AST 1010 En kosmisk reise Forelesning 5 Dopplereffekten

AST 1010 – En kosmisk reise Forelesning 5: Dopplereffekten Relativitetsteori Partikkelfysikk

Energisprang, bølgelengder og spektrallinjer i hydrogen • Viktig detalj: • Kortere bølgelengde betyr høyere energi Spektralserier i hydrogen. • Jo større forskjell mellom energinivåer, desto kortere bølgelengde på linje 2

https: //www. youtube. com/watch? v=h 4 On. BYrb. Cj. Y

Dopplereffekten • Alle typer bølger: – trykkbølger i luft (lyd) – elektromagnetiske bølger (lys) • Rødforskyvning: Kilde på vei bort fra observatør • Blåforskyvning: Kilde på vei mot observatør

Dopplereffekten • Eget notat (supplement til læreboken): Se pensumoversikten • Astrofysiske anvendelser: – Måle hastigheter mot/fra oss på objekter – Oppdage eksoplaneter (kap. 14) – Måle selve rommets ekspansjon (kap. 17)

Ser forskyvning på spektrallinjer

For elektromagnetisk stråling: •

Forrige forelesning: Lys som bølge 8

Men er lys bare bølger? • https: //www. youtube. com/watch? v=h. Sg. IDg. G p. Rpk • Elektromagnetisk stråling oppfører seg som BÅDE bølger og masseløse partikler (fotoner) • Små massive partikler har samme oppførsel: https: //www. youtube. com/watch? v=Q_h 4 Io. P JXZw

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 • 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 • https: //www. youtube. com/watch? v=7 q. Jo. RNse y. LQ

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.

1905: Spesiell relativitetsteori (SR) • https: //www. youtube. com/watch? v=ajh. FNc UTJI 0

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

Konsekvens: Tid blir også relativt! • Lyset går en lenger vei sett utenfra • Men lyshastigheten er alltid den samme • Da bruker lyset mer tid sett utenfra

Hva innebærer relativ tid? • Tiden går annerledes når du beveger deg • Observatører som beveger seg (relativt til hverandre) er uenige i om noe skjedde samtidig eller ikke • (men begge kan ha rett, fra sitt perspektiv) • OBS: Du kan ikke reise bakover i tid, eller se framtiden

Energien til noe som beveger seg (ikke pensum)

https: //www. youtube. com/watch ? v=h. W 7 DW 9 NIO 9 M

Et kosmologisk mysterium •

Et kosmologisk mysterium •

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?

Det vi kaller gravitasjon er krumning av rommet i GR “Rett fram” får ny betydning i nærheten av store masser/energier

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)

https: //www. youtube. com/watch? v=p 98 tv. Nz. EYp. E

Gravitasjon påvirker også klokker • Med jordnært eksempel: GPS-satellitt • Bruker klokker for å måle posisjon: – Flere satellitter tar imot signalet ditt til ulik tid – Tidsforskjellene forteller hvor du befinner deg • 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

Litt kjernefysikk Randall Munroe https: //xkcd. com/

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

Fisjon og fusjon •

Bindingsenergi i atomkjerner (jern på toppen)

Vanlig misforståelse: • «Det er denne bindingsenergien som frigjøres i kjerneprosesser (fusjon og fisjon)» • Dette er ikke riktig

Eksempel (fusjon med energitap) • Vi vil splitte opp jern og lage helium • Må bruke masse energi for å dele opp jernet i protoner og nøytroner (overvinne bindingsenergien) • Får tilbake litt energi ved å lage helium av disse

Masse per kjernepartikkel •

Jo høyere bindingsenergi, jo mindre masse per kjernepartikkel

https: //www. youtube. com/watch? v= Uk. Lki. Xi. OCWU

Fisjonsbombe • Radioaktivt materiale presses sammen av konvensjonelle eksplosiver • Fisjon løper løpsk ved kritisk masse (eller tetthet)

Hydrogenbombe • Steg 1: Først en ”vanlig” fisjonsbombe • Steg 2: Temperatur og trykk høyt nok til fusjon av hydrogen til helium • Primitiv teknologi: Fusjon kan foreløpig ikke utnyttes i kraftverk (slik fisjon kan)

Svak kjernekraft: Beta-henfall • Frie nøytroner er ustabile (halveringstid 10. 2 min) • Nøytroner i atomkjerner kan være stabile. Unntak: Noen radioaktive kjerner • OBS: Nøytroner må ikke forveksles med nøytrinoer (en helt annen partikkel)

Motsatt vei: Nøytronstjerner

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 Elektromagnetisk Ladde partikler 1 Rekkevidde Kraftpartikkel Foton Sterk Kvarker og kjernekraft gluoner 137 Atomkjerne Gluon Svak Kvarker og kjernekraft leptoner* Tyngdekraft Alt 0. 0001 (10 -4) 10 -36 Atomkjerne W-boson Z-boson 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 Styrke (relativ) på 10 -15 m Elektromagnetisk 1 Sterk kjernekraft 137 Svak kjernekraft 0. 0001 (10 -4) Tyngdekraft 10 -36 • 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 • Men all masse er ”positiv”: Tyngdekraften alltid tiltrekkende

”Mikroskop” for partikkelfysikk

Standardmodellen for partikkelfysikk