KVANT

Kosmiske partikler med meget høj energi rammer Jorden hele tiden. De højeste energier, der er målt, er over 10²⁰ eV, og det har i mange år været et mysterium, hvad kilden til disse partikler er. Under 10¹⁸ eV kommer partiklerne formentlig fra supernovarester i vores egen galakse, mens partikler med højere energi kommer fra ekstragalaktiske kilder. Nye resultater fra Pierre Auger eksperimentet viser, at partikler med meget høj energi med stor sandsynlighed kommer fra aktive galakser.

Er du nogensinde blevet ramt af en partikel fra oven? Selvfølgelig er du det! Kosmiske partikler regner ned over Jorden hvert sekund, og fysikere har i årevis kæmpet med at forklare hvor de kom fra og hvorfor nogle af dem synes at have energier der overstiger hvad der er teoretisk muligt. Mange modeller har været foreslået, og nu lader det endelig til at nogle af svarene er inde for rækkevidde.

Den kosmiske forbindelse til engagerende undervisning: Bring forskningen ind i klasseværelset! Dette er netop idéen bag DUKS projektet, der har som vision at knytte de danske gymnasier sammen i et netværk, som kan bringe forskningen ind i gymnasiet. Selve DUKS projektet søger at opbygge og operere forskellige målestationer til måling af ``extended airshowers'', dvs. byger af partikler stammende fra meget højenergetiske partikler fra det ydre rum, med henblik på senere at kunne skabe et dansk ``ground array'' gennem udvidelse til hvert eneste interesserede gymnasium.

Jagten på mørkt stof drejer sig om et af de mest fundamentale spørgsmål i astrofysikken. De mørke partikler er stadig ikke observeret eksperimentelt, men i mere end 10 år har man ledt efter dem i 1100 meters dybde i en mine i Boulby i det nordøstlige England.

Diskussioner af grundlagsproblemer af virkelig fundamental karakter er sjældne i de fysiske videnskaber, der hviler på alment accepterede idéer om, hvornår teorier og påstande har videnskabelig karakter. En grundlæggende fysisk teori kan kritiseres for at være dårlig eller utilstrækkelig, men kun i sjældne tilfælde vil der rejses tvivl om dens videnskabelige legitimitet, dvs. hvorvidt den overhovedet er videnskabelig. Et sådant tilfælde diskuteres for tiden af fysikere og astronomer i forbindelse med en populær kosmologisk teori om 'mange universer'. Er der tale om et paradigmeskift i fysikken, eller blot om metafysik forklædt som videnskab?

Eksistensen af mørkt stof er veletableret gennem en lang række astrofysiske observationer på størrelsesskalaer fra de mindste dværggalakser til hele universet. Vi ved dog stadig overraskende lidt om den partikel, der udgør det mørke stof. Vi tilbyder her et overblik over hvor meget (eller hvor lidt) vi rent faktisk er sikre på, såsom hvad massen af den mørke partikel og dens vekselvirkninger med andre partikler er, og vi fortæller om, hvordan vi forsøger at fravriste den mørke partikel dens hemmeligheder.

Med ESA's Planck satellit vil vi få kort over mikrobølge-baggrundstrålingen med hidtil uset følsomhed og detaljerigdom. Disse data vil give nye unikke informationer om de allertidligste faser i Universets udvikling. DTU Space har været ansvarlig for levering af spejlsystemet til Planck og dermed sikret danske forskere's direkte adgang til denne eneståended database. Planck satellitten skal sendes op i maj år og vil nå sin bane omkring Solen ca. 1,5 millioner km fra Jorden efter ca. 2,5 måneder. I artiklen vil de videnskabelige forventninger til Planck og det danske engagement blive nærmere beskrevet.

