Vznik Vesmíru (problém kvarkov a antykvarkov)

Problém kvarkov a antikvarkov

Súčasná kozmológia štandartného modelu vesmíru predpokladá, že náš vesmír je zložený z hmoty pozostávajúcej zo základných kameňov - protónov a neutrónov, ktoré tvoria jadro atómu a elektrónov tvoriacich jeho elektrónový obal. Globálne musí platiť, že celkový náboj vesmíru je rovný nule, pretože o štruktúre vesmíru by nerozhodovala gravitačná interakcia, ale elektromagnetická, ktorá je o niekoľko desiatok rádov silnejšia než gravitačná. Z filozofického modelu nášho myslenia je nepopierateľné, že naše myslenie sa na báze slobody riadi v kontexte s kauzalitou troma dialektickými zákonmi: zákonom jednoty a boja protikladov, zákonom prechodu kvantity v kvalitu a zákonom negácie negácií. Tieto zákony sa realizujú v algoritme nášho myslenia, ktorý má túto postupnosť: zmyslový podnet, myšlienka spojená s predstavou, potom záľuba spojená so žiadosťou a slobodný súhlas v kontexte s myšlienkovou predstavou. Posledným stupňom je realizácia tj. materializácia myšlienkovej predstavy v konkrétnom telesnom výkone vo forme hovoreného a písaného slova, alebo telesného úkonu. Ak pomocou rozumových daností prídeme k záveru, že naša myšlienková predstava vedie do slepej uličky, môžeme našu myšlienkovú predstavu slobodne negovať a vytvoriť novú kvalitu novou myšlienkovou predstavou, ktorá nás môže priblížiť o krôčik bližšie k objektívnej pravde, ktorú skúmame.

V materiálnom svete sa tieto zákony uplatňujú v kontexte s kauzalitou cez prírodné zákony a fyzikálne princípy, ktoré sú vo vesmíre s jeho štruktúrami určené deterministicky, alebo v mikrosvete s jeho štruktúrami cez štatistickú pravdepodobnosť. Pretože protiklady z nášho vesmíru nemožno odstrániť, je celkom logický i predpoklad, že v súvislosti so subštruktúrou hmoty v našom vesmíre je náš vesmír vytvorený - cez zatiaľ neznámu interakciu -zo subčastíc a zo subantičastic t.j. z kvarkov a antikvarkov. Ak prijmeme tento predpoklad, mali by sme pri opise štruktúry hmoty rešpektovať už spomínané zákony a nasledovné princípy: kvantový princíp, „horizontálny a vertikálny“ princíp symetrie s využitím Pauliho princípu a cez princíp korešpodencie aj zákon zachovania nábojovej nuly a spinu častíc a antičastíc vo vesmíre.

Pokúsme sa cez predpoklad, že vznik nášho vesmíru mal povahu kvantového javu, pri ktorom - pretože neexistoval priestor a čas so štruktúrami, ktoré sa v našom vesmíre v oblasti makroskopických a mikroskopických štruktúr vyznačujú vlastnou rotáciou tj. spinom – došlo v gravitačnom čase t=0 k interakcii žiarenie s poľom s nulovým spinom, v ktorom neexistovala žiadne súčasne známe častice, alebo antičastice. Výsledkom tejto zmeny stavu poľa s nulovým spinom – inobytia - cez interakciu žiarenia s poľom s nulovým spinom by mal byť vznik nášho bipolárneho vesmíru – bytia - s protikladmi, ktoré pri evolúcii vesmíru viedli ku vzniku kvarkov a antikvarkov, z ktorých je vytvorená súčasná štruktúra hmoty nášho vesmíru. Pretože došlo k zmene stavu, musel sa pri tomto fenoméne prejaviť od okamihu interakcie žiarenia s poľom s nulovým spinom fyzikálny princíp, podľa ktorého každá zmena stavu je spojená s konaním práce. Podľa poznatkov kvantovej fyziky túto prácu vykonalo žiarenie, ktorého prítomnosť pri vzniku vesmíru možno len postulovať, pričom celú fyzikálnu zodpovednosť za vznik a vývoj vesmíru prenesieme na tento postulát.

Na základe „horizontálneho a vertikálneho“ princípu symetrie v kontexte s Pauliho princípom pri vzniku bipolárneho vesmíru by malo platiť, že celkový náboj a celkový spin látkovej formy hmoty by mal byť rovný nule. Pretože podľa Pauliho princípu každý stav fermiónov–častíc s neceločíselným spinom-môže byť obsadený najviac dvoma časticami, ktoré sa musia líšiť spinom, uplatníme tento princíp aj pri kvarkoch, antikvarkoch, neutrónoch a antineutrónoch atď., pretože kvark, antikvark, protón, neutrón, antiprotón, antineutrón, môžu vystupovať so spinom +1/2 alebo –1/2 Z poznatkov kvantovej fyziky môžeme využiť informáciu, že viazaný stav častíc s opačným spinom pri vzniku väzby je stabilnejší a s nižším obsahom energie než je stav systémov so súhlasným spinom. Pokúsme sa na základe „horizontálneho a vertikálneho“ princípu symetrie zo základných stavebných kameňov hmoty vytvoriť obraz, ktorý by mal v sebe zakomponované subštruktúry látkovej formy hmoty a antihmoty t.j. kvarky a antikvarky. Ak nám naša mozaika sveta, ktorú hľadáme nebude súhlasiť s objektívnou skutočnosťou, musíme naše myšlienkové predstavy opustiť a hľadať nový opis a model, ktorý nás k tejto realite priblíži. Pri našom opise budeme vychádzať z diagramu na obr.

Z diagramu – cez „horizontálny a vertikálny“ princípu symetrie – môžeme kombináciou kvarkov u a d a a vytvoriť tieto častice a antičastice: neutrón, antineutrón, protón a antiprotón, so spinmi s=+1/2 a s= -1/2.
Ak kvarkom u priradíme náboj +3/2, kvarkom d náboj –1/3, antikvarkom náboj –2/3 a antikvarkom náboj +1/3, potom celkový náboj kvark-antikvarkovej štruktúry hmoty je rovný nule, pričom neutrón chápeme ako viazaný stav kvarkov 2d + u , antineutrón chápeme ako viazaný stav antikvarkov 2 + , protón chápeme ako viazaný stav kvarkov 2u + d, antiprotón ako viazaný stav antikvarkov 2 + . Ak kvarkom u a d a a priradíme spin s=+1/2 alebo s= -1/2, potom celkový spin kvarkov a antikvarkov je rovný nule a celkový spin neutrónov a antineutrónov-z ktorých môžu vzniknúť protóny a anntiprotóny, elektróny a pozitróny- je tiež rovný nule.
 
Základné štruktúry látkovej formy hmoty nášho sveta sú neutróny, protóny, a elektróny. Pomocou našej kvark-antikvarkovej štruktúry hmoty máme vytvorené tieto komponenty: neutróny, antineutróny, protóny a antiprotóny. Ak porovnáme súčasné poznatky s našim modelom, potom by to mohlo podľa nás znamenať, že elektrón je antičastica, ktorá by mala byť vytvorená cez „viazaný stav“ antineutrónov a antiprotónov s celkovým spinom s=0.

