maes2

(1)

Uitdagingen voor

de nieuwste fysica

Christian Maes

Instituut voor Theoretische Fysica

Lessen voor de XXIeeeuw, 7 maart 2005

Overzicht

• Inleiding

• De fysica rond 1900

• Het wonderjaar van Albert Einstein

• Atoomhypothese en Brownse Beweging • Fotonenhypothese • Speciale Relativiteitstheorie • De drie revoluties • Kwantummechanica • Statistische Mechanica • Relativiteitstheorie

• Uitdagingen: problemen en moeilijkheden

2. Overzicht

“Er bestaat geen tabula rasa. We zijn als matrozen die hun schip moeten herbouwen op de open zee; nooit kunnen we het eens ontmantelen in het droogdok en het daar uit de beste materialen reconstrueren.”

Wederopbouw?

(Otto Neurath – 1959) 3. Inleiding

Bruggen

• Er is geen onoverbrugbare kloof tussen de fysica van 1900 en deze van vandaag. We begrijpen elkaar.

MAAR: Kennis is enorm uitgebreid in nieuwe of veel verbeterde theorieën.

• Zijn verrassingen nog wel mogelijk? Hebben we niet alles gezien?

MAAR: “We leven in de tijd waarin we de fundamentele

natuurwetten ontdekken, en die tijd komt nooit terug.” Richard Feynman (1992) 4. Inleiding • Kernvragen: – wat is dringend? – wat is nuttig? – wat is mogelijk? • Nieuw ?

Uitdagingen?

5. Inleiding

Physics in a new era

1. Complexe systemen begrijpen 2. Toepassing van fysica in biologie 3. Creatie van nieuwe materialen 4. Exploratie van het universum 5. Ontwikkeling kwantumtechnologie 6. Unificatie van de natuurkrachten

VS Onderzoeksfonds - 2001

“Six grand challenges”

(2)

Nieuwe materialen Nieuwe fenomenen

7. Inleiding

Supergeleiding bij kamertemperatuur ?

Uitdagingen van de nanofysica

De fysica rond 1900

8. Fysica rond 1900

De fysica rond 1900

FYSICA 1900 MECHANICA THERMO-DYNAMICA ELEKTRO-MAGNETISME

De hoofddomeinen van de fysica anno 1900

• Mechanica

• Elektromagnetisme • Thermodynamica

De fysica rond 1900

10. Fysica rond 1900 / Overzicht

“Mechanica beschrijft hoe lichamen zich verplaatsen onder invloed van de krachten die erop werken.”

Hierdoor kan je de

trajecten gaan berekenen

van voorwerpen die bv. vallen of botsen.

11. Fysica rond 1900 / Mechanica

Mechanica

• Ruimte en tijd zijn absoluut. Ze vormen het onveranderende decor waartegen alle bewegingen worden uitgezet.

Sir Isaac Newton 1642 – 1727

Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica

• Beginposities en beginsnelheden bepalen eenduidig de trajecten van massa’s bij gegeven kracht: F = m·a • De mechanica van een waarnemer

in rust is ononderscheidbaar van de mechanica voor een waarnemer met constante snelheid.

(3)

1 2 2

m m

F

G

r

⋅

=

Twee massa’s trekken elkaar aan volgens de verbindingslijn met een kracht gelijk aan:

Gravitatiewet van Newton

• Mechanica

• Elektromagnetisme • Thermodynamica

De fysica rond 1900

15. Fysica rond 1900 / Overzicht

Twee sleutelfiguren:

16. Fysica rond 1900 / Elektromagnetisme Michael Faraday

(1791-1867)

James Maxwell (1831-1879)

Veldbegrip En er zij licht…

Elektromagnetisme

Het twee-spleten experiment van Young leert dat het golfkarakter van licht een experimenteel feit is.

17. Fysica rond 1900 / Elektromagnetisme

Het golfkarakter van licht

• Mechanica

• Elektromagnetisme • Thermodynamica

De fysica rond 1900

(4)

Wat is thermodynamica?

• De beheersing van het vuur!

19. Fysica rond 1900 / Thermodynamica

• Je komt thermodynamica tegen bij alles wat te maken heeft met warmte-omzettingen. Telkens wanneer je een situatie of een ontwikkeling beschrijft in termen van temperatuur, druk of dichtheden, doe je aan thermodynamica.

