AST1010 En kosmisk reise

Transkript

1 AST1010 En kosmisk reise Forelesning 5: Dopplereffekten Rela?vitetsteori Par?kkelfysikk Energisprang, bølgelengder og spektrallinjer i hydrogen Vik?g detalj: Kortere bølgelengde betyr høyere energi Spektralserier i hydrogen. Jo større forskjell mellom energi- nivåer, desto kortere bølgelengde på linje 2 1

2 hqps:// v=h4onbyrbcjy Dopplereffekten Alle typer bølger: trykkbølger i lu\ (lyd) elektromagne?ske bølger (lys) Rødforskyvning: Kilde på vei bort fra observatør Blåforskyvning: Kilde på vei mot observatør 2

3 Dopplereffekten Astrofysiske anvendelser: Måle has?gheter mot/fra oss på objekter Oppdage eksoplaneter (kap. 14) Måle selve rommets ekspansjon (kap. 17) Ser forskyvning på spektrallinjer 3

4 For elektromagne?sk stråling: λ obs / λ 0 1= v/c (ikke pensum) Rødforskyvning: λ obs > λ 0 (v posi?v) Blåforskyvning: λ obs < λ 0 (v nega?v) Poeng: Sier ikke bare om noe er på vei mot eller bort fra oss, men også med hvilken fart! Forrige forelesning: Lys som bølge 8 4

5 Men er lys bare bølger? hqps:// v=hsgidggprpk Elektromagne?sk stråling oppfører seg som BÅDE bølger og masseløse par?kler (fotoner) Små massive par?kler har samme oppførsel: hqps:// v=q_h4iopjxzw Rela?vitetsteori 5

6 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 has?gheten på det rødforskjøvne lyset også endre seg Hvorfor? All bevegelse er rela?v Du ser et tog kjøre sakte forbi Inni toget løper en sprinter mot kjøreretningen, med akkurat samme fart som toget Fra toget: Sprinteren beveger seg Utenfra: Sprinteren beveger beina sine, men flyqer seg ikke (det er det bare toget som gjør) 6

7 Newtons forutsigelse for lys Du ser et tog kjøre sakte forbi med lysets has?ghet Inni toget sendes lys mot kjøreretningen, med akkurat samme fart som toget Fra toget: Lyset beveger seg Utenfra: Lyset flyqer seg ikke (det er det bare toget som gjør) Michelson- Morley- eksperimentet hqps:// v=7qjornseylq 7

8 Michelson- Morley- eksperimentet Målte lyshasigheten på tvers og på langs av jordklodens bane rundt solen Forventet å se forskjellig has?ghet Men lyset gikk akkurat like raskt i begge retninger! Michelson- Morley- eksperimentet Betyr deqe at geosentrikerne hadde req? Er jorden likevel helt i ro? Nei. Geosentrisme har mange problemer (se forelesning 2) Dessuten er all bevegelse rela?v: Jorden ser ut?l å være i ro seq fra Jorden, men ikke seq fra f.eks. Solen Men hvorfor er ikke lyshas?gheten rela?v? 8

9 1905: Spesiell rela?vitetsteori (SR) 1. Lyshas?gheten (i vakuum) er den samme for alle observatører. 2. Fysikkens lover er de samme for alle observatører i jevn, reqlinjet bevegelse i forhold?l hverandre. 1905: Spesiell rela?vitetsteori (SR) hqps:// v=ajhfncutji0 9

10 Enda et tog- eksempel Inni toget: Lys sendes req opp fra gulvet?l taket Utenfra: Lyset beveger seg på skrå Konsekvens: Tid blir også rela?vt! Lyset går en lenger vei seq utenfra Men lyshas?gheten er all?d den samme Da bruker lyset mer?d seq utenfra 10

11 Hva innebærer rela?v?d? Tiden går annerledes når du beveger deg Observatører som beveger seg (rela?vt?l hverandre) er uenige i om noe skjedde sam?dig eller ikke (men begge kan ha req, fra siq perspek?v) OBS: Du kan ikke reise bakover i?d, eller se fram?den Energien?l noe som beveger seg (ikke pensum) E = mc 2 1 v 2 c 2 SR forteller oss: E når v c Bare masseløse par?kler (som fotonet) kan oppnå denne has?gheten Ingen?ng med masse kan bevege seg så raskt 11

