Nastanak Svemira

MATURSKI RAD

PREDMET: FIZIKA

TEMA: SVEMIRPROFESOR:

SADRAJ3UVOD

51. Teorije

72. Osnove Kosmologije

72.1. Razvoj

82.2. Mjerenja

92.3. Pojmovi u kosmologiji

132.4. Zakoni kosmologije

163. Veliki Prasak Big Bang

174. Crna rupa (black hole)

195. CERN

21ZAKLJUAK

22Literatura

UVODKada je vrijeme poelo? Odakle smo mi doli? Koja je naa sudbina?- Ovo su tri temeljna pitanja ljudskih bia. ta je bilo prije poetka vremena? ta se nalazi izvan granica svemira? Da li je mogue putovati unazad u vrijeme?Jo tri nova pitanja se pojavljuju koja oduevljavaju mlade ljude. Svako od nas se moe prisjetiti postavljanja ovakvih pitanja kao djeca. Naalost, niko od nas nije znao odgovor.Svemir, kosmos, vasiona ili univerzum je beskonano prostranstvo koje nas okruuje. To je ustvari vremenski prostor u kome plovi mnotvo nebeskih tijela i koji postoji nezavisno od ljudskog znanja. Nebeska tijela dijelimo na:-zvijezde-planete-satelite-planetoide-komete-meteore-crne rupe i-neutronske zvijezde.

Zvijezde su najrasprostranjenija nebeska tijela u Svemiru. To su uarena plinovita tijela slina Suncu. Golim okom moemo vidjeti oko 5000 zvijezda a teleskopom stotine milijardi. Udaljenosti meu zvijezdama su ogromne i mjere se svjetlosnim godinama (SG). Svjetlosna godina je put dug oko 9,46 biliona kilometara to ga pree svjetlost za godinu kreui se brzinom od 299 792 458 m/s. Sunce je Zemlji najblia zvijezda koja se nalazi na udaljenosti od 149 600 000 km ili 8,3 svjetlosne sekunde (sm). Osim Sunca, najblia je Proksima Kentaura (Proxima Centauri ili Alpha Centauri C) koja je udaljena oko 4,3 SG. Zvijezde se meusobno razlikuju po veliini, boji i sjaju. Najsjajnija zvijezda u sazvijeu Orion je Betelgez (Betelgeuze ili Alpha Orionis),a Antares (Alpha Scorpii) u sazvijeu korpion.Na nebu se vide zvjezdani skupovi koji nas oduevljavaju svojim izgledom i zovu se sazvijea ili konstelacije. Ima ih 88, a najpoznatija su: Veliki i Mali Medvjed, korpion, Strijelac i dr. Meutim, zvijezde se prirodno grupiu u vee zvjezdane skupove poznate kao zvjezdana jata ili klasteri. Vie takvih zvjezdanih jata ini galaktiku, a galaktike opet tvore galaktiko jato ili metagalaktiku unutar prostora. Naa galaktika se zove Mlijeni put ili jednostavno Galaktika, i spiralnog je oblika. Sunce se nalazi na samom rubu jednog njenog rukavca, zajedno sa jo nekoliko najbliih zvijezda. Najblie galaktike naoj su Veliki i Mali Magellanov oblak koji predstavljaju njene prirodne pratioce. Veliki Magellanov oblak je udaljen 179 000, a Mali Magellanov oblak 210 000 SG.Pored pomenutih nebeskih tijela i zvjezdanih sistema u Svemiru postoje i mnogi drugi zanimljivi tajanstveni objekti poput kvazara u intergalaktikom i maglica u interstelarnom prostoru koji se kreu velikim brzinama. Udaljenosti izmeu samih galaktika, metagalaktika i kvazara su mnogo vee od meuzvjezdanih, i kreu se u granicama od nekoliko stotina hiljada do preko miliona svjetlosnih godina. Te udaljenosti nisu stalne i neprestano rastu u toku vremena, to je uzrokovano fenomenom poznatim kao irenje Svemira. To znai da Svemir nije statian nego dinamian, tj.sve se mijenja i sve se kree. Sve u Svemiru plovi i za sve vrijede poznati prirodni zakoni. Tea nebeska tijela uvijek privlae ona laka, a ona laka pod uticajem sile gravitacije rotiraju oko tih teih. Nita se u Svemiru ne deava sluajno; sve ima svoj uzrok. Svemir je u sutini taman prostor kome se ne nazire ni poetak ni kraj; to je svod koji ima dubinu. On nije ni prazan prostor (vakuum), jer je uvijek ispunjen energijom, to svjedoi elektromagnetsko zraenje koje pristie do nas iz dalekih svemirskih prostranstava.1. TeorijeO nastanku svemira postoji vie teorija i vie polaznih gledita u razmatranju njegovog zaetka i porijekla (teoloko i nauno). Ove teorije su dio nauke koja se zove kosmologija i ona se bavi iskljuivo istraivanjem po naunom metodu. Poto nije moguce gledati cjelokupan svemir, jer do danas njegove granice nisu poznate naunici su se sloili da u okviru fizike kosmologije osnovni objekat bude tzv. Univerzum (razlikuje se od pojam Outer Space ili Space) znai totalna materija prostor-energija oko nas u kome se neprekidno odvijaju razliiti procesi.Neke od teorija o moguem scenariju nastavka u izvornom obliku su Big Rip/Veliko Cijepanje, Big Bounce/Veliki Skok, Big Crunch/ Veliki Krah. Ili nekada rivalski modelSteady State theory(teorija stabilnog stanja). Opteprihvaen je model Velikog Praska, a pomenute teorije su neke od teorijski moguih faza nakon Velikog Praska.Model Velikog Praska ne treba bukvalno shvatiti kao nekakvu veliku eksploziju ili prasak, to je uopteno sam dogaaj stvaranja materije, energije, vremena i prostora. Opte prihvatanje ovog modela nije se dogodilo odmah po njegovom izlaganju 1927, ve je na taj trenutak ekalo do 1965. i sjajnog otkria CMB zraka (kosmikog pozadinskog zraenja). Otkrie CMB-a je svom snagom pruilo podrku danas glavne teorije u kosmologiji Velikog Praska. Poto nije bilo podesnije rijei za takav velianstven i bitan dogaaj, uzeta je rije prasak. Kao tvorac imena spominje se Belgijski katoliki svetenik or Lemetr (Georges Lemaitre). Prema tom modelu poetak svega je od prvobitne pramaterije beskrajno guste, beskrajno vrele i prepune energije. Koja je predstavljala gravitacioni singularitet (centralni dio crne rupe gdje sve estice isezavaju ili prelaze u neki dugi vid energije te ne postoji nijedna konana mjera).

