Kozmofizika ’08 – Dávid Gyula sorozata
KOZMOFIZIKA ‘08
Az Univerzum részecskéi és a részecskék Univerzuma
Dávid Gyula fizikus sorozata
Az előadásokat szerdánként 19:00 órától tartjuk a Polaris Csillagvizsgálóban (Budapest, III. Laborc u. 2/c.). Kérjük a pontos megjelenést, mivel az előadásokat az interneten is közvetítjük!
A 20. század természettudományos forradalmának egyik legmélyebb és legmeglepőbb eredménye volt annak az intim kapcsolatnak a felfedezése, amely a legkisebb és a legnagyobb objektumok, az elemi részecskék és a Világegyetem fizikája között fennáll. Ennek a kapcsolatnak van egy praktikus vonatkozása is: a korai Univerzum extrém körülményei olyan nagyenergájú részecskeátalakulási folyamatokba nyújtanak betekintést, amelyek még a mai kor nagy részecskegyorsítói (így a 2008 nyarán beinduló LHC) számára is elérhetetlenek – ezért a Nagy Bumm környezete az ismert mondás szerint a szegény részecskefizikus kísérleti laboratóriuma. Sokkal fontosabb azonban, hogy az elemi részecskék tulajdonságai, kapcsolatai, átalakulásai, keletkezésük és bomlásuk sajátosságai alapvetően befolyásolták és befolyásolják, olykor közvetlenül meghatározzák a Világegyetem történetét a teljes Univerzumban zajló makrofolyamatok és a helyi – pl a csillagokban végbemenő – mikrofolyamatok szintjén is.
Sorozatunk az ezredforduló részecskefizikájának Standard Modellje, illetve az ezt továbbépíteni szándékozó új, versengő elméletek alapján tekinti át az elemi részecskék állatkertjét, megismertet jellegzetes képviselőikkel, tulajdonságaikkal, kölcsönhatásaikkal, és azzal, hogy hol és mikor játszottak vagy játszanak fontos, esetleg főszerepet az Univerzum történetének egyes felvonásaiban – a Nagy Bummtól az értelemig és tovább…
febr. 6. Égre vetített mikrovilág
– részecskefizika és kozmológia, avagy kétfajta Standard Modell
A 20. század végére kialakult a részecskefizika és a kozmológia Standard modellje, amely az összes eddigi eredmenyt összegezte, és egységes elméletté forrasztotta össze. A sorozat bevezetéseként áttekintjük: milyen elemi részecskek fordul(hat)nak elő a természetben, milyen „periódusos rendszerbe” sikerült őket rendezni, milyen alapvető kölcsönhatások szabályozzák létüket és átalakulásaikat. Másrészt végigfutunk az Univerzum történetének fő fejezetein is, a Nagy Bummtól a csillagok és a bolygók korszakáig. A sorozat további előadásai egy-egy részecskét, illetve egy-egy korszakot vizsgálnak meg majd részletesebben.
febr. 13. Fotonfürdőben
– a hőhalál nyomai, avagy amiről a mikrohullámú háttérsugárzás árulkodik
A 2006-os fizikai Nobel-díjat a mikrohullámú háttérsugárzás tulajdonságainak pontos méréséért adták ki. Mi ez a sugárzás, amely rádiófotonok fürdőjében áztatja az egész Univerzumot? Mikor és milyen körülmények között keletkezett? Mit jelent az, hogy a sugárzás termikus jellegű? Hol van az a 2,7 K hőmérsékletű test, amellyel termikus egyensúlyban van? Hogy viselkedett, milyen döntő szerepet játszott a sugárzás az Univerzum korai, forró korszakaiban? Mire utal a sugárzás nagymértékben irányfüggetlen (izotróp) volta, és milyen fizikai folyamatokról árulkodnak az izotrópiától való parányi eltérések? És végül, de nem utolsósorban: miért lényegbevágó mindez a galaxisok – és így közvetve az emberiség – létrejötte szempontjából?
