Kosmologické kapitoly
FY2BP_KOS2 Vybrané kapitoly z kosmologie
FY2BP_KOSM Kosmologie
podzim 2016

V příspěvku představím kurz Kosmologie, který nabízíme studentům učitelství
Kosmologie se vždy dotýkala témat, která jsou i doménou filozofie, matematiky a umění,
Patří k oblastem vědy, které obsahují výrazné sjednocující tendence a rychle přinášejí nové
poznatky.
Současné poznatky a představy o vesmíru jsou postaveny na řadě zajímavých experimentů a odvážných
modelů, byla za ně udělena řada Nobel.cen
Část Hypotéz ještě na svá ověření čeká. S každou uspokojivou odpovědí se objeví řada dalších
otazníků, to je příznivý terén pro ukázku toho, jak pracuje věda a pro motivaci budoucí generace k
práci na tomto poli...
Nejprve připomenu o čem kosmologie je

Motivace
•Nový kurz koncipovaný zejména pro učitelská studia, modernizace obsahu přednášky i formy
•
•Studijní opory: skripta, vidozáznamy, přednášky hostů, aktivizace
•
•Průzkum: jaké předpoklady studenti potřebují pro kosmologii , jaké miskoncepce se objevují u
veřejnosti v kosmologických tématech
•
•
2
[USEMAP]
•ODPOVĚDNÍK

Obraz vesmíru se za poslední století díky novým poznatkům výrazně změnil. Připravujeme inovaci
kurzu Kosmologie pro učitele, který by i laikovi umožnil základní vhled do vědeckého pojetí oboru.
Základním výstupem - rozšíření a uzpůsobení předmětu Kosmologie potřebám učitelského vzdělávání.
Cílem inovace je rozšířit obsah kurzu natolik, aby umožnil studentům sledovat aktuální kosmologické
poznatky,
aby sami dokázali ve vhodné podobě tyto poznatky předávat svým žákům a kultivovaně prezentovat
širší veřejnosti při popularizaci vědy

}Kdy a jakým způsobem byla poprvé změřena vzdálenost nejbližších hvězd?
}Jakým způsobem získáváme poznatky o vesmíru?
}Jaké jevy nám umožňují zjistit, že i mimo Sluneční soustavu existují planety?
}Je vzdálenost, do níž ve vesmíru „dohlédneme“, nějak principiálně omezena nebo se může se
zlepšováním techniky stále zvětšovat?
}Je možné, že některé objekty, které zaznamenáváme  již neexistují?
}Obsahuje vesmír prvky, které se na Zemi nevyskytují?
}Který prvek je ve vesmíru nejhojnější?
}Uvádí se, že vesmír je ve velkém měřítku homogenní a izotropní. Odkud to víme? Je mezi homogenitou
a izotropií nějaká souvislost?
}Věříte v existenci mimozemských civilizací? Jaké argumenty máte pro svůj názor?
}...
}
Ukázky z  otevřených otázek dotazníku

vyplnění tohoto odpovědníku:
http://is.muni.cz/el/1441/podzim2014/FY2BP_KOSM/odp/pruzkum-laicky.qref
Otázky jsou otevřené
Kdy a jakým způsobem byla poprvé změřena vzdálenost nejbližších hvězd?
Došlo k tomu roku 1838. Vzdálenost zjistili zhruba současně tři astronomové na základě měření
paralaxy – rozdílného úhlu, pod nímž je hvězda viditelná během roku.
Jak daleko jsou od nás nejvzdálenější objekty, které můžeme ve vesmíru pozorovat? Je-li stáří
vesmíru asi 14 miliard let, znamená to, že tyto objekty jsou vzdáleny 14 miliard světelných let?
Tak jednoduché to není, závisí to na kosmologickém modelu, který přijmeme. Ve skutečnosti jsou dnes
(v kosmickém čase) tyto objekty značně vzdálenější. V době, kdy z nich vyšlo záření, které dnes
pozorujeme, byly naopak značně bližší.
 Jsou objekty, které pozorujeme v největší vzdálenosti, zároveň nejzazší (tj. za ně už nevidíme)?
 Nikoliv, objekty, které jsou za nimi, můžeme vidět, jak vypadaly v době, kdy nám byly blíž než
objekty v uvedeném smyslu nejvzdálenější.
Z dnešních poznatků o vesmíru vyplývá,že vesmír se rozpíná zrychleně. Znamená to, že na vzdálené
objekty ve vesmíru působí síla, která roste se vzdáleností? Není takový závěr v rozporu
s homogenitou vesmíru?
Ve vztažné soustavě, která se rozpíná spolu s vesmírem, zůstávají objekty na místě a žádná síla na
ně nepůsobí. K rozporu  s homogenitou vesmíru proto nedochází
Jaké fyzikální jevy nám umožňují zjistit, že i mimo Sluneční soustavu existují planety?
 Planety mohou ovlivňovat pohyb svých „sluncí“, což se projeví buď přímo z jejich pohybu vzhledem
ke hvězdám nebo z Dopplerova jevu. Dnes je nejúčinnější cestou k objevu pozorování periodického
zastínění hvězdy, které se projeví změnou její jasnosti.

