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….