O BIG-BANG 2a parte.

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1 O BIG-BANG 2a parte

2 A formação do universo pode ser dividida em duas épocas maiores:
Resuminho da aula anterior... A formação do universo pode ser dividida em duas épocas maiores: RADIATIVA MATÉRIA Logo APÓS a era radiativa formação das grandes estruturas após a época da equipartição ou recombinação

3 Na era da radiação podemos fazer uma aproximação das equações
de Friedmann para obter a evolução da expansão na época:  partindo de: Para um universo dominado pela radiação o termo de pressão passa a ser importante pois: um gás de fótons num meio isotrópico

4  partindo de: Assim, substituindo prad em (1) :
R-1 = redshift cosmológico  partindo de: Se   R-4, o termo em  domina os outros

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6 Notar que, na condição de BB:
R 0 quando t  0     e T   singularidade TRG não é capaz de obter informações na viz. de t = 0 EFEITOS QUÂNTICOS IMPORTANTES PARA A GRAVITAÇÃO  GRAVITAÇÃO QUÂNTICA

7 TRG = física macroscópica
MQ = física microscópica TRG= descrição determinística e contínua da gravitação MQ  E  t ≥ ћ Desde o início do século XX busca-se uma teoria unificada Através de do princípio da incerteza + raio de Schwarzschild, obtêm-se: rPL ~ cm = raio visível do universo em tPL tPL ~10-43 s = limite de validade da TRG comprimento de Planck:

8 Todo o universo estava concentrado no rPL com
 ~ g/cm3 e T ~ 1032 K TRG não é aplicável para t < tPL

9 ESTÁGIOS INICIAIS DE FORMAÇÃO DO UNIVERSO

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12 supergravidade ou gravitação quântica gravitação eletromagnética forte
Leis conhecidas da física não podem explicar a evolução do universo neste t t < s , T < 1032 K ERA DE PLANCK supergravidade ou gravitação quântica gravitação eletromagnética forte fraca unificação das 4 forças fundamentais wave function em t < tPLANCK (10-43 s) ocorre um overlap das fçs de onda: gravidade deixa de ter o sentido conhecido da TRG cada partícula tem uma fç. de onda (MQ) e exerce uma força gravitacional (TRG) velocidade de qualquer informação não pode ser > c

13 Universo formado pelo “vácuo quântico”
flutuações neste vácuo dão origem às propriedades físicas do universo observadas hoje Vácuo quântico Espaço não é vazio → preenchido pelo E-T  E-T têm curvatura e estrutura  E-T obedece as leis da física quântica preenchido por pares de unidades de matéria e anti-matéria com propriedades definidas pela MQ

14 pares de partículas/anti-partículas virtuais que estão sendo
continuamente criadas e destruídas vida média < < tPL Escala de tempo da ordem do princípio da incerteza, logo não há violação da lei de conservação de massa/energia Em escalas macroscópicas violação da conservação ocorre em t muito pequenos... Flutuações no vácuo: geradas pela destruição e criação das partículas virtuais  dá origem as partículas reais

15 Teoria das cordas e supercordas (cordas cósmicas)
Tentativa de unificação das forças fundamentais Tentativas de descrição de t < tPL :

16 Algumas teorias: (1919) matemático Theodor Kaluza : universo com 5 dimensões Kaluza mostrou que as equações extras calculadas pela 5a dimensão levavam a equações similares às de Maxwell: Unificação da teoria da gravitação de Einstein com a teoria do eletromagnetismo de Maxwell, mas... Constantes de acoplamento entre as teorias apresentaram conflito com as observações experimentais

17 (1968) Gabriele Veneziano descobriu que as funções  de Euler
descreviam várias propriedades da iteração forte Notinha: funções  de Euler = fçs matemáticas que descrevem propriedades de osciladores harmônicos Forças fortes ocorrem entre hádrons(p e n) e entre os constituintes dos hádrons (quarks) força de ligação entre as partículas constituintes dos átomos (curto alcance < cm) (1970) Nambu, Nielsen, Susskind: cordas unidimensionais em vibração podem ser descritas pelas fçs.   TEORIA DAS CORDAS descreve partículas elementares como modos de vibração de cordas unidimensionais fechadas (loops)

18 (1974) Schwarz e Scherk: partículas de spin 2 existentes na teoria
das cordas tinham a propriedade do grávitron quantum de gravitação: teoria das cordas descreve a iteração forte + gravitação (1984) + atual: teoria das cordas cósmicas ou superstrings Michael Green e John Schwarz resolução de vários problemas das teorias originais padrões vibracionais distintos de uma mesma corda fundamental (loop) com rPL=10-33 cm dão origem a diferentes massas e cargas de força

19 Teoria requer a existência de 9 dimensões espaciais e uma
temporal = 10 dimensões no total Cada ponto do E-T quadridimensional tem dimensões extras que não podem ser detectadas a distâncias ~ rPL estão “enroladas” sobre si mesmas com distâncias << rPL As dimensões se compactaram após s após a formação do universo (tPL!!!)

20 Final da era de Planck: 4 dimensões (outras estão compactadas)
t < s Resultado = corda fundamental: comprimento = comprimento de Planck (10-33 cm)  padrões vibracionais  diferentes massas e cargas Outra: Duff, Hull e Towsend: teoria com 11 dimensões → 1 temporal a mais possibilita viagem no tempo Teoria a ser testada...

21 Na era de Planck Nestas altíssimas E e T: forças são SIMÉTRICAS são indistinguíveis em intensidade e forma Quebra de simetria = forças distintas

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24 ERA DOS GUTs (Teoria da Grande Unificação)
t = 10-43, T= 1032 K ERA DOS GUTs (Teoria da Grande Unificação) Quebra de simetria: massa e E-T separados E-T quadridimensional Forças eletromagnética, forte e fraca unificadas Separação da gravitação (desacoplamento dos grávitrons??) interações = troca de partículas virtuais que tem vida média muito curta para ser detectada: é-mag : troca de fótons forte (p e n) : troca de mésons eletrofraca : troca dos bósons vetoriais Z e W 10-33 cm quarks: troca de gluons

25 Primeiros momentos da era dos GUTs: quebra de simetria
da supergravidade era de Planck a era da espuma de E-T espaço-tempo 4D distorcido por condições extremas de densidade e temperatura (espuma de E-T) mini-buracos negros e brancos: algums remanescentes do horizonte (da era de Planck) de eventos que definiam a “singularidade” Outros criados por volta de tPL condições hostis para estruturas que não estão “protegidas” por um horizonte de eventos buracos negros são as únicas unidades intactas num certo t Primeiras entidades a ter individualidade

26 buracos negros  origem a partículas elementares
radiação de Hawking buracos negros com rS  átomo (rS=raio de Schwarzschild) campo gravitacional ao redor do BN produção de pares partícula/antipartícula par formado fora do horizonte de eventos BN perde massa BN primordiais tendem a “decair” rapidamente com o tempo ...

27 Taxa de produção de pares é  curvatura do E-T
Quanto menor o buraco negro → maior a curvatura  maior a taxa de produção de pares

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30 separação entre a força forte e eletrofraca
ERA DA INFLAÇÃO separação entre a força forte e eletrofraca formação dos quarks e leptons Matéria GUT = combinação do que vai ser quarks, leptons e fótons mas a energia e temperatura eram muito altas prá esta formação

31 Leptons (è ,  ,  ,  ,  ,  ) int. pelas forças é-mag e fraca
Quarks (formam os p, n, mésons e híperons) int. pelas forças fortes e eletrofracas

32 Notinhas... Quarks: 6 sabores 3 gerações de matéria q=1/3 a 2/3 unid.
up down strange charmed top bottom Leptons: 6 tipos q=0 ou 1 è   (lepton massivo)  (è, , ) Ex. p=2 quarks up +down Quarks: usanso o acelerador linear de Stanford ( ) Friedmann, Kendall e Taylor notaram que o espalhamento de è por p e n indicavam Que estes eram compostos por partículas menores com cargas Consistentes com a teoria dos Quarks (Nobel 1990)

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34 Toda a matéria visível no universo pode ser descrita em termos
de leptons e quarks e as forças que atuam entre eles: Força forte (quarks e hádrons) é-mag (fótons) Força fraca (neutrinos) Gravitação (grávitrons)

35 Quarks e leptons estavam no começo agrupados em 3 famílias:
è e e +quarks up e down  e  + quarks strange e charmed  e  + quarks up e bottom Em E>1015 GeV por partícula: iterações fortes e eletrofracas estão unificadas e as partículas de cada família podem se transformar umas nas outras...

36 Quarks não se encontram isolados porque a força nuclear
forte tem a propriedade de aumentar com a distância! Nesta época são produzidos quarks aos pares Universo = sopa de quarks + antiquarks

37 INFLAÇÃO: expansão muito rápida do universo
Quebra de simetria ou transição de fase gravitação age repulsivamente (expansão do universo : fator de 1075) estado dominado pela radiação → estado dominado pelo “vácuo falso” universo dominado por 

38 t = 10-32 FIM DA ERA DA INFLAÇÃO Vácuo falso = vácuo verdadeiro
Expansão descrita pelo modelo padrão

39 Evolução da matéria Até t=10-11 s formação de uma quantidade maior de quarks do que anti-quarks mais matéria do que anti-matéria aniquilação matéria-antimatéria deixa mais matéria!!!