Osnova kurzu
}
}Kosmologické hypotézy
}Fyzikální kosmologie
}Reliktní záření
}Teorie popisující hmotu a interakce
} Newton nebo Einstein?
} Střed nebo homogenita
} Plochost nebo zakřivenost
} Zrychlování nebo stacionarita
}  Jak daleko dohlédneme?
}  Pozorování v kosmologii
}  Antropický princip

Aktivity ke kurzu
1.Práce s  časovými osami a měřítky
2.Přiřazování – odhady velikostí, vzdáleností a stáří
3.Riskuj - opakování a zavedení pojmů a definic
4.Vesmírná archeologie – fotonový dopravník
5.
5.Střed nebo homogenita
6.Galerie převleků světla
7.Posun spektra – fólie, práce se spektry
8.
8.Reliktní záření – omalovánka
9.Sestav si svůj Vesmír
10.Jak se galaxie vzájemně pohybují
11.Škálový faktor – expanzní funkce
12.
12. Drakeova rce

Kosmologie - věda o vesmíru jako celku
•Základní kosmologické otázky:
•• jaká je struktura kosmu
•• jak vznikl,  jak se vyvíjí a jaká bude jeho budoucnost)
•• z čeho je složen
•
•Vývoj kosmolog.představ: cesta od fantazií a spekulací k ověřeným poznatkům,
•zformulování Einsteinovy teorie gravitace a propojení s fyzikou učinilo z kosmologie vědu -
zvláštní povaha ověřování (jeden vesmír a známe jen jeho malou část).
•Dnes máme k dispozici relevantní experimenty.
•
•Východisko kosmologie
•vesmír je popsatelný na úrovni základních fyzikálních zákonů (?)
•platnost zákonů se ověřuje  signály z vesmíru a v pozemských laboratořích (?)
•
•Metody kosmologie
•tvorba matematických modelů vesmíru, předpovědi a srovnání s pozorováním
•
•-------------------

Vývoj představ od spekulativní, často ideologiz. nauky se po formulaci OTR  se změnila v moderní
vědu opřenou o relevantní pozorování:
např. stáří vesmíru (13,7±0,2) mld let dnes známe s přesností lepší než 2%!
Východisko kosmologie
•vesmír studujeme na úrovni základních fyzikálních zákonů (možná sporné, ale nic lepšího se
nenabízí - vesmír obsahuje vše, z vesmíru známe jen malou část, její vlastnosti extrapolujeme na
vesmír jako celek.***
Platnost zákonů se ověřuje pozorováním na zemi a  v laboratořích– zde se nepracuje s hlavní –
temnou složkou vesmírné látky.
Metoda kosmologie
•tvorba matematických modelů vesmíru zachycujících formou diferenciálních rovnic jeho rozhodující
vlastnosti – srovnání s pozorováním
***
vesmír je popsatelný známými fyzikálními zákony- Hlavní argument pro toto tvrzení poskytuje
spektroskopie. Podařilo se identifikovat spektrální čáry vysílané vše-možnými nebeskými objekty s
příslušnými čárami látek zjištěnými v pozemských laboratořích. Z toho plyne, že pozorovaná vesmírná
tělesa jsou složena z téže hmoty jako Země a sluneční soustava. I ve vzdálených hvězdách, galaxiích
či kvasarech nacházíme stejné chemické prvky a sloučeniny. To znamená, že tam platí i stejné
fyzikální zákony), jinak by struktura atomů a molekul (a tudíž i jejich spektra) byla odlišná.
Samozřejmě, při extrapolaci „pozemských fyzikálních zákonů je nutná obezřetnost, zatím ale vše
nasvědčuje tomu, že celý pozorovaný vesmír je pozoruhodně jednotný: je ovládán stejnými zákony
Nobelovy ceny uděleny za kosmologii.
za první detekci mikrovlnného kosmického pozadí z roku 1965.
za objevy dosažené při výzkumu mikrovlnného záření (COBE
za objev zrychlujícího se rozpínání vesmíru pozorováním vzdálených supernov
za teoretický a experimentální výzkum jaderných reakcí důležitých pro vývoj chemických prvků ve
vesmíru

Otcové zakladatelé
}Albert Einstein
}Alexandr Friedman
}Georges Lemaitre
}Edwin Hubble
}Georg Gamow
}Robert Dicke
}
Einstein Lemaitre Gamow dicke friedman hubble
•Nobelovu cenu za práce v kosmologii nedostali