febr. 20. Az antianyag titka
– részecskék és antirészecskék, avagy az elveszett szimmetria
Az antirészecskék feltételezése, illetve felfedezése óta megszoktuk, hogy az antianyag minden tuajdonsága pontosan megegyezik a közönséges anyagéval, csak épp bizonyos mennyiségek (töltések) előjele ellenkező. Mi az oka akkor, hogy kozmikus környezetünkben néhány kósza antirészecskétől eltekintve nem találunk antianyagot, csak anyagot? Lehet, hogy az antianyag az Univerzum távoli tájain koncentrálódik, így a kozmoszban anyag- és antianyag-szigetek váltakoznak? A modern részecskefizika és kozmológia szintézise új, sokkal izgalmasabb választ kínál e régi kérdésre.
febr. 27. A kvarkok bebörtönzése
– avagy az Univerzum első struktúrái
A nukleonok még elemibb alkotórészei, a kvarkok létezését a 20. század hatvanas éveiben tételezték fel, kísérleti kimutatásuk a hetvenes évektől az ezredfordulóig húzódott. Mégsem látott még senki egyetlen magányos, a proton vagy a neutron belsejéből kiszabadított kvarkot sem! Miért viselkednek ezek a részecskék annyira másképp, mint a többi elemi részecske, mi különbözteti meg a kvarkok „börtönszerű” kötött állapotait más részecskestruktúráktól? Miért mondhatják mégis a 21. század elejének részecskefizikusai, hogy nagy gyorsítóikban – ha csak röpke pillanatokra is – sikerült kiszabadítaniuk a kvarkokat börtönükből? Mikor alakultak ki ezek a kvarkbörtönök – az Univerzum első mikrostruktúrái –, és meddig maradnak fenn?
márc. 5. Nukleáris LEGO
– avagy a magfúzió vegykonyhája
Életünket a Napból sugárzó energiának köszönhetjük, ezt az energiát pedig a csillag magjában zajló atommag-fúziós folyamatok termelik. Milyen részecskefizikai törvények teszik lehetővé a magfúziót, és milyen furcsa véletlenek akadályozzák meg, hogy a csillagok egy pillanat alatt, robbanásszerűen elégessék egész üzemanyagkészletüket? Hogyan épülnek fel a csillagok belsejében a legegyszerűbbekből a legbonyolultabb atommagok? Miért olyan óriási a különbség az egyes elemek és egyes izotópok kozmikus előfordulásának gyakorisága között? Milyen további atommag-folyamatok fűtik a bolygók belsejét, teszik élővé, aktívvá a Föld geofizikáját?
márc. 12. Az atommag kulcsa
– avagy az atombombától a neutroncsillagig
Az atombomba és az atomreaktor szürke eminenciása a neutron – ő teszi lehetővé a magenergia felszabadítását. A neutron azonban instabil részecske – miért fordul elő mégis ilyen nagy mennyiségben immár konszolidálódott világunkban? Milyen szerepet játszanak a neutronok a csillagokban folyó magreakciókban és a szupernova-robbanásokban? Hogyan segítenek a különböző számú neutront tartalmazó izotópok a kozmikus, a geológiai és a biológiai múlt megismerésében? Mi tartja össze a legfurcsább, kozmikus méretű atommagot, a neutroncsillagot (amely néhány vadonatúj elmélet szeint talán nem is neutronokból áll)?
márc. 19. A láthatatlan energiatolvaj
– avagy neutrinók és szupernovák
A neutrínó létezésének feltételezői biztosak voltak abban, hogy ezt az illanékony, nehezen megfogható részecskét sohasem tudják kísérletileg detektálni. Ehhez képest ma a neutrínók hat fajtáját ismerjük, és épp kölcsönös átalakulásaikat vizsgáljuk. Hogyan lehetséges, hogy az ilyen könnyű, áthatolóképes részecskék fontos szerepet játszanak az Univerzum egyik legnagyobb energiájú, leglátványosabb folyamata, a szupernova-robbanás során? Igaz-e, hogy saját létünket, saját anyagunkat is a neutrínóknak köszönhetjük? De akkor hova lettek, miért hiányoznak a Napban végbemenő, jól ismert(nek vélt) fúziós folyamatban keletkező neutrínók? Milyen szerepet játszanak a neutrínók a galaxisok, sőt az egész Univerzum tömeg- és energiamérlegében, gravitációs összetartásában?
márc. 26. Figyelem, ezen a héten nincs előadás!