Teorija stabilnog stanja nije vie mogla da odri dah pred novim dokazima koji su ili u prilog Velikom Prasku i njeni principi stalnog irenja i kreacije nove materije su potisnuti u kraj. Mada i model Big Bang ima slian koncept o neprestalnom irenju (inflacijska teorija ) ali on ne poiva na konceptu materije ve jednog novog pojma crne energje, sto je ispravno u svom naelu ali nije tako intuitivno za shvatanje, jer u ivotnim uslovima niko nije imao posla sa neim sto se zove crna energija ili Dark matter-Dark Energy.

Postoji jo jedna Multiverse teorija po kojoj je na univerzum jedan od vie nezavisnih univerzuma koji se razlikuju po dimenzijama, zakonitostima i obliku. Naravno postoje i neke napredne teorije ali se one nadovezuju na Big Bang i nisu u opoziciji s njim, uglavnom su na osnovi kvantne teorije i odnose se na sile koje odravaju kosmos teorija struna.

Kljuna decenija za ustanovljavaje danas najsveobuhvatnije teorije su od 1920. do 1930. Jedan veliki istraiva stvorio je kljunu kariku u teoriji velikog praska Edwin Hubble .To je izbacilo u prvi plan profesionalnu astronomiju kao osnovno sredstvo za istraivanje u kosmologiji, danas kad priamo o teorijama nastanka svijeta trebamo se vie osloniti na konkretnije dokaze koje nam prua astronomija.