Det tidlige univers bestod, indtil omkring en milliontedel sekund efter Big Bang, af en blanding af de partikler vi i dag anser for fundamentale: kvarkerne, og leptonerne og de kraftformidlende partikler, gluoner, fotoner, W- og Z-bosoner og gravitoner (disse sidste er dog endnu ikke påvist eksperimentelt). Omkring dette tidspunkt var Universets tæthed og temperatur faldet så meget, at de letteste kvarker kunne bindes i baryonerne tre ad gangen, og derved danne f.eks. protoner og neutroner. Siden det første mikrosekund har kvarkerne været gemt væk i kernepartiklerne.

I denne artikel vil vi give en introduktion til nogle af de væsentligste træk ved kosmologiens standardmodel -- Big Bang-teorien. Teorien beskriver egentlig kun Universets geometri og dynamik, men sammen med kvantefysikken kan stoffets strukturer forklares på mange skalaer. For at få alt til at passe, må man dog medregne en hypotetisk udvidelse i det tidlige univers, kaldet inflationen. Big Bang-teorien kan imidlertid ikke forklare selve begyndelsen.

Mørk energi er en af den moderne fysiks største mysterier. Ved at accelerere Universets udvidelse, bestemmer det Universets skæbne. Alligevel har vi ingen idé om dets natur eller identitet.

Hvorfor er vi interesserede i at forene Einsteins almene relativitetsteori, teorien for makrokosmos, og kvantemekanik, teorien for mikrokosmos? En sådan teori vil måske kunne forklare Big Bang.

Ikke-kommutativ geometri er en relativt ny matematisk disciplin, som er opstået ved sammensmeltning af forskellige grene af matematikken. Den har indført nye idéer og veje at tænke på mange velkendte matematiske problemer i topologi, geometrisk gruppeteori og matematisk fysik. I denne artikel vil vi forsøge at forklare lidt om dens metoder og hvordan de kan tænkes at blive anvendt i kvantegravitation.

Kosmologi er en udviklingsvidenskab, der rekonstruerer Universets historie fra Big Bang til den sene fremkomst af intelligent liv. Ifølge nogle fysikere er den kosmiske fremtid nok så væsentlig som fortiden, især hvis fremtidsscenarierne omfatter livets skæbne. Vil intelligent liv være en parentes i Universets historie, eller vil det fortsat eksistere i den fjerne fremtid, måske i al evighed? Et nyt og kontroversielt forskningsområde, kaldet 'fysisk eskatologi', beskæftiger sig med disse spørgsmål.

Nobelprisen i fysik 2011 gik til Saul Perlmutter, Brian Schmidt og Adam Riess. De fik prisen for at påvise, at Universets ekspansion er accelererende, således at fjerne galakser bevæger sig hurtigere og hurtigere væk fra hinanden. Effekten blev fundet ud fra studiet af supernovaer detekteret på kosmologiske afstande, dvs. supernova-begivenheder, som fandt sted for milliarder af år siden. Danske forskere var imidlertid først til at påvise supernovaer på kosmologiske afstande og dermed bevise, at supernovaer kunne bruges til at studere Universets ekspansion over tidsrum, der udgør en væsentlig brøkdel af Universets alder.

Vi gør op med populære misforståelser for at skabe mere klarhed. Teorien om Big Bang handler ikke om Universets skabelse men om Universets udvikling, og teorien siger ikke, at Universets ekspansion er resultat af en eksplosion. Universet begyndte sin ekspansion ved Big Bang som beskrevet af George Gamow og medarbejdere i 1948. Men de forudsagde ikke klart eksistensen af den kosmiske baggrundsstråling af mikrobølger, der først blev opdaget i 1965 af Penzias og Wilson. Dette forløb er emnet for denne artikel, der også beskriver den kosmiske horisont og Universets videre udvikling i de forløbne 13.700 millioner år.

