Eksamen i FY3452 GRAVITASJON OG KOSMOLOGI Lørdag 11. august :00 13:00

Like dokumenter
Eksamen i FY3452 GRAVITASJON OG KOSMOLOGI Lørdag 19. mai :00 13:00

Eksamen i FY3466 KVANTEFELTTEORI II Tirsdag 20. mai :00 13:00

Eksamen i TFY4230 STATISTISK FYSIKK Onsdag 21. desember, :00 19:00

Eksamen i fag RELATIVISTISK KVANTEMEKANIKK Fredag 26. mai 2000 Tid: 09:00 14:00

Slope-Intercept Formula

Exam in FY3464 QUANTUM FIELD THEORY I Friday november 30th, :00 13:00

FYSMEK1110 Eksamensverksted 23. Mai :15-18:00 Oppgave 1 (maks. 45 minutt)

Løsningsforslag til eksamen i SIF4072 KLASSISK FELTTEORI Onsdag 28. mai 2003

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk naturvitenskapelige fakultet

UNIVERSITY OF OSLO DEPARTMENT OF ECONOMICS

Exam in Quantum Mechanics (phys201), 2010, Allowed: Calculator, standard formula book and up to 5 pages of own handwritten notes.

Physical origin of the Gouy phase shift by Simin Feng, Herbert G. Winful Opt. Lett. 26, (2001)

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

Gradient. Masahiro Yamamoto. last update on February 29, 2012 (1) (2) (3) (4) (5)

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

Eksamen i FY3452 GRAVITASJON OG KOSMOLOGI Fredag 24. mai :00 13:00

Moving Objects. We need to move our objects in 3D space.

Unit Relational Algebra 1 1. Relational Algebra 1. Unit 3.3

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

HØGSKOLEN I NARVIK - SIVILINGENIØRUTDANNINGEN

Oppgavesett kap. 6 (3 av..) GEF2200

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

TFY4170 Fysikk 2 Justin Wells

0:7 0:2 0:1 0:3 0:5 0:2 0:1 0:4 0:5 P = 0:56 0:28 0:16 0:38 0:39 0:23

5 E Lesson: Solving Monohybrid Punnett Squares with Coding

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

EKSAMEN I TFY4250 ATOM- OG MOLEKYLFYSIKK og FY2045 Kvantefysikk Tirsdag 13. desember 2005 kl

Mathematics 114Q Integration Practice Problems SOLUTIONS. = 1 8 (x2 +5x) 8 + C. [u = x 2 +5x] = 1 11 (3 x)11 + C. [u =3 x] = 2 (7x + 9)3/2

Eksamen i FY8306 KVANTEFELTTEORI Fredag 9. juni :00 13:00

Generalization of age-structured models in theory and practice

Neural Network. Sensors Sorter

Universitetet i Bergen Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet Eksamen i emnet Mat131 - Differensiallikningar I Onsdag 25. mai 2016, kl.

UNIVERSITY OF OSLO DEPARTMENT OF ECONOMICS

NORGES TEKNISK-NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET Side 1 av 5 INSTITUTT FOR ENERGI- OG PROSESSTEKNIKK

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

KROPPEN LEDER STRØM. Sett en finger på hvert av kontaktpunktene på modellen. Da får du et lydsignal.

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

UNIVERSITETET I OSLO

EKSAMENSOPPGAVE I FAG TKP 4105

Perpetuum (im)mobile

Løsningsforslag til eksamen i FY3452 GRAVITASJON OG KOSMOLOGI Torsdag 8. august 2013

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

Eksamen i Klassisk feltteori, fag TFY 4270 Onsdag 26. mai 2004 Løsninger

Solutions #12 ( M. y 3 + cos(x) ) dx + ( sin(y) + z 2) dy + xdz = 3π 4. The surface M is parametrized by σ : [0, 1] [0, 2π] R 3 with.

