Fysik i det 21. årh. eller: fysik – et levende fag

Fysik i det 21. årh.eller:

fysik – et levende fag

Ulrik Uggerhøj

Institut for Fysik og Astronomi

Århus Universitet

Levende!• Fra ’høringsudgave’:• ”eleverne [skal]…opleve

faget som relevant, vedkommende og spændende.”

• Min mening:• Vægten i det nye tiltag

Fi21Å skal ligge på levende

• Fysik er ikke lukket land – der er massevis af gyldne spørgsmål

Et udvalg…

• I alle emnerne er jeg mere eller mindre på gyngende grund!

De 10 ’store’• Are all the (measurable) dimensionless parameters that characterize the

physical universe calculable in principle or are some merely determined by historical or quantum mechanical accident and uncalculable?

• How can quantum gravity help explain the origin of the universe? • What is the lifetime of the proton and how do we understand it? • Is Nature supersymmetric, and if so, how is supersymmetry broken? • Why does the universe appear to have one time and three space

dimensions? • Why does the cosmological constant have the value that it has, is it zero

and is it really constant? • What are the fundamental degrees of freedom of M-theory (the theory

whose low-energy limit is eleven-dimensional supergravity and which subsumes the five consistent superstring theories) and does the theory describe Nature?

• What is the resolution of the black hole information paradox? • What physics explains the enormous disparity between the gravitational

scale and the typical mass scale of the elementary particles? • Can we quantitatively understand quark and gluon confinement in

Quantum Chromodynamics and the existence of a mass gap?

"Millennium Madness"

Physics Problems for the Next Millennium

Tættere på en af dem…• Why does the universe appear to have

one time and three space dimensions?

L. Smolin: ”It’s exceedingly important”

En af de andre …• black hole information paradox:

The question is, is information lost in black hole evaporation?

“In 1997, Kip Thorne and I bet John Preskill that information was lost in black holes. The loser or losers of the bet are to provide the winner or winners with an encyclopaedia of their own choice, from which information can be recovered with ease. I'm now ready to concede the bet, but Kip Thorne isn't convinced just yet. I will give John Preskill the encyclopaedia he has requested.”, S. Hawking, juli 2004

Coming soon to a theatre near you… (?)

• Massive neutrinoer• Mørkt stof• Mørk energi• Gravitationsbølger• Anti-atomer, CPT, asymmetriens

oprindelse• Higgs, supersymmetri, superstrenge• Kosmiske stråler• Kosmisk mikrobølgebaggrundsstråling• Kvanteoptik/kvantecomputer• Nanoteknologi• Femtosekund dynamik• Fusion• Exoplaneter• Hvad er tid og hvorfor er der en retning?• Høj-Tc superledning• Hawking stråling, sorte huller, singulariteter• Antal partikelfamilier• GUT, proton stabilitet• Antallet af dimensioner• (Mini-) sorte huller

“Century Madness"

Physics Problems for the Next Century

Massive neutrinoerSuper-Kamiokande

K2K (Japan)CNGS (CERN)Minos (USA)

Atmosfæriske neutrinoer:

Mørkt stof

Koldt, Ikke-baryonisk mørkt stof:

Mørk energi• Hvor hurtigt bevæger fjerne supernovaer sig?

’Steady-state’

Ω=2Ω=1

Ω=0

ΩM=0.27, ΩV=0.73

Det tyder på at det meste af Universet er et ukendt ’stof’ med negativt tryk (’mørk energi’)…. (?)

Gravitationsbølger

Sort hul – neutronstjerne kollision

LIGO

Antal partikelfamilier• 4 ‘nødvendige’

partikler:

u-quark, d-quark,

elektron, neutrino Men der er

mange flere!

Anti-atomer, CPT, asymmetriens oprindelse

• Ved Big Bang: Lige mange af hver!

• Nu: Meget få antipartikler

1.000.000.000 antipartikler

1.000.000.001partikler

Brint – antibrint sammenligninger -> CPT brud (?)

