musiałyby, jeżeli
Einstein miał rację, być zakrzywione przez jego pole grawitacyjne. Gwiazdy obserwowano by na innym
miejscu niż normalnie. Dokładnie taki efekt został zaobserwowany i odchylenie było dokładnie takie, jak to
wcześniej wyliczył Einstein.
Einstein i prędkość światła.
Zegary w samolocie albo na wysokiej górze chodzą szybciej niż na poziomie morza. W
szybkich samolotach bądź rakietach wynik musi być dodatkowo skorygowany,
ponieważ na czas wpływa również prędkość.
Einstein i prędkość światła.
W pobliżu czarnej dziury zegary chodzą wolniej Dane czasowe na tym obrazku są
przesadzone.
Einstein i prędkość światła.
W Wielkie słońce eksplodowało tutaj u końca
swego życia. Część masy gwiezdnej została
daleko odrzucona, reszta skurczyła się do super
gęstej gwiazdy neutronowej (strzałka). Jeszcze
bardziej gęste resztki gwiazdy, zatrzymujące
swym wielkim polem grawitacyjnym nawet
światło, noszą nazwę czarnych dziur.
Einstein i prędkość światła.
Zegary umieszczone wysoko nad powierzchnią
gwiazdy neutronowej chodziłyby o wiele szybciej
niż usytuowane bezpośrednio na niej. Na 30.
piętrze wieżowca minęłoby 8 godzin, podczas gdy
na dole zaledwie 1 godzina. Oczywiście, jest to
hipoteza.
Einstein i prędkość światła.
Dzięki zakrzywieniu promieni świetlnych można byłoby zobaczyć tył swojej głowy.
Świat najmniejszych cząstek.
Czy istnieją cząstki światła?
Zrobiono setki prób dowodzących istnienia fal przeciwieństwie do fal wodnych czy dźwiękowych
mogą się rozchodzić również w próżni. Światło widzialne, fale radiowe, promieniowanie podczerwone,
nadfioletowe czy rentgenowskie należą do wielkiej rodziny fal elektromagnetycznych. Światło czerwone ma
większą długość fali niż fioletowe, niewidoczna podczerwień z kolei ma większą długość fali niż czerwień,
ultrafiolet ma mniejszą długość fali niż fiolet, a promieniowanie rentgenowskie jeszcze mniejszą od ultrafioletu.
Aż do początku naszego wieku sądzono, że za pomocą obrazu falowego całkowicie zrozumiano światło i jego
własności. Ale wielcy fizycy Pianek i Einstein wykazali, że w królestwie tego co najmniejsze i najszybsze
nasza wyobraźnia zawodzi, a przyroda zachowuje się tu zupełnie inaczej od naszych oczekiwań. Einstein
udowodnił, że energia fali elektromagnetycznej przenoszona jest zawsze w małych, dokładnie określonych
porcjach, czyli „kwantach", które nazywamy fotonami lub cząstkami światła. Krótko mówiąc, światło
występować może jako fala, ale również jako strumień cząstek, zależnie od tego, jak je badamy, jakie
wykonujemy eksperymenty.
Świat najmniejszych cząstek.
Energia cząstki światła jest tym większa, im mniejsza jest długość fali światła. Światło koloru
niebieskiego ma mniejszą długość fali niż czerwone. Z tego powodu fotony światła niebieskiego przenoszą
więcej energii niż czerwonego. Promienie rentgenowskie mają jeszcze mniejszą długość fali. Fotony promieni
rentgenowskich są zatem szczególnie zasobne w energię, mogą np. dotrzeć w głąb ludzkiego ciała, z czego,
jak wiadomo, korzystają lekarze przy złamaniach kości. Cząstki światła lub fotony nie mają żadnej masy
(dokładniej: masy spoczynkowej), jak atomy czy elektrony, i poruszają się podczas całego swego życia z
prędkością światła. Ciągle jeszcze trudno jest wyobrazić sobie, że istnieją cząstki nie mające masy, a niosące
ze sobą energię, i że światło występuje raz jako fala, a potem znów jako strumień cząstek. Ale to właśnie jest
typowe dla nowoczesnej fizyki wieku XX. Procesy w obrębie atomu potrafimy wprawdzie matematycznie
obliczyć — istnieje wzór, za pomocą którego z długości fali wyliczyć można energię cząstek światła — nasza
wyobraźnia najczęściej jednak nie wystarcza, by unaocznić sobie procesy przyrodnicze w królestwie tego co
najmniejsze i najszybsze. Nasz mózg i nasza wyobraźnia nie były pierwotnie przygotowane do tego, by
pojmować atomy lub kosmos, ale by szukać pożywienia, odnajdywać drogę powrotną do pieczary albo
rozpoznawać lwa, czyli różnicować rzeczy widzialne wielkości centymetra, metra lub kilometra i nie szybsze
niż 100 km/godz.
Świat najmniejszych cząstek.
Pryzmat rozkłada białe światło słoneczne na barwy tęczy - czerwoną, pomarańczową, żółtą,
zieloną, niebieską i fioletową.
Świat najmniejszych cząstek.
Światło czerwone ma większą długość fali niż fioletowe. Jeszcze większą
długość fali ma niewidzialna podczerwień, którą odczuwa się jako
promieniowanie cieplne. W przeciwieństwie do tego promienie ultrafioletowe,
rentgenowskie oraz y mają mniejszą długość fali niż światło widzialne.
Świat najmniejszych cząstek.
Cząstki światła lub inaczej fotony
ultrafioletu są bogatsze w energię niż
fotony
światła
fioletowego.
Ogólnie
obowiązuje zasada: im mniejszą długość
fali ma światło, tym bardziej zasobne w
energię są jego fotony.
h = stała
X = długość fali
E = energia fotonu
v = częstotliwość
c = prędkość światła
Świat najmniejszych cząstek.