Na tomto modeli elektrónu je paradoxné to, že spin elektrónu je podľa poznatkov teórie elementárnych častíc s=+1/2 alebo s= -1/2 pričom elektrón je častica, ale podľa nášho modelu je elektrón antičastica a jej spin s „viazaný stavom“ antineutrónov so spinom s= -1/2 a antiprotónov so spinom s=+1/2 a opačne, je rovný nule. Ako by sa v takomto modeli kvark-antikvarkovej štruktúry hmoty javila stabilná a nestabilná molekula vodíka? Stabilná molekula vodíka by vznikla z jedného atómu vodíka ktorý obsahuje v jadre protón so spinom s=+1/2 a elektrón s viazaným stavom antiprotónu so spinom s=-1/2 a antineutrón so spinom s=+1/2. Spin prvého atómu vodíka bude teda s= +1/2. Druhý atóm vodíka bude obsahovať protón so spinom s= -1/2 a elektrón s viazaným stavom antiprotónu so spinom s=+1/2 a antineutrónu so spinom spinom s= -1/2. Spin druhého atómu vodíka bude teda s= -1/2 (viď obr.č 8). Podľa teórie chemickej väzby môžu tieto dva atómy vodíka vytvoriť stabilnú molekulu vodíka s celkovým spinom molekuly s=0, pričom sa uvolní energia číselne rovná väzbovej energii molekuly vodíka. Nestabilná molekula vodíka by vznikla z dvoch atómov vodíka s rovnakým spinom. .O plazme vodíka , ktorú získame ohriatím a stlačením z molekúl vodíka, ktorých stabilný stav sme vyššie opisovali je pre fúziu najpravdepodobnejšia interakcia jadier atómov vodíka, z ktorých boli vytvorené molekuly vodíka. Vieme, že plazma je z hľadiska náboja elektroneutrálna a pozostáva z protónov a elektrónov. Ako sa opíše podľa nášho modelu fúzia jadier vodíka pri stlačení a ohriatí plazmy? Podľa obr.č. 8 pri fúzii dochádza k interakcii dvoch jadier vodíka-protónov- so spinmi s=+1/2 a s= -1/2 s dvoma antiprotónmi s rovnakými spinmi s= +1/2 a s= +1/2. Pri kompresii plazmy protón so spinom s=+1/2 (prvý atóm vodíka) interaguje s antiprotónom so spinom s=+1/2 (druhý atóm vodíka) pričom spolu anihilujú na gama plus-g+- žiarenie so spinom fotónov s=+1. Protón so spinom s= -1/2 interaguje s antiprotónom so spinom s= -1/2 pričom spolu anihilujú na gama mínus - g -- žiarenie so spinom fotónov s= -1

Výsledkom tejto interakcie je vznik dvoch komplementárnych neutrónov s opačnými spinmi ku antineutrónom, ktoré ostali po anihilácii oboch protónov s antiprotónmi. Podľa obr.č.7 a obr.č.8 sa neutrón so spinom s=+1/2 rozpadá na protón so spinom s=+1/2 a elektrón-čo je viazaný stav antineutrónu so spinom s= +1/2 a antiprotónu so spinom s= -1/2. Neutrón so spinom s= -1/2 spolu s protónom so spinom s=+1/2 vytvárajú viazaný stav jadra deutéria, ktoré má spin s=0 :

Z horizontálneho a vertikálneho princípu symetrie vyplýva, že anihiláciu častíc a antičastíc so symetrickými stavmi kvarkov a antikvarkov z hľadiska spinu možno realizovať len vtedy, ak spin častice a antičastice má ronaké znamienko spinu.
Toto tvrdenie má závažný význam pri evolúcii vesmíru. V kontexte s týmto princípom neobstojí tvrdenie štandartného evolučného modelu Vesmíru, podľa ktorého pri vzniku vesmíru sa generovalo viac kvarkov než antikvarkov a pri anihilácii zvíťazili kvarky nad antikvarkami, z ktorých je vytvorený naš vesmír. Z diagramu obr.č.7 vyplýva, že pri vzniku vesmíru k žiadnej anihiláci kvarkov a antikvarkov nedošlo.

Skúsme zistiť na základe diagramov obr.č.7 a obr.č.8, či je možné z pozitrónu -ako antičastice k elektrónu- a z antiprotónu vyrobiť antivodík, alebo z dvoch antivodíkových atómov s opačným spinom vyrobiť antideutérium? Situácia sa javí podľa obr.č.7 a 8 tak, že je to fyzikálne neuskutočniteľný experiment. Teraz ponechajme naše závery o kvark-antikvarkovej štruktúre hmoty odborníkom, ktorí sa touto problematikou zaoberajú profesionálne a položme si nasledujúcu otázku. Pri akej teplote a v ktorom čase od okamihu vzniku vesmíru sa mohli vytvoriť spriahnuté stavy neutrónov a antineutrńov a z nich spriahnutie antineutrónu s antiprotónom na „elektrón“ a k tvorbe protónov z kvark-antikvarkového kondenzátu?
Pri určení času vzniku nových štruktúr z kvark-antikvarkového kondenzátu, kedy sa začali tvoriť antineutróny- neutróny s opačnými spinmi a z nich antiprotóny- protóny a elektróny, možno vychádzať zo vzťahu, ktorý určuje strednú energiu kvánt tepelného pohybu platného v štatistickej fyzike a porovnať ju s teplotou reliktného žiarenia, ktorú určuje pri expanzii vesmíru rovnica č.9:

T=E/ k=m.c2/ k
T- teplota tvorby častíc
m- pokojová hmotnosť neutrónu a protónu
k- Boltzmanova konštanta
c- rýchlosť svetla
t- čas určený z rovnice (9), ktorý je potrebný na vznik viazaných neutrónov (aj antineutrónov) s opačnými spinmi, z ktorých vznikli elektróny (s viazaným stavom antiprotónu a antineutrónu s opačným spinom) a protóny. Pre teplotu tvorby týchto častíc z uvedených rovníc možno určiť pre viazané stavy neutrónov a antineutrónov s opačnými spinmi nasledujúce hodnoty termodynamickej teploty a času:Tn=1,09. 1013 0K, tn=0,0067 sek. Pre vznik protónov možno vypočítať tieto hodnoty: Tp=1,08. 1013 0K a tp=0,0068 sek.


Tvorba jadier prvkov

Podľa diagramu obr.č.7 látková forma hmoty by nastupovala na scénu pri teplote tvorby viazaných stavov neutrónov s opačnými spinmi a ich komplementárnych antineutrónov tiež s opačnými spinmi už v čase tn=0,0067 s, kedy teplota dosahovala-podľa vyššie uvedených výpočtov hodnotu Tn=1,09. 1013 0K. Až od tohto okamihu možno uvažovať o tvorbe protónov a elektrónov (viazanom stave antiprotónu a antineutrónu s opačnými spinmi) tak, ako sme to vysvetľovali pomocou kvark-antikvarkového princípu diagramom obr.č.7-8. Z diagramu obr.č.7 by malo vyplývať, že vznik dvoch protónov so spinmi s=+1/2 a s= -1/2 je možný iba z dvoch dvojíc viazaných neutrónov so spinmi s=+1/2 a s= -1/2 a z dvoch dvojíc komplementárnych antineutrónov so spinmi s= -1/2 a s= +1/2, tak ako je to zobrazené na obr.č.7 a 8.

O neutrónoch vieme, že sú nestabílne častice so strednou dobou života okolo 15minút. Z tohto experimentálne zisteného faktu by vyplynulo, že celý proces tvorby prvkov až po urán sa musel uskutočniť v neuveriteľne krátkom čase, ak fyzikálne podmienky vo vesmíre boli také, že daný proces mohol prebehnúť. Z výpočtov uvedených v tabuľke č.1 a tabuľke č.2 možno zistiť, že fyzikálne podmienky na priebeh takto opisovaného procesu v čase tvorby neutrónov- tn=0,0067 s, kedy teplota dosahovala podľa vyššie uvedených výpočtov hodnotu Tn=1,09. 1013 0K a hustota látky bola približne 1013kg.m-3 -boli priaznivé.

