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.

En elev spurgte i en fysiktime om mørket også havde en hastighed ligesom lyset? Har mørket samme hastighed eller kan det bevæge sig hurtigere end lyset? To lærere giver hver sit bud og en professor i fysik svarer.

Fysikkens paradokser har altid tjent som godt pædagogisk hjælpemiddel. De sætter tingene på spidsen og demonstrerer, at der er noget man endnu ikke har forstået. Derved tvinger de en til dybere overvejelser og kan inspire til ny forskning. De følgende eksempler har været brugt i foredrag i UNF.

Sorte huller er en af de mest spektakulære forudsigelser af Einsteins Almene Relativitetsteori. Deres eksistens udfordrer de fundamentale begreber i fysikken så en forståelse af deres egenskaber er afgørende i vores søgen efter de fundamentale naturlove, specielt for en kvantisering af tyngdekraften. Strengteori, som er et af de mest lovende bud på en teori for de fundamentale naturlove, antager at der er flere rumlige dimensioner end de sædvanlige tre. Man kan derfor spørge, hvilke konsekvenser disse ekstra dimensioner har for sorte hullers fysik. I de sidste syv år har der været mange nye opdagelser, som tilsammen peger på, at sorte huller i ekstra dimensioner har nye og overraskende egenskaber, og at der er et ekstremt rigt landskab af mulige sorte huller.

De mest præcise målinger i fysikken laves i dag ved hjælp af atomure, hvor man kan undersøge atomers energistruktur i et meget kontrolleret miljø. De bedste af disse ure har i dag en nøjagtighed på 16 betydende cifre eller bedre, hvilket svarer til et ur der taber et sekund på omkring 300 millioner år. Igennem fysikkens historie har præcise målinger af atomer været vigtige for udviklingen af nye teorier og test af de eksisterende. Et klassisk eksempel er målinger af brints energistruktur og deres betydning for Bohrs udvikling af sin atommodel. I denne artikel vil vi beskrive hvordan atomure virker ved at fokusere på nogen af de tekniske fremskridt der er sket de sidste 10-20 år i dette felt. Desuden vil vi med nogle eksempler illustrere hvilke muligheder atomures utrolige nøjagtighed giver.

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.

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.

Vi vil skitsere nogle principper og resultater i et omfattende projekt, der prøver at undersøge sammenhænge mellem muligheden for liv, som vi kender det, og fysikkens naturlove, som vi kan forestille os dem.

Et ofte brugt citat om tid tillægges St. Augustins 'Bekendelser' fra ca. år 400: 'Hvad er tid? Hvis ingen spørger mig om det, ved jeg det. Hvis jeg vil forklare det, ved jeg det ikke'. Dette citat illustrerer meget godt sværheden af at forklare, hvad tiden egentlig er. Vi skal i denne artikel se nærmere på, hvad tiden er i fysikken, og også diskutere forskellige slags tidsrejser. Vi vil diskutere både den slags tidsrejser, som faktisk kan lade sig gøre (for de findes faktisk!), og også den mere spekulative slags. Desuden vil vi se på konsekvenserne af tidsrejser i form af tidsparadokser, der kan opstå, hvis man ændrer fortiden.

Et af de fysiktemaer, der hyppigt optræder i science fiction film, er tidsrejser. Vi skal her se på nogle film, hvor tidsrejser spiller en væsentlig rolle, samt identificere nogle af de vigtigste paradokser.

Sorte huller har normalt været anset som statiske, mens alle andre legemer i Universet roterer. Dette stemmer imidlertid ikke overens med den nylige opdagelse af et roterende sort hul i midten af galaksen NGC 1365. Hvilken effekt har rotationen af et sort hul på legemer i dets nærhed, og hvordan kan astronomer i det hele taget måle, at sorte huller roterer?

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.

Ved Large Hadron Collider på CERN er en måned om året afsat til et tungionsprogram, hvor man kolliderer store atomkerner. Målet for dette program er, at studere kvark-gluon plasma (forkortet 'QGP' efter ''Quark Gluon Plasma''), en makroskopisk ny tilstand for kvarker med stærke kollektive egenskaber. I det tidlige univers, få mikrosekunder efter Big Bang, indtraf en faseovergang, hvor kvarkerne gik fra at udgøre et QGP til at blive indespærret i protoner og neutroner (se KVANT nr. 4, 2010). Det er denne oprindelige QGP-fase vi genskaber i laboratoriet og som har vist sig at have mange overraskende egenskaber, bl.a. at den opfører sig som den mest perfekte væske vi kender til.

Med dette nummer markerer KVANT 100-året for Einsteins almene relativitetsteori. Vi bringer bl.a. artikler om tidens relative gang, kosmiske forstørrelsesglas, teoriens udvikling i perioden 1920-1970 og en artikel om tyngdekraft og kvanteteori.

Tidens gang ændres ved bevægelse og under påvirkning af tyngdekraften. Det medfører en række forunderlige fænomener. Hvis man eksempelvis sender et ur rundt om jorden i et rutefly, vil det gå langsommere i forhold til et ur, der er blevet tilbage i lufthavnen. Og Jordens centrum er et par år yngre end overfladen. Sådanne fænomener - og mange andre, der strider mod intuitionen - behandles i denne artikel, hvor Einsteins relativitetsteori er det grundlæggende tema.

Med Einsteins generelle relativitetsteori fra 1915 startede et nyt kapitel i fysikkens historie. Men allerede 10 år senere forekom det, at teorien befandt sig i et dødvande. Først i 1950'erne oplevede den noget slumrende teori en genfødsel, og siden da er dens betydning stedse vokset.

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.

Den almene relativitetsteori kan formuleres som en effektiv feltteori. Hermed opnås en perturbativ kvantemekanisk partikelfysisk beskrivelse af tyngdekraften i princippet op til energier i nærheden af Planck-skalaen. Det giver nye muligheder for anvendelser i højenergifysikken, herunder præcise teoretiske forudsigelser af kvantegravitationelle effekter.

Begejstringen var stor blandt fysikere verden over, da det blev annonceret den 11. februar 2016 [1,2], at tyngdebølger for første gang var observeret direkte. Forskere ved det amerikanske LIGO-eksperiment (LIGO = Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) havde observeret tyngdebølger fra sammensmeltningen af to sorte huller i en fjern galakse. Nyhedsmedierne kogte over og eksperter vurderede det som en historisk opdagelse, der fortjener en nobelpris. Selvom der ikke var megen tvivl om, at tyngdebølgerne eksisterede, blev det sammenlignet med et nyt vindue til Universet, som blev åbnet. Vi vil her gennemgå lidt af historien bag tyngdebølgerne, som er forudsagt af Einsteins almene relativitetsteori, og beskrive hvordan målingen af det svage signal kunne lade sig gøre.

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.

Den engelske teoretiske fysiker Stephen Hawking gæstede Danmark i dagene omkring den 24. august, hvor han om aftenen holdt et offentligt foredrag i et helt fyldt DR Koncerthus.