Co to jest atom?
Od dawna wiadomo,, że wszelka materia zbudowana jest ze składników podstawowych, czyli
pierwiastków chemicznych. Do tych pierwiastków należą, np. tlen, siarka czy żelazo. Najmniejszą cząstkę
żelaza nazywamy atomem żelaza, najmniejszą cząstkę siarki atomem siarki. Czyste żelazo zawiera tylko
atomy żelaza, czysta siarka jedynie atomy siarki. Atomy mają bardzo różne masy; najlżejszy jest atom
wodoru. Atomy żelaza są o wiele cięższe, a od nich jeszcze cięższe, czyli zasobniejsze w masę, są atomy
uranu. Atom znaczy — tłumacząc z greki — właściwie „niepodzielny". Dziś wiemy, że atomy można rozłożyć
na jeszcze mniejsze części składowe. Jeżeli jednak rozbijemy atom żelaza, to zniszczone zostaną typowe
własności żelaza, powstałe składniki nie są już żelazem! Z tego powodu w wielu podręcznikach chemii
znajduje się następująca definicja pojęcia atomu: „Atom jest najmniejszą cegiełką jakiegoś pierwiastka
chemicznego, której nie można już dalej dzielić bez utraty typowych własności tego pierwiastka". Atomy są w
odniesieniu do wszystkich rzeczy naszego codziennego życia maluteńkie, ich średnica wynosi około 100 000
000 cm lub 1 10"a cm. Jak małe są atomy, można uzmysłowić sobie przez następujące porównanie. Na Ziemi
żyje ponad 5 miliardów ludzi. Gdyby każdemu z nich przyporządkować jeden atom i utworzyć z tych atomów
łańcuch, to jego długość wyniosłaby 50 cm.
Świat najmniejszych cząstek.
Hel i złoto są pierwiastkami chemicznymi. Czysty
gazowy hel zawiera tylko atomy helu, czyste złoto
tylko atomy złota.
Budowa molekuły wody i amoniaku:
O = tlen, N = azot, H = wodór.
Świat najmniejszych cząstek.
Co to jest cząsteczka?
Atomy mogą wiązać się w większe cząsteczki, tzw. molekuły. Dwa atomy tlenu tworzą np. molekułę
tlenu, dwa atomy wodoru molekułę wodoru. W przyrodzie zdarza się bardzo często, że różne atomy łączą się
w molekuły. Jedną z najbardziej znanych jest molekuła wody, składająca się z 1 atomu tlenu i 2 atomów
wodoru. Molekuła amoniaku zawiera 1 atom azotu i 3 atomy wodoru. Woda i amoniak nie są, w
przeciwieństwie do tlenu czy węgla, pierwiastkami chemicznymi, lecz związkami chemicznymi różnych
pierwiastków. Najmniejszą porcją związku chemicznego jest molekuła. Jeśli rozłożymy molekułę wody, to
znikną właściwości wody, pozostaną tylko jej części składowe: tlen i wodór, zachowujące się zupełnie inaczej
niż woda. Molekuły — podobnie jak atomy — są niewyobrażalnie małe. W normalnym kubku do picia znajduje
się ponad 6000000000000000000000000 lub 61024 molekuł wody. Gdyby zawartość tego kubka rozdzielić
równomiernie na wszystkie morza świata, to w każdym litrze wody morskiej znajdowałoby się kilka tysięcy
molekuł pochodzących z niego.
Świat najmniejszych cząstek.
Jak zbudowany jest atom?
Przed mniej więcej 80 laty Ernest Rutherford dokonał w Anglii odkrycia, które zapoczątkowało
współczesną fizykę atomową, którą teraz chcemy się zająć. Chcąc zbadać budowę atomów fizyk brytyjski
bombardował złotą folię cząstkami a. Gdyby w takiej folii metalowej materia była rozłożona równomiernie, to
cząstki byłyby wprawdzie trochę wyhamowywane, ale w zasadzie zachowałyby swój kierunek lotu. Dokładnie
tak zachowały się prawie wszystkie cząstki a. Nieliczne zmieniły jednakże zupełnie kierunek lotu, tak jak
gdyby odbijały się od małej, ale bardzo ciężkiej kuli. Rutherford wywnioskował z tego, że prawie cała masa
atomu złota skoncentrowana jest w maluteńkim jądrze i tak oto zostały odkryte jądra atomowe] Dziś wiemy
dokładnie, jak zbudowany jest atom: przypomina mały Układ Słoneczny. Wokół malutkiego jądra,
zawierającego prawie całą masę atomową i naładowanego elektrycznie dodatnio, krążą małe, bardzo lekkie
cząstki, elektrycznie ujemne elektrony. Nawet najcięższe atomy metali są w istocie „tworami z piany",
składającymi się prawie zupełnie z pustej przestrzeni. Jeśli wyobrazimy sobie, że jądro atomowe jest tak
wielkie jak czereśnia, to cały atom z orbitami elektronów będzie mniej więcej tak wielki jak katedra w Kolonii.
Jądra atomowe mają promień około 1/1000000000000 cm, czyli 10"12 cm. 100 miliardów jąder atomowych
utworzyłoby zatem łańcuch o długości 1 mm.
Świat najmniejszych cząstek.
Najprostszym atomem jest atom wodoru. Wokół jego bardzo małego jądra krąży tylko 1 elektron.
W stanie normalnym odległy on jest od jądra o około 5 miliardowych części centymetra lub 510"9 cm. Może się
jednak znaleźć na innych, dalszych orbitach i tu się niestety kończy porównanie z Układem Słonecznym.