Ak vychádzame z poznatkov jadrovej fyziky , ktorá zistila závislosť väzbovej energie v jadrách prvkov pripadájucej na jeden nukleón od nukleónového čísla A, môžeme na základe grafickej závislosti dospieť k nasledujúcemu uzáveru: Tvorba jadier prvkov periodickej sústavy v expandujúcom a chladnúcom vesmíre prebiehala s klesajúcou teplotou tak, že najprv sa tvorili jadrá s najväčšou väzbovou energiou pripadajúcou na jeden nukleón – železo- a posledné deutérium s najnižšou väzbovou energiou. Viazané dvojice neutrónov s opačnými spinmi, ktoré sa nezachytili v jadrách vznikajúcich prvkov sa podľa diagramu obr.č.7 rozpadnú na atómy vodíka s opačnými spinmi (obr.č.8), pričom vo vesmíre by sme mali zistiť najväčšie zastúpenie atómov vodíka. Zo štatistickej fyziky vieme, že stredná energia kvánt tepelného pohybu je určená vzorcom: /1/
E = k.T
k- Boltzmanova konštanta
T- absolútna teplota
Ak je väzbová energia pripadajúca na jeden nukleón u jadra železa 8,79 MeV, jadra uhlíka 7,68 MeV, jadra
hélia 7,07 MeV a jadra deutéria 1,1 MeV, potom z vyššie uvedenej rovnice pre teplotu T bude platiť:
T = E/k

To znamená, že v expandujúcom vesmíre s klesajúcou teplotou sa ako prvé vytvorí jadro železa, potom uhlíka a hélia a až na záver jadro deutéria. Pri tomto tvrdení vychádzame z predpokladu, že základné komponenty látkovej formy hmoty a to neutróny, protóny a „elektróny“ v expandujúcom a chladnúcom vesmíre už boli prítomné.
Štandartný evolučný model vesmíru s veľkým treskom má racionálny základ, ale mali by sme si uvedomiť, že vesmír ktorý nastúpil na scénu iba s prvkami vodík, hélium a deutérium a bez vznikajúcich vesmírnych makro a mikro štruktúr už od prvých okamihov jeho vzniku sa správa paradoxne. Z tohoto dôvodu je rozumnejšie prijať argumentáciu, že tvorba prvkov vo vesmíre prebiehala tak, ako sme to v tejto kapitole opisovali. Ak by naše tvrdenia boli v súlade s objektívnou pravdou, potom aj vek vesmíru je podstatne kratší (viď kapitola „Radiálna rýchlosť častíc v expandujúcom vesmíre“ ), než tvrdia autori štandartných modelov vesmiru.


Vznik hviezdy

Hviezdy vznikajú z chladných kozmických oblakov hmlovín riedkeho prachu a plynu, ktorého hustota je zanedbateľná. Hmloviny delíme na Galaktické - hmloviny vo vnútri našej galaxie, a Mimogalaktické - hmloviny, ktoré sa nachádzajú za hranicami našej galaxie. Galaktické delíme na hmloviny svietiace a hmloviny tmavé, a hmloviny difúzne a hmloviny planetárne. Mimogalaktické delíme na eliptické, špirálové a nepravidelné. Hmota v týchto oblakoch sa pôsobením príťažlivých síl začne zhlukovať. Tam, kde je hmoty najviac, vznikne gravitačné centrum a to priťahuje hmotu z okolia. Ako hmota padá, naráža na iné častice a jej pohybová energia sa rozkladá aj do iných smerov, čo sa prejaví ako teplo. Premena hmloviny na guľu trvá milión rokov. Keď dosiahne určitú veľkosť, utvorí sa vnútri jadro so zreteľnou teplotou, niekoľko desiatok tisíc stupňov. Prach v okolí sa vyparí na molekuly, tie sa rozpadnú na atómy a atómy najpočetnejšieho prvku vodíka sa rozpadnú na jadrá a elektróny. Takýto objekt nežiari vo viditeľnom svetle. Keď teplota na povrchu vystúpi na tisíc stupňov, vznikne z nej zdroj infračerveného žiarenia. Takýto objekt sa nazýva protohviezda. Keď vnútri vystúpi teplota na niekoľko miliónov stupňov, objaví sa nový zdroj energie (jadrová energia).

Prebieha transmutácia prvkov tvz.proteosyntéza. Najprv ľahké prvky a ich izotopy (deutérium, lítium, bór). A po niekoľko desiatok miliónov rokov nadobudne veľkosť, štruktúru a vzhľad ako naše Slnko. V normálnej hviezde sa mení vodík na hélium. 70% vodíka, ako má Slnko, bude spaľovať desať miliárd rokov. Hélium je ťažšie ako vodík a preto vyvolá na jadro väčší tlak a v dôsledku toho sa zvýši teplota v okolí jadra. A tak môže vodíková reakcia prebiehať aj mimo jadra. Tak hviezda zväčšuje svoj objem. Zväčšovanie objemu zväčší hviezdu na hviezdu obra s priemerom 100 krát až 1000 krát väčším, ako je dnešný priemer Slnka. V dôsledku rozpínania sa bude ochladzovať, pričom bude svietiť prevažne červenou farbou. Preto sa volá červený obor. Héliové jadro neprodukuje energiu, ale tlakom povrchu sa zohrieva a keď dosiahne 80 miliónov stupňov, zapáli sa druhá jadrová reakcia. Proces, pri ktorom vznikajú vo hviezde z ľahších prvkov ťažšie, tento proces sa nazýva proteosyntéza. Hélium sa mení na uhlík. V tomto štádiu hviezda pozostáva z hustého malého jadra, v ktorom sa mení hélium na uhlík, z hustého obalu okolo jadra, v ktorom sa mení vodík na hélium, ale tiež aj z veľmi tenkej atmosféry. Ďalší vývoj závisí od hmotnosti hviezdy. Na opísanie vzťahu medzi svietivosťou a spektrálnym typom, ale aj medzi svietivosťou a povrchovou teplotou a teda aj farbou hviezd sa používa Hertzsprungov - Rusallov diagram.

Zánik hviezdy
Hviezdy, ako naše Slnko vytvoria uhlíkové jadro obklopené horiacim héliom. Ich hmota nestačí viac stlačiť jadro a tým zvýšiť teplotu tak, aby sa spustila ďalšia jadrová reakcia. Hviezda začne chladnúť. Malá gravitačná viazanosť a tlak jej žiarenia spôsobia, že povrchové vrstvy červeného obra sa začnú rozptyľovať a vytvoria riedku svietiacu hmlovinu. Červená farba hviezdy sa mení na bielu. Takéto objekty nazývame biele trpaslíki.

Biely trpaslík
Biele trpaslíky predstavujú konečné štádium života normálnych hviezd, teda takých ako naše Slnko. Bieli trpaslíci žijú iba zo zásob tepla, pomaly chladnú a ich intenzita svetla pomaly klesá, ich farba sa mení na žltú, oranžovú, červenú a nakoniec zmiznú.
Neutrónová hviezda
Ďalším možným osudom hviezdy je vznik neutrónovej hviezdy. Hviezda o väčšej hmotnosti, spáli svoje jadrové palivo oveľa rýchlejšie ako hviezdy s menšou hmotnosťou a cez velobra exploduje. Tento objekt sa nazýva supernova . Zo supernovy môže vzniknúť neutrónová hviezda alebo čierna diera, podľa hmotnosti hviezdy. Mladý indický fyzik Subrahmanyan Chandresakhar, vypočítal, že pre vznik čiernej diery je nutná hmotnosť hviezdy asi 1,4 hmotnosti Slnka. Táto hodnota sa nazýva Chandresakharov limit. Ruský fyzik Lev Davidovič Landau vypočítal podobnú hodnotu, ale upozornil na iný osud hviezdy a to práve na spomínanú neutrónovú hviezdu. Vďaka obrovskému tlaku v jadre hviezdy sú elektróny obiehajúce okolo jadra atómov vtláčané do jadra atómov. Tam sa elektróny spájajú s protónmi a vznikajú ďalšie neutróny. Po istom čase sa jadro skladá takmer zo samých neutrónov. Pre vznik neutrónovej hviezdy je potrebná hmotnosť hviezdy medzi 1,5 až 3 hmotnosti Slnka. No blíži sa to viac k 3 Slnkám. Niektoré neutrónové hviezdy rotujú obrovskou rýchlosťou a emitujú žiarenie, ktoré sa pravidelne opakuje -pulzuje. Takéto objekty sa nazývajú pulsary.
Čierna diera
Ďalším možným zánikom hviezdy je vznik čiernej diery.(Pôvodcom termínu čierna diera je John A. Wheeler roku 1967.) Hmotnosť hviezdy, aby určite vznikla čierna diera je 5 hmotností Slnka. Čierna diera vzniká gravitačným kolabsom hmoty, zrútením sa do seba, na nekonečne malý bod s nekonečne veľkou hustotou =singularita. Penrosova teoréma: (teoréma= poučka, ktorú možno dokázať) hovorí, že každé teleso, ktoré sa dostane pod gravitačný polomer, sa musí zrútiť do singularity ([singularita=lat. -jedinečnosť] nekonečne malý bod s nekonečnou hustotou) s nulovým objemom. Horizont udalostí =gravitačný polomer, je tvorený fotónmi, ktoré sa nachádzajú v určitej vzdialenosti od čiernej diery, ktorá je daná hmotnosťou čiernej diery. Tieto fotóny sú na hrnici čiernej diery. Nemôžu uniknúť do vesmíru a ani čierna diera ich nemôže vtiahnuť do seba. Takže fotóny na horizonte udalostí sa akoby vznášajú.