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

FYS 3120: Klassisk mekanikk og elektrodynamikk

FYS 3120: Klassisk mekanikk og elektrodynamikk

Løysingsforslag (Skisse) Eksamen FY3452 Gravitasjon og Kosmologi Våren 2007

Speed Racer Theme. Theme Music: Cartoon: Charles Schultz / Jef Mallett Peanuts / Frazz. September 9, 2011 Physics 131 Prof. E. F.

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

EKSAMENSOPPGAVE I SØK 1002 INNFØRING I MIKROØKONOMISK ANALYSE

Dynamic Programming Longest Common Subsequence. Class 27

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

Løsningsforslag til eksamen i TFY4230 STATISTISK FYSIKK Tirsdag 9. aug 2011

EN Skriving for kommunikasjon og tenkning

Oppgave 1. ( xφ) φ x t, hvis t er substituerbar for x i φ.

Institutt for fysikk Kontaktperson ved eksamen: Professor Berit Kjeldstad

UNIVERSITY OF OSLO DEPARTMENT OF ECONOMICS

Trigonometric Substitution

EKSAMENSOPPGAVE I BI2034 Samfunnsøkologi EXAMINATION IN: BI Community ecology

Eksamen i FY3403/TFY4290 PARTIKKELFYSIKK Mandag 12. desember :00 13:00

FYS 3120: Klassisk mekanikk og elektrodynamikk

FINAL EXAM IN STA-2001

Bokmål / Nynorsk / English NORGES TEKNISK- NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET INSTITUTT FOR FYSIKK. Eksamen TFY4185 Måleteknikk

Graphs similar to strongly regular graphs

UNIVERSITETET I OSLO

Oppgave 1. Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet NTNU Institutt for fysikk EKSAMEN I: MNFFY 245 INNFØRING I KVANTEMEKANIKK

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

Databases 1. Extended Relational Algebra

Eksamen TFY 4210 Kvanteteorien for mangepartikkelsystem, våren 2012

Ma Flerdimensjonal Analyse Øving 1

Dialogkveld 03. mars Mobbing i barnehagen

Examination paper for SØK2009 International Macroeconomics

Siste seminar: Foreslåtte oppgaver basert på ønsker.

Hvor mye praktisk kunnskap har du tilegnet deg på dette emnet? (1 = ingen, 5 = mye)

Eksamen FY0001 Brukerkurs i fysikk Fredag 29. mai 2009

Oppgave. føden)? i tråd med

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

The exam consists of 2 problems. Both must be answered. English

PARABOLSPEIL. Still deg bak krysset

Hvor mye teoretisk kunnskap har du tilegnet deg på dette emnet? (1 = ingen, 5 = mye)

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 19: Kosmologi

UNIVERSITY OF OSLO DEPARTMENT OF ECONOMICS

Verifiable Secret-Sharing Schemes

Examination paper for (BI 2015) (Molekylærbiologi, laboratoriekurs)

Løsningsforslag til eksamen i SIF4072 KLASSISK FELTTEORI Torsdag 8. august 2002

UNIVERSITETET I OSLO

Transkript:

NTNU Side 1 av 3 Institutt for fysikk Faglig kontakt under eksamen: Professor Kåre Olaussen Telefon: 45 43 71 70 Eksamen i FY3452 GRAVITASJON OG KOSMOLOGI Lørdag 11. august 2012 09:00 13:00 Tillatte hjelpemidler: Alternativ C Standard kalkulator (ifølge NTNU s liste). K. Rottman: Matematisk formelsamling (alle språkutgaver). Barnett & Cronin: Mathematical Formulae There is also an english version of this exam set. Dette oppgavesettet er på 3 sider. Oppgave 1. Raskere-enn-lyset (superluminal) bevegelse? Sammenligning av observerte kjente spektrallinjer fra kvasaren 3C345 (med bølgelengde λ 3C345 ) med tilsvarende fra jorda (med bølgelengde λ earth ) viser en betydelig rødforskyvning: λ 3C345 λ earth 1 + z 1.595. (1) a) Anta først at observasjonen (1) i sin helhet skyldes universets ekspansjon, og bruk den til å anslå avstanden fra jorda til 3C345 (i) da strålingen ble emittert, og (ii) idag. Begge deler målt i kosmologisk medfølgende (comoving) koordinater, dvs koordinatsystemet der den kosmiske bakgrunnsstrålingen er isotrop. b) Anta istedet at observasjonen (1) i sin helhet skyldes at jorda og 3C345 beveger seg fra hverandre i et flatt tidrom (Minkowski-rommet) med hastighet v, og bruk den til å bestemme v. c) Den største anisotropien som man måler i den kosmiske bakgrunnsstrålingen kan forklares ved at jorda beveger seg i forhold til det medfølgende koordinatsystemet (der den kosmiske bakgrunnsstrålingen er isotrop). Med omtrent hvilken hastighet, v earth, tror du denne bevegelsen skjer idag? d) I virkeligheten må man forvente at rødforskyvningen (1) både skyldes universets ekspansjon, og at 3C345 og jorda har hver sine hastigheter målt i medfølgende koordinater. Anslå hvor stor usikkerhet dette siste gir i avstandene du fant i punkt a). e) Observasjoner av skyer i 3C345 har identifisert en sky som beveger seg med en vinkelhastighet 9 radianer ω = 2.3 10 år i forhold til sentrum av 3C345. Anta at denne skyen beveger seg på tvers av synsretningen. Med hvilken hastighet V må den da bevege seg? (2)

Eksamen i FY3452 Gravitasjon og kosmologi, 11.08.2012 Side 2 av 3 f) Med riktig regning skal du ha funnet at V c i forrige punkt(!). Dette resultatet har vært brukt til å argumentere for at kvasarer umulig kan være så langt borte som rødforskyningen indikerer. Det er imidlertid en annen mulig forklaring, som du skal utforske her. Anta at skyen ikke beveger seg på tvers av synsretningen, men med en vinkel θ i forhold til den, som skissert i figuren til høyre. Den hastigheten V som kreves for å forklare observasjonen (2) vil da avhenge av hvilken vinkel θ vi antar. Finn denne sammenhengen. Hva er den minste verdien V kan ha? Tips 1: For å forenkle analysen kan du anta at alt skjer i Minkowskirommet. Tips 2: Husk å ta hensyn til den tiden det tar fra strålingen emitteres til den detekteres. Oppgitt: Hubble konstanten er idag (tid t 0 ) H 0 d dt log(a(t)) t=t0 0.721 9.777 752 10 10 år. (3) R θ V Oppgave 2. Ladet skalfelt Det komplekse Klein-Gordon feltet kan brukes til å modellere en samling av ladete skalar-partikler. Dynamikken er definert av Langrange-funksjonen L = η µν (D µ ϕ) D ν ϕ κ 2 ϕ ϕ λ (ϕ ϕ) 2 (4) der D µ = µ +iqa µ er den kovariant deriverte for elektrodynamikk, κ 1 er en karakteristisk lengdeparameter, og λ er en vekselvirkningsparameter. Vi bruker metrikken η µν = diag (1, 1, 1, 1). a) Hva er Euler-Lagrange ligningen for ϕ? b) Hva er Euler-Lagrange ligningen for ϕ? c) Vis at Lagrange-funksjonen (4) er invariant under globale fasetransformasjoner, ϕ(x) ϕ (x) = e iα ϕ(x), ϕ (x) ϕ (x) = e iα ϕ (x). (5) Hva er de infinitesemale versjonene av disse transformasjonene? d) Hva er den konserverte Nöther-strømmen som følger av denne invariansen? e) Hva er de kanonisk konjugerte impulstetthetene Π ϕ og Π ϕ til henholdsvis feltet ϕ og ϕ? f) Hva er Hamilton-tettheten H (energitettheten) for denne modellen? g) Anta at A 0 0 (men konstant) og A = 0. Hva er laveste energi for dette systemet? Hvordan avhenger resultatet av verdien κ 2 (som du kan anta å være både positiv og negativ)?