Podczas gdy planety mogą się poruszać w dowolnej odległości od Słońca, u elektronów możliwe są tylko
ściśle określone orbity lub poziomy energii. Jeżeli elektron przeskakuje z orbity zewnętrznej, czyli ze stanu
wyższego energetycznie, na orbitę wewnętrzną, do stanu niższego energetycznie, to uwalniana jest porcja
energii w formie kwantu światła czyli fotonu. Ponieważ występują tylko ściśle określone orbity lub poziomy
energetyczne, to kwanty światła wysyłane są tylko ze ściśle określonymi energiami, w obrazie falowym zatem
emitowane są fotony ściśle określonej długości fal, po których wszędzie we Wszechświecie można rozpoznać
atom wodoru. Podobnie sprawa się ma z innymi pierwiastkami. Jest to podstawą analizy spektralnej, za
pomocą której można stwierdzić na przykład, jakiego rodzaju atomy znajdują się w atmosferze słonecznej.
Świat najmniejszych cząstek.
Jeżeli jądro atomu wyobrazimy sobie jako
czereśnię, to cały atom będzie tak wielki jak
katedra w Kolonii.
Świat najmniejszych cząstek.
Czy elektrony to naprawdę małe planety?
Widzieliśmy już, że w atomie wodoru elektron krąży wokół jądra po najbardziej wewnętrznej ze
wszystkich możliwych orbit w odległości równej 5 miliardowych cm. Dokładna wartość tzw. modelu atomu
Bohra wynosi 5,2910"9 cm. Z drugiej strony przyrównanie atomu do Układu Słonecznego jest niedoskonałe.
Jakkolwiek prawdą jest, że elektron może się znajdować tylko w stanach o ściśle określonej energii,
odpowiadającej w modelu planetarnym orbitom 1, 2 lub 3, to jednak w stanie o najniższej energii nie jest
całkiem dokładnie oddalony od jądra o 5,29 miliardowych cm; jest to jedynie wartość średnia.
Podzielmy obszar wokół jądra atomu na trzy strefy: niech strefę 1 tworzy kula o promieniu 5
miliardowych cm; strefa 2 obejmuje wszystkie odstępy między 5 a 10 miliardowymi cm, a strefa 3 pozostały
obszar. Stwierdzimy wtedy, że u 32% wszystkich atomów wodoru elektron znajduje się w obszarze 1, u 44% w
obszarze 2, a u 24% — w 3. W odniesieniu do konkretnego atomu możemy podać tylko prawdopodobieństwo
położenia elektronu w danym momencie. Można na przykład powiedzieć, że prawdopodobieństwo tego, iż
elektron znajduje się w strefie 1, wynosi 32%. Choć jednak model planetarny jest tak niedoskonały, to dla
wielu pierwszych przemyśleń i przybliżeń jest niezwykle użyteczny, będziemy jeszcze z niego niejednokrotnie
korzystać. Należy pamiętać, że nie sposób uzmysłowić sobie wszystkich procesów zachodzących w obrębie
atomu. Modelowo przedstawić można tylko niektóre obszary, nigdy nie obejmą one jednak całości.
Przypomnijmy sobie falową i cząstkową naturę światła! Dokładnie tak jak teoria falowa nie opisuje wszystkich
własności światła, tak i model planetarny nie charakteryzuje całej natury atomu.
Świat najmniejszych cząstek.
Jeżeli elektron przeskakuje z orbity
wyższej na niższą, np. z 3 na 1, to
uwalniana jest energia w postaci kwantu
światła. Ponieważ występują tylko orbity
ściśle określone — na naszym rysunku
1,2 i 3 — to możliwe są tylko kwanty
światła o ściśle określonej energii.
Elektron na orbicie 1 ma energię E 1,
elektron na orbicie 2 wyższą energię E 2
itd. Dlatego istnieją tylko kwanty energii
E3-E2, E3-E1 (zaznaczony na naszym
rysunku) oraz E 2 — E 1.
Świat najmniejszych cząstek.
W 32% atomów wodoru w stanie
podstawowym elektron znajduje się w
strefie 1, u 44% w strefie 2, a u 24% w
strefie 3.
Świat najmniejszych cząstek.
Z czego składają się jądra atomów?
Jądra atomów zbudowane są z dwóch rodzajów cząstek, mianowicie z protonów i neutronów. Oba
mają w miarę jednakową masę i są 2000 razy cięższe od elektronu. Podczas gdy proton ma dodatni ładunek
elektryczny o tej samej wartości liczbowej co ujemny ładunek elektronu, to neutron, jak wskazuje jego nazwa,
jest neutralny, a więc nie posiada ładunku elektrycznego. Protony i neutrony nazywa się także nukleonami —
cegiełkami budulcowymi jądra. Wartość ładunku elektrycznego elektronu czy protonu nazywa się ładunkiem
elementarnym. Liczba protonów w jądrze decyduje o tym, do jakiego pierwiastka chemicznego dane jądro
należy. Atomy wodoru mają np. 1 proton, atomy węgla 6, a atomy uranu 92 protony w jądrze. Liczba
neutronów w określonych pierwiastkach może być zmienna. Istnieją np. jądra wodoru z 0, 1 lub 2 neutronami,
tak zwane izotopy wodoru. Jeżeli jądro atomu ma 6 dodatnich protonów, to krąży wokół niego 6 ujemnych
elektronów, tak że cały atom jest obojętny elektrycznie. Jeżeli taki atom utraci 1 elektron, to przeciw 6
protonom występuje już tylko 5 elektronów i atom ma ładunek elektryczny +1. Takie naładowane reszty
atomowe nazywają się jonami.
Wiele jąder atomowych rozpada się na lżejsze jądra i wysyła wtedy cząstki alfa (jądra helu), beta
(elektrony) albo promienie gamma (fotony). Takie zachowanie nosi nazwę radioaktywności.
Świat najmniejszych cząstek.
