Få de daglige nyheder fra Version2 og Ingeniøren. Læs mere om nyhedsbrevene her.

close
Ved at tilmelde dig accepterer du vores Brugerbetingelser, og du accepterer, at Teknologiens Mediehus og IDA-gruppen lejlighedsvis kan kontakte dig om arrangementer, analyser, nyheder, job og tilbud m.m. via telefon og e-mail. I nyhedsbreve, e-mails fra Teknologiens Mediehus kan der forefindes markedsføring fra samarbejdspartnere.
Fundamental fysik bloghoved

Tyngdebølger og Big Bang: Når anden gang er mere interessant end første gang

De fleste af denne blogs læsere kan sikkert huske at LIGO -og VIRGO-kollaborationerne tidligere i år annoncerede den første direkte observation af tyngdebølger. Det samme eksperiment har nu fået en begivenhed mere i posen, og selvom "opdagelse" nummer to selvfølgelig ikke har samme nyhedsinteresse (ingen overskrifter om at Einstein alligevel havde ret...) og signifikans, vil jeg mene at den på nogen punkter er mere interessant.

Selve opdagelsen af tyngdebølger var naturligvis enormt interessant og signifikant, men for de færreste fysikere specielt overraskende. Som jeg i et tidligere, lidt teknisk blogindlæg har fortalt om, er Einsteins generelle relativitetsteori "bare" en helt almindelig klassisk feltteori, hvor geometri viser sig at spille en speciel rolle. Det dumper direkte ud af teorien at tyngdekraft forventes at udbrede sig som bølger i rumtiden, og da tyngdekraften er meget svag, er det heller ikke specielt overraskende at tyngdebølgerne har været svære at observere. Efter min mening er det mest interessante spørgsmål hvor ofte en hændelse der kan måles af eksperimentet sker. Sker de ofte nok, åbner det for en helt ny klasse af observationer: Nemlig tyngdebølgeastronomi.

Indenfor astronomi laver man traditionelt forskellige typer observationer med forskellige dele af det elektromagnetiske spektrum. Da Galilei omkring 1600 fik den gode idé at rette sin kikkert mod himlen, begyndte han i virkeligheden den rejse som der nu tages et gigantisk nyt skridt af. Når man ser med en kikkert ud i rummet, observerer man elektromagnetisk stråling i den synlige del af spektret. Det er den del der har bølgelængder fra ca. 400-700 nanometer. Men det elektromagnetiske spektrum er meget bredere, og i dag observerer man himlen i hele det elektromagnetiske spektrum. Lige fra gammastråling og røntgen (der må observeres fra satelitter pga. skærmningen fra Jordens atmosfære) til radiobølger der har bølgelængder på makroskopisk skala. Med observationer af forskellige dele af det elektromagnetiske spektrum har vi lært alt hvad vi ved om Universet i dag.

Når man observerer Universet skal man altid huske at man ikke observerer den samme "nutid" som vi har her på Jorden, altså ca. 13 mia. år efter Big Bang. Den elektromagnetiske stråling man ser har været så længe undervejs, at man fra vores synspunkt observerer en fjern fortid. Andromeda-galaksen er for eksempel 2.3 mio lysår borte, så det lys vi ser udsendt fra Andromeda har, set fra vores synspunkt, været 2.3 mio år undervejs. Man skulle derfor tro, at man med en kraftig nok kikkert kunne se hele vejen tilbage til Big Bang - og dermed undre sig lidt over hvorfor vi er i tvivl om hvad der skete i Universets første øjeblikke. For at finde ud af hvorfor det er umuligt, skal vi have fat i noget partikelfysik.

Lige efter Big Bang var Universet meget mindre, og derfor meget mere energitæt. Det betyder at temperaturen var meget højere. Fra partikelfysikken ved vi hvad der sker når vi hæver temperaturen: Når den bliver højere end bindingsenergien for molekylære/atomare/etc. strukturer, falder de simpelthen fra hinanden. Vi har en nogenlunde idé om hvad der sker når temperaturen hæves helt op til ca. 10^12 K - det er 1000 milliarder grader. Det er nemlig de højeste temperaturer der skabes i kollisioner mellem tunge atomkerner ved LHC. Temperaturen er her for høj til at kvarker og gluoner kan sidde sammen i protoner og neutroner, og de er derfor at regne som frie partikler. I tidsregning er vi her ca. 10^-12 sekunder efter Big Bang. Når temperaturen er faldet så meget at protoner og neutroner har lov at sidde sammen, er det stadig ikke nok til at der kan dannes atomer. Temperaturen er stadig for høj til at kernerne overhovedet kan sidde sammen mere end én proton ad gangen, og rigtige atomkerner, der er tungere end brint, får vi først flere minutter efter Big Bang, i den såkaldte nukleosyntese.

