AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 5: Dopplereffekten Relativitetsteori Partikkelfysikk

Transkript

1 AST1010 En kosmisk reise Forelesning 5: Dopplereffekten Relativitetsteori Partikkelfysikk

2 Institutt for teoretisk astrofysikk Nær Solliplass Blindern Harestua Opprettet i 1934 av professor Svein Rosseland Videreføring av Oslo Universitetsobservatorium Opprettet i 1833, første instituttlignende avdeling ved UiO. Instituttets bygning, Svein Rosselands hus, er et av de eldste på UiO Blindern. Solobservatoriet på Harestua ( ), nå brukt til formidling (ikke UiO)

3 Institutt for teoretisk astrofysikk Blindern Ansatte totalt ~70 (økende) Hovedforskningsområde Sol og stjernefysikk (RoCS, senter for fremragende forskning) Kosmoslogi og ekstragalaktisk astrofysikk Kombinasjon av ulike observasjoner og datasimuleringer

4 ALMA - Atacama Large (sub-)millimeter Array Millimeter interferometri Verdens største teleskop, Chile, på 5100m høyde Observerer (bl.a.) solen.

5 Astrofysikk Brukes fysikk (alt ) for å forklare universet - fra kosmisk nabolaget til Big Bang

6 Dopplereffekten Lydkilde som beveger seg relativt til Lydkilde beveger mot observatøren. Avstand mellom bølgetopper er kortere. Høyere frekvens. Lydkilde beveger bort fra observatøren. Avstand mellom bølgetopper er lengre. Lavere frekvens.

7 Dopplereffekten Lydkilde som beveger seg relativt til observatøren. Forandring av frekvensen.

8 Dopplereffekten på elektromagnetiske bølger (lys) Forskyvning på spektrallinjer Retning + hastighet Uten forskyvning Rødforskyvning: Kilde på vei bort fra observatør Blåforskyvning: Kilde på vei mot observatør

9 Dopplereffekten på elektromagnetiske bølger (lys) Lyskilde som beveger seg relativt til observatøren. Forandring av frekvensen.

10 Dopplereffekten Astrofysiske anvendelser: Måle hastigheter mot/fra oss på objekter Oppdage eksoplaneter (kap. 14) Måle selve rommets ekspansjon (kap. 17)

11 Måling av Dopplereffekten på solen Blåforskyvning: Siden beveger seg mot oss med -2 km/s Solen roterer. Rødforskyvning: Siden beveger seg bort fra oss med +2 km/s

12 Forrige forelesning: Lys som bølge 12

13 Men er lys bare bølger? Nei, elektromagnetisk stråling oppfører seg som BÅDE bølger og masseløse partikler (fotoner)!

14 Men er lys bare bølger? Små massive partikler har samme oppførsel. Bølger <> Partikler

15 Relativitetsteori

16 Rundt 1900: Newton i trøbbel Dopplereffekten viste oss at lys fra en bil på vei bort fra oss er rødere enn fra en bil som står i ro Men ifølge Netwon skulle hastigheten på det rødforskjøvne lyset også endre seg Hvorfor?

17 All bevegelse er relativ Du ser et tog kjøre sakte forbi På Inni toget løper en sprinter mot kjøreretningen, med akkurat samme fart som toget Fra toget: Sprinteren beveger seg Utenfra: Sprinteren beveger beina sine, men flytter seg ikke (det er det bare toget som gjør)

18 Newtons forutsigelse for lys Du ser et tog kjøre sakte forbi med lysets hastighet Inni toget sendes lys mot kjøreretningen, med akkurat samme fart som toget Fra toget: Lyset beveger seg Utenfra: Lyset flytter seg ikke (det er det bare toget som gjør)

19 Michelson-Morley-eksperimentet Målte lyshasigheten på tvers og på langs av jordklodens bane rundt solen Forventet å se forskjellig hastighet Men lyset gikk akkurat like raskt i begge retninger!

20 Michelson-Morley-eksperimentet Betyr dette at geosentrikerne hadde rett? Er jorden likevel helt i ro? Nei. Geosentrisme har mange problemer (se forelesning 2) Dessuten er all bevegelse relativ: Jorden ser ut til å være i ro sett fra Jorden, men ikke sett fra f.eks. Solen Men hvorfor er ikke lyshastigheten relativ?

21 1905: Spesiell relativitetsteori (SR) 1. Lyshastigheten (i vakuum) er den samme for alle observatører. 2. Fysikkens lover er de samme for alle observatører i jevn, rettlinjet bevegelse i forhold til hverandre.

22 Enda et tog-eksempel Inni toget: Lys sendes rett opp fra gulvet til taket

23 Enda et tog-eksempel Inni toget: Lys sendes rett opp fra gulvet til taket Utenfra: Lyset beveger seg på skrå

24 Enda et tog-eksempel Lyset går en lenger vei sett utenfra Men lyshastigheten er alltid den samme Da bruker lyset mer tid sett utenfra Konsekvens: Tid blir også relativt!

