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

1. Fysik i det 21. årh.eller:fysik – et levende fag Ulrik Uggerhøj Institut for Fysik og Astronomi Århus Universitet

2. 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

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: ”It’s 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 • Antallet af dimensioner • (Mini-) sorte huller “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? ΩM=0.27, ΩV=0.73 Ω=2 Ω=1 Ω=0 ’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 -> CPT brud (?)

14. Higgs, supersymmetri, (super-)strenge ’The’ Higgs: Ca. 1995: Anden superstrengsrevolution

15. Kosmiske stråler Partikler med >1020 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 (15=3x5)

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 Nature’s 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, 6;176

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 (t>5e33 år, 90% CL) -> SU(5)

24. Antallet af dimensioner, Casimir effekt og mini sorte huller 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 (!) Tilfældet N=5 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….