Det er først når temperaturen bliver så lav at elektronerne kan sidde fast om atomkernerne, så vi får rigtige, stabile atomkerner, at fotoner - altså lyspartikler - kan trænge igennem den varme suppe. Her skal man huske at den elektromagnetiske kraft er meget svagere end den stærke kernekraft der binder atomkernerne sammen, så dette sker altså ikke før omkring 380.000 år efter Big Bang! Det er efter min mening en meget bemærkelsesværdig illustration af forskellen på de fundamentale naturkræfter. Elektromagnetiske effekter: 380.000 år. Stærk kernekraft, der lige nu repræsenterer grænsen for vores viden om naturens fundamentale byggesten: 10^-12 sekunder til minutter. Hvad med tyngdekraften? For at se tyngdekraftseffekter skal man helt tilbage til omkring 10^-32 sekunder for inflation af Universet (hvis det altså fandt sted), og endnu længere før man ser fundamentale strenge (hvis de altså findes). Når man ser historien på den måde: Som naturkræfter der én efter én har sin epoke, er der mange ting der falder på plads:

  • Det giver mening at stort set al den fysik der omgiver os kan beskrives af Maxwells ligninger. Vi er trods alt i en elektromagnetisk epoke.

  • Det giver også mening at vi ikke kan observere universet i epoken for stærk kernekraft og tyngdekraft med elektromagnetisk stråling.

Men hvad kan vi så gøre, og hvad har hele dennne historie at gøre med tyngdebølger? Tyngdebølgerne har intet problem med at trænge igennem det tidlige Univers, og hvis der har været en voldsom nok begivenhed, må man regne med at den kan observeres. Det er vigtigt at LIGO nu har vist at de ikke bare var svineheldige da de fangede den første begivenhed, men at deres apparat for alvor er sensitivt nok til at fange flere begivenheder - det giver mig stort håb for at de i fremtiden også vil kunne se andet end sammenstød mellem sorte huller (som denne begivenhed nummer to også var).

Én ting som jeg ved de kigger aktivt efter er såkaldte "kosmiske strenge". I inflationsteorien skulle Universet have udvidet sig dramatisk ca. 10^-32 sekunder efter Big Bang. Og dramatisk betyder her i størrelsesordenen en faktor ~10^80 i volumen. Hvis dette virkelig skete, skulle fluktuationer i de fundamentale strenge, som strengteorien forudsiger er de fundamentale byggeblokke, blive blæst op, så vi i dag skulle have strenge på omkring en atomkernes tykkelse, men med en længde på op til det synlige Univers. Disse enorme strenge vil, når de vibrerer, udsende tyngdebølger som kan detekteres af LIGO. Den nye teknik betyder altså at et område der tidligere var overladt helt til teoretiske tankespind, nu pludselig kan udsættes for eksperimentel kontrol.

Christian Bierlich er teoretisk partikelfysiker og er i gang med en ph.d. ved Lund Universitet. Han skriver om stort og småt fra fysikkens verden.
sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

HØRT!

Undskyld jeg hæver 'stemmen' men, som amatørastronom/-kosmologi-nørd genne 30-40 år, så er observation af tyngdebølger virkelig nyt og spændende! :-)
- Giv mig mere! :-)

  • 8
  • 0

Det gør de - ellers er det ikke de gravitationsbølger som Einstein forudsagde, men noget andet som er målt.

Hej Jens

Albert Einsteins teorier og antagelser er ikke de-facto korrekte:

Lawrence Berkeley National Laboratory (2003, June 19). Berkeley Lab Physicist Challenges Speed Of Gravity Claim. ScienceDaily:
Citat: "...
Albert Einstein may have been right that gravity travels at the same speed as light but, contrary to a claim made earlier this year, the theory has not yet been proven.
...
Most scientists believe this is true but the assumption was that it could only be proven through the detection of gravity waves.
...
Samuel argues that Kopeikin erred when he based his calculations on Jupiter's position at the time the quasar's radiowaves reached Earth rather than the position of Jupiter when the radiowaves passed by that planet.
...
"With the correct formula, the effects of the motion of Jupiter on the quasar-signal time-delay are at least 100 times and perhaps even a thousand times smaller than could have been measured by the array of radio telescopes that Fomalont used," Samuel says. "There's a reasonable chance that such measurements might one day be used to define the speed of gravity but they just aren't doable with our current technology."
..."

Indtil videre har Einstein relativitetsteori klaret sig fremragende. :-) - men...

Man ved dog, at Einsteins generelle relativitetsteori på et tidspunkt skal modificeres. Albert Einsteins generelle relativitetsteori og kvantemekanikken er pt inkompatible - så der må dukke noget nyt op senere:

Physics World, December 1999, Volume 12 Issue 12 Article 2: Quantum gravity presents the ultimate challenge to theorists:
Citat: "...Physics in the 20th century is founded on the twin pillars of quantum mechanics and the theory of relativity. However, in spite of the enormous successes of each theory individually, the two appear to be incompatible. This embarrassing contradiction at the very heart of theoretical physics remains one of the great outstanding challenges in science..."

  • 0
  • 0
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten