Kan man tro på det man inte kan se? ...och kan man tro på det som man kan ”se”? 1 Paula Eerola, paula.eerola@hep.lu.se, 046-222 7695 18 oktober 2005

Innehåll Att ”se” ... Partiklar, strängar, nya dimensioner – det som vi tror att vi vet, och det som vi tror att kan vara möjliga teorier... Kvantmekanik...vad är realiteten? Sammanfattning Paula Eerola 18 oktober 2005

Vad är kunskap i naturvetenskap/i fysik? Fysik är en empirisk vetenskap: det enda vi ”vet” är det som kan bevisas med experiment som kan upprepas Tanke, idé fysikteori eller modell som förutsäger utgången av ett experiment, eller förklarar experimentella resultat Paula Eerola 18 oktober 2005

Experiment 2 Experiment 1 Teori eller modell 1 ”THEORY OF EVERYTHING” Paula Eerola 18 oktober 2005

Experiment Sinnesintryck Våra experiment: det som vi kan veta genom ”sensorintryck”. Sensorer = artificiella, utvidgade sinnen. Vår kunskap: det som vi kan veta genom sinnesintryck. Paula Eerola 18 oktober 2005

Att se... Att ”se” är att det finns en växelverkan mellan objektet och registreringsapparaten Växelverkan medlas av en sond, som först snuddar objektet och sedan registreringsapparaten, sensorn. Sond: ljus, ”osynlig ljus” (elektromagnetisk strålning på en osynlig våglängd), partiklar, ljud,... Ljus är elektromagnetisk strålning med våglängd mellan 400 och 700 nm (1 nanometer, 1 nm, är miljondels millimeter) Registreringsapparat: öga (+hjärna), kamera, radiomottagare, mikrofon, partikeldetektor,.. Subjektiv: hur vet vi att andra ”ser” som vi? Paula Eerola 18 oktober 2005

Att se en människa... Seende: ljusspridning från källan via objektet till registreringsapparaten. ”Färg”: reflektion av en viss våglängd. SOND: LJUS REGISTRERINGSAPPARAT: ÖGA OBJEKT: RÖD TRÖJA Paula Eerola 18 oktober 2005

Paula Eerola 18 oktober 2005

Att se kvarkar? Seende: Elektronspridning från källan via objektet till registreringsapparaten. Kvarkernas egenskaper (i likhet med ”färg”) tar man reda på genom att studera den reflekterade elektronens egenskaper. SOND: ELEKTRON OBJEKT: KVARK inom en PROTON REGISTRERINGSAPPARAT: PARTIKELDETEKTOR Paula Eerola 18 oktober 2005

Materiens byggstenar Atom Blomma Molekyl Cell Rutherfords experiment 1911: atomer har en liten, laddad kärna. Sond: a-partiklar (He-kärnor). Proton Chadwick 1932: kärnan innehåller inte bara protoner, men också neutroner. Sond: a-partiklar (He-kärnor). Neutron Kärna Elektron Paula Eerola 18 oktober 2005

Taylor, Friedmann, Kendall + group 1969: protoner och neutroner innehåller punkt-lika partiklar, kvarkar. Atom Neutron -1/3 +2/3 Kvarkar Proton Paula Eerola 18 oktober 2005

Sond: elektron Experimentet där kvark observerades för första gång utfördes med samma princip som Rutherfords experiment: elektroner sprider sig på ett oväntat sätt när de kolliderar med protoner. Proton: 3 kvarkar Paula Eerola 18 oktober 2005

Exempel på att se kvarkar: H1 experiment OBJEKT: KVARK inom en PROTON SOND: ELEKTRON REGISTRERINGSAPPARAT: PARTIKELDETEKTOR Paula Eerola 18 oktober 2005

Det finns även antikvarkar och gluoner i protoner och neutroner Gluoner håller kvarkar ihop Gluoner kan för en kort stund skapa ett nytt kvark-antikvark par u u gluon d gluon Paula Eerola 18 oktober 2005

Vi kan även se sådant som inte finns... Vid moderna partikelexperiment kan vi även se sådant som inte finns i stabil materia, men som har funnits i det tidiga universumet då energin var högre: till exempel tunga kvarkar E=mc2 (Einstein) ger oss möjlighet att skapa nya partiklar från energi E Paula Eerola 18 oktober 2005

t Paula Eerola 18 oktober 2005

...och mera vet vi inte Kvarkar och leptoner (elektroner) är materiens minsta beståndsdelar enligt det vad vi vet och som vi kan pröva experimentellt. Paula Eerola 18 oktober 2005

Det finns hypoteser... Kanske finns det ”strängar” som formar kvarkar, och olika kvarkar är bara olika ”resonanser” av strängar. Om strängar finns, är de så små att vi inte har tillräckligt noggranna sonder ännu. Dessutom, strängar tillhör ett 11-dimensionellt universum! Därför är direkta experiment osannolika. Paula Eerola 18 oktober 2005

Varför skulle vi inte se extra dimensioner? Ett tåg rör sig längs en dimension Med en myra ser rälsen som 3-dimensionella. Paula Eerola 18 oktober 2005

Världen skulle se annorlunda ut om vi såg i flera än 3 (4) dimensioner… Det är möjligt att för varje punkt i rummet finns det nya, ihopkrökta dimensioner, som vi inte kan observera. Paula Eerola 18 oktober 2005