Thermodynamica

Eerste hoofdwet:

“De energie van de wereld is behouden”

Josiah Gibbs (1839-1903) Rudolf Claudius (1822-1888)

U

Q W

Δ = −

Thermodynamica

Tweede hoofdwet:

“De entropie van de wereld streeft een maximum na” • Entropie is een maat voor de energetische wanorde.

• Evenwicht is de toestand van maximale wanorde of entropie bij een bepaalde temperatuur of energie.

• Warmte stroomt altijd van een warm naar een koud lichaam. Wanneer je warm en koud water mengt, krijg je lauw water. Het omgekeerde gebeurt nooit spontaan.

Thermodynamica

Sadi Carnot (1796-1832)

Tussen einde en begin…

22. Spanningen

“Het lijkt waarschijnlijk dat de meeste unificerende principes stevig gevestigd zijn en dat verdere vooruitgang [in de fysica] voornamelijk moet gezocht worden in de rigoureuze toepassing van deze principes op alle fenomenen die nog onder ogen komen.” (1894) Albert Michelson (1852-1931) 23. Spanningen

De situatie voor 1905

Het wonderjaar 1905

24. Het wonderjaar

(5)

In 1905 publiceert de jonge Albert Einstein in het natuurkundig tijdschrift

“Annalen der Physik”:

Het wonderjaar 1905

25. Het wonderjaar / Overzicht 1. “Over een heuristisch standpunt aangaande de productie

en omvorming van licht.”

4. “Is de traagheid van een lichaam afhankelijk van zijn energie-inhoud ?”

3. “Over de elektrodynamica van lichamen in beweging.” 2. “Over de beweging van deeltjes in suspensie in

vloeistoffen in rust, zoals vereist door de moleculair kinetische theorie der warmte.”

In 1905 publiceert de jonge Albert Einstein in het natuurkundig tijdschrift

“Annalen der Physik”:

Het wonderjaar 1905

26. Het wonderjaar / Overzicht

Fotonenhypothese

Brownse Beweging

Speciale Relativiteitstheorie

De publicaties van Einstein • Fotonenhypothese

• Brownse Beweging

• Speciale Relativiteitstheorie

Het wonderjaar 1905

Wat is licht ?

Licht is elektromagnetische straling. Deze onstaat wanneer elektrische ladingen op en neer bewegen in antennes, en plant zich voort met de lichtsnelheid.

28. Het wonderjaar / Fotonenhypothese

De zwarte straler

Een zwarte straler is een materiaal dat invallend licht voor 100% absorbeert.

Een zwarte straler kan zelf elektromagnetische straling uitzenden door het materiaal op te warmen. De kleur van dat licht hangt af van de temperatuur

De fotonenhypothese

Via de studie van de zwarte straler doet Einstein

een suggestie: ook licht bestaat uit deeltjes, de zogenaamde “fotonen”, met energie

E

=

hν

(6)

Het foto-elektrische effect

Met de fotonen kan Einstein verklaren hoe elektronen

uit een metaaloppervlak kunnen losgeslagen worden door ze met licht te beschijnen.

Rood licht golflengte 700 nm frequentie 1013_Hz energie E = 1,7 eV

Het foto-elektrische effect

Met de fotonen kan Einstein verklaren hoe

elektronen uit een metaaloppervlak kunnen losgeslagen worden door ze met licht te beschijnen.

Groen licht golflengte 550 nm frequentie 1014_Hz energie E = 2,3 eV

Het foto-elektrische effect

Met de fotonen kan Einstein verklaren hoe elektronen

uit een metaaloppervlak kunnen losgeslagen worden door ze met licht te beschijnen.

Blauw licht golflengte 400 nm frequentie 1015_Hz

energie E = 3,1 eV

De publicaties van Einstein • Fotonenhypothese

• Brownse Beweging • Speciale Relativiteitstheorie

Het wonderjaar 1905

“

“Wanneer in een catastrofe alle wetenschappelijke Wanneer in een catastrofe alle wetenschappelijke kennis vernietigd wordt, en slechts

kennis vernietigd wordt, en slechts éééén zin kan n zin kan doorgegeven worden aan de volgende

doorgegeven worden aan de volgende generatie wezens

generatie wezens……

… wat zou dan de bewering zijn die het meeste informatie bevat met het minst aantal woorden ?”