Z lewej: elektron i antyelektron niszczą się wzajemnie, powstają dwa kwanty. Z prawej: z cząstek
promieniowania lub kwantów tworzy się materia, mianowicie para: elektron
antyelektron.
Świat najmniejszych cząstek.
Czy istnieje antymateria?
Antymateria odgrywa nie tylko w powieściach science-fiction wielką
rolę,ona występuje naprawdę! Dla wszystkich cząstek, znaleziono antycząsteczki. Anty elektrony, zwane także pozy-tronami, nie są,
jak „normalne" elektrony, naładowane ujemnie, lecz dodatnio, mają jednakże taką samą masę co elektrony.
Antyprotony naładowane są ujemnie. Materia i antymateria nie mogą istnieć obok siebie. Jeżeli elektron
spotyka się z antyelektronem, to niszczą się one wzajemnie, przekształcając się w energię, dokładniej
powiedziawszy, w dwie pozbawione masy cząstki promieniowania lub kwanty. Dwa kwanty mogą jednak
również utworzyć parę elektron — antyelektron. Pierwszy proces nazywa się często „anihilacją", drugi —
„kreacją". Jeszcze raz potwierdza się stara Einsteinowska formuła E = mc2. Masa może być przekształcana w
energię, energia w masę. Przy anihilacji materii i antymaterii istniejąca masa zamieniana jest w 100% w
energię, podczas gdy w reaktorze jądrowym czy w centrum Słońca nie wykorzystuje się nawet 1% paliwa.
Pozostaje tam „popiół" w postaci odpadów atomowych lub helu, przy anihilacji natomiast materia znika
zupełnie. Jeślibyśmy potrafili zbudować elektrownie czy statki kosmiczne, w których materia i antymateria
zamieniałyby się w energię w sposób kontrolowany, to byłyby one ponad 100 razy wydajniejsze od
normalnych elektrowni jądrowych. Brak nam do tego jednakże koniecznej antymaterii, ponieważ Ziemia i
Układ Słoneczny zbudowane są z normalnej materii. Istnieją jednak naukowcy, którzy sądzą, że istnieją
galaktyki zbudowane z antymaterii, tak samo jak nasz świat trwałe, dopóki nie napotkają normalnej materii.
Ostatnio wszakże teoria ta jest mocno krytykowana. Na Ziemi można antycząstki wytworzyć w laboratoriach
fizycznych jedynie na krótki czas. Ich szansę na przeżycie są na naszej planecie znikome, ponieważ wszędzie
napotykają natychmiast na normalną materię i są niszczone.
Świat najmniejszych cząstek.
Proton składa się z dwu kwarków u i jednego kwarku d. Neutron zawiera dwa kwarki d oraz
jeden kwark u.
Świat najmniejszych cząstek.
Budowa materii: atomy składają się z elektronów i jąder, jądra z protonów i
neutronów, a te z kwarków.
Świat najmniejszych cząstek.
Co rozumie się przez cztery oddziaływania podstawowe?
Między cząstkami elementarnymi działają 4 rodzaje sił, które nazywamy oddziaływaniami fundamentalnymi.
1. Oddziaływanie silne, nazywane również „oddziaływaniem kolorowym". Uniemożliwia ono kwarkom w
nukleonach zbytnie oddalenie się od siebie lub zgoła odlot. Oddziaływania silne przekazywane są przez
cząstki pośredniczące, tak zwane gluony, które latają tam i z powrotem między kwarkami, starając spajać je
jak klej. Siła jądrowa, trzymając* protony i neutrony w jądrze atomu, nk jest oddziaływaniem pierwotnym, lecz
dć się wywieść z oddziaływań kolorowych które są najsilniejszymi z opisywanych ti oddziaływań.
2. Oddziaływanie elektromagnetyczne. Występuje, gdy w grę wchodzą ładunki elektryczne. Cząstka
naładowana dodatnio odpychana jest od innej dodatniej przyciągana przez ujemną. Oddziaływania
przenoszone są przez fotony, poruszające
się
tam
i
z
powrotem
między
naładowanymi cząstkami, powodującym łączenie się tych cząstek.
3. Oddziaływanie słabe. Wiele cząstek ni(reaguje ani na silne oddziaływanie kwarków, ani na oddziaływanie
elektromagnetyczne, np. kiedy nie mają one ładunku elektrycznego ani „koloru". Występuje tu
jeszcze inna siła pierwotna, oddziaływująca jedynie na skrajnie małych odległościach, tzw. Oddziaływanie
słabe, na które wystawione są wszystkie bez wyjątki cząstki materii. Oddziaływanie to przenoszone jest
przez bozony W.
4. Grawitacja albo siła ciężkości. Działa między wszystkimi cząstkami, które mają masę; na tle pozostałych
trzech sił pierwotnych jest jednak tak słaba, że możemy ją tu pominąć. Ponieważ oddziaływuje na wielkich
odległościach, istotna jest w astronomii.
Świat najmniejszych cząstek.
Co to są leptony?
Leptony są cząstkami elementarnymi, na które oddziaływania silne nie wpływają. Najbardziej znany jest
elektron. Znamy 6 lepto-nów i 6 kwarków, a więc 12 „prawdziwych" cząstek elementarnych, które dalej nie
dadzą się już podzielić. Dla budowy materii ważne są tylko trzy z tych pierwotnych cegiełek: kwarki u, kwarki d
i elektron.
Świat najmniejszych cząstek.
Czy elektrony to cząstki czy fale?
Widzieliśmy, że promieniowanie elektromagnetyczne, do którego należy też światło, zachowuje się czasem
jak fala, a czasem znowu jak cząstki. Otóż to samo odnosi się do strumienia szybkich cząstek elementarnych.
Elektrony zachowują się najczęściej jak cząstki. Natomiast niektóre eksperymenty wykazują, że strumienie
elektronów mają także właściwości falowe. Również tu przekonujemy się, że wszystkie modele, przy pomocy
których chcemy przedstawić świat cząstek elementarnych, opisują tylko część nie dającej się obrazowo ująć
rzeczywistości.
Świat najmniejszych cząstek.
Świat najmniejszych cząstek.
Jak bada się cząstki elementarne?
Widzieliśmy już, że dla zbadania najmniejszych cegiełek materii potrzeba strumieni bardzo szybkich cząstek,
poruszających się prawie z prędkością światła, wysokoenergetycznych. Takich cząstek używa się jako sondy
do „prześwietlenia" większych cegiełek materii. Aby poznać budowę wewnętrzną protonów, przestrzeliwuje się
przez nie np. o wiele mniejsze elektrony, podobnie jak lekarz przepuszcza przez ludzkie ciało promienie
rentgenowskie, by przestudiować życie jego wnętrza. Istnieje jeszcze inna metoda badania materii: powoduje
się, żeby szybkie elektrony lub protony uderzały w inne cząstki, albo jeszcze lepiej, by mocno przyspieszone
cegiełki materii zderzały się przeciwbieżnie ze sobą. Uwalniana w ten sposób energia może być użyta do
tworzenia nowych, jeszcze nie znanych cząstek, ponieważ, jak wiemy, energia może być przekształcana w
materię. W każdym razie potrzeba szybkich cząstek, które wytwarzane są i przyspieszane do najwyższych
prędkości w tak zwanych akceleratorach wysokich energii.
Świat najmniejszych cząstek.
Jak działa akcelerator?
Naładowany elektrycznie ujemnie elektron przyciągany jest przez ładunek dodatni, a przez ujemny
odpychany. Prędkość elektronu można przyspieszyć, jeżeli postaramy się, żeby przed nim znajdował się
ciągle ładunek dodatni, a za nim — ujemny. W akceleratorze liniowym elektrony przelatują przez wiele
metalowych cylindrów, ustawionych jeden za drugim. Przez przyłożenie napięcia zmiennego można osiągnąć,
że cylinder leżący przed elektronem naładowany jest zawsze dodatnio, a leżący za nim zawsze ujemnie.
Każdy
cylinder
opuszczany przez cząstkę odpycha ją, a każdy leżący przed nią — przyciąga, tak że
doznaje ona coraz większego przyspieszenia, powiększając swoją energię kinetyczną. W podobny sposób
można przyspieszać również inne cząstki.
W synchrotronie elektronowym, np. DESY, w Centrum Badawczym Fizyki Wysokich Energii w Hamburgu,
elektrony przyspieszane są wstępnie przez akcelerator liniowy, a następnie kierowane do synchrotronu. To
urządzenie, którego średnica wynosi kilkaset metrów, ma kształt tunelu kołowego. W tym tunelu
przyspieszające pole elektryczne podwyższa prędkość elektronów coraz bardziej. Magnesy utrzymują je na
torze kołowym. Następnie elektrony odchylane są poza ten tor i używa się ich do różnorodnych doświadczeń,
polegających na zderzaniu ich z innymi cząstkami, tzw. „tarczami". Przyspieszane elektrony osiągają na torze
kołowym prawie prędkość światła, pokonują zatem w każdej tysięcznej sekundy 300 km. Ich masa wzrasta
przy tym wiele tysięcy razy!
Szczególnie bogatych efektów dostarczają synchrotrony, w których cząstki, przyspieszane do wysokich
energii, zderzają się ze sobą przeciwbieżnie. Cała ich energia kinetyczna oddana zostaje na kształtowanie
nowych, znanych i nieznanych cegiełek materii.
Świat najmniejszych cząstek.
Źródło napięcia
strumień elektronów
W akceleratorze liniowym elektrony przelatują po kolei przez wiele cylindrów metalowych. Cylinder
leżący przed elektronem przyciąga go, leżący za nim, odpycha. Dzięki temu elektron zyskuje coraz
większą prędkość.
Świat najmniejszych cząstek.
Synchrotrony „Petra" i „Hera" (w budowie) w DESY w Hamburgu mają średnicę 700 oraz 2000 m. W
podziemnych pierścieniowych tunelach cząstki przyspieszane są prawie do prędkości światła. Sławny
stadion Parku Ludowego wydaje się być przy nich placem zabaw dziecięcych.
Świat najmniejszych cząstek.
Wizyta w DESY: fizyk, inżynier i specjalista przy pomocy wysokiej jakości sprzętu
technicznego rozwiązują ostatnie zagadki natury.
Świat najmniejszych cząstek.
Czy istnieją ujednolicone oddziaływania i cząstki?
Już Albert Einstein starał się powiązać jakoś wszystkie siły przyrody. Dziś można rzeczywiście wykazać, że
przy bardzo wysokich temperaturach i energiach zanika różnica między oddziaływaniem
elektromagnetycznym i słabym. Ujednolicają się one wówczas w oddziaływanie „elektrosłabe". Bardzo
prawdopodobne jest, że przy jeszcze wyższych temperaturach i energiach cząstek zanika różnica między
oddziaływaniem elektrosłabym i silnym, jak też różnica między leptonami i kwarkami, tak że występuje wtedy
tylko ujednolicona cząstka pierwotna oraz, pomijając grawitację, ujednolicone oddziaływanie. Takich
warunków nie da się wytworzyć nawet w największym akceleratorze, mogły one jednak panować krótko po
Wielkim Wybuchu, kiedy cały Wszechświat był jeszcze supergęstą i naładowaną energią kulą ognia. W
zakresie tego co najmniejsze jest jeszcze wiele do zbadania; fizycy wieku XXI mogliby np. postawić sobie
pytanie, czy kwarki i elektrony zbudowane są z jeszcze mniejszych części składowych. Aż do udzielenia
odpowiedzi na nie musimy żyć z całkiem zadowalającym rezultatem częściowym, że istnieje 12 cząstek
pierwotnych, mianowicie 6 kwarków i 6 leptonów, z których jednakże tylko 3 odgrywają w budowie świata
podstawową rolę.
