AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 5: Dopplereffekten Relativitetsteori Partikkelfysikk

Like dokumenter
AST1010 En kosmisk reise

AST1010 En kosmisk reise

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 5: Fysikken i astrofysikk, del 2

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 5: Fysikken i astrofysikk, del 2

VELKOMMEN TIL INTERNATIONAL MASTERCLASSES 2017 FYSISK INSTITUTT, UNIVERSITETET I OSLO

AST1010 En kosmisk reise

Eirik Gramstad (UiO) 2

AST1010 En kosmisk reise. Astronomiske avstander v=vsl-jncjak0. Forelesning 20: Kosmologi, del I

LHC girer opp er det noe mørk materie i sikte?

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 19: Kosmologi, del I

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 19: Kosmologi

CERN og The Large Hadron Collider. Tidsmaskinen

Hvordan skal vi finne svar på alle spørsmålene?

Hvordan skal vi finne svar på alle spørsmålene?

Introduksjon til partikkelfysikk. Trygve Buanes

Egil Lillestøll, Lillestøl,, CERN & Univ. i Bergen,

Spesiell relativitetsteori

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 4: Fysikken i astrofysikk, del 1

Masterclass i partikkelfysikk

Kreftenes opprinnelse i rommet (Naturkreftenes prinsipp) Frode Bukten

AST1010 En kosmisk reise Forelesning 13: Sola

LHC sesong 2 er i gang. Hva er det neste store for CERN?

Superstrenger. Teorigruppa, Fysisk institutt

AST1010 En kosmisk reise

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 15: Hvite dverger, nøytronstjerner og sorte hull

Spesiell relativitetsteori

Hva har LHC lært oss om partikkelfysikk så langt?

Løsningsforslag til prøve i fysikk

FASIT UNIVERSITETET I OSLO. Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 20: Kosmologi, del 2

AST1010 En kosmisk reise

AST1010 En kosmisk reise

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 13: Sola

Higgspartikkelen er funnet, hva blir det neste store for CERN?

AST1010 En kosmisk reise. De viktigste punktene i dag: Mekanikk 1/19/2017. Forelesning 3: Mekanikk og termodynamikk

Einsteins relativitetsteori

UNIVERSITETET I OSLO

De vikagste punktene i dag:

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 16: Hvite dverger, supernovaer og nøytronstjerner

Spesiell relativitetsteori

Europas nye kosmologiske verktøykasse Bo Andersen Norsk Romsenter

AST1010 En kosmisk reise

Elastisitetsteori. Spesiell relativitetsteori

AST1010 En kosmisk reise

Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

AST1010 En kosmisk reise. De viktigste punktene i dag: Elektromagnetisk bølge 1/23/2017. Forelesning 4: Elektromagnetisk stråling

Løsningsforslag til eksamen FY0001 Brukerkurs i fysikk Fredag 29. mai 2009

Partikkelfysikk og Astrofysikk forener krefter og bidrag til svar på åpne spørsmål om Universets fødsel og utvikling

AST1010 En kosmisk reise

UNIVERSITETET I OSLO

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 4: Elektromagnetisk stråling

UNIVERSITETET I OSLO

AST1010 En kosmisk reise

Senter for Nukleærmedisin/PET Haukeland Universitetssykehus

Er naturkonstantene konstante?

Spesiell relativitetsteori

FLERVALGSOPPGAVER I NATURFAG - FYSIKK

Melkeveien sett fra jorda

ØVING 13. Oppgave 1 a) Løs oppgave 1a i Øving 2 gjengitt nedenfor ved å bruke kompleks representasjon.

AST1010 En kosmisk reise Forelesning 12: Sola

AST1010 En kosmisk reise

I rommets og energiens grensesnitt (Fysikkens prinsipp) Av Frode Bukten

Løsningsforslag til eksamen FY0001 Brukerkurs i fysikk Juni 2011

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 8: Sola

AST1010 En kosmisk reise Forelesning 15: Hvite dverger og supernovaer

Klikk på sidetallet for å komme til det enkelte lysark. De svarte sidetallene viser hvor illustrasjonen står i læreboka.

