Suhteellisuusteorian perusteet, harjoitus 6

Samankaltaiset tiedostot
Kosmologian yleiskatsaus. Syksy Räsänen Helsingin yliopisto, fysiikan laitos ja Fysiikan tutkimuslaitos

Friedmannin yhtälöt. Einsteinin yhtälöt isotrooppisessa, homogeenisessa FRW-universumissa 8 G 3. yleisin mahdollinen metriikka. Friedmannin yhtälö

Kosmologia on yleisen suhteellisuusteorian sovellus suurimpaan mahdolliseen systeemiin: tutkitaan koko avaruuden aikakehitystä.

Suhteellisuusteorian perusteet 2017

Pimeä energia. Hannu Kurki- Suonio Kosmologian kesäkoulu 2015 Solvalla

Z 1 = Np i. 2. Sähkömagneettisen kentän värähdysliikkeen energia on samaa muotoa kuin molekyylin värähdysliikkeen energia, p 2

PIMEÄ ENERGIA mysteeri vai kangastus? Kari Enqvist Helsingin yliopisto ja Fysiikan tutkimuslaitos

Kosmologia. Kosmologia on yleisen suhteellisuusteorian sovellus suurimpaan mahdolliseen systeemiin: tutkitaan koko avaruuden aikakehitystä.

Pimeä energia ja supernovahavainnot

Esimerkki 1 Ratkaise differentiaaliyhtälö

Valtteri Lindholm (Helsingin Yliopisto) Horisonttiongelma / 9

Maailmankaikkeuden syntynäkemys (nykykäsitys 2016)

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 3: Vektorikentät

MATEMATIIKAN PERUSKURSSI I Harjoitustehtäviä syksy Millä reaaliluvun x arvoilla. 3 4 x 2,

Integroimistekniikkaa Integraalifunktio

Matematiikan tukikurssi

Pimeän energian metsästys satelliittihavainnoin

Kosmologia ja alkuaineiden synty. Tapio Hansson

a) Mikä on integraalifunktio ja miten derivaatta liittyy siihen? Anna esimerkki = 16 3 =

Kvanttifysiikan perusteet 2017

l 1 2l + 1, c) 100 l=0 AB 3AC ja AB AC sekä vektoreiden AB ja

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 1 Kevät y' P. α φ

l 1 2l + 1, c) 100 l=0

Insinöörimatematiikka D

Luento Entrooppiset voimat Vapaan energian muunoksen hyötysuhde Kahden tilan systeemit

Magneettinen energia

Integrointi ja sovellukset

Kosmologinen inflaatio

Muuttujan vaihto. Viikon aiheet. Muuttujan vaihto. Muuttujan vaihto. ) pitää muistaa lausua t:n avulla. Integroimisen työkalut: Kun integraali

2. Viikko. CDH: luvut (s ). Matematiikka on fysiikan kieli ja differentiaaliyhtälöt sen yleisin murre.

5. laskuharjoituskierros, vko 8, ratkaisut

y (0) = 0 y h (x) = C 1 e 2x +C 2 e x e10x e 3 e8x dx + e x 1 3 e9x dx = e 2x 1 3 e8x 1 8 = 1 24 e10x 1 27 e10x = e 10x e10x

Kosmologia. Kosmologia tutkii maailmankaikkeutta kokonaisuutena:

Talousmatematiikan perusteet: Luento 16. Integraalin käsite Integraalifunktio Integrointisääntöjä

1 WKB-approksimaatio. Yleisiä ohjeita. S Harjoitus

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Laskuharjoitus 7 /

13. Taylorin polynomi; funktioiden approksimoinnista. Muodosta viidennen asteen Taylorin polynomi kehityskeskuksena origo funktiolle

Funktiojonot ja funktiotermiset sarjat Funktiojono ja funktioterminen sarja Pisteittäinen ja tasainen suppeneminen

2r s b VALON TAIPUMINEN. 1 r. osittaisdifferentiaaliyhtälö. = 2 suppea suht.teoria. valo putoaa tähteen + avaruus kaareutunut.

