...::: Vesmír :::...
Všechno ve vesmíru je složeno z elementárních částic. Každá věc je složena z
menších částeček, jejichž rozkladem můžeme dojít až k nejmenším částicím. Částic
je mnoho, ale nejdůležitější jsou protony, neutrony, elektrony, neutria a
fotony, protože jsou stabilní. Žádná částice není osamocena, ale jsou neustále
vystavovány silám okolních částic. Ve vesmíru se neustále uplatňují čtyři
základní druhy sil: jaderná je nejmohutnější, ale působí jenom v
nejbližším okolí částice. Spojuje protony neutrony v
atomová jádra. Slabá působí v samotném středu částic a je důležitá pro
stabilitu atomových jader (radioaktivita). Elektromagnetická se
uplatňuje při stavbě atomů, molekul nebo krystalů, také při vyslání nebo
pohlcení fotonů. Gravitace je mnohokrát slabší, ale působí na obrovské
vzdálenosti. Má základní význam pro vznik, stavbu i zánik vesmíru, protože
udržuje pohromadě nebeská tělesa, galaxie i supergalaxie. Částice mohou svou
energii zvyšovat pohybem. Stanou-li se součástí nějakého systému, jejich energie
klesá. Nestabilní částice se samovolně rozpadají, stabilní částice se při srážce
s antičásticí
přemění na fotony nebo jiné částice (anihilace, materializace).
Hadrony (částice, které na sebe působí jadernou silou), nejsou
elementárními částicemi, jak se dříve myslelo. Skládají se z jednodušších
částic, tzv. kvarků. Jméno "kvark" bylo náhodně vybráno podle románu
Finnegans Wake od Jamese Joyce. Volné kvarky neexistují, neboť síla mezi nimi je
nejmohutnější ze všech sil a navíc neklesá se vzdáleností (jako síla gravitační
nebo elektrická). Proto se kvarky mohou vyskytovat jen ve skupinách po dvou nebo
nebo třech. Těžké elementární částice, baryony, jsou tvořeny trojicí
kvarků. Naopak mezony jsou tvořeny dvojicí kvark a jeho antikvark. Ke
každému kavarku existuje antikvark, který má opačné vlastnosti (např. elektrický
náboj, barva aj.). Velké množství baryonů je tak možné vysvětlit kombinací šesti
druhů (neboli "vůní") kvarků: u, d, s,
c, b, t. S výjimkou kvarku t
se podařilo všechny dokázat. Důležitou vlastností kvarků je "barva" - vlastnost,
která neodpovídá našim smyslovým vjemům. V jednom hadronu mohou být jen kvarky,
které se liší barvou (červený, zelený, modrý). V mezonech má antikvark antibarvu.
Jako celek musí být částice "bílá". Lehké částice, leptony, jsou
jednoduché. Nejsou složeny z kvarků jakou baryony a nezony. Zavedením kvarků se
tedy dosavadní pojem "elementárních částic" mění. Je šest leptonů a šest kvarků.
Lze je uspořádat do tří skupin. Nejdůležitějšími baryony pro stavbu vesmíru jsou
proton a neutron (viz obr). Proton je složen ze dvou kvarků u s
nábojem +2/3 e(elektronu) a jednoho d s
nábojem -1/3e, takže jeho výsledný náboj je +1. Neutron je
složen z jednoho kavrku u a dvou d, takže jeho
náboj je 0. (Kvarky mají zlomek náboje elektronu nebo protonu.) Známý vesmír je
vybudován z kvarků u a d a z elektronů. Ostatní kvarky se vyskytují jen v
hadronech, které jsou nestálé, rychle se rozpadají. Proto se jimi zabývat
nebudeme. Antihmota je složena z antikvarků. Antikavrky se značí vlnovkou (tildou),
např. u~ je antikvark u atd. Například antiproton je složen ze
dvou u~ a jednoho d~. Jeho náboj je -1,
protože u~ má náboj -2/3e a d~
má náboj +1/3e. Přehled elementárních částic. Částice se dělí
podle charakteristických vlastností, jednou z nejdůležitějších je klidová
hmotnost. Částice mají velmi malou hmotnost, proto mohou být snadno
urychleny na rychlost blízkou rychlosti světla a některé, jako foton, mají
nulovou hmotnost a hned po vzniku se pohybují rychlostí světla. Podle klidové
hmotnosti se dělí na lehké leptony, středně těžké mezony a
těžké baryony. Mezi byryony a mezony působí jaderná síla a nazíváme je
hadrony. Nukleony (to je protony a neutrony) tvoří
jádra atomů. Částice mohou mít elektrický náboj. Nejmenší náboj má
elektron (tzv. jednotkový náboj), stejně velký, ale opačně nabitý (tedy kladný)
je proton. Neutron náboj nemá. Spin je vlastní rotace částic. Je stálý,
nelze ho ani urichlit, ani zpomalit. Podle velikosti spinu se částice dělí na
bosony (neotáčejí se vůbec nebo naopak rychle, odborně se říká, že mají
nulový nebo celistvý spin) a fermiony (otáčejí se střeně rychle, mají
poloviční spin). Částice mají ještě další vlastnosti, nám pro porozumění postačí
ty nejdůležitější, s kterými se často setkáme. Ke každé částici existuje její
zrcadlový obraz, antičástice, s opačnými vlastnostmi, které tvoří antihmotu.