Kapittel 21 Kjernekjemi

Elastisitetsteori. Spesiell relativitetsteori

Spesiell relativitetsteori

Stråling fra rommet. 10. November 2006

AST1010 En kosmisk reise. Innhold. Stjernedød i to varianter 10/13/15. Forelesning 15: Hvite dverger, nøytronstjerner og sorte hull

( ) Masse-energiekvivalens

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 3: Mekanikk, termodynamikk og elektromagnetisme

EksameniASTlolo 13 mai2

Løsningsforslag til oppgavene 1 8 fra spesiell relativitetsteori.

Modell, Cold Dark Matter, Normal text - click to edit

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 20: Kosmologi, del 2

Eksperimentell partikkelfysikk. Kontakt :

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 9: Solen De store gassplanetene og noen av deres måner

AST1010 En kosmisk reise. I dag 2/16/2017. Forelesning 11: Dannelsen av solsystemet. Planetene i grove trekk Kollapsteorien Litt om eksoplaneter

Romfart - verdensrommet januar 2007 Kjartan Olafsson

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 17: Melkeveien

UNIVERSITETET I OSLO

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 12: Melkeveien

Fiktive krefter. Gravitasjon og planetenes bevegelser

Hvor kommer magnetarstråling fra?

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 7: Dannelsen av solsystemet

AST1010 En kosmisk reise

Naturfag 2 Fysikk og teknologi, 4NA220R510 2R 5-10

UNIVERSITETET I OSLO

2/7/2017. AST1010 En kosmisk reise. De viktigste punktene i dag: IAUs definisjon av en planet i solsystemet (2006)

Om flo og fjære og kunsten å veie Månen

AST1010 En kosmisk reise

Atomets oppbygging og periodesystemet

5:2 Tre strålingstyper

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 7: De indre planetene og månen del 1: Merkur og Venus

Eksamen FY0001 Brukerkurs i fysikk Torsdag 3. juni 2010

UNIVERSITETET I OSLO

Øving 2: Krefter. Newtons lover. Dreiemoment.

AST1010 En kosmisk reise

Transkript:

AST1010 En kosmisk reise Forelesning 5: Dopplereffekten Relativitetsteori Partikkelfysikk

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 (1954-1986), nå brukt til formidling (ikke UiO)

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

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

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

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.

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

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

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

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

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

Forrige forelesning: Lys som bølge 12

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

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

Relativitetsteori

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?

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)

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)

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!

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?

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.

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

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

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!

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

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

Når : Hvile-energi E = mc 2

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)

Tyngdeakselerasjon = annen akselerasjon

Vektløs = fritt fall

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.

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 (http://creativecommons.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 krefter hindrer dem) M

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

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

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

Relativitet i hverdagen: GPS Avvik vokser hvis det ikke korrigeres. Δx = c Δt = 4.4 10-10 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

Litt kjernefysikk av Jacob Linder. CC BY SA 3.0

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

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:

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

Hydrogenfusjon

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

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

Litt partikkelfysikk

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

Krefter formidles av partikler Kraft Påvirker hva? Styrke (relativ) på 10-15 m Rekkevidd e Kraftpartikkel Elektromagnetisk Sterk kjernekraft Svak kjernekraft Ladde partikler Kvarker og gluoner Kvarker og leptoner* 1 Foton 137 Atomkjerne Gluon 0.0001 (10-4 ) Atomkjerne W-boson Z-boson Tyngdekraft Alt 10-36 Graviton? (*: Elektroner og nøytrinoer er eksempler på leptoner. De påvirkes av den svake, men ikke den sterke kjernekraften.)

Hvorfor merker vi mest til den svakeste kraften av alle? Kraft Elektromagnetisk Sterk kjernekraft Svak kjernekraft Styrke (relativ) på 10-15 m 1 137 0.0001 (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

Hvorfor merker vi mest til den svakeste kraften av alle? Kraft Styrke (relativ) på 10-15 m De to kjernekreftene har for kort rekkevidde til at vi merker dem i stor skala Elektromagnetisk Sterk kjernekraft Svak kjernekraft 1 137 0.0001 (10-4 ) Tyngdekraft 10-36 Universet er ca. elektrisk nøytralt: Positiv og negativ ladning kansellerer hverandre Men all masse er positiv : Tyngdekraften alltid tiltrekkende

Mikroskop for partikkelfysikk

Standardmodellen for partikkelfysikk