Eksamen i FY3452 Gravitasjon og kosmologi, 11.08.2012 Side 3 av 3 Oppgave 3. Indekser, indekser... Mange rutineberegninger i generell relativitetsteori går ut på å manipulere indekser. Tabellen under viser noen resultater av slike manipulasjoner. Hvilke av disse er (R) opplagt riktige, (W) opplagt gale, og (M) kanskje riktige kanskje gale (avhengig av størrelsene som er involvert)? a) g αβ dx α dx β = g αβ dx α dx γ b) g αβ a α b β = g αβ a α c β c) g αβ a α b β = g βγ a γ b β d) Γ α αγ a γ = g αβ a α b β e) Γ α βγ aα b β c γ = b α f) x α / x β = δβ α g) g αβ / x γ = 0 x α x β h) g αβ x γ x δ = g x γ x δ γδ x α x β i) g αβ a α b β = g αβ a α b β j) a α ( g βγ b β b γ) = b γ k) Γ α αβ = Γβ ββ l) g αβ = η αβ m) ξ µ µ = ξ ρ ρ n) g µρ ξ ρ,ν = ξ µ,ν o) g µρ ξ ρ ;ν = ξ µ;ν

Some expressions which may be of use Euler-Lagrange equations The Euler-Lagrange equations for a field theory described by the Lagrangian L = L(ϕ a, µ ϕ a, x) are ( ) L µ = L. (6) ( µ ϕ a ) ϕ a The corresponding equations for point particle mechanics is obtained by restricting µ to only a time derivative d/dt. Nöther s theorem Assume the action is invariant under the continuous transformations ϕ a ϕ a + ε δϕ a + O(ε 2 ), more precisely that L L + ε µ Λ µ + O(ɛ 2 ) under this transformation. Then there is an associated conserved current, J µ = L ( µ ϕ a ) δϕ a Λ µ. (7) I.e., µ J µ = 0. The corresponding expression for point particle mechanics is obtained by restricting µ to only a time derivative d/dt.

NTNU Page 1 of 3 Institutt for fysikk Contact during the exam: Professor Kåre Olaussen Telephone: 45 43 71 70 Exam in FY3452 GRAVITATION AND COSMOLOGY Saturday august 11, 2012 09:00 13:00 Allowed help: Alternativ C Standard calculator (according to list made by NTNU). K. Rottman: Matematisk formelsamling (all languages). Barnett & Cronin: Mathematical Formulae Det er også en norsk versjon av dette eksamenssettet. This problemset consists of 3 pages. Problem 1. Faster-than-light (superluminal) motion? Comparison of observed known spectral lines from the quasar 3C345 (with wavelength λ 3C345 ) with corresponding ones from earth (with wavelength λ earth ) show a considerable redshift λ 3C345 λ earth 1 + z 1.595. (1) a) First assume that the observation (1) is entirely due to the expansion of the universe, and use it to estimate the distance between earth and 3C345 (i) when the radiation was emitted, and (ii) today. Both measured in cosmological comoving coordinates, i.e. a coordinate system where the cosmic background radiation is isotropic. b) Next assume instead that the observation (1) is entirely due to a relative motion between earth and 3C345 in flat spactime (Minkowski space, with relative velocity v, and use it to determine v. c) The largest anisotropy measured in the cosmic background radiation kan be explained by the earth s motion relative to the comoving coordinate system (where the cosmic background ratiation is isotropic). About which velocity, v earth, do you think this motion has today? d) In the real world one must expect the redshift (1) to be due to both the expansion of the universe, and the motions of 3C345 and earth in comoving coordinates. Estimate which uncertainty the latter motions have on the distances you found in point a). e) Observations of clouds in 3C345 have identified a cloud moving with angular velocity 9 radians ω = 2.3 10 year (2) relative to the center of 3C345. Assume that this cloud moves in a direction orthogonal to the line of sight. With which velocity V must it move?

