Fysik i det 21.

1
Fysik i det 21. årh.ellerfysik et levende fag

• Ulrik Uggerhøj
• Institut for Fysik og Astronomi
• Århus Universitet

2
Levende!

• Fra høringsudgave
• eleverne skalopleve 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

3
Et udvalg

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

4
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
5
Tættere på en af dem

• Why does the universe appear to have one time and
  three space dimensions?

L. Smolin Its exceedingly important
6
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
7
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

Century Madness" Physics Problems for the Next
Century
8
Massive neutrinoer
K2K (Japan) CNGS (CERN) Minos (USA)
Super-Kamiokande
Atmosfæriske neutrinoer
9
Mørkt stof
Koldt, Ikke-baryonisk mørkt stof
10
Mørk energi

• Hvor hurtigt bevæger fjerne supernovaer sig?

OM0.27, OV0.73
O2
O1
O0
Steady-state
Det tyder på at det meste af Universet er et
ukendt stof med negativt tryk (mørk energi).
(?)
11
Gravitationsbølger
LIGO
Sort hul neutronstjerne kollision
12
Antal partikelfamilier

• 4 nødvendige partikler
• u-quark, d-quark,
• elektron, neutrino

Men der er mange flere!
13
Anti-atomer, CPT, asymmetriens oprindelse

• Ved Big Bang Lige mange af hver!
• Nu Meget få antipartikler

1.000.000.000 antipartikler
1.000.000.001 partikler
Brint antibrint sammenligninger -gt CPT brud (?)
14
Higgs, supersymmetri, (super-)strenge
The Higgs
Ca. 1995 Anden superstrengsrevolution
15
Kosmiske stråler

• Partikler med gt1020 eV
• Kan ikke laves
• Kan ikke rejse
• Ca. 1 pr. km2 pr. 100 år

16
Mikrobølgebaggrundsstråling
WMAP
Kommende Polarisationsfænomener relateret til
stjernedannelse, re-ionisering
COBE
Planck, Opsend. 2007
17
Kvanteoptik/kvantecomputer
Fra exponentiel til polynomiel afh. i
faktoriserings-problemet
Nature, 2001 Experimental realization of Shor's
quantum factoring algorithm using nuclear
magnetic resonance (153x5)
18
Fusion

• ITER

Princeton test tokamak
Konstruktion fra 2006. Første plasma i
2014. Planlagt forstærkningsfaktor Minimum 10
(intet årstal)
19
Exoplaneter (og Mars)
"Giant Planet Candidate Companion"
This spectrum shows the signatures of water
molecules and confirms that the object must be
comparatively small and light (5 jupiter-mass
planet).
Mars
J.M. Knudsen
Ca. 130 detekterede (kandidater) siden Mayor og
Queloz i 1995
20
Hvad er tid og hvorfor er der en retning?

• Time is Natures way of stopping things
  happening all at once.
• John A. Wheeler
• Princeton Professor of Physics
• Saaledes forstaaet er Øieblikket ikke egentlig
  Tidens Atom, men Evighedens Atom.
• Søren Kierkegaard, 6176

21
Høj-Tc superledning
YBa2Cu3O7
Elektron-fonon vekselv., Cooper-par
Ba
Y
Cu
O
22
Hawking stråling, sorte huller, singulariteter
Cosmic censorship
Hawking stråling
Unruh stråling
23
GUT, proton stabilitet

• Supersymmetri (LSP stabil LHC?)
• Nukleon henfald (tgt5e33 år, 90 CL) -gt SU(5)

24
Antallet af dimensioner, Casimir effekt og mini
sorte huller
Antagelse Ekstra sammenkrøllede dimensioner
influerer kun tyngdekraften. -gt Planck energien
bliver en effektiv energi, dvs.
dimensionsafhængig. For Ngt5 kan Planck energien
blive TeV. Bedste øvre grænse d0.2 mm (!)
Tilfældet N5 eksperimentelt udelukket.
25
LHC
Superflydende helium, 1.9 K -271 C I 12.4
kA, 8.4 Tesla 7.1 MJ/stk.1.5 kg TNT 1200 stk.
hver 14 meter lang!
26
LHC strålen
Hver beam dump 800 tons! 16 mikrometer tynd
partikelstråle 334 MJ 72.6 kg dynamit!
27
Eksempler
28
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)

29
Ex.2 Gravitationsbølger

• Michelson interferometer
• til feks. at bestemme brydningsindekset af luft,
  CO2 etc. viser følsomheden
• Stødtoner
• Planetbaner på et gummi-lagen
• Størrelser

30
Hvordan?
31
Ideer
Udvalg Lærer-vejledning Opgavesæt Struktur
Kursus Obligatorisk (Frihed?) Frivillig
(Nedprior.?)
Egenhændig Stort arbejde
Samarbejde med Universiteterne?
32
Lad os se.
33
(No Transcript)