Embed Size (px)
Citation preview
05/09/17
1
AST1010 – En kosmisk reise
Forelesning 5: Dopplereffekten Rela?vitetsteori Par?kkelfysikk
2
Energisprang, bølgelengder og spektrallinjer i hydrogen
Spektralserier i hydrogen.
• Vik?g detalj:
• Kortere bølgelengde betyr høyere energi
• Jo større forskjell mellom energi-‐nivåer, desto kortere bølgelengde på linje
05/09/17
2
hQps://www.youtube.com/watch?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
05/09/17
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
05/09/17
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!
8
Forrige forelesning: Lys som bølge
05/09/17
5
Men er lys bare bølger?
• hQps://www.youtube.com/watch?v=hSgIDgGpRpk
• Elektromagne?sk stråling oppfører seg som BÅDE bølger og masseløse par?kler (fotoner)
• Små massive par?kler har samme oppførsel: hQps://www.youtube.com/watch?v=Q_h4IoPJXZw
Rela?vitetsteori
05/09/17
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)
05/09/17
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://www.youtube.com/watch?v=7qJoRNseyLQ
05/09/17
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?
05/09/17
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://www.youtube.com/watch?v=ajhFNcUTJI0
05/09/17
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
05/09/17
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− v2
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
05/09/17
12
Når 𝑣=0: Hvile-‐energi
𝐸=𝑚𝑐↑2
hQps://www.youtube.com/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?
05/09/17
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/0310808v2.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)
05/09/17
14
Tyngdeakselerasjon = annen akselerasjon
Vektløs = friQ fall
05/09/17
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
05/09/17
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)
05/09/17
17
hQps://www.youtube.com/watch?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
05/09/17
18
LiQ kjernefysikk
Randall Munroehttps://xkcd.com/
Protoner og nøytroner bindes sammen av den sterke kjernekra\en
(Overvinner EM-‐kra\ mellom protonene)
05/09/17
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=𝑚𝑐↑2
Bindingsenergi i atomkjerner (jern på toppen)
05/09/17
20
Jo høyere bindingsenergi, jo mindre masse per kjernepar?kkel
hQps://www.youtube.com/watch?v=UkLkiXiOCWU
05/09/17
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
05/09/17
22
LiQ par?kkelfysikk
Kvarker
Opp-‐kvark (u): Ladning +2/3 Ned-‐kvark (d): Ladning -‐1/3
05/09/17
23
Kre\er formidles av par?kler Kra$ Påvirker
hva? Styrke (rela3v) på 10-‐15 m
Rekkevidde Kra$-‐par3kkel
Elektro-‐magne?sk
Ladde par?kler
1 Foton
Sterk kjernekra\
Kvarker og gluoner
137 Atomkjerne Gluon
Svak kjernekra\
Kvarker og leptoner*
0.0001 (10-‐4)
Atomkjerne W-‐boson Z-‐boson
Tyngdekra\ Alt 10-‐36 Graviton?
(*: Elektroner og nøytrinoer er eksempler på leptoner. De påvirkes av den svake, men ikke den sterke kjernekra\en.)
Hvorfor merker vi mest ?l den svakeste kra\en av alle?
Kra$ Styrke (rela3v) på 10-‐15 m
Elektro-‐magne?sk
1
Sterk kjernekra\
137
Svak kjernekra\
0.0001 (10-‐4)
Tyngdekra\ 10-‐36
• De to kjernekre\ene har for kort rekkevidde ?l at vi merker dem i stor skala
• Universet er ca. elektrisk nøytralt: Posi?v og nega?v ladning kansellerer hverandre
• Men all masse er ”posi?v”: Tyngdekra\en all?d ?ltrekkende
05/09/17
24
”Mikroskop” for par?kkelfysikk
Standardmodellen for par?kkelfysikk