.
Wielki Wybuch i wieczność
Dlaczego gwiazdy świecą?
W jasną, bezksiężycową noc gołym okiem można rozpoznać około 2500 gwiazd, a za pomocą teleskopów
wiele milionów. Pominąwszy planety Układu Słonecznego, takie jak Wenus czy Saturn, wszystkie te gwiazdy
są dalekimi słońcami, tzn. gorącymi kulami gazowymi, które mogą mieć na swojej powierzchni wiele tysięcy, a
we wnętrzu wiele milionów stopni ciepła. Niektóre z nich świecą w rzeczywistości 10 000 razy mocniej od
Słońca, inne świecą o wiele słabiej niż nasza gwiazda centralna. Wszystkie gwiazdy mają jednak wspólną
cechę: głęboko w swym wnętrzu wytwarzają energię jądrową, głównie przez przekształcanie wodoru w hel. To
prawie niewyczerpalne źródło energii pozwala gwiazdom bardzo długo żyć: np. paliwo naszego Słońca
pozwala na 10 miliardów lat życia. Wytworzona w centrum gwiazdy energia transportowana jest na zewnątrz i
wypromieniowywana z jej powierzchni w formie promieniowania ultrafioletowego, strumienia cząstek, promieni
rentgenowskich, ciepła, światła oraz fal radiowych. U końca swego życia niektóre gwiazdy giną przez
gwałtowną eksplozję. Pozostają po nich tylko super-gęste, małe kule materii, które noszą nazwy „białych
karłów", „gwiazd neutronowych" oraz „czarnych dziur". Również nasze Słońce stanie się kiedyś „białym
karłem".
Wielki Wybuch i wieczność
Co to są galaktyki?
Gwiazdy
nie
są
rozmieszczone
we Wszechświecie równomiernie, tworzą potężne rodziny, które
nazywamy galaktykami. Nasze Słońce jest tylko jedną z 200 miliardów gwiazd naszej Galaktyki, naszej Drogi
Mlecznej, która mimo swej potężnej masy zalicza się do średniej wielkości; znamy galaktyki z wieloma
bilionami słońc i takie, które liczą ich „tylko" kilka miliardów. Formy galaktyk mogą być zupełnie różne.
Wyróżnia się galaktyki spiralne, spiralne z poprzeczką oraz eliptyczne. Galaktyki tworzą większe albo
mniejsze grupy, gromady galaktyk. Nasza Droga Mleczna należy np. do gromady zwanej Grupą Lokalną,
która liczy około 30 członków, a jej największym układem jest Mgławica Andromedy, licząca około 400
miliardów gwiazd. Istnieją także gromady galaktyk z tysiącami wysp mieszczących takie światy jak nasz. Jak
daleko można wejrzeć przez wielkie teleskopy, tak wszędzie znajdują się galaktyki; wiele z nich odległych jest
od nas o miliardy lat świetlnych.
Wielki Wybuch i wieczność
Nasza Droga Mleczna liczy około 200 miliardów gwiazd. Położenie naszego
Słońca zaznaczono krzyżykiem.
Wielki Wybuch i wieczność
Najważniejsze typy galaktyk: z lewej galaktyka
spiralna, niżej spiralna z poprzeczką, z prawej u
dołu eliptyczna.
Wielki Wybuch i wieczność
Czy można mierzyć prędkość poruszania się gwiazd?
Jeżeli jakieś źródło światła, a więc np. jakaś gwiazda lub daleka galaktyka, porusza się w naszym
kierunku z wielką prędkością, to jego sygnał świetlny ma coraz mniejszą długość fali, i to tak dalece, że
światło czerwone, o zdecydowanie większej długości fali, jawi nam się jako niebieskie, o mniejszej długości
fali. Jeżeli natomiast źródło światła oddala się od nas, albo my odlatujemy od niego prędkim statkiem
kosmicznym, to jego sygnał świetlny ma coraz większą długość fali. Świecąca niebiesko lampa, oddalająca
się od nas z dużą szybkością, jawi się nam jako żółta albo czerwona. Tymczasem w poprzednim rozdziale
czytaliśmy, że powszechnie we Wszechświecie występujący wodór wypromieniowuje światło o ściśle
określonej, dokładnie znanej długości fali. Jeżeli gorąca, zawierająca wodór gwiazda oddala się od nas, to jej
sygnał świetlny osiąga większą długość fali niż oczekujemy; a jeśli pędzi ku nam, to długość fali sygnału
maleje. Z tej zmiany długości fali, którą naturalnie można stwierdzić również przy emisji świetlnej innych
rodzajów atomów, astronomowie mogą wyliczyć bardzo dokładnie, z jaką prędkością gwiazda przybliża się do
nas albo od nas oddala. Najbliższy sąsiad oddala się np. od nas pędząc z prędkością 543 km/s, inne gwiazdy
zbliżają się do nas z prędkością nawet 500 km/s, nie zderzając się naturalnie ze Słońcem, ponieważ nigdy nie
poruszają się dokładnie w jego kierunku.
Wielki Wybuch i wieczność
Jeżeli źródło światła porusza się w naszym kierunku, to jego sygnał świetlny ma
coraz mniejszą długość fali, jeżeli się oddala, to długość fali się zwiększa.
Wielki Wybuch i wieczność
Spojrzenie na gromadę galaktyk: każdy „plasterek" jest w rzeczywistości potężną
wyspą światów, zawierającą miliardy albo biliony gwiazd. Również nasza Droga
Mleczna należy do gromady galaktyk.
Wielki Wybuch i wieczność
Czy galaktyki poruszają się?