Exam in FY3452 Gravitation and cosmology, 11.08.2012 Page 2 of 3 f) If you calculated correctly you should have found V c in the previous point(!). This result has been used to argue that quasars cannot possibly be so far away as their redshift indicates. There is however another possible explanation, which you should investigate here. Assume that the cloud move at an angle θ relative to the line of sight, as indicated in the figure to the right. The velocity V required to explain the observation (2) will depend on which angle θ we assume. Find this connection. What is the lowest value V may have? Hint 1: To simplify the analysis you may assume that everything happens in Minkowski space. Hint 2: Remember to take into accound the time from the radiation is emitted until it is detected. R θ V Oppgitt: The Hubble constant today (time t 0 ) is H 0 d dt log(a(t)) t=t0 0.721 9.777 752 10 10 year. (3) Problem 2. Charged scalar field The complex Klein-Gordon field can be used to model a collection of charged scalar particles. The dynamics is defined by the Langrangian L = η µν (D µ ϕ) D ν ϕ κ 2 ϕ ϕ λ (ϕ ϕ) 2 (4) where D µ = µ + iqa µ is the covariant derivative of electrodynamics, κ 1 is a characteristic length parameter, and λ is an interaction parameter. We use the metric η µν = diag (1, 1, 1, 1). a) What is the Euler-Lagrange equation for ϕ? b) What is the Euler-Lagrange equation for ϕ? c) Show that the Lagrangian (4) is invariant under global phase transformations, ϕ(x) ϕ (x) = e iα ϕ(x), ϕ (x) ϕ (x) = e iα ϕ (x). (5) What are the infinitesemal versions of these transformations? d) What is the conserved Nöther current resulting from this invariance? e) What are the canonically conjugate momentum densities Π ϕ and Π ϕ of respectively the field ϕ and ϕ? f) What is the Hamiltonian density H (energy density) of this model? g) Assume that A 0 0 (but constant) and A = 0. What is the lowest energy of this system? How does this result depend on the value of A 0?

Exam in FY3452 Gravitation and cosmology, 11.08.2012 Page 3 of 3 Problem 3. Indices, indices... Many routine computations in General Relativity consists of index manipulations. The table below show some results of such manipulations. Which of these are (R) obviously right, (W) obviously wrong, and (M) maybe right maybe wrong (depending on the quantities involved)? a) g αβ dx α dx β = g αβ dx α dx γ b) g αβ a α b β = g αβ a α c β c) g αβ a α b β = g βγ a γ b β d) Γ α αγ a γ = g αβ a α b β e) Γ α βγ aα b β c γ = b α f) x α / x β = δβ α g) g αβ / x γ = 0 x α x β h) g αβ x γ x δ = g x γ x δ γδ x α x β i) g αβ a α b β = g αβ a α b β j) a α ( g βγ b β b γ) = b γ k) Γ α αβ = Γβ ββ l) g αβ = η αβ m) ξ µ µ = ξ ρ ρ n) g µρ ξ ρ,ν = ξ µ,ν o) g µρ ξ ρ ;ν = ξ µ;ν

Some expressions which may be of use Euler-Lagrange equations The Euler-Lagrange equations for a field theory described by the Lagrangian L = L(ϕ a, µ ϕ a, x) are ( ) L µ = L. (6) ( µ ϕ a ) ϕ a The corresponding equations for point particle mechanics is obtained by restricting µ to only a time derivative d/dt. Nöther s theorem Assume the action is invariant under the continuous transformations ϕ a ϕ a + ε δϕ a + O(ε 2 ), more precisely that L L + ε µ Λ µ + O(ɛ 2 ) under this transformation. Then there is an associated conserved current, J µ = L ( µ ϕ a ) δϕ a Λ µ. (7) I.e., µ J µ = 0. The corresponding expression for point particle mechanics is obtained by restricting µ to only a time derivative d/dt.