Kosmologie – jak jednoduché
}Rovnice pro vývoj homogenního a izotropního vesmíru – R je škálový faktor
}r=R(t)r0
}d2R/dt2 = –(4/3)Gπρ0/R2 + ΛR/3;
}
}H = (dR/dt)/R = v/r
}
}
}
}
}
expanze vesmíru hubble law
•„Zápas tří“ o osud vesmíru:
•setrvačnost – přitažlivost – kosmologický vliv
•Hubblův zákon
• závislost posuvu na vzdálenosti

nobel_medal
}* 1978 Arno A. Penzias,
}            Robert W. Wilson
}    za objev kosmického mikrovlnného reliktního záření
}
}* * 2006 John C. Mather,
}            George F. Smoot
}   za objev jeho černotělesové povahy a anizotropie
}
}* * * 2011 Saul Perlmutter
}            Brian P. Schmidt, Adam G. Riess
}   za objev zrychleného rozpínání vesmíru odhalený pozorováním  vzdálených supernov
•KOSMOLOGIE
„nobelovská“ disciplína teprve od roku 1978

Reliktní záření klíč k minulosti vesmíru
}* Penzias, Wilson
}
}
}
}
}* * Mather, Smooth
Penzias a Wilson Mather a Smoot
•
•
•

Nastupují satelity
}COBE (Cosmic Background Explorer) 1989
}WMAP (Wilkinson Mikrowave Anisotropic Probe) 2001
}Planck (ESA) 2009
}
cobe obraz WMAP družice JPG wmap obraz

Zpřesňování
•12


Standardní svíčky – supernovy Ia
}* * *
}Riess, Perlmutter, Schmidt
}Překvapení začátku tisíciletí:
}Vesmír se rozpíná zrychleně
Perlmutter standardní svíčka supernova 1a

Co znamená
„zrychlené rozpínání“?
}Voda ve vodopádu padá zrychleně, ale vodopád vypadá stále stejně. Takovému stavu se přibližuje
vesmír, pokud je kosmologický člen tím, co předpověděl Einstein – fakticky tedy objevem energie a
napětí vakua.
}
}Ale třeba je to jinak?
}Big bang, big crunch, big rip

Dva vrcholy současné fyziky
}Standardní model elementárních částic
}Standardní kosmologický model
}   (Lambda CDM model)
temná energie
•Vesmír je podle současných dat blízký k meznímu, jeho stáří je
•(13, 7 ± 0,2) miliard let.
•Rozpíná se dnes zrychleně
•Pro Lambda-CDM model je škálový faktor
•R = sinh2/3 [(3Λ)1/2 t/2]

Fakta
}# 0:  Vesmír je nepředstavitelně velký a starý.
}# 1: Informace získáváme světlem, světlo se šíří konečnou rychlostí.      Reverzní pohled -
nevidíme objekty tam, kde jsou teď. .
}# 2: Vesmír se rozpíná, kdysi zpomaleně, dnes zrychleně.
}# 3: Čím jsou galaxie vzdálenější od Země, tím rychleji se od ní  vzdalují. Hubbleův zákon. Nově
určená hodnota Hubbleovy konstanty činí 67,15 ± 1,2 km/s/Mpc
}# 4: Existuje reliktní záření.
}# 5: Vesmír je tvořen časoprostorem, hmotou, energií, jeho stáří se odhaduje na 13,82 miliardy
let.
}
}

Nově určená hodnota Hubbleovy konstanty činí 67,15 ± 1,2 km/s/Mpc (Mpc = megaparsek; 1 Mpc = 3,26
milionu světelných let). V důsledku pomalejšího rozpínání musí být kosmos poněkud starší, než
udávaly výsledky z předcházející observatoře WMAP. Podle měření družice Planck dosahuje jeho stáří
13,82 miliardy roků, tj. přibližně o 80 milionů více, než předpokládaly nedávné odhady.

Novější literatura v češtině
}
}A.Einstein: Smysl relativity, Vyšehrad, 2016
}Pedro G. Ferreira: Nádherná teorie -Sto let obecné teorie relativity,2015
}John. D. Barrow: Kniha vesmírů, Paseka 2013
}Lawrence M. Krauss: Vesmír z ničeho, Knižní klub 2013
}Stephen Hawking: Stručná historie mého života, Argo a Dokořán 2014
}Paul J. Steinhardt, Neil Turok: Bez počátku a konce, Paseka 2009
}Brian Clegg: Před velkým třeskem, Argo a Dokořán, Paseka 2011
}Peter Zamarovský: Proč je v noci tma? Aga 2011
}Alex Vilenkin: Mnoho světů v jednom: Paseka 2009