Vznik vesmíru velkým třeskem
Vesmír vznikl asi před 10 miliardami let mohutnou explozí, nazývanou velký
třesk (big bang). Následným rozpínáním a ochlazováním nesmírně žhavé koule
elementárních částic, antičástic a fotonů gama se z nich čtyřmi základními
silami (jadernou, slabou, elektromagnetickou a gravitační),
které vnikly postupným štěpením supergravitace, vytvořily všechny dnešní věci -
od nejjednodušších atomů vodíku až po soustavy a živé organismy.
Dějiny vesmíru
Obvykle se dělí na čtyři období - a to podle převládající síly:
hadronové (jaderná síla), leptonové (slabá síla), fotonové
(síla elektromagnetická) a látkové neboli hvězdné (síla
gravitační). V hadronovém období probíhaly za nesmírně vysokých teplot
dva protichůdné procesy: anihilace baryonů (jichž bylo o miliardtinu
více) s antibarony a materializace gama fotonů. Postupným poklesem
teploty klesala energie gama fotonů, až bylo dosaženo hranice (10 na desátou
kelvinů, K), kdy nemůže probíhat materializace. Anihilací pak pravdě podobně
vymizela antilátka a těžké baryony (hyperony) se rozpadly na nukleony (protony a
neutrony). Rozpadly se také nejlehčí hadrony (mezony). V tomto období
se tedy rozpadla většina hadronů (až na nukleony) a teplota klesla z 10 na
třicátoudruhou na 10 na dvanáctou K. V
leptonovém období se většina neutronů rozpadla, takže přibývalo
protonů. To byl vesmír asi 2-3 minuty starý (tedy velmi mladý). Některé
netrony neměly čas se rozpadnout a spojily se ochotně s blíkými protony. Tím
vznikla jádra nejlehčích prvků: deterium, helium, lithium. Tomuto procesu se
říká kosmogonická nukleogeneze - to jestvznik jader v celém vesmíru.
Leptonové období končí anihilací elektronů s pozitrony za teploty 10 na desátou
K. Ve fotonovém období při poklesu
teplot pod 10 na desátou K nedocházelo k materializaci elektronů a pozitronů z
fotonů, neboť fotony už měly malou energii. Anihilace leptonů s antileptony však
pokračovala a vzniklo mnoho fotonů, ovšem s menší energií. Ve všech těchto
obdobích převládalo záření nad částicemi, látkou, ale rozpínáním se energie obou
složek vyrovnaly. Začalo látkové neboli hvězdné období.. K
této nesmírně důležité změně došlo, když byl vesmír starý 300 000 let. Tehdy se
rozhodující složkou vesmíru se stávají částice (protony, neutrony a elektrony) a
převládající silou gravitace. Elektrony se tehdy za teploty 10 000 K spojily s
protony a vznikly atomy vodíku. Vesmír se stal prostupný pro záření, neboť se
zbavil volných elektronů. Záření z oné doby je nejstarší vůbec a nazývá se
reliktové nebo fosilní.
Rozpínání vesmíru
Probíhá od velkého třesku a potvrzují je všechna pozorování. Rudý
posuv ve spektrech ukazuje, že čím jsou galaxie vzdálenější, tím se
rychleji vzdalují (Hubbleův zákon). Vesmír je v určité okamžiku ve
všech místech a směrech stejný (to znamená, že nemá žádný "střed") a pozorovatel
ve vzdálené galaxii vidí totéž co my - vesmír se rozpíná, platí Hubbleův zákon,
naměří stejnou rychlost rozpínání (Hubbleovu konstantu), odvodí stejné
stáří vesmíru. Pozorování za dostatečně dlouhou dobu by ukázala, že se rychlost
rozpínání vesmíru zpomaluje, a tedy klesá hodnota Hubbleovy konstanty, protože
proti setrvačnosti rozpínání
působí gravitace.
Budoucnost vesmíru
Podle teorie relativity můžeme vypočítat, jak bude v budoucnosti vypadat
vesmír. Rozhodující je průměrná hustota látky ve ves míru - zda je nižší nebo
vyšší než tzv. kritická hustota, neboli
jestli gravitace dokáže zbrzdit vzdalující se galaxie. V
otevřeném nekonečném vesmíru se rozpínání galaxií nikdy nezastaví.
Naopak konečný (uzavřený) vesmír má dostatečně velkou průměrnou
hustotu, takže se vyvíjí v cyklech trvajících 80 miliard let. Polovinu času se
rozpíná, pak se rozpínání zastaví (Hubbleova konstanta se rovná nule) a vesmír
se začne smršťovat, až zanikne v tzv. velkém kolapsu
a znovu se zrodí velkým třeskem. Pozorování naznačují, že náš vesmír je
konečný a uzavřený.