Prije nastupanja moderne kosmologije, vodila se prilino velika rasprava oko toga kolika je veliina svemira i kakav je njegov oblik. U 1920. godini uzela je maha uvena debata na ovu temu izmeu Harloa ejplija (Harlow Shapley) i Herberta D. Kertisa (Heber D. Curtis), u kojoj se ejpli zalagao za mali svemir, veliine nae galaksije Mlijeni put, a Kertis je tvrdio da je svemir mnogo vei od toga. Ovo pitanje bilo je razrijeeno u nadolazeoj deceniji sa poboljanjima u opaanju kosmosa koja su donijela Hablova astronomska osmatranja. Edvin Habl je veinu svog profesionalnog rada na astronomskim osmatranjima uinio na opservatoriji Maunt Vilson, (Mount Wilson observatory), koja je imala u to vrijeme najvei teleskop na svijetu. Njegova osmatranja promjenljivih zvijezda, Cefeida, u spiralnim galaksijama omoguila su mu da izrauna udaljenost do tih kosmikih objekata. Na njegovo iznenaenje, udaljenost ovih objekata bila je toliko velika da bi oni trebalo da budu smjeteni poprilino daleko izvan naeg Mlijenog puta. Ove zvjezdane nebule (grupacije) najprije su opisane kao svemirska ostrva, da bi tek kasnije dobile naziv galaksije.

U naunom razmatranju samog zaea kosmosa ne moemo otii dalje od Plankove ere to je period od 0 do 10-43 sec koja se odigrala prije priblino 14 milijardi godina. Kada je u pramateriji vladala kvantna gravitacija i kvantne zakonitosti, u nekoliko veoma kratkih trenutaka nakon toga se dogodila integracija svih poznatih sila u okviru koji raspoznajemo, ali je i do dan danas porijeklo gravitacije je slabo shvaeno. Ova teorija se oslanja na kvantnu teoriju iji je tvorac Max Planck, pa je po njemu dobila ime. Ipak dan danas cijela unifikacija sila i materije nije potpuno objanjena ni preko teorije struna ni preko gore pomenute kvantne geometrije i kvantnih polja.

Sljedea bitna hipoteza je morala biti postavljena da bi teorija imala stabilnu osnovu. A to je da poloaj svih zvijezda, galaksija odgovara gravitacionom ekvilibrijumu, jer u suprotnom sluaju dolo bi do kolapsa cijelog univerzuma usljed ubrzavanja i meusobnog privlaenja. Izmeu ostalog, po teoriji relativiteta vai da veliki masivni objekti u etvorodimenzionalnom prostoru krive prostor-vrijeme pa tako privlae manje objekte, a u takvom neravnotenom stanju sve bi se svelo na Big Crounch ili krah univerzuma.

2. Osnove Kosmologije

2.1. Razvoj

Kosmologija se istorijski dugo razvijala od antikog perioda pa sve do dan danas. Od civilizacija Vavilona, Egipta i Grke, kada su sva astronomska posmatranja vrena golim okom da bi se zadovoljila nauna znatielja pojedinih naunika koji su se prvenstveno bavili geometrijom i filozofijom, iz kojih se izrodila drevna astronomija (Hiparh, Eratosten,Ptolemej, Arhistarh, Anaksagora,-Aleksandrijska skola,Pitagora,Aristotel). ak i sa primitivnim sredstvima su uspjeli da odrede Obim zemlje, mjeseeve periode i ustanovili su da se zemlja okree oko sunca (to je u srednjem vijeku predstavljalo dilemu). Od toga doba pa sve do Galileja nije nikakav napredak uinjen u razmatranju kosmosa (mada je Nikola Orezmo imao naprednih ideja, nije htio da ih objavi jer je bio katoliki biskup). Galilej je razvio neke matematike modele i usavrio optiku kojom je pokrenuo revoluciju u kosmologiji, ranije je u 15. vijeku Nikola Kopernik prvi hrabro istupio pred katolikom crkvom i podrao heliocentrini model. Napredovanje su omoguili Tico Brahe, Johan Kepler, i naravno Galileo Galilej (galilejevski relativizam). Ali najznaajniji pomak je napravio ser Isak Njutn svojim zakonima, uvoenjem pojma gravitacije. Znaajan je bio i rad Fridriha Besela koji je prvi uspjeno koristo paralaksu za mjerenje. I naravno ogroman doprinos kosmologiji je uinio i Albert Ajntajn sa svojim teorijama relativiteta to je osnova moderne kosmologije.

2.2. Mjerenja

Najvei problem u astronomiji, a samim tim i u kosmologiji bio je metod kojim se tano da utvrditi udaljenost novog objekta u svemiru. Jer se postavlja pitanje da li imamo nekakav empirijski uzor i potporu kada se govori o veliini i starosti univerzuma (to nam nikako ne moe biti poznato iz iskustva). Neke od metoda se svode na:

Paralaksu (poeljno samo za manje udaljene objekte do 103 svjetlosnih godina)

Vrijeme putovanja svjetlosti interferimetrija

Poreenjem preko poznatih razmjera (grub model, preko spektralnih linija) Poreenje preko vidljivosti objekta u odnosu na standardni etalon - standardne svijee (prilino slaba tanost.

Najranija prilino tana mjerenja su djelo Fridriha Besela koji je vrio mjerenja u toku godine posmatrajui jednu zvijezdu. Postupak se svodi na uoavanje pomjeranja zvijezde od jedne lune sekunde na zamiljenoj krunici, kada se odreuje prvi parsek ~ parsec tj dio vertikalnog rastojanja do zvijezde u zamiljenom pravouglom trouglu, a takoe nam je poznata astroloka jedinica ~ astrological unit to predstavlja udaljenost zemlje od sunca, pa primjenom trigonometrijskih funkcija dobijemo stvarnu udaljenost objekta. Paralaksa je osnovni metod mjerenja i predstavlja standard kalibracije za sve ostale metode. Mjerenja su bitna jer preko njih sklapamo kartu svemira i to nam omoguava uspjenije istraivanje i napredak u kosmologiji. Obino je za tanije rezultate potrebna sofisticirana kombinacija vie ovih metoda. A kako je vidljivi svemir svuda oko nas u krugu od 40 milijardi svjetlosnih godina i imamo za posmatranje vie od 100 milijardi galaksija posao je ogroman. Dok se relativna pozicija zvijezda odreuje interferometrima (talasna optika). Apsolutnih pozicija nema jer kako se okreu galaksije oko svojih sredita tako i zvijezde krue. Ovo se prati i s vremena na vrijeme preko doplerovog efekta i ponovnim proraunom, pa statistikom obradom na kraju dobijamo galaktike karte. Posao ve u naelu zvui dosta zahtjevno. I pored svih potekoa usljed drugaijih zakonitosti prostora univerzuma dodatne probleme stvara i redshift ili crveni pomak. To je pojava da svjetlost iz daljine svemira ima tendenciju da ide ka crvenom dijelu spektra pa samim tim stvara iluziju ljudskom oku o predstavi boje posmatrane zvijezde. tavie Edwin Hubble je postavio glavni zakon moderne kosmologije koristei pojave crvenog pomaka i Crne Energije (Dark Energy).

2.3. Pojmovi u kosmologiji

Parseck (pc) paralaksa od jednog lunog sekunda. Da bi se dobio pojam kolika je veliina u pitanju na primjeru od svemirske sonde Voyagera koji se vec 30 godina udaljava od zemlje a prevalio je razdaljinu od 5.1x10-5 parseka. Ili se moe rei da je to daljina 206265 udaljenost zemlje od sunca ili 3.26 svjetlosnih godina. Parsek se moe koristiti i kao jedinica zapremine, samo sa kubnim eksponentom. Otprilike udaljenost meu zvijezdama je reda kiloparseka (Kpc), meu galaktike razdaljine su reda megaparseka (Mpc).

Svjetlosna godina (ly) duina koju svjetlost prevali za vrijeme od jedne godine. Veoma intuitivna jedinica ali na nesreu kao i sve takve (palac, stopa, galon) nije zgodna za proraune. Svjetlosna godina iznosi tano: 9,460,730,472,580.8 km.

Redshift(Z) crveni pomak, smanjivanje stvarne frekvencije svjetlosti zvijezda i poveanje talasne duine usljed djelovanja gravitacije kosmosa tj crnih rupa, gravitacionih soiva. Crveni pomak moe biti pozitivan ili negativan Z=( - 0)/0

Dark energy hipotetika pretpostavka forme energije koja proima univerzum, dri njegov balans i izaziva njegovo dalje irenje. Naunici smatraju da je 72% totalnog odnosa masa-energija univerzuma crna energija. Za crnu energiju pretpostavlja se da ima karakter vakuuma ili negativnog pritiska.

Dark matter crna materija isto hipotetiki pretpostavljena forma materije koja se najvie ispoljava kao pojava gravitacionih soiva tj odbija gravitacione sile. Za neke objekte u svemiru se pretpostavlja ine ovaj vid materije: crne rupe, sivi patuljci (neformirane zvijezde), ili antimaterija, a ne barjonska materija.Faktor gustine kosmosa () to je odnos prosjene gustine materije i njene kritine vrijednosti tj. uopteno se koriste za grafik moguih ekspanzija kosmosa. Moe biti >1 tj da pretpostavimo da je kosmos krunog oblika i da je sudbina kosmosa Big Crounch. Ako je