25 Hva innebærer relativ tid? Klokker som beveger seg relativt til hverandre tikker ikke i takt. Observatører som beveger seg (relativt til hverandre) er uenige i om noe skjedde samtidig eller ikke (men begge kan ha rett, fra sitt perspektiv) c 2

26 Energien til noe som beveger seg (ikke pensum) E = mc 2 1 v2 SR forteller oss: når Bare masseløse partikler (som fotonet) kan oppnå denne hastigheten Ingenting med masse kan bevege seg så raskt c 2

27 Når : Hvile-energi E = mc 2

28 1916: Generell relativitetsteori (GR) 1. Lysets hastighet (i vakuum) er den samme for alle observatører. 2. Fysikkens lover er de samme for alle observatører. (mer generelt enn SR, hvor punkt 2 kun gjaldt observatører i jevn, rettlinjet bevegelse i forhold til hverandre)

29 Tyngdeakselerasjon = annen akselerasjon

30 Vektløs = fritt fall

31 Hva med gravitasjon? I relativitetsteori kombineres tid og rom til et 4-dimensjonalt tidrom. GR sier at masse og energi krummer tidrommet. Det vi kaller gravitasjon er et resultat av denne krumningen. Partikler følger så rette linjer som mulig i det krumme tidrommet.

32 Også masseløse partikler (lys) vil påvirkes av denne krumningen Påvist under solformørkelse i 1919 av Eddington: Stor seier for Einstein By Gryfin (Own work) [CC BY-SA 3.0 ( via Wikimedia Commons

33 Gravitasjon påvirker også klokker Objekter beveger seg slik at klokken går raskest mulig (hvis ikke ytre krefter hindrer dem) M

34 Breaking News Observations over 20yrs! Mapping the black hole in the centre of the Milky Way by tracking stars (affected by relativistic effects) Observational proof of gravitational redshift as predicted by GR Credit: ESO/M. Kornmesser

35 Relativitet i hverdagen: GPS Ønsket: Nøyaktig posisjon og tid Satelliter med atomklokker. Bruker klokker for å måle posisjon: Flere satellitter tar imot signalet ditt til ulik tid Tidsforskjellene forteller hvor du befinner deg t x=? Relativistiske effekter Små tidsforskjeller. Avvik i posisjon GPS Block IIIA

36 Relativitet i hverdagen: GPS Forskjell mellom klokkene på satellittene og klokken på jorden Special relativity +7 microseconds / dag General relativity - 45 microseconds /dag - 38 microseconds per day Atomklokkene på GPS satellitene ble lagt sånn at det går saktere (38 microseconds hver dag) Uten å ta hensyn til GR og jordens tyngdefelt, ville klokkene begynne å gå feil i forhold til jorden, og GPS ville raskt blitt ubrukelig

37 Relativitet i hverdagen: GPS Avvik vokser hvis det ikke korrigeres. Δx = c Δt = Δt t-t0 1 s 1 min 1 day ΔtGR+SR 0.5 ns 29 ns 38 μs Δx 13 cm 8 m 11.4 km 18m

38 Litt kjernefysikk av Jacob Linder. CC BY SA 3.0

39 Protoner og nøytroner bindes sammen av den sterke kjernekraften (Overvinner EM-kraft mellom protonene)

40 Fisjon og fusjon Fisjon: Tung atomkjerne! Fusjon: Lettere kjerner! Lettere kjerner Tung atomkjerne Får energi når sluttproduktene har mindre masse enn det vi startet med Den manglende massen tilsvarer energien vi får ut av prosessen:

41 Bindingsenergi i atomkjerner Jo høyere bindingsenergi, jo mindre masse per kjernepartikkel (jern på toppen = mest stabil)

42 Hydrogenfusjon

43 Svak kjernekraft: Beta-henfall Frie nøytroner er ustabile (halveringstid 10 min 11 sek) Nøytroner i atomkjerner kan være stabile. Unntak: Noen radioaktive kjerner

44 Motsatt vei: Nøytronstjerner Nøytronstjerner dannes ved enormt trykk og ekstrem temperatur Da dannes nøytroner ved en prosess som ligner denne:

45 Litt partikkelfysikk

46 Kvarker Opp-kvark (u): Ladning +2/3 Ned-kvark (d): Ladning -1/3

47 Krefter formidles av partikler Kraft Påvirker hva? Styrke (relativ) på m Rekkevidd e Kraftpartikkel Elektromagnetisk Sterk kjernekraft Svak kjernekraft Ladde partikler Kvarker og gluoner Kvarker og leptoner* 1 Foton 137 Atomkjerne Gluon (10-4 ) Atomkjerne W-boson Z-boson Tyngdekraft Alt Graviton? (*: Elektroner og nøytrinoer er eksempler på leptoner. De påvirkes av den svake, men ikke den sterke kjernekraften.)

48 Hvorfor merker vi mest til den svakeste kraften av alle? Kraft Elektromagnetisk Sterk kjernekraft Svak kjernekraft Styrke (relativ) på m (10-4 ) De to kjernekreftene har for kort rekkevidde til at vi merker dem i stor skala Universet er ca. elektrisk nøytralt: Positiv og negativ ladning kansellerer hverandre Tyngdekraft 10-36

49 Hvorfor merker vi mest til den svakeste kraften av alle? Kraft Styrke (relativ) på m De to kjernekreftene har for kort rekkevidde til at vi merker dem i stor skala Elektromagnetisk Sterk kjernekraft Svak kjernekraft (10-4 ) Tyngdekraft Universet er ca. elektrisk nøytralt: Positiv og negativ ladning kansellerer hverandre Men all masse er positiv : Tyngdekraften alltid tiltrekkende

50 Mikroskop for partikkelfysikk

51 Standardmodellen for partikkelfysikk