Efekty čiernej diery
Vieme, že spoza horizontu neunikne žiaden signál. Teraz teoreticky vyšleme sondu na povrch hviezdy, ktorá začne čoskoro kolabovať. Táto sonda bude v pravidelných intervaloch vysielať svetelný a rádiový signál. Na obežnej dráhe kolabujúcej hviezdy ich budeme prijímať. Možno si poviete: Veď nás vtiahne dnu! No musíme si uvedomiť, že čierna diera nestrháva do seba celý vesmír. Na ozrejmenie použijem príklad: Stojíme na planéte a pociťujeme jej príťažlivosť. Planéta sa potom zmrští na veľkosť hory. No my sa vznášame v tej istej vzdialenosti od stredu planéty a pociťujeme rovnakú príťažlivosť ako pred zmrštením. Podobné to bude, aj ak sa planéta zmrští na veľkosť hrášku. Nech by sa planéta akokoľvek zmrštila -bez zmeny hmotnosti- sila gravitácie vo vzdialenosti pôvodného polomeru od jej stredu by zostala nezmenená. Ak zostaneme stáť v dostatočnej vzdialenosti od čiernej diery, nebude na nás pôsobiť o nič viac ako hocijaké iné teleso s rovnakou hmotnosťou. Spočiatku sú signály pravidelné, no akonáhle začne kolabovať, signály sa začnú nepatrne spomaľovať. Intervaly medzi signálmi a vlnovou dĺžkou sa budú čím ďalej tým viac predlžovať. Sonda na povrchu ale signály vysiela presne. V okamihu vzniku horizontu, interval medzi signálmi dosiahne nekonečnú dĺžku. Tento jav sa nazýva dilatácia času. Pre sondu, ktorá je za horizontom, nastal koniec času a priestoru.


Ergosféra

Čierna diera môže rotovať, ale nemusí. Závisí to od uhlového momentu hviezdy, ktorej čierna diera vznikla. Ak bol uhlový moment hviezdy nulový, čierna diera nerotuje. Ak bol nie nulový, čierna diera rotuje. Tým, že čierna diera rotuje, spotrebúva svoju rotačnú energiu na rotáciu. Teda rotácia sa musí spomaľovať. Každá rotujúca čierna diera sa nakoniec stane stacionárnou čiernou dierou. Čierna diera, ktorá nerotuje je prísne sférického tvaru. Pri čiernej diere, ktorá rotuje, vzniká tvz. ergosféra (Oblasť čiernej diery. Pri vstupe telies do ergosféry, rotácia čiernej diery strháva telesá a nič nezabráni telesám udržať si stacionárnu polohu.). Čím rýchlejšie čierna diera rotuje, tým viac sa vydúva v rovníkovej oblasti. Keby čierna diera nerotovala, ergosféra by vôbec nevznikla. Musíme si uvedomiť, že kolabujúca hviezda, ktorá rotuje, svoj polomer zmenšuje. Kvôli tomu sa rotácia zrýchľuje. Môžeme to prirovnať ku krasokorčuliarovi, ktorý robí piruetu, a na zrýchlenie svojej rotácie ruky pritiahne k telu. Takým istým spôsobom sa rýchlosť rotácie prejaví u vznikajúcej čiernej diery.

Gravitačné vlnenie

Pri vzniku horizontu sa stretávame so vznikom gravitačného vlnenia. Na ich vysvetlenie použijem príklad: Dva rovnaké predmety umiestnime v rovnakej vzdialenosti od kolabujúcej hviezdy. V okamihu vzniku horizontu vzniká gravitačné vlnenie, ktoré postupuje smerom od hviezdy k predmetom. Ak prechádza predmetmi najprv kladná časť zakrivenia pulzu (šrafovaná časť), predmety sa začnú k sebe približovať. Potom prechádza záporná časť zakrivenia pulzu (čistá časť) a predmety sa ustália v priestoročase ako rovnobežné. V prípade, ak idú zakrivenia opačne, výsledný chod predmetov je zbiehajúci. Gravitačné vlny nevzniknú u hviezdy, v ktorej prebiehajú rovnomerné zmeny v rozdelení hmoty hviezdy. Gravitačné vlnenie by malo vznikať vznikať aj pri pohltení čiernou dierou iné masívne teleso napr. inú čiernu dieru.

Efekt prílivových vĺn

Vieme, že dve telesá na seba navzájom pôsobia silou, ktorá závisí od hmotnosti a vzdialenosti týchto dvoch telies. Takáto príťažlivá sila pôsobí aj na telesá v okolí čiernej diery. Takýto efekt sa nazýva efekt prílivových vĺn. Vieme, že príliv a odliv spôsobuje príťažlivosť Mesiaca. Ale prečo je príliv na privrátenej a aj odvrátenej strane Zeme? Astronauti na obežnej dráhe sú v bezváhovom stave. No tento bezváhový stav nie je spôsobený tým, že sú ďaleko od Zeme. Je spôsobený tým, že astronauti sa pohybujú po obežnej dráhe zrýchlením, ktorá sa rovná zemskej príťažlivosti. A tak aj Mesiac sa pohybuje po obežnej dráhe a pôsobí na Zem a Zem na Mesiac(hoci to nebadať). Keby sme tým telesom boli my, malé čierne diery by nás natiahli ako špagetu, lebo na hlavu, ktorá je bližšie k čiernej diere pôsobí väčšia sila ako na nohy. U veľkých čiernych dier, ako sú napríklad stredy galaxií, by sme to nepozorovali, lebo zakrivenie priestoru (Podľa všeobecnej teórie relativity, prítomnosť hmotnosti či energie zakrivuje priestor a väčšia hmotnosť či energia znamená väčšie zakrivenie) u nich dosahuje väčšie rozmery.

Typy čiernych dier
Sú tri typy pomenované podľa matematikov, ktorí prví teoreticky odôvodnili ich existenciu:
Schwarzschildova čierna diera : Táto čierna diera nerotuje, je guľového tvaru a nemá elektrický náboj. Reissnerova-Nordströmova čierna diera : Táto čierna diera je guľového tvaru a má elektrický náboj. Kerrova čierna diera : Táto čierna diera nie je guľového tvaru, ale nie je isté či má elektrický náboj. Tichá diera : Väčšina supermasívnych čiernych dier v najstarších a najväčších galaxiách zdanlivo odumrela. Posledné objavy však naznačujú, že aj títo "čierni nebožtíci" ešte žiaria -emitujú malé množstvo žiarenia X.