35. Het wonderjaar / Brownse Beweging

Richard Feynman:

“Alles bestaat uit atomen, kleine deeltjes die eeuwig rond bewegen, …

… die elkaar aantrekken wanneer ze wat van elkaar verwijderd zijn en elkaar afstoten wanneer ze dichtbij komen.”

(7)

Waarom eigenlijk ?

Waarom eigenlijk? Is het macroscopische beeld niet het voornaamste? Bestaan atomen wel?

Albert Einstein (1905)

“Mijn eerste bedoeling was het vinden van feiten die op de meest betrouwbare manier het bestaan van atomen met een bepaalde eindige afmeting zouden bevestigen.”

De Atoomhypothese

Wat Brown onder de microscoop zag:

De Brownse Beweging

De publicaties van Einstein • Fotonenhypothese

• Brownse Beweging

• Speciale Relativiteitstheorie

Het wonderjaar 1905

Speciale Relativiteitstheorie

Met de speciale relativiteitstheorie verenigt Einstein

de mechanica en het elektromagnetisme. Hij vertrekt van twee veronderstellingen: • Relativiteitsprincipe van Galilei:

alle waarnemers die met constante snelheid ten opzichte van elkaar bewegen, observeren dezelfde fysische wetten.

• Invariantie van de lichtsnelheid:

de lichtsnelheid in vacuum is onafhankelijk van zender of ontvanger.

40. Het wonderjaar / Speciale Relativiteit

Van ruimte en tijd naar

ruimte-tijd

afstand

lichtsnelheid=

invariant

tijdsduur

=

Ruimte en tijd zijn verstrengeld!

Hoe meet je tijd ?

Je kan een klok maken op basis van licht, door

een lichtstraal vertikaal via een spiegel te laten weerkaatsen.

tijdsduur = afstand / lichtsnelheid

(8)

Hoe meet je tijd ?

In een bewegend object moet de lichtstraal echter een langere afstand overbruggen terwijl de snelheid constant blijft.

langere tijdsduur voor bewegende klokken!

De drie revoluties

44. De drie revoluties • Kwantummechanica • Relativiteitstheorie • Statistische mechanica

De drie revoluties

47. De drie revoluties

Kwantummechanica

• Deeltjes- en golfkarakter • Pilootgolven

• Vergelijking van Schrödinger

2

2 i

V

t

m

ϕ

_ϕ

∂

_{= −}

_{Δ +}

∂

=

(9)

Kwantummechanica

• Interactie van licht en materie • Atoomspectra

• Stabiliteit

• Eigenschappen bij lage temperatuur • Fysica van de vaste stof

Toepassingen:

49. De drie revoluties / Kwantummechanica

Relativiteitstheorie

• (Elektronentheorie, ethertheorie) • Speciale Relativiteitstheorie • Algemene Relativiteitstheorie

50. De drie revoluties / Relativiteitstheorie

Relativiteitstheorie

• Ruimte- en tijdstructuur • Beweging bij (bijna)

lichtsnelheid • Kosmologie

Toepassingen:

51. De drie revoluties / Relativiteitstheorie

Statistische mechanica

• De rol van kanstheorie en statistiek • Schalen van beschrijving

• Complexiteit

• Collectieve fenomenen • Autonome wetten

52. De drie revoluties / Statistische Mechanica

Statistische mechanica

• Faseovergangen • Aggregatietoestanden

van de materie • Transportprocessen • Ontstaan van patronen

en structuren

Toepassingen:

53. De drie revoluties / Statistische Mechanica

Uitdagingen voor de

nieuwste fysica

(10)

Uitdagingen

1. Moeilijkheden 2. Problemen 3. Thema’s 55. Uitdagingen / Overzicht

Uitdagingen

1. Moeilijkheden - bereikbaarheid - relevantie...

We moeten sneller, dieper, scherper kijken... en tegen welke prijs ?

56. Uitdagingen / Moeilijkheden

Uitdagingen

1. Moeilijkheden 2. Problemen 3. Thema’s 57. Uitdagingen / Overzicht

Uitdagingen

2. Problemen

- Niet-lokaliteit: spoken op afstand - Turbulentie

58. Uitdagingen / Problemen

Spoken op afstand

Xavier en Yvonne verlaten een kamer via tegenoverstaande deuren. Nadat ze hun deuren hebben gesloten, krijgen ze ieder een vraag. Er zijn 3 mogelijke vragen, telkens

te beantwoorden met ja of nee. X en Y weten tevoren niet welke vraag ze zullen krijgen.