Det nästa experimentella steg: Large Hadron Collider,LHC Proton-proton kollisioner 40 miljoner gånger i sekund på världens högsta energi och med mest tätpackade protonbuntar. Start 2007 Paula Eerola 18 oktober 2005

Varför? Först och främst att skapa nya partiklar som inte finns i stabil materia, men som har funnits i det tidiga universumet då energin var högre. Kom ihåg E=mc2! Att verifiera (eller kasta) Higgs-teorin – den som förklarar varför allt väger någonting. Leta efter universumets mörka materia – kanske nya typer av partiklar, sk supersymmetriska partiklar enligt teorier. Varför det finns så lite antimateria í universum? CP-brott, bruten symmetri mellan partiklar och antipartiklar, och höger och vänster. Nya dimensioner? Paula Eerola 18 oktober 2005

Hur kommer vi att ”se” Higgs-partikeln? Visualisering av elektroniska signaler, partikelspår, i en partikeldetektor Paula Eerola 18 oktober 2005

Utav spåren kan vi rekonstruera massan av den ursprungliga partikeln som skapades i proton-proton-kollisionen och som föll sönder. Uppgiften kan vara lätt eller svår beroende på hur mycket backgrund, eller brus, vi har i systemet. Ungefär som vi kan rekonstruera hur mycket resväskan väger genom att väga dess innehåll del per del, om vi inte har en våg där vi kan placera hela väskan. Paula Eerola 18 oktober 2005

Mörka materia: supersymmetriska partiklar? Paula Eerola 18 oktober 2005

Kvantmekanik...vad är realiteten? Hittils har jag försökt att övertyga er att det vi ”vet” om naturen är det som har bevisats experimentellt Inga kontroverser om detta fram till 1920-talet Sedan kom kvantmekaniken och ifrågasatte vad kan bevisas egentligen. Paula Eerola 18 oktober 2005

Kvantmekaniken – 1920-tal – N. Bohr, W. Heisenberg, E. Schrödinger, P Kvantmekaniken – 1920-tal – N. Bohr, W. Heisenberg, E. Schrödinger, P. Dirac, W. Pauli,... Allt – partiklar, ljus,... – är egentligen mer eller mindre lokaliserade vågor (beskrivs av vågfunktioner Y(x,t)), och allt som kan observeras är sannolikheter (vågfunktioner ”summerade” över alla möjligheter). Paula Eerola 18 oktober 2005

Allt kan hända, men det är bara sannolikheten som varierar. Exempel: Sannolikhet P att partikeln som beskrivs av vågfunktionen Y(x,t) kan hittas i plats mellan x och dx vid tid t är: P = P(x,t)dx = | Y(x,t) |2dx Allt kan hända, men det är bara sannolikheten som varierar. T.ex. en människa kan förflytta sig genom ”tunneling” genom en betongvägg, men sannolikheten är så liten att universumets livslängd (och ännu mindre människans historia) räcker inte i långa vägar. Paula Eerola 18 oktober 2005

Vi vet ingenting? Låter inte bra... Experimentering förändrar objektet. Vi kan i princip aldrig veta hur verkligheten ser ut ”på riktigt”, utan att någon tittar på. Vi vet ingenting? Låter inte bra... Å andra sidan lär vi oss så småningom att använda kvantmekaniken till vår nytta  väldigt spännande ny forskning inom senaste 20 år Paula Eerola 18 oktober 2005

Det blir kanske möjligt att skapa kvantdatorer som är oerhört mycket effektivare än vanliga datorer därför att varje bit (0 eller 1) ersätts med en kvantbit, ”qubit”, som är en kombination av två tillstånd. Här använder vi det att vi ”ingenting vet” till vår fördel: innan vi ”tittar på” en qubit innehåller den alla värden mellan 0 och 1. Paula Eerola 18 oktober 2005

Därför blir alla beräkningar oerhört snabbare eftersom qubits innehåller så mycket mera information, och istället för att ”räkna”, kan vi bara ”välja” det rätta svaret. Ett annat exempel: kvantkommunikation, där vi har två tillstånd som är koherenta så länge som ”ingen tittar på”. Detta möjliggör ”quantum teleporting”, kvantkryptering,...! Paula Eerola 18 oktober 2005

Men för att veta mera om kunskapen enligt kvantmekaniken får ni bjuda in en expert, jag är bara en nyfiken experimentell fysiker som tycker att det här är väldigt spännande! Paula Eerola 18 oktober 2005

Sammanfattning Fysik är en empirisk vetenskap: det enda vi ”vet” är det som kan bevisas med experiment som kan upprepas Våra experiment: det som vi kan veta genom ”sensorintryck”. Sensorer = artificiella, utvidgade sinnen. Att ”se” är att det finns en växelverkan mellan objektet och registreringsapparaten Det som vi tror att vi vet: materia är gjord av kvarkar och leptoner Nästa steg: att verifiera möjliga teorier: Higgs partikel, supersymmetriska partiklar, strängar,... Paula Eerola 18 oktober 2005

Sammanfattning Kvantmekaniken – allt (partiklar, ljus,...) – är egentligen vågor och allt som kan observeras är sannolikheter. Allt kan hända, men det är bara sannolikheten som varierar. Experimentering förändrar objektet. Vi vet ingenting? Eller att vi kan skapa kvantdatorer, kvantkommunikation? Paula Eerola 18 oktober 2005

Tack! Paula Eerola 18 oktober 2005