Biela Diera a Sivá Diera
Biela diera -hypotetické kozmické teleso, ktoré bolo pôvodne pod svojim gravitačným polomerom (horizontom udalostí), ale explozívnym procesom rozširovania s dostatočnou energiou (procesom opačným ako gravitačný kolaps) dostalo sa nad gravitačný polomer, a zrazu sa stalo viditeľným pre pozorovateľa v okolitom priestore. Biele diery sa odlišujú od čiernych dier tým, že sa nachádzajú pod svojim gravitačným polomerom na začiatku explozívneho procesu, kým čierna diera je v ňom na konci gravitačného kolapsu. Z hľadiska pozorovania nemožno účinky bielej diery odlíšiť od účinkov čiernej diery. Ak energia explozívneho procesu nie je dostatočná a prevláda nad ňou gravitačná sila telesa, len čo sa teleso dostane nad horizont udalostí, začne v ňom prebiehať gravitačný kolaps a teleso sa opäť dostane pod gravitačný polomer. Takéto teleso -sivá diera- nemôže vzdialený pozorovateľ vidieť. Biela diera a sivá diera majú teoretický význam pri vysvetľovaní niektorých dôsledkov big bangu.

Čierna diera nemá vlasy
Ako som už naznačil, všetko, čo o čiernej diere vieme je hmotnosť, elektrický náboj a uhlový moment. Tento záver je známy pod názvom "Čierna diera nemá vlasy". Hmotnosť dokážeme vypočítať z obežných dráh telies, ktoré obiehajú okolo čiernej diery, alebo na základe šošovkových efektov. Teda na základe ohybu svetla vzdialených hviezd, spôsobované čiernou dierou. Keď poznáme hmotnosť konkrétnej čiernej diery, môžeme vypočítať jej obvod (gravitačný polomer = Schwarschieldov polomer) podľa vzorca: R= 2Mg /c
(Kde "M" je hmotnosť hviezdy, "G" je gravitačná konštanta a "c" je rýchlosť svetla vo vákuu). No musíme si uvedomiť, že táto hmotnosť sa nemusí rovnať hmotnosti hviezdy, z ktorej vznikla. Hviezda mohla stratiť časť svojej hmotnosti pri explóziách pred alebo počas kolapsu, prípadne mohla pohltiť iné objekty vrátane inej čiernej diery uhlový moment. Rýchlosť rotácie by sme mohli zistiť vďaka ergosfére. Lebo vieme, že ergosféra závisí od rýchlosti rotácie elektrický náboj. Hviezda sa skladá z atómov a v nich je rovnováha medzi kladným a záporným nábojom. Väčšina teoretikov predpokladá, že počas kolapsu sa protikladné náboje pravdepodobne vyrušia a výsledný náboj čiernej diery je blízky nule.

Ak by mala výrazný elektrický náboj, pritiahla by protikladné náboje k sebe a jej elektrický náboj by bol znovu blízky nule entropia čiernej diery a Hawkingovo žiarenie. Teraz sa musíme zastaviť a oboznámiť sa čo sa deje na úrovni "veľmi malých objektov" - elementárnych častíc. Fyzici, ktorí sa zaoberajú čiernou dierou, zmenili ťažisko výskumu pod vplyvom entropie čiernej diery. Čo je entropia? Merať entropiu znamená merať stupeň neporiadku, či náhodného usporiadania. Tieto myšlienky sú formulované v 2. vete termodynamickej: Entropia izolovaného systému nikdy neklesá a entropia systému, ktorý vznikol spojením dvoch iných systémov, prevyšuje súčet entropií jednotlivých častí. Napr. plyn v škatuľke je prehradený prekážkou. Po odstránení prekážky sa plyn dostane do celej škatuľky. Celková hodnota entropie sa zvýši. Tento zákon neplatí vždy, ale všeobecne sa prijíma názor, že vo vesmíre ako celku, entropia neúprosne narastá. Akýkoľvek fyzický či myšlienkový zásah do usporiadania vesmíru mení energiu na menej užitočnú formu, takže celková entropia vzrastá. Keď vzrastá entropia, klesá pravdepodobnosť a z toho dôvodu vzrast entropie predstavuje stratu informácie. Jacob Bekenstein navrhol, že povrch horizontu udalostí je entropia čiernej diery. Tento názor bol odmietaný, lebo entropia ide ruka v ruke s teplotou. (Telesá sú zložené z častíc a teplota je mierou priemernej energie ich kmitov či neusporiadaného pohybu. Pri ochladzovaní sa rýchlosť častíc zmenšuje, znižuje sa možnosť stavov, v ktorých sa môže častica nachádzať, zvyšuje sa usporiadanosť systému.) Lenže teleso zahriate na určitú teplotu musí vyžarovať žiarenie.

Teda i čierne diery by mali svietiť. Lenže z čiernych dier nič neunikne. Preto sa zdalo, že čierne diery nemožno s entropiou stotožňovať. Jakov Borisovič Zeľdovič a Alexander Starobinskij presvedčili Hawkinga, že rotujúce čierne diery by mali vytvárať a emitovať častice. Hawking dospel neskôr k záveru, že i nerotujúce čierne diery emitujú častice. Spektrum vysielaných častíc je rovnaké ako spektrum telesa zahriateho na teplotu, ktorej veľkosť je daná hmotnosťou čiernej diery: Čím väčšia hmotnosť, tým nižšia teplota. Ale ako je možné, aby z čiernej diery vyletovali častice? Odpoveď nám dáva kvantová mechanika. Hovorí, že častice neprichádzajú z vnútra čiernej diery, ale zo skoro "prázdneho priestoru" tesne nad horizontom udalostí. Elementárne častice nemajú nikdy určitú polohu a určitý moment súčasne. Ak presne zmeriame pohyb (moment), v tom prípade nemôžeme presne zmerať jej polohu =Heisenbergov princíp neurčitosti kvantovej fyziky. Musíme si predstaviť, že častica sa nachádza na dvoch miestach súčasne, alebo sa súčasne pohybuje po viacerých dráhach. To, čo nazývame "prázdnym priestorom" nie je vskutočnosti celkom prázdne. Nesmieme zabúdať na gravitačné a elektromagnetické pole. Hodnota poľa a jej časová zmena majú podobnú vlastnosť ako poloha a rýchlosť častice. O čo presnejšie poznáme jednu veličinu o to nepresnejšie druhú. Vždy musí zostať určité najmenšie množstvo neistoty =kvantových fluktuácií. Tieto fluktuácie sa prejavujú ako dvojice častíc svetla, alebo gravitácie, ktoré sa zrodia, vzdialia od seba, zase priblížia a anulujú.

Ide o virtuálne častice podobné napr. tým, ktoré prenášajú gravitačnú silu Slnka. Virtuálne častice ale nemôžeme zaznamenať, lebo tento dej sa odohráva veľmi rýchlo. Vieme o nich, vďaka pôsobeniu na iné častice. Z princípu neurčitosti tiež vyplýva, že budú vznikať aj virtuálne páry látkových častíc (elektrónov, kvarkov). Páry sú vždy tvorené časticou a jej antičasticou (častica svetla a gravitácie sú totožné so svojimi antičasticami). Keďže energia nemôže vzniknúť z ničoho, jeden z páru má kladnú a druhý zápornú energiu. Život záporne nabitej končí pod horizontom udalostí, pretože skutočné častice majú v normálnych situáciách energiu kladnú. V blízkosti hmotného telesa má skutočná častica menšiu energiu ako pri väčšej vzdialenosti, a to o hodnotu potrebnú k prekonaniu príťažlivej sily gravitácie. Obyčajne ten rozdiel nie je veľký, ale gravitácia čiernej diery je tak extrémne silná, že i reálna častica môže mať v jej blízkosti zápornú energiu. V tomto prípade aj ona skončí v čiernej diere. Ak má kladnú energiu, môže uniknúť ako reálna častica. Tá sa potom javí ako častica emitovaná priamo čiernou dierou. Čím menšia je čierna diera, tým kratšia je vzdialenosť, ktorú musí častica prejsť, predtým ako sa stane skutočnou časticou, a tým je emisia výraznejšia a zdanlivá teplota čiernej diery väčšia. Kladná energia, ktorá z čiernej diery vychádza je vyvážená tokom záporných častíc do čiernej diery.