ápr. 2. A szilárd anyag szilárdítója
– avagy univerzális elektronika
Az „elektronika” szót nem kell magyarázni: az elektronikus eszközök átszövik mindennapjainkat. Miért pont az elektron az az elemi részecske, amely ilyen engedelmes háziállatnak szegődött az emberhez, parancsunkra és gombnyomásunkra színes ábrákat rajzol a képernyőre, biteket kódolva kanyarog a mikrochipek bonyolult topológiájú áramköreiben? De már az emberi technika előtt is az elektron tette lehetővé a szilárd objektumok (a porszemcséktől a bolygótestekig), sőt az atomokból összetett molekulák képződését, beleértve a szerves vegyületek végtelen sokaságának, így magának az életnek a létrejöttét is. „Hogy működik” ez a páratlanul rugalmas és sokoldalú részecske – és miért pont ő játssza el ezt a szerepet?
ápr. 9. A wimpek pókhálója
– a sötét anyag, avagy a galaktikus halótól a galaxisok hálójáig
A 20. század végének nagy csillagászati áttörése során feltérképeztük a belátható Világegyetemet, és az eredmények megerősítették a korábbi sejtéseket: a galaxisok kiterjedt, laza pókhálóra emlékeztető, szálas szerkezetű struktúrákba rendeződnek. Vajon mi hozta létre ezt a szerkezetet? – a gravitáció puszta hatásától egészen másféle makrostruktúrák kialakulását várnánk. A tettes a nevezetes „sötét anyag”, amelynek hatását (pontosabban hiányát) már a harmincas években felismerték a galaxisok dinamikájának vizsgálata során. Ma már közvetlen kísérleti bizonyítékaink is vannak a sötét anyag létezésére. De vajon miből van, milyen makro- vagy mikroobjektumokból, elemi részecskékből áll a sötét anyag? MACHO vagy WIMP? Mik ezek, és hogyan tudjuk kimutatni, leleplezni őket?
ápr. 16. Szép időben a tömeg lemegy a térre
– avagy a Higgs-részecske nyomában (felfedezve 2008 nyarán, Nobel-díj 2009)
Az idézett mondás az általános relativitáselmélet nagy felfedezését, a tér, az idő és a tömeg közti univerzális összefüggést illusztrálja. De vajon miért van az objektumoknak (így az elemi részecskéknek) tömegük? Egyáltalán, mit jelent a tömeg jól ismert(nek vélt) fizikai fogalma? A részecskefizika Standard Modellje szerint a részecskék tömege a Higgs-mezővel való kölcsönhatásnak köszönhető – ennek kvantumát, a régóta keresett Higgs-részecskét a 2008 nyarán beinduló szuper-nagyenergiájú részecskegyorsító, az LHC fogja felfedezni nem sokkal sorozatunk befejezése után, ezzel a helyére illesztve a Standard Modell utolsó hiányzó puzzle-darabkáját. De a Higgs-mező tartogatott még egy meglepetést a fizikusoknak és a kozmológusoknak: kozmikus méretekben alkalmazva megoldotta a Nagy Bummra épülő csillagászati modell számos nehézségét, és egy új korszakot, az infláció korát iktatta be az Univerzum korai történelmébe.