Satellitmissionen Planck har brugt næsten tre år (2009--2012) på i detaljer at kortlægge den kosmologiske baggrundsstråling (CMB), som er det sidste lys fra Big Bang. De første kosmologiske resultater forventes færdige i januar 2013, men der er allerede blevet udgivet en del andre astronomiske resultater, som dækker himlen bedre end tidligere målinger. Et katalog af punktkilder - herunder flere nye galaksehobe - er et af de vigtigste produkter, men galaktisk støv, stjernedannelsesområder og mange andre slags objekter, studeres ligeledes af Planck.

Neutrinoer er de letteste partikler vi kender til, og alligevel står de bag nogle af de største mysterier i moderne fysik: Vi ved ikke hvad de vejer, og vi kan ikke rigtig blive enige om, hvor mange slags der findes.

De første kosmologiske resultater fra den europæiske Planck-satellit (omtalt i KVANT nr. 2, 2009 og KVANT nr. 3, 2012) blev offentliggjort den 21. marts.

Kan det moderne naturvidenskabelige verdensbillede formidles gennem poesi? I dette lille 'episke digt' fortælles om Universets udvikling fra Big Bang til dannelsen af atomer, stjerner, galakser og det undrende menneske. Naturvidenskab og poesi kan virke som modsætninger - to uforenelige beskrivelses- eller erkendelsesformer - men de kan også tilsammen skabe et frugtbart spændingsfelt, hvor de tilfører hinanden noget interessant og væsentligt.

I november 1915 kunne Einstein efter mange års intenst arbejde fremlægge den endelige version af sin nye teori for tyngdekraften, der markerer et af videnskabens absolutte højdepunkter. Processen fra den specielle til den generelle teori var hård, til tider næsten en mental tortur. Lad os følge Einstein på hans rejse til den teori, der snart fylder 100 år.

Einsteins almene relativitetsteori brød fundamentalt med Newtons teori for tyngdekraften. I Einsteins formulering giver masse anledning til krumning af rummet og rummets krumning bestemmer, hvordan partikler bevæger sig. Dette gælder også de masseløse lyspartikler, fotonerne. I anledning af 100-året for Einsteins teori og i anledning af Lysets År 2015 beskriver vi her nogle bemærkelsesværdige konsekvenser af den almene relativitetsteori for lysets passage gennem Universet og en unik test af teoriens rigtighed, som vi vil kende resultatet af omkring årsskiftet 2015/2016.

En af de største gåder indenfor kosmologien er bestemmelsen af det mørke stofs fordeling og natur, da det spiller en central rolle i forbindelse med strukturdannelsen i Universet, i galakser hvor det påvirker hastighedsfordelingen samt i galaksehobe, hvor alt tyder på, at galaksehobe ganske enkelt burde blive splittet ad uden mørkt stof. I denne artikel vil jeg give en kort introduktion til, hvordan gravitationelle linser kan bruges til at modellere fordelingen af stof i galaksehobe, herunder mørkt stof.

I Einsteins almene relativitetsteori, fremsat for 101 år siden, giver masse anledning til krumning af rumtiden. Den største krumning sker, omkring sorte huller som er meget kompakte. Længe har sorte huller været omgærdet af mystik, dels pga. den ukendte fysik som hersker og dels da man ikke vidste, om de faktisk eksisterer. Vi ved nu, at sorte huller findes i stort antal og i mange størrelser. Jeg beskriver her, hvorledes tunge sorte huller kan bruges til at udforske Universet og til at forstå nogle af de mere specielle hjørner af fysikken.

I foråret 2016 indledte kunstneren Olafur Eliasson og astrofysikeren Aurélien Barrau en mailkorrespondance i anledning af Eliassons udstilling ''The parliament of possibilities'' på Leeum Samsung Museum of Art i Seoul. Det blev til en samtale i grænselandet mellem kunst og videnskab om, hvordan vi forstår verden, om rum og relativitetsteori, krop, kreativitet, tænkning og handling, og om hvordan, vi kan nå frem til nye indsigter ved at åbne vores sanser.