Podľa Einsteinovej rovnice E=MC (Kde "M" je hmotnosť a "c" je rýchlosť svetla) je množstvo energie úmerné hmotnosti. Tok zápornej energie do čiernej diery teda znižuje energiu a tým znižuje hmotnosť. Tak čierna diera stráca na hmotnosti a znižuje sa jej povrch. Menšia hmotnosť znamená vyššiu teplotu a viac emisie. Tak z čiernej diery ubúda čím ďalej, tým rýchlejšie. Čierna diera s hmotnosťou niekoľko Sĺnk by mala teplotu okolo jednej deseťmilióntiny stupňa nad absolútnou nulou. To je omnoho nižšia teplota, ako mikrovlnné žiarenie po Veľkom tresku (asi 2,7 stupňov nad absolútnou nulou. Takže takáto čierna diera by mala menej vyžarovať ako pohlcovať. Ak sa bude vesmír ďalej rozpínať klesne teplota pod teplotu čiernej diery. Tá potom začne strácať hmotu, ale bude to trvať viac ako 10na66 rokov, než sa úplne vyparí (Skupina amerických astronómov nedávno zistila vek vesmíru na 12 miliárd rokov. Na základe novšieho poznatku skorigovali pôvodný údaj na 13,4 miliárd rokov s toleranciou 10 percent.). Každá čierna diera sa nakoniec vyparí. Okrem opísaných čiernych dier predpokladáme existenciu prvotných čiernych dier, ktoré vznikli kolapsom zhustenej hmoty v rannom vývoji vesmíru. Oni by mali byť omnoho menšie a tým by mali mať vyššiu teplotu a vysielať omnoho viac žiarenia. Čierne diery, ktoré sa narodili s menšou hmotnosťou ako niekoľko stoviek miliónov ton sa už vyparili. Tie ostatné vyžarujú lúče X a gama. Toto žiarenie má omnoho kratšiu vlnovú dĺžku. Takéto čierne diery vyžarujú energiu niekoľko desiatok tisíc megawatov.

Objekty na hviezdnej oblohe
A ako o nich vieme? Ich existenciu potvrdzuje špeciálna teória relativity. Vo vesmíre s vysokou pravdepodobnosťou predpokladáme čierne diery: CygnusX-1 - o tomto prípade sú malé pochybnosti, lebo jej hmotnosť je na hranici 3. Druhou, ale malou možnosťou je neutrónová hviezda. Nachádza sa v súhvezdí Labuť. V404 CYGNI -ide o objekt o hmotnosti 8-15 Sĺnk. Nachádza sa v súhvezdí Labuť. A0620-00-adept na čiernu dieru v súhvezdí Jednorožec v blízkosti Orióna. Názory na hmotnosť sa líšia. Ide možno dokonca až na 22Sĺnk. LMC X-3-ide o objekt vo Veľkom Magellanovom oblaku a dosahuje hmotnosť 4-11Sĺnk. Centrum galaxie M87 -má hmotnosť asi 2-3 miliárd Sĺnk. Čierna diera asi ako naša Slnečná sústava. Tieto prípady sa len skúmajú: Nova Sco 1994-ide o objekt 4-5Sĺnk. Nova Oph 1997 -predpokladá sa hmotnosť najmenej 3Sĺnk. Astronómovia sa domnievajú, že čierne diery sú v centrách mnohých galaxií.

Cestovanie v čase
Pre matematikov a fyzikov neznamená rozmýšľanie o cestovaní v čase nejakú nádej, že niekedy to bude možné. Uvažujú o tom skôr s cieľom dozvedieť sa pri postavení teórie viac o zákonoch fyziky. No sú ľudia, ktorí tomu veria.


Co su to kvarky?
Vitajte v tajuplnom a podivuhodnom svete kvarkov! Pokial vieme, su to najmensie stavebne tehlicky, z ktorych je vytvorena velka cast hmoty. Vsetky nase teorie o hmote sa opieraju o domienku, ze mnohe castice, napr. protony a neutrony, ktore nachadzame vo vnutri atomov, v skutocnosti pozostavaju z kvarkov. Ale nikomu sa nepodarilo kvarky izolovat. Zdovodnujeme to tym, ze v normalnom stave su kvarky tak silne vzajomne viazane v casticiach, ze nie je mozne ich od seba odtrhnut a donutit ich, aby existovali samostatne.
Nase sucasne poznatky o podstate sil, viazucich spolu kvarky, pripustaju moznost, ze pri dostatocne velkych hustotach a teplote sa zlozene castice (napr. protony a neutrony) mozu rozsypat na komponenty, z ktorych su zlozene. Teda kvarky, ale aj castice, ktore ich spolu viazu, t.j. gluony. Vysledkom by mohla byt nova forma jadrovej hmoty, nazyvana kvark-gluonovou plazmou (QCP, quark-gluon plasma). V tomto stave sa kvarky mozu pohybovat na dostatocne velkych vzdialenostiach a nie byt uzavrete vo "vreci" rozmeru jadra, ako je tomu v beznej jadrovej hmote.

Podstatne tiez je, co hovoria nase sucasne teorie o vzniku Vesmiru. Vznikol asi pred 12 az 15 miliardami rokov obrovskou exploziou, ktoru volame Velky tresk (Big Bang). Domnievame sa, ze v zlomku sekundy po Velkom tresku, ked teplota a koncentracia energie bola nesmierne velka, vsetky kvarky a gluony museli existovat uplne volne, vo forme kvark-glonovej plazmy. V dosledku expanzie a nasledneho ochladzovania sa Vesmiru zhluky kvarkov kondenzovali v castice ako ich pozname v sucasnosti (proces podobny tomu, ked para pri ochladeni kondenzuje v kvapocky vody).

Kedze nikto volne kvarky nevidel, tento fascinujuci pribeh vzniku Vesmiru ostava len teoriou, aj ked velmi pravdepodobnou, ale teoriou. Preto v CERNe bol prijaty program zamerany na opatovne vytvorenie podmienok existujucich nasledne po Velkom Tresku (projekt laskyplne pomenovany "Maly Tresk"). Ucelom bolo zistit, ci kvarky mozeme uvolnit z pretrvavajucich vazieb a uvidiet proces ich opatovnej premeny v zlozene castice, ked nami vytvoreny system sa zacne ochladzovat. Aby sme vam vyrozpravali o tom pribeh, najprv sa musime dozvediet trochu viac o zahadnych elementikoch, nazyvanych kvarky.

Kusok historie
Pred rokom 1964 o kvarkoch vobec nikto nerozpraval, nechyroval. Mysleli sme si, ze atomy sa jednoducho skladaju z protonov, neutronov a elektronov a ze oni su najmensie stavebne ciastocky hmoty.
Existovalo mnoho znamych castic, ale Murray Gell-Mann a George Zweig nezavisle navrhli, ze rozdiely a podobnosti pozorovane medzi mnohymi objavenymi hadronmi mozu byt jednoducho vysvetlene, ak by sa pokladali za vytvorene z kvarkov. Gell-Mann vybral nazov "kvark" z knihy Jamesa Joyceho "Finnegans Wake".

Existuju dva rozdielne typy hadronov - baryony, take ako protony alebo neutrony, ktore su zlozene z troch kvarkov, a ostatne castice, nazyvane mezony, ktore su tvorene z kvarku a anti-kvarku. Podobnosti a rozdiely medzi hadronmi mali logicke vysvetlenie a vsetky predpokladane kombinacie boli zname, okrem jednej, tvorenej z troch podivnych kvarkov. Gell-Mann predpovedal existenciu tejto castice zo symetrie, ktoru nasiel medzi hadronmi, a nazval ju Omega baryonom. Keď bola Omega zaciatkom roku 1964 objavena, co bolo priblizne v rovnakom case ako bol publikovany clanok o kvarkoch, sa idea kvarkoch znacne rozsirila. Od roku 1964 sme mohli vysvetlit vsetky nam zname hadrony na zaklade rozlicnyh kombinacii troch rozdielnych typov kvarkov nazvanych horny (up), dolny (down) a podivny (strange). Koncom sestdesiatych a zaciatkom sedemdesiatych rokov rozptyly vysokoenergetických elektronov a neskor aj neutrino rozptylene na protonoch ukazali, ze boli odrazene od bodovych zloziek (konstituentov), ktore mali vlastnosti ocakavane z kvarkov. Takto sa z hypotezy stali kvarky realitou.