ápr. 23. Az ötödik elem
– a kvinteszencia, avagy Einstein legnagyobb tévedése
Nagy embereknek a tévedései is tanulságosak – hát még amikor nyolcvan év késéssel kiderül, hogy nem is tévedtek olyan nagyot. Albert Einstein, a mai kozmológiai modellek alapjául szolgáló általános relativitáselmélet megalkotója maga nevezte élete legnagyobb tudományos tévedésének a kozmológiai állandó bevezetését. Az ezredforduló környékén elvégzett preciziós csillagászati mérésekre épülő új kozmológia viszont ismét használja, és világképe fontos elemének tekinti a kozmológiai állandót – így tudja modelljeivel reprodukálni az Univerzum megfigyelt tulajdonságait. Ez az „állandó” a mai felfogás szerint viszont nem egy univerzális természeti konstans, hanem egy új, furcsa tulajdonságokkal (pl antigravitációs hatással) bíró anyagfajta, az ún. „kvinteszencia” vagy „sötét energia” megnyilvánulása. Ez az anyagfajta pedig nem kevesebb, mint 70 százalékát alkotja az Univerzum össztömegének! Hová bújt eddig ez a sok anyag, hogyhogy nem vettük észre? Beleillik-e a részecskefizika modelljeibe, vagy azokból kilógó, azokon túlmutató, új fizikát képvisel? És egy gyakorlati kérdés: mikor és hogyan lehet segítségével antigravitációs autót vagy űrhajót építeni?
ápr. 30. Mire való a többi részecske? – generációk és szuperpartnerek és
Túl a Standard Modelleken – a 2052-es fizikai Nobel-díj – a kvantumgravitáció, avagy szuperrészecskék a Multiverzumban (össezvont előadás!)
Sorozatunk eddigi előadásaiban számba vettük a legfontosabb, az Univerzumban gyakran előforduló, annak tulajdonságait és fejlődését nagyban megszabó elemi részecskéket, tulajdonságaikat, szerepüket. De ezzel az ismert elemi részecskéknek csak igen kis hányadát említettük. Hol a többi részecske? Milyenek a tulajdonságaik, miben térnek el a megemlített részecskéktől? Miért nem kerültek szóba a korábbi előadásokon, miért nem játszottak szerepet az Univerzum történetében? Egyáltalán: mire valók? E kérdések mellett illik arra is kitérnünk, hogy a részecskefizikai Standard Modellen túl kacsintgató új elméletek további elemi részecskék garmadájának létezését tételezik fel. Hát ezek meg hol bújkáltak eddig? Lehet, hogy az ő létezésüket figyelembe véve előlről kell kezdenünk, újra kell írnunk a Világegyetem már ismertnek vélt történetét?
A kozmológia Standard Modelljének alapja az einsteini általános
relativitáselmélet, a részecskefizika Standard Modellje pedig a
kvantumelméletre, közelebbről a kvantum-mezőelméletre épül. Gyümölcsöző
együttműködésük és látványos sikereik nem feledtetik az a szomorú
tényt, hogy az alapjukul szolgáló két hatalmas és csodálatosan szép
fizikai elmélet sem fizikai, sem matematikai köszönő viszonyban sincs
egymással. Pedig fontos lenne: vannak a téridőnek olyan szögletei,
zugai (pl a fekete lyukak belseje vagy a Nagy Bumm közvetlen
környezete), ahol a kvantumos és gravitációs effektusok egyformán
fontos szerepet játszanak. Az elméletek kívánatos egyesítése, a
„kvantumgravitáció” nevű új tudományág kifejlesztése a hallgatóságban
ülő fiatalok generációjának feladata – borítékolható, hogy a 2052-es
fizikai Nobel-díjat a kvantumgravitáció elméletét megalkotó tudósoknak
ítélik majd oda. Sorozatunk záró előadásában az eddigi próbálkozásokat
és (szerény) eredményeket tekintjük át. Egy ilyen átfogó elmélet
természetesen újraírja majd a kozmológiát, és megváltoztatja a
Világegyetemről alkotott általános képünket.