12 Når v=0: Hvile- energi E=m c 2 hqps:// watch?v=hw7dw9nio9m Et kosmologisk mysterium Dopplereffekten: λ obs / λ 0 1= v/c Maksimal has?ghet: v=c (masseløst objekt) à Maksimal rødforskyvning: λ obs / λ 0 =2 (se tavle) Hvorfor observerer vi galakser hvor λ obs / λ 0 >2? 12

13 Et kosmologisk mysterium Forklaringen kommer i kosmologiforelesningene (kap. 17) For de som ikke klarer å vente og vil lete eqer svaret i en vitenskapelig ar?kkel: hqps://arxiv.org/pdf/astro- ph/ v2.pdf 1916: Generell rela?vitetsteori (GR) 1. Lysets has?ghet (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, reqlinjet bevegelse i forhold?l hverandre) 13

14 Tyngdeakselerasjon = annen akselerasjon Vektløs = friq fall 14

15 Hva med gravitasjon? g= GM/ r 2 Det vi kaller gravitasjon er krumning av rommet i GR ReQ fram får ny betydning i nærheten av store masser/energier 15

16 Også masseløse par?kler (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 (hqp://crea?vecommons.org/licenses/by- sa/3.0)], via Wikimedia Commons Gravitasjon påvirker også klokker Objekter beveger seg slik at klokken går raskest mulig (hvis ikke ytre kre\er hindrer dem) 16

17 hqps:// v=p98tvnzeype Gravitasjon påvirker også klokker Med jordnært eksempel: GPS- satelliq Bruker klokker for å måle posisjon: Flere satelliqer tar imot signalet diq?l ulik?d Tidsforskjellene forteller hvor du befinner deg Uten å ta hensyn?l GR og jordens tyngdefelt, ville klokkene begynne å gå feil i forhold?l jorden, og GPS ville raskt bliq ubrukelig 17

18 LiQ kjernefysikk Randall Munroe Protoner og nøytroner bindes sammen av den sterke kjernekra\en (Overvinner EM- kra\ mellom protonene) 18

19 Fisjon og fusjon Fisjon: Tung atomkjerne à LeQere kjerner Fusjon: LeQere kjerner à Tung atomkjerne Får energi når sluqproduktene har mindre masse enn det vi startet med Den manglende massen?lsvarer energien vi får ut av prosessen: E=m c 2 Bindingsenergi i atomkjerner (jern på toppen) 19

20 Jo høyere bindingsenergi, jo mindre masse per kjernepar?kkel hqps:// v=uklkixiocwu 20

21 Svak kjernekra\: Beta- henfall Frie nøytroner er ustabile (halverings?d 10.2 min) Nøytroner i atomkjerner kan være stabile. Unntak: Noen radioak?ve kjerner OBS: Nøytroner må ikke forveksles med nøytrinoer (en helt annen par?kkel) MotsaQ vei: Nøytronstjerner Nøytronstjerner dannes ved enormt trykk og ekstrem temperatur Da dannes nøytroner ved en prosess som ligner denne: p+ e n+ υ e 21

22 LiQ par?kkelfysikk Kvarker Opp- kvark (u): Ladning +2/3 Ned- kvark (d): Ladning - 1/3 22

23 Kre\er formidles av par?kler Kra$ Påvirker hva? Styrke (rela3v) på m Rekkevidde Kra$- par3kkel Elektro- magne?sk Sterk kjernekra\ Svak kjernekra\ Ladde par?kler Kvarker og gluoner Kvarker og leptoner* 1 Foton 137 Atomkjerne Gluon (10-4 ) Atomkjerne W- boson Z- boson Tyngdekra\ Alt Graviton? (*: Elektroner og nøytrinoer er eksempler på leptoner. De påvirkes av den svake, men ikke den sterke kjernekra\en.) Hvorfor merker vi mest?l den svakeste kra\en av alle? Kra$ Styrke (rela3v) på m De to kjernekre\ene har for kort rekkevidde?l at vi merker dem i stor skala Elektro- magne?sk Sterk kjernekra\ Svak kjernekra\ (10-4 ) Tyngdekra\ Universet er ca. elektrisk nøytralt: Posi?v og nega?v ladning kansellerer hverandre Men all masse er posi?v : Tyngdekra\en all?d?ltrekkende 23

24 Mikroskop for par?kkelfysikk Standardmodellen for par?kkelfysikk 24