V roku 1974 bola objavena nova castica nazvaná J/y. Bolo rýchlo vysvetlene, ze tento mezon bol zlozeny z noveho typu kvarku, a povabneho kvarku ktoreho existencia bola teoreticky predtym predpovedana, a jeho anticastice. O dva roky neskor bol objaveny piaty kvark, nazvany spodny (bottom) a v roku 1995 siesty, nazvany vrchny (top) kvark.

Znovuvytvorenie Velkeho tresku
Ale ako vytvorit dostatocne vysoke teploty a energie na to, aby sa kvarky uvolnili z hadronov? Fyzici v CERNe to dosahuju vo vysokoenergetickych zrazkach tazkych ionov. Cim tazsie su iony, tým vacsia energia sa pri zrazke uvolni. Volba padla na iony olova, ktorych atomova hmotnost je okolo 208 a k ich zrazke dochadza pri energii okolo 3.5 TeV. Velke mnozstva energie su stlacene do velmi maleho priestoru (vysoka "energeticka hustota"). To by malo uvolnit kvarky a gluony do malej bubliny kvark-gluonovej plazmy. Vysledok je podobny horucemu plynu pod vysokym tlakom. Rychlo exploduje a sucasne sa rozpina a ochladzuje. S ochladzovanim sa kvarky kondenzuju do hadronov (proces znamy ako "hadronizacia"). Tieto hadrony dalej vzajomne reaguju, kym je hustota castic dostatocne vysoka. Ale tieto interakcie, sprostredkovane silnou silou, nastanu iba pri velmi kratkom dosahu. S rozsirovanim expanzie tieto interakcie slabnu a vzniknute castice dalej putuju vpred a von k detektorom, ktore su umiestnene vsade naokolo.
CERNsky program olovených zvazkov bol zahajeny v roku 1994. Pozostava z viacerych specialne postavenych systemov, ako napriklad novy linearny urychlovac, ale takisto aj existujuce prepojene urychlovace (zosilnovaci synchrotron (elektronovy urychlovac), protonovy synchrotron a super protonovy synchrotron ), ktore boli vylepsene pre projekt vzajomnou spolupracou medzi CERN-om a institutmi v Ceskej republike, Francuzsku, Indii, Taliansku, Nemecku, Svédsku a Svajciarsku. Bolo zahrnutych sedem velkych experimentov, ktore merali rozne aspekty zrazok olovo - olovo, a tiez olovo - zlato. Projekt je ukazkovym prikladom spoluprace v oblasti fyzikalneho vyskumu. Do experimentov sa zapojilo mnoho vedcov z institutov vo viac ako dvadsiatich krajinach. Program umoznil rozvinut produktivne partnerstvo medzi fyzikmi vysokych energii a jadrovymi fyzikmi. Kvoli specializovanej povahe programu, budovanie zariadenia pre produkovanie zvazku olovenych ionov zahrnulo medzinarodnu spolupracu.

Hladanie kvarkovej hmoty
Ako mozno spoznat kvark - gluonovu plazmu? A co chcu o nej fyzici vediet? Jedna z veci, ktore chcu namerat, je kriticka teplota (nazyvana T0) a hustota energie (E0), ktore su potrebne k tomu, aby sa zacala formovat kvark - gluonova plazma. Tieto udaje vypocitali z teorie (T0 je odhadovane na 150-200 MeV, co je teplota 100 000 - krat vacsia, ako teplota v strede slnka, a E0 je odhadovane na 1 GeV/fm3,co je sedem - krat vacsia hodnota ako je hustota energie normalnej jadrovej hmoty) ale chcu zistit, ci sa castice skutocne dostanu pod tieto podmienky. Problem je, ze fyzici mozu pozorovat len castice, ktore emituju z miesta zrazky a dosiahnu detektor. Z tychto signalov musia zistit, co sa stalo predtym, ci kvarky a gluony boli produkovane v stave s dostatocnou hustotou na to, aby bola vytvorena plazma. Vsetky experimenty boli prisposobene pre merania rozlicnych signalov, ktore mozu indikovat ci a ako bola vytvorena kvark - gluonova plazma. Niektore prisposobili svoje detektory pre jediny zriedkavy signal, zatial co ine vyvinuli mnohoucelne detektory, ktore boli citlive na viacere signaly.


2. KUSKY SKLADACKY

Priamy pristup.
Jediny sposob, ako "vidiet " kvarky priamo, je detekovat elektromagneticke ziarenie, ktore emituju.Tato radiacia je vo forme fotonov. Bohuzial je tam vela dalsich procesov, ktore mozu produkovat fotony, a tak je tam extremne silny sum pozadia. V jednom experimente hladali tieto fotony a spozorovali zvysenie poctu fotonov pri vysokych energiach, ale este stale si nemozeme byt absolutne isti, ze toto zvysenie pochadzalo z volnych kvarkov. Avsak 99.9% castic detekovanych pri zrazkach ionov olova su hadrony, castice zlozene z kvarkov. Podla definicie tieto castice musia vznikat po tom, ked kvarky uplne skondenzovali a qvark-gluonova plazma zanikla. Aj ked nam tieto castice neumoznuju vidiet quark-gluonovu plazmu priamo, mozno nam umoznia vytvorit si spatnu predstavu o tom, co sa muselo udiat predtym.

Plny povabu - J-Psi (J/y)
Dolezity predpovedany dokaz pritomnosti (existencie) volnych kvarkov obsahuje castica volana J/y. J/y su tvorene charm -"povabnym" kvarkom a charm-"povabnym" antikvarkom. Su zriedkave, pretoze povabne kvarky su velmi tazke a mozu byt produkovane len v uplne prvych okamihoch ihned po zrazke, kym konstituenty (zlozky) oboch zrazajucich sa jadier este maju svoju plnu energiu. Napriek tomu teoretici predpovedaju ze vznik J/y by bol potlaceny pritomnostou kvark-gluonovej hmoty. Dost podstatny ubytok poctu J/y emitujucich z miesta zrazky naznacuje, ze v pociatocnych okamihoch zrazky bola vytvorena horuca kvark-gluonova plazma. Urcite je to prave to, co fyzici videli.

Grecke oznacenia
Existuju aj ine druhy subzvanych "vektorovych mezonov" nazyvanych p (pi), r0 (ró-nula) a w (omega), ktore nam mozu takisto napovedat mnoho zaujimavych veci. Tak ako J-y, mozu sa rozpadnut na pary leptonov (napriklad elektron a pozitron alebo mion a antimion). Ak zakreslime do grafu suvislost poctu leptonovych parov od ich hmotnosti, pre kazdy druh vektoroveho mezonu budeme mat maximum. r0 zvycajne vytvara siroky vrchol s uzkym maximom od w mezonu v hornej casti. Ale pri tychto vysoko energetickych zrazkach nevidime jasne maximum pre r0, iba siroke rozmazanie. O tom, co sa tu deje, si fyzici myslia, ze r su produkovane a rozpadavaju sa este pocas vzajomnej interakcie hadronov. Velmi kratky cas medzi zrazkami im neumoznuje rozvinut sa do stavu s dobre definovanou hmotnostou, odtial rozmazanie v grafe. Inymi slovami, graf vytvara akoby snimku zrazky v stadiu hned potom ako uvolnene kvarky skondenzovali, ale predtym nez hadrony ukoncili vzajomu interakciu.
Nieco podivne