Nie tylko gwiazdy, również galaktyki są w ruchu. Niektóre nasze sąsiadki pędzą ku nam, inne oddalają się od
nas. Np. Mgławica Andromedy zbliża się do nas z prędkością 270 km/s, podczas gdy tzw. Obłok Magellana z
podobną szybkością się oddala. Analogicznego rozkładu prędkości można byłoby oczekiwać także od
dalekich galaktyk i gromad. Astronomowie musieli jednak z zaskoczeniem stwierdzić, że wszystkie dalekie
światy oddalają się od nas. Im większe ich oddalenie, tym szybciej pędzą. Nie znaczy to naturalnie, że nasza
Droga Mleczna jest centralnym punktem Wszechświata, z każdego innego miejsca odniosłoby się takie samo
wrażenie. Podsumujmy więc: galaktyki szybko oddalają się od siebie, Wszechświat rozszerza się,
ekspanduje.
Jeżeli jednak dwie określone galaktyki poruszają się w kierunku od siebie z prędkością równą jednej dziesiątej
prędkości światła i oddalone są od siebie o 1,5 miliarda lat świetlnych, to musiały być przed około 15
miliardami lat całkiem blisko siebie (jeśli pominąć spowolnienie ich ruchu). Podobne wyliczenie można
przeprowadzić dla wszystkich innych galaktyk. Przed około 10 do 20 miliardów lat cały znany nam
Wszechświat musiał być supergęstym, gorącym pakietem materii, którego części składowe zaczęły się od
siebie oddalać wskutek eksplozji pierwotnej. Musiał zaistnieć potężny akt stworzenia, tzw. Wielki Wybuch.
Wielki Wybuch i wieczność
Wszystkie dalekie galaktyki pędzą w kierunku od nas; im
większe jest ich oddalenie, tym większa ich prędkość.
Wielki Wybuch i wieczność
Nasze radioteleskopy odbierają
informacje z wczesnej historii
Wszechświata.
Wielki Wybuch i wieczność
Czy Wielki Wybuch miał naprawdę miejsce?
Wypowiedzi naukowców stają się coraz bardziej niepewne, im dalej spoglądają oni w przeszłość albo
przyszłość. Podczas gdy np. oddalenie Księżyca albo nowszą historię Ziemi znamy bardzo dobrze, to po
trwającej zaledwie cztery stulecia historii badań naukowych trudno jest przejrzeć miliardy lat. Sama ekspansja
Wszechświata jeszcze by nie wystarczyła, żeby z całą pewnością móc wnioskować o Wielkim Wybuchu.
Teorię tę wspiera inna, bardzo ważna obserwacja. Im dalej zaglądamy w głębię Wszechświata, tym dalej
spoglądamy w przeszłość. Gwiazdę odległą o 10 lat świetlnych widzimy taką, jak wyglądała przed 10 laty, a
odległą galaktykę zaś taką, jaka była przed miliardami lat. Najdalsze obiekty, jakie można obserwować przy
pomocy wielkich teleskopów, kwazary, to przecież nic innego niż całkiem młode, powstające dopiero galaktyki.
Jeżeli wejrzymy jeszcze głębiej w dowolnym kierunku Wszechświata, to musimy dojść do granicy, gdzie już
widać początek stworzenia, a więc gorący pragaz, z którego powstały galaktyki, gwiazdy, planety i istoty żywe.
Musielibyśmy być więc otoczeni przez daleką, jasno żarzącą się powłokę, niebo musiałoby nocą być tak jasne
jak w dzień. Ta ściana ognia pędzi jednak oddalając się od nas, Wszechświat przecież rozszerza się, a przez
to jej sygnał świetlny osiąga coraz większą długość fali, tak wielką, że dociera do nas w końcu jako
niewidzialna radiacja. Dokładnie takie promieniowanie zostało niedawno odkryte. Jest to napływające do nas
równomiernie ze wszystkich kierunków „promieniowanie tła 3 K" (promieniowanie reliktowe), którego istnienie
można łatwo dowieść przy pomocy radioteleskopów. Fakt ten wspiera teorię Wielkiego Wybuchu,
wykluczającą coraz bardziej inne wyobrażenia o powstawaniu światów.
Wielki Wybuch i wieczność
Gromady kuliste są najstarszymi rodzinami gwiazd. Ich wiek szacuje się
na około W miliardów lat. Wiele gwiazd wykazuje jeszcze takie
zestawienie materii, jakie musiało panować krótko po
Wielkim
Wybuchu.
Wielki Wybuch i wieczność
Kiedy powstał Wszechświat?
Naturalnie, wieku Wszechświata nie można określić, wyliczając po prostu z odległości i prędkości galaktyk,
kiedy wystartowały one ze wspólnego punktu wyjścia. Nie wiemy przecież dokładnie, jak mocno ruch ucieczki
jest wstrzymywany. Zależy to od gęstości materii we Wszechświecie. Im jest większa, tym mocniej masy się
przyciągają, tym większe jest wyhamowywanie. Niestety, gęstość materii znamy tylko w przybliżeniu i dlatego
dane dotyczące wieku Wszechświata tak bardzo różnią się od siebie. Dochodzą do tego błędy w określeniu
odległości dalekich układów galaktyk.
Wszyscy naukowcy zgodni są jednak co do czasu istnienia naszego świata i zakładają, że Wszechświat
powstał 10 do 20 miliardów lat temu. Odpowiada to wiekowi Ziemi, wynoszącemu 4,6 miliarda lat, co obecnie
przyjmują geolodzy, wiekowi kamieni księżycowych i meteorytów, wynoszącemu najwyżej 4 — 5 miliardów lat,
a także wiekowi najstarszych rodzin gwiazd, gromad kulistych, które musiały powstać przed ponad 10
miliardami lat.