Higgs, supersymmetri, (super-)strenge

Ca. 1995:Anden superstrengsrevolution

’The’ Higgs:

Kosmiske strålerPartikler med >1020 eV:

• Kan ikke ‘laves’

• Kan ikke ‘rejse’

• Ca. 1 pr. km2 pr. 100 år

Mikrobølgebaggrundsstråling

COBE

Planck,Opsend.2007

WMAP

Kommende: Polarisationsfænomenerrelateret til stjernedannelse,re-ionisering…

Kvanteoptik/kvantecomputer

Nature, 2001: Experimental realization of Shor's quantum factoring algorithmusing nuclear magnetic resonance (15=3x5)

Fra exponentiel til polynomiel afh. i faktoriserings-problemet

Fusion• ITER:

Konstruktion fra 2006.Første plasma i 2014.

Planlagt forstærkningsfaktor:Minimum 10 (intet årstal)

Princeton test tokamak:

Exoplaneter (og Mars)

"Giant Planet Candidate Companion"

This spectrum shows the signatures of water moleculesand confirms that the object must be comparatively small and light (5 jupiter-mass planet).

Ca. 130 detekterede (kandidater) siden Mayor og Queloz i 1995

Mars:

J.M. Knudsen:

Hvad er tid og hvorfor er der en retning?

• ”Time is Nature’s way of stopping things happening all at once.”

John A. WheelerPrinceton Professor of Physics

• Saaledes forstaaet er Øieblikket ikke egentlig Tidens Atom, men Evighedens Atom.”

Søren Kierkegaard, 6;176

Høj-Tc superledning YBa2Cu3O7

Y

Ba

Cu

O

Elektron-fonon vekselv., ’Cooper-par’

Hawking stråling, sorte huller, singulariteter

Unruh stråling:

Hawking stråling

’Cosmiccensorship’

• Supersymmetri (LSP stabil – LHC?)• Nukleon henfald (t>5e33 år, 90% CL) -> SU(5)

GUT, proton stabilitet

Antallet af dimensioner, Casimir effekt og mini sorte huller

Tilfældet N=5 eksperimentelt udelukket.

Antagelse: Ekstra ’sammenkrøllede’ dimensioner influerer kun tyngdekraften.-> Planck energien bliver en ’effektiv’ energi, dvs. dimensionsafhængig.

For N>5 kan Planck energien blive TeV. Bedste øvre grænse: d=0.2 mm (!)

LHC

Superflydende helium, 1.9 K = -271 °CI = 12.4 kA, 8.4 Tesla7.1 MJ/stk.=1.5 kg TNT1200 stk. hver 14 meter lang!

LHC strålen

Hver beam ’dump’: 800 tons!

16 mikrometer tynd partikelstråle334 MJ = 72.6 kg dynamit!

Eksempler

Ex.1: Det tidlige Univers

• Kosmisk mikrobølgebaggrundsstråling– Undersøg hyppigheden af røde og

blå felter og deres ’størrelse’– Find lydbølgers udbredelsesfart i

en gas for forskellige tryk, tætheder og temperaturer, feks. teoretiskt (idealgaslign.) og ved eksperimenter

– Vis fx. IT-baseret Fourier-transform af toner (man behøver ikke vide hvad FT er)

– Bestem bølgelængden i en mikrobølgeovn (Marshmallow-metoden)

Ex.2: Gravitationsbølger

• Michelson interferometer – til feks. at bestemme

brydningsindekset af luft, CO2 etc. – viser følsomheden

• Stødtoner

• ’Planetbaner’ på et ’gummi-lagen’

• Størrelser

Hvordan?

Ideer

UdvalgLærer-vejledning

OpgavesætStruktur

KursusObligatorisk (¿Frihed?)Frivillig (¿Nedprior.?)

Samarbejde med Universiteterne?EgenhændigStort arbejde

Lad os se….