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 6. viikolle /

y x1 σ t 1 = c y x 1 σ t 1 = y x 2 σ t 2 y x 2 x 1 y = σ(t 2 t 1 ) x 2 x 1 y t 2 t 1

integraali Integraalifunktio Kaavoja Integroimiskeinoja Aiheet Linkkejä Integraalifunktio Kaavoja Integroimiskeinoja Määrätty integraali

infoa Viikon aiheet Potenssisarja a n = c n (x x 0 ) n < 1

x 4 e 2x dx Γ(r) = x r 1 e x dx (1)

PARADIGMOJEN VERTAILUPERUSTEET. Avril Styrman Luonnonfilosofian seura

Maailmankaikkeuden kriittinen tiheys

Mustan kappaleen säteily

Ensimmäisen ja toisen kertaluvun differentiaaliyhtälöistä

Kosmologia: Miten maailmankaikkeudesta tuli tällainen? Tapio Hansson

4. Lasketaan transienttivirrat ja -jännitteet kuvan piiristä. Piirielimien arvot ovat C =

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Mallit laskuharjoitukseen 3 /

2 dy dx 1. x = y2 e x2 2 1 y 2 dy = e x2 xdx. 2 y 1 1. = ex2 2 +C 2 1. y =

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 5. viikolle /

Tampere University of Technology

LUKU 7. Perusmuodot Ensimmäinen perusmuoto. Funktiot E, F ja G ovat tilkun ϕ ensimmäisen perusmuodon kertoimet ja neliömuoto

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Insinöörimatematiikka D

Luento 3: Liikkeen kuvausta, differentiaaliyhtälöt

Talousmatematiikan perusteet

Tehtävä 1. a) sähkövirta = varausta per sekunti, I = dq dt = 1, A = 1, C s protonin varaus on 1, C

Lisä,etopake3 2: ra,onaalifunk,on integroin,

Mustan kappaleen säteily

MS-A0202 Di erentiaali- ja integraalilaskenta 2 (SCI) Luento 8: Taso- ja avaruusintegraalit

Aine ja maailmankaikkeus. Kari Enqvist Helsingin yliopisto ja Fysiikan tutkimuslaitos

Jakso 1: Pyörimisliikkeen kinematiikkaa, hitausmomentti

Kohdassa on käytetty eksponentiaalijakauman kertymäfunktiota (P(t > T τ ) = 1 P(t T τ ). λe λτ e λ(t τ) e 3λT dτ.

π( f (x)) 2 dx π(x 2 + 1) 2 dx π(x 4 + 2x 2 + 1)dx ) = 1016π 15

Ratkaisu: Tutkitaan derivoituvuutta Cauchy-Riemannin yhtälöillä: f(x, y) = u(x, y) + iv(x, y) = 2x + ixy 2. 2 = 2xy xy = 1

LUKU 3. Ulkoinen derivaatta. dx i 1. dx i 2. ω i1,i 2,...,i k

V ar(m n ) = V ar(x i ).

4. Ensimmäisen ja toisen kertaluvun differentiaaliyhtälöistä

IV. TASAINEN SUPPENEMINEN. f(x) = lim. jokaista ε > 0 ja x A kohti n ε,x N s.e. n n

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 9: Greenin lause

Moderni fysiikka kevät 2011

MS-A0104 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 (ELEC2) MS-A0106 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 (ENG2)

x (t) = 2t ja y (t) = 3t 2 x (t) + + y (t) Lasketaan pari käyrän arvoa ja hahmotellaan kuvaaja: A 2 A 1

OPTIMAALINEN INVESTOINTIPÄÄTÖS

Differentiaaliyhtälöt I Ratkaisuehdotuksia, 2. harjoitus, kevät Etsi seuraavien yhtälöiden yleiset ratkaisut (Tässä = d

MS-A0205/MS-A0206 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 11: Taso- ja tilavuusintegraalien sovellutuksia

