The physics of Julkalendern 20/12 2019

Biggest Bang, del 20: Tyra, Lukas och Rufsa har kommit till Slutet av Universum. Bild: Anna Sandler

Ah, de kom på det!  De tar en genväg till slutet av universum genom ett svart hål! Biljett krävs förstås.

Om det svarta hålet är mindre än några tusen solmassor stort kommer de att slitas i stycken innan de ens är inne. Tydligen är hålet alltså större än så. Väl inne kan man inte komma ut igen. Inte ens om man åker med ljusets hastighet. Det är nämligen lika svårt att komma ut ur ett svart hål som att resa bakåt i tiden. Fast OM man skulle kunna åka snabbare än ljuset skulle man både kunna åka bakåt i tiden OCH ta sig ut.

Väl inne i det svarta hålet har man en begränsad tid på sig innan tiden tar slut och man krossas till ett intet i den fruktansvärda singulariteten. Om det nu inte finns någon finurlig väg genom den som tydligen kräver att man är en fena på datorspelet Starfighter 5. Om man har tur(?) väntar på andra sidan… slutet av universum.

Slutet av universum? Är universum ändligt eller oändligt? Man kan grovt tänka sig tre möjigheter. 1. Universum är oändligt stort och ser ungefär likadant ut över allt. 2. Universum är ändligt stort och reser man tillräckligt långt bort kommer man tillbaka till samma ställe igen – precis som på jorden efter 4000 mil. Ett problem kan vara att universum samtidigt växer så snabbt att man inte hinner runt. 3. Universum är ändligt stort och så småningom kommer man till en gräns där allt plötsligt blir väldigt annorlunda. Kanske så annrolunda att man inte kan resa vidare. Man når i praktiken en vägg och därbortom något som bäst kan liknas vid ett annat universum.

Vad våra vänner finner är en oändlig glasvägg. Och därbakom Horgatt Malex, en tioåring som har en kula av glas – som innehåller hela vårt universum.

Harry Martinson hade alltså rätt när han skrev i Aniara: .. nu när vi upptäckt vad vårt rymdskepp är: en liten blåsa i Guds andes glas.



The physics of Julkalendern 13/12 2019

Biggest Bang, del 13: Tyra tänker tillbaka på när hon träffade Felix på Halloween. Bild: Anna Sandler

Våra hjältar skall åka till universums slut. Kan man göra det? Och hur långt är det dit i såfall? Ju längre bort vi ser desto längre bakåt i tiden ser vi. Vi kan förstås inte se längre tillbaka i tiden än till universums födelse för nästan 14 miljarder år sedan. Det heta plasma vi då ser har under de följande 14 miljarderna år utvecklats till galaxer som förmodligen liknar  de i vår del av universum. Fast dessa galaxer kan vi ju inte se – vi ser hur de såg när de bara var plasma för 14 miljarder år sedan. Just NU befinner de sig på ett avstånd av 45 miljarder ljusår – bortom den kosmiska horisonten – och vi kommer aldrig att kunna resa dit eller ens kunna se dem.

Universum expanderar helt enkelt så snabbt att vi aldrig kommer att kunna utforska det i dess helhet. Och finns det ett slut, eller någon