Spoken op afstand

Wat blijkt:

Krijgen ze dezelfde vragen: altijd hetzelfde antwoord...

Hoe kan dat?

(11)

Spoken op afstand

Er zijn 8 mogelijke strategieën.

X en Y hebben een afspraak gemaakt.

Niets mysterieus

Spoken op afstand

Wat blijkt:

Krijgen ze verschillende vragen, dan antwoorden ze in 25 procent van de gevallen hetzelfde...

Hoe kan dat?

Spoken op afstand

• Bij strategie JJJ of NNN: altijd hetzelfde antwoord;

• Bij strategie NNJ: minstens 1 op 3 keer hetzelfde antwoord;

• enzovoort...

Wel mysterieus

Spoken op afstand

De perfecte correlaties in de antwoorden

gecombineerd met de lokaliteitshypothese wijzen op verborgen afspraken MAARwat voor afspraken X en Y ook maakten, ze zijn niet in overeenstemming te brengen met de experimenteel waargenomen 25 procent.

Spoken op afstand

Conclusie:

de natuur is niet lokaal

en

kwantummechanica bevestigt dat

en

daagt daarmee de relativiteitstheorie uit...

Uitdagingen

2. Problemen

- Niet-lokaliteit: spoken op afstand - Turbulentie

(12)

Turbulentie

NIET-EVENWICHTS STATISTISCHE MECHANICA

“het laatste grote onopgeloste probleem van de klassieke fysica”

Leonardo da Vinci gebruikt het woord turbolenza

om de ingewikkelde beweging van water of lucht aan te duiden. Hij ontdekt en beschrijft verschillende stappen naar en stadia in turbulentie.

Turbulentie

In de 19de eeuw schreef Claude Navier de basisvergelijkingen neer. De vergelijkingen van Leonhard Euler voor een ideale vloeistof moesten worden aangevuld met een diffusieterm die de viscositeit van de vloeistof bevat.

Tot op vandaag blijven dit de basisvergelijkingen: de Navier-Stokes vergelijkingen

Turbulentie

Uitdagingen

1. Moeilijkheden 2. Problemen 3. Thema’s 70. Uitdagingen / Overzicht

Uitdagingen

3. Thema’s - Unificatie

- Begin- randvoorwaarden en parameters - Leven en dood

Uitdagingen

3. Thema’s

- Unificatie

- Begin- randvoorwaarden en parameters - Leven en dood

(13)

Er zijn verschillende SOORTEN interacties Er zijn verschillende SCHALEN

KWANTUMGRAVITATIE

Unificatie

Verstrengeling Niet-lokaliteit

Uitdagingen

- Begin- randvoorwaarden en parameters - Leven en dood kosmologie en deeltjesfysica

beginvoorwaarden...?

parameters...

Parameters

Dynamica – tijdsevolutie Deeltjesinteractie, botsingen,...

Statistiek en dynamica

Hoe komt kanstheorie de fysica

binnen? Wat is toeval ?

Via tellen van mogelijkheden, door onzekerheden, via effectieve beschrijvingen,....

bv. Tweede wet van de thermodynamica is een statistische wet.

(14)

Kanstheorie Wat is de rol ?

Statistiek

Macroscopische chaos ? Macroscopische orde

Chaos is een andere bron van toeval

Zijn niet-lineariteiten in de dynamica essentieel om het

waargenomen niet-evenwichtsgedrag te verklaren ?

Chaos

STRUCTUREN PATRONEN ORDE

Orde - Chaos

HOE ONTSTAAN ?

Uitdagingen

- Begin- randvoorwaarden en parameters - Leven en dood

Meer dan ingewikkeld ?

Complexiteit

Zelf-organisatie Kritische verschijnselen

(15)

In cellen en spieren...?

Energieproblemen

Kan fysica iets zeggen over: … hersenprocessen ? … bewustzijn ?

Leven en dood

Wat is wetenschap?

Wetenschap is de titanische poging van het menselijk intellect zich uit zijn kosmische isolement te verlossen door te begrijpen!

Professor Nummedal in: Nooit meer slapen, Willem Frederik Hermans