Johdantoa INTEGRAALILASKENTA, MAA9

3. Reaalifunktioiden määräämätön integraali

3 = Lisäksi z(4, 9) = = 21, joten kysytty lineaarinen approksimaatio on. L(x,y) =

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

Euclid. Hannu Kurki- Suonio Kosmologian kesäkoulu 2015 Solvalla

Matemaattinen Analyysi

H5 Malliratkaisut - Tehtävä 1

Kuva 1: Yksinkertainen siniaalto. Amplitudi kertoo heilahduksen laajuuden ja aallonpituus

1240eV nm. 410nm. Kun kappaleet saatetaan kontaktiin jännite-ero on yhtä suuri kuin työfunktioiden erotus ΔV =

Differentiaaliyhtälöt I, kevät 2017 Harjoitus 3

2 exp( 2u), kun u > 0 f U (u) = v = 3 + u 3v + uv = u. f V (v) dv = f U (u) du du f V (v) = f U (u) dv = f U (h(v)) h (v) = f U 1 v (1 v) 2

Sovellettu todennäköisyyslaskenta B

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Osittaisdifferentiaaliyhtälöt

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Ratkaisut viikko 3

Matemaattinen Analyysi


Pakotettu vaimennettu harmoninen värähtelijä Resonanssi

MS-C1350 Osittaisdifferentiaaliyhtälöt Harjoitukset 5, syksy Mallivastaukset

Eksponentti- ja logaritmifunktiot

Transkriptio:

Suhteellisuusteorian perusteet, harjoitus 6 May 5, 7 Tehtävä a) Valo kulkee nollageodeettia pitkin eli valolle pätee ds. Lisäksi oletetaan valon kulkevan radiaalisesti, jolloin dω. Näin ollen, kun K, saadaan FRW-metriikasta ds c dt dr c dt dr. Puolittain integroimalla saadaan x x dr c t a t t t c dt t a [ ] t t c t t a (t t ). Kun t, 4 v on nykyhetki ja t s. Fysikaalinen matka on tällöin ( ) d a (t ) x ct t t 4 miljardia valovuotta. b) Koska koordinaattietäisyydessä valon aallonpituuden täytyy olla sama, täytyy olla niin, että ajan hetkellä t x λ λ(t) a a(t) λ (t) ( ) t λ λ. a t Kun t ja t ovat samat kuin a)-kohdassa ja valon aallonpituus alkuhetkellä λ 5 nm, saadaan aallonpituudeksi λ(t ) ( t t ) λ 9 km.

c) Hubblen parametri saadaan laskemalla H ȧ (t) ( ) t Hetkellä t parametrin arvo on ( t H, 5 8 s 4, ) ( ) t t t. km s Mly. Tyhjää avaruutta syntyy siis parhaillaan 4, km miljoonaa valovuotta kohden joka sekunti. Tehtävä Esimmäinen FRW-yhtälö antaa tapauksessa K Otetaan neliöjuuri ja integroidaan: ȧ a (ȧ ) 8πG a c 4 ρ + Λ. 8πG c 4 ρ + Λ N vakio, ln a Nt + C, e Nt+C C e Nt, missä integroimisvakio C on nyt sisällytetty vakioon C. Skaalatekijä kasvaa eksponentiaalisesti, jolloin universumin laajeneminen kiihtyy jatkuvasti. Kyseessä on oikeastaan universumi, jossa on pelkästään pimeää energiaa. Tehtävä Energiatiheys riippuu seuraavalla tavalla skaalatekijästä: ( ) (+w) a ρ (t) ρ, missä w on tilanyhtälöparametri ja ρ energiatiheys ajan hetkellä t. Tämä pätee vain, kun maaimankaikkeuden energiatiheyttä dominoi jokin tietty kategoria. Koska maailmankaikkeus on laakea, niin K. Pimeän energian osuus oletetaan merkityksettömän pieneksi, jolloin Λ. Ensimmäisestä FRW-yhtälöstä saadaan silloin (ȧ ) 8πG a c 4 ρ 8πG ( ) (+w) c 4 ρ a,

(ȧ ) 8πG a c 4 ρ a (+w) (+w) N a (+w), a ( + w) / ( ( + w) ȧ a Na (+w)/, a daa (+w)/ [a (+w)/] a t a (+w)/ a (+w)/ t Ndt, N (t t ), a ) N (t t ). Olkoon nyt ajan alkuhetki t, jolloin tapahtui alkuräjähdys. Sillä hetkellä maailmankaikkeudella ei ollut kokoa, joten skaalatekijä ajan alkuhetkellä oli a. Nyt saadaan Nt (+w). Säteilyn dominoimassa maailmankaikkeudessa w, jolloin skaalatekijän käyttäytyminen on a rad (t) Nt ja materian dominoimassa maailmankaikkeudessa w, mistä seuraa Tehtävä 4 a mat (t) Nt. Määritellään suhteellinen energiatiheys osalle i: ρ i Ω i Σ n j ρ. j Tämän tehtävän tapauksessa summassa on vain kaksi termiä: pimeä energia ja normaali aine. Kello näyttää nyt t, 8 miljardia vuotta, ja pimeän aineen energiatiheys nyt on Ω Λ (t ) Ω Λ, 68. Materialle Ω m (t ) Ω m,. Edellisessä tehtävässä saimme selville, miten skaalatekijä käyttäytyy materian dominoimassa maailmankaikkeudessa. Lasketaan suhteellisten energiatiheyksien osammäärä tasapainohetkellä t: Ω Λ ρ Λ ρ m + ρ Λ ρ Λ ρ m + ρ Λ Ω m ρ m + ρ Λ ρ m ρ m + ρ a Λ ρ m a Ω Λ Ω m a a Ω Λ Ω m t t ()

Ωm 8 t t t 9, 47 miljardia vuotta. Ω Λ 7 Olemme kuitenkin syyllistyneet kardinaalivirheeseen tässä laskussa: miten avaruus voi olla samaan aikaan sekä materian että pimeän energia doiminoima? Eihän skaalatekijän muoto tietyllä ajan hetkellä yhtäkkiä muutu tyystin toisenlaiseksi. Lasketaan tämä nyt uudelleen. Friedmannin ensimmäinen yhtälö antaa missä Hubblen vakio ajan hetkellä t on H 8πG c 4 (ρ m + ρ Λ ), () H (t) ȧ (t), ja pimeän energian energiatiheydelle ρ Λ pätee Λ 8πG c 4 ρ Λ. Tiedämme, että nykyisin Hubblen vakio on H (67, ±, 9) km/smpc. Erityisesti H 8πG c 4 (ρ m + ρ Λ ). () Jaetaan yhtälöt ja puolittain keskenään: H H ρ m ρ m + ρ Λ + H a a eq H a H ρ Λ ρ m + ρ Λ a a Ω m a ρ a m a + ρ m + ρ Λ a + Ω Λ Ω m a a + Ω Λa t ρ Λ ρ m + ρ Λ da dt t t eq (4) a Ω m a + Ω Λ a t eq (tässä eq equilibrium tasapaino). Skaalatekijä a ei ole mitattava suure, joten se voidaan skaalata mielivaltaisesti. Yhtälöstä nähdään, että tasapainohetkellä skaalatekijä oli ( ) ( ) a eq a Ω m Ωm 8 7, Ω Λ missä on nyt valittu a (t ) a. Suoritetaan nyt ylläoleva Mapun tiedoilla ratkeava integraali yhtälöstä 4: a da a eq Ω m + Ω Λ a a da a eq Ωm + ΩΛ Ω m a. Ω Λ 4

Tehdään sijoitus Ω Λ Ω m a sinh x Ω Λ Ω m a da sinh x cosh xdx. Käänteisfunktio on Tällöin integraalista tulee x (a) arsinh ΩΛ Ω m a. Ω m Ω Λ Ωm x() ΩΛ Ω m x(a eq) dx Ω Λ (x () x (a eq )). Yhtälöstä 4 saadaan tulokseksi ( ) 7 t eq t arsinh arsinh (), 8 miljardia vuotta. H ΩΛ 8 5