Wielki Wybuch i wieczność
Jak Wszechświat wyglądał na początku?
Jeżeli chcesz się dowiedzieć czegoś bliżej o pierwszych sekundach i ułamkach sekund po Wielkim Wybuchu,
musimy pytać o to nie astronomów, lecz fizyków cząstek, którzy zajmują się promieniowaniem i materią w
warunkach ekstremalnych.Używają oni w opracowaniach bardzo wielkich, ale również jak najmniejszych
wartości liczbowych, dających się najlepiej wyrazić w potęgach dziesiętnych. Poza tym musimy wiedzieć, co
szczegółowo opisuje rozdział poprzedni, że z fotonów lub cząstek promieniowania o wystarczająco dużych
energiach może powstać materia, ale również z materii może powstać promieniowanie. Po tych koniecznych
uwagach wprowadzających zapoznamy się teraz — w bardzo uproszczony sposób — z dzisiejszymi
wyobrażeniami na temat pierwszych sekund i lat młodego Wszechświata. Historię Wszechświata dzieli się
zazwyczaj na osiem etapów:
Epoka pierwsza: (0 — 10~43 sekund) Co zaszło w tych pierwszych ułamkach sekundy w kuli ognia, z której
miałby powstać nasz Wszechświat, nie wiemy. Być może występowała tylko jakaś prasiła, która miałaby się
kolejno podzielić na cztery siły, znane dzisiaj.
Epoka druga: (10'43 — 10"32 sekund) Oddziaływanie silne i elektrony słabe dzielą się. W ciągu krótkiego czasu
Wszechświat rozszerza się bardzo prędko (teoria Wszechświata inflacyjnego). Jako promieniowanie powstają
kwarki i elektrony, a także superciężkie bozony X wraz ze swymi antycząstkami. Bozony X, zachowane tylko
w pierwszych ułamkach sekundy, miały właściwość tworzenia podczas swego rozpadu nieco więcej cząstek
materii niż antymaterii, a więc na przykład więcej kwarków niż antykwarków. Tak powstała nadwyżka materii w
stosunku do antymaterii.
Wielki Wybuch i wieczność
Epoka trzecia: (10~32 — 10"6 sekund) Wszechświat składa się z szybko stygnącej mieszaniny kwarków,
leptonów, fotonów oraz innych cząstek, które się nawzajem stwarzają i niszczą. Z oddziaływania
elektrosłabego powstaje oddziaływanie słabe oraz elektromagnetyczne.
Epoka czwarta: (10~6 — 10~3 sekund) Prawie wszystkie kwarki i antykwarki przekształcają się w
energię w formie strumienia cząstek. W obniżającej się temperaturze nie mogą już powstawać nowe
kwarki. Skoro jest nieco więcej kwarków niż antykwarków, to niektóre kwarki już nie znajdują partnera i
ostają się. Każda trójka takich kwarków tworzy proton albo neutron. Powstały cegiełki późniejszych jąder
atomowych.
Epoka piąta: (10~3 — 100 sekund) Elektrony i antyelektrony anihilują. Niektóre elektrony ostają się, ponieważ
jest więcej materii niż antymaterii. Wypełniają później powłoki atomowe.
Epoka szósta: (100 sekund — 30 minut) W temperaturach, które odnajdujemy dzisiaj we wnętrzu gwiazd,
tworzą się w syntezie jądrowej pierwsze lekkie jądra atomowe, szczególnie bardzo stabilne jądra helu,
składające się z dwóch protonów i dwóch neutronów. Ciężkie jądra atomowe, takie jak żelaza czy węgla,
jeszcze w tym czasie nie powstają. Na początku występowały praktycznie tylko oba najlżejsze pierwiastki
wodór i hel.
Wielki Wybuch i wieczność
Epoka siódma: (30 minut — milion lat) Po upływie około 300 000 lat kula ognia ochłodziła się do tego stopnia,
że przy około 3000 K jądra atomowe i elektrony mogły połączyć się w atomy bez ponownego rozrywania się.
Nie dająca się przedtem obserwować mieszanina cząstek staje się dostępna obserwacji. Dopiero tu otwiera
się pole badawcze astronomów. Przenikając wielkie odległości, a tym samym prehistorię, obserwują oni
otaczającą nas gorącą ścianę ognia o temperaturze 3000 K, która wszakże oddala się tak szybko, że sygnał
świetlny, który wysyła, dla nas nie jest już światłem widzialnym, lecz jedynie falami radiowymi.
Epoka ósma: (milion lat — dziś) Z chmur wodorowych powstają układy galaktyk, gwiazdy i planety. We
wnętrzu gwiazd tworzą się ciężkie jądra atomowe, np. tlenu czy żelaza, uwalniane później podczas eksplozji
gwiazd i umożliwiające budowę nowych gwiazd, planet bądź istot żywych.
Wielki Wybuch i wieczność
1. 0 -10~43 s. Wszystkie siły
ujednolicone?
2. 10~Ą3 s - 10~32 s. Z
superciężkich bozonów X powstaje więcej materii niż
antymaterii.
Wielki Wybuch i wieczność
3. 10~32 -106 s. Kwarki i
elektrony stygną
4. 10'6 - 10~3 s. Prawie wszystkie
kwarki rozpadają się. Pozostałe
tworzą protony i neutrony.
Wielki Wybuch i wieczność
5. 10~3 -100 s. Istnieją
protony, neutrony i elektrony,
cegiełki późniejszych atomów
6. 100 s - - 30 min. Powstają
najlżejsze jądra atomowe .
Wielki Wybuch i wieczność
7. 30 min.-1 milion lat. Po 300
000 lat powstają pierwsze
atomy.
8. 1 milion lat - dziś. Powstają
galaktyki, gwiazdy, planety,
ciężkie atomy i istoty żywe.
.