Hubbleova konstanta
udává rychlost s jakou se vesmír rozpíná, její hodnota je 55 km * s na
méněprvou * Mpc na méněprvou, to znamená, že vzdálenost jednoho megaparseku (3,3
* 10 na šestou světelných let) se každou sekundou zvětšuje o 55km.
Rudý posuv
je posuv spektrálních čar k červenému konci spektra. Vysvětluje se
Dopplerovým principem (při přibližování nebo vzdalování zdroje vlnění
pozorujeme v závislosti na rychlosti zdroje zvyšování nebo snižování kmitočtu
vlnění) jako vzdalování pozorovaných objektů rychlostí úměrnou jejich
vzdálenosti.
Velký třesk
Po menší přestávce vám zase píši něco z divů vesmíru. V prvním díle jsme si povídali o hvězdách, o jejich vzniku, životě a zániku. A tak si myslím, že by nebylo od věci říci si něco o zrodu, vývoji a konci našeho vesmíru. Proto se zeptejme na základní otázky tohoto témata. Jak vesmír vznikl? Jak se vyvíjí a jak bude vypadat jeho konec? První průlom při řešení této otázky přinesl Edwin Hubble, který potvrdil, že se všechny galaxie od sebe navzájem vzdalují, a to tím rychleji, čím jsou dál. Hlavní vysvětlení této skutečnosti spočívá v použití Dopplerova jevu. Jestliže se zdroj světla blíží k Zemi, vlnová délka vysílaného záření se zmenšuje a světlo se zdá modřejší. Jestliže se naopak vzdaluje, vlnová délka se zvětšuje a světlo vypadá červeněji. Velikost červeného posuvu tedy představuje klíč k rychlosti vzdalování. Jak ale toto vzdalování galaxií a tím i rozpínání vesmíru vlastně začalo? Mnoho vědců se v dnešní době přiklání k teorii Velkého třesku. Rozpínání vesmíru, jak se zdá začalo asi před 15-20 miliardami let Velkým třeskem.Současní fyzikové teoreticky dokázali sledovat dějiny vesmíru až do doby 10na mínus 43 sekundy. V číselném vyjádření by se tento zlomek sekundy dal vyjádřit nulou a desetinou čárkou, za níž by bylo seřazeno 42 nul a potom by následovala číslice 1. Podle nejnovějších teorií byl celí vesmír v tomto okamžiku, zhruba před dvaceti miliardami let, menší než atomové jádro. Hmota v dnešním slova smyslu ještě neexistovala. Vesmír byl absolutní, stlačenou a ultra žhavou energií, tedy látkou, z níž vznikl prostor a čas. Podle úvah současných badatelů nevedl prvotní třesk jenom k tomu, že se znenadání objevila hmota a energie, ale i čtyřrozměrné časoprostorové kontinuum.Tak mohl před dvaceti miliardami let prostřednictvím velkého třesku vzniknout celí fyzikální vesmír. Tento proces rozštěpil sjednocenou původní prasílu na jednotlivé složky, to znamená na čtyři přírodní síly, s nimiž máme dodnes co činit. Už v 10 na mínus 32 sekundy po prvotním třesku bylo dosaženo velmi subtilní rovnováhy mezi gravitací a rozpínáním. Mnohem později, přibližně za miliontinu sekundy se mladý vesmír natolik ochladil, že s kvarků začali vznikat neutrony a protony. Asi sekundu po velkém třesku se uvolnila takzvaná neutrina. Pak v 10 na mínus 6 sekundy po prvotním třesku se vesmír zvětšil asi na velikost našeho slunečního systému. Avšak v mladém vesmíru se vytvořili hmota a antihmota, které se navzájem ničili anihilačním zářením. Naštěstí si hmota udržela převahu, a proto je veškerý materiál, který dnes ve vesmíru existuje, pozůstatkem boje na život a na smrt v počátečním stádiu. Tři minuty po velkém třesku poklesla teplota vesmíru už na miliardu stupňů Celsia. Protony a neutrony se spojili do atomových jader, vznikla atomová jádra vodíku a hélia. Za sto tisíc, když se teplota snížila na tři tisíce stupňů, se spojily elektrony s atomovými jádry, a tak se objevily atomy. To byl také okamžik, kdy se ze svého hmotného spojení uvolnili fotony - energetické světelné částice a další druhy elektromagnetického záření. Mladý vesmír začal vypadat tak, jak ho známe, jako temnota, jíž pronikají světelné zdroje. Reliktem fotonové erupce bylo zbytkové záření, které dnešní radioastronomové vcelku bez problémů prokazují kdekoli ve vesmíru. Toto kosmické záření se ochladilo na pouhých 2,7°Kelvina, což je v současnosti průměrná teplota nám známého vesmíru. Vychladlé fotony jsou takříkajíc fosílie nesmírně vysokých teplot, které panovali na samém počátku. Po odeznění zbytkového záření se vytvořily hvězdné systémy, které jsou dnes spojené v takzvaných shlucích (to jsou skupiny galaxií) a supershlucích. Názory kosmologů na vznik těchto skupin galaxií se dosud ještě rozcházejí. A proto doufejme že najdou společnou a hlavně správnou cestu, a to co v nejbližší době.