Pri analyze mnozstva hadronov pochadzajucich zo zrazky dvoch jadier bola pozorovana specificka vlastnost, ktora silno odlisuje taketo zrazky od zrazok lahkych castic, ako protony alebo elektrony, pri rovnakych a ovela vyssich energiach. Povodne iony olova obsahuju iba up-quarky a down-quarky, nie su tam ziadne podivne kvarky. Mozeme sa pozriet na castice vychadzajuce zo zrazok a pytat sa kolko podivnycyh kvarkov a antikvarkov sa produkuje v pomere k novo tvorenym up-quarkom a down-quarkom a antikvarkom. Pre zrazky proton-proton a elektron-pozitron, tento pomer vytvorenych extra podivnych kvarkov je 0,2.Ostane to rovnake akokolvek by ste zvysili energiu. Ale pre zrazky dvoch jadier je tento pomer dvakrat vacsi, 0,4. To je to, co sa mysli frazou "celkový narast podivnosti faktorom dva". Dolezite je, co vieme, z detailnych vypoctov, ze ak sa raz vytvorili hadrony, uz sa nemozu vytvorit ziadne dalsie podivne kvarky. Takze vacsina tychto extra podivnych kvarkov musela byt vytvorena predtym nez hadrony, tj. v stave inerakcie kvark gluonovej hmoty.Tieto extra podivne kvarky sa najcastejšie odzrkadlia na zvysenej produkcii velmi zriedkavych castic, ktore obsahuju dva alebo tri podivne kvarky (napr. Omega baryon, ktorych pocty sa zvysuju az do 15-nasobku), kym viac ako vo vseobecnosti beznejsich casticiach, ktore obsahuju iba jeden. To opat naznacuje, ze "extra podivnost" sa vytvorila skor ako samotne hadrony a to je ďalsia hlavna predpoved o formovani kvark-glounovej plazmy.
Vratme film spat

Ak sa pozrieme na castice emitujuce z miesta zrazky, zanechavaju stopy svojej minulosti. Tieto stopy nam umoznuju pracovat spatne v case, aby sme tak mohli zachytit dejovu nit premeny od kvarkov k beznej hmote. Hadrony, ktore unikaju a su registrovane detektorom, su urcene, z hladiska ich identity a ich hybnosti. Ale film mozeme vratit spat az do bodu, kde system bol dost husty pre castice nato, aby sa zrazili a odskocili jedna od druhej v procese nazyvanom "pruzny rozptyl". Toto su typy kolizii, ktore podstupuju biliardove gule: identita castic sa nezmenila ale hybnost ano. S rozpinanim sa miesta zrazky hustota energie sa zmensuje dovtedy, kym hadrony prestanu interagovat. Ich hybnosti "ochladnu" a od tohto momentu su stabilne. Takze ak sa pozrieme na hybnosti roznych castic opustajucich miesto zrazky, ich rozlozenie posobi ako pamat, alebo momentka stavu, ked nastalo toto ochladenie. Mozeme vyuzit rozdelenie hybnosti objavujucich sa castic na vypocitanie teploty, pri ktorej to nastalo. (Vychadza okolo 100 MeV). Mozeme takisto vypocitat, ze v tom okamihu sa miesto zrazky rozpinalo obrovskou rychlostou , vacsou ako polovica rychlosti svetla.

Ale my sa zaujimame co sa stalo este skor, keď miesto zrazky bolo ovela horucejsie a hustejsie a kvarky kondenzovali na hadrony. Tu mozeme vyuzit pozorovanie, ze zmena identity castic z jedneho typu na iny pozaduje "nepruzny rozptyl". Hned ako sa objavili hadrony zo zliepajucich sa kvarkov, system uz nie je jednoducho dost husty pre interakciu hadronov. Konecne merane zlozenie castic bolo preto presne, presne v stave hadronizacie! Mozeme pouzit rozlozenie mnozstva rozlicnych typov castic na vypocitanie teploty, pri ktorej prebehol prechod kvarkov na hadrony. Je to okolo 180 MeV, co suhlasi s kritickou teplotou, ktoru predpoklada teoria.

Castice v paroch
Ina metoda nazyvana Bose-Einsteinova interferometria, je pouzivana na pozorovanie parov castic. Bola navrhnuta po priekopnickej praci Handburyho Browna a Twissa. Umoznuje nam merat konecnu velkost systemu. Vieme uz ako rychle sa system rozpina, takze ak vieme aky je velky, mozeme pouzit informaciu na spatnu extrapolaciu (vypocet a vycislit) povodnu hustotu energie. Predstavuje to dva az styri-krat teoreticky predpovedanu hodnotu E0, co je kriticka hustota energie pre oslobodenie (uvolnenie) kvarkov. Pociatocna hustota energie v zrazkach bola teda dostatočna pre formaciu kvark- glounovej plazmy, v sulade s teoriou.


3. Konecny obraz

Obraz kvark gluonovej hmoty sa podoba na puzzle s mnohymi kuskami poskytnutymi roznymi experimentami. Udaje z ktorehokolvek samostatneho experimentu nie su dostatocne na to, aby vytvorili celkovy obraz, ale kombinovane vysledky zo vsetkych pokusov suhlasia a zapadaju do seba. Kym vsetky pokusy vysvetlit ich pouzitim zavedenych castic stroskotali, mnohe pozorovania su zhodne s predpovedanymi popismi kvark gluonovej plazmy. Preto, hoci dokaz je nepriamy, sme presvedceni, ze to staci k tomu, aby sme mohli povedat, ze sme sformovali novu formu hmoty, v ktorej kvarky a gluony nie su "vaznene".
Znovuvytvorili sme hmotu vo forme, aku sme nikdy predtym nevideli, pri hustote energie 20-krat vacsej ako je vo vnutri atomovych jadier. Rovnake podmienky existovali iba v prvych niekolkych mikrosekundach po Velkom tresku (porovnatelne hustoty energie, hoci pri ovela mensich teplotach, mozu tiez existovat v strede neutronovych hviezd). Nase chapanie vzniku vesmiru, ktore bolo v tom case neoverenou teoriou pre akykolvek casovy bod pred formovanim beznych atomovych jadier (okolo troch minut po Big Bangu), bolo teraz experimentalne overene spat az do bodu iba niekolkych mikrosekund po Velkom tresku, do casu, ked boli vytvorene hadrony, z ktorych pozostavaju tazke jadra.

Avsak teraz este nevieme vlastnosti "nesputanej" formy, ktora bola dosiahnuta, napriek tomu to vyzera ako ocakavana kvark gluonva plazma. Dalsi vyvoj bude zahrnat nove vyzvy, badania celkom novych oblasti, ktore buducimi experimentami budu prebiehat v RHIC v Brookhaven a neskor v CERNskom novom LHC.

Sumar - Tvorenie hmoty z kvarkou v 5 jednoduchych krokoch!

1. Dve zrazajuce sa jadra prinasaju energiu do oblasti reakcie. Energia sa premeni na hustotu vo forme kvarkov a gluonov, ktore silne vzajomne interaguju.

2. Tento rany, velmi husty stav ma hustotu energiu 3-4 GeV/fm3 co je ekvivalentne teplote okolo 240 MeV. Tieto podmienky znizuju pocet J-psi (charmonia), zvysuju "podivnost" podnecuju rozpinanie miesta zrazky.

3. Kvark-gluonova plazma chladne a zacina rednut.

4. Pri hustote energie 1GeV/fm3 (a teplote 170-180 MeV), kvarky a gluony kondenzuju na hadrony a su urcene konecne mnozstva roznych typov castic.

5. Pri hustote energie okolo 50 MeV/fm3 (a teplote 100-120 MeV) hadrony uplne prestanu interagovat a mieto zrazky vychladne. V tomto stave je rychlost expanzie vacsia ako polovica rychlosti svetla.

Zdroje:

dozvieš sa viac - www.tuke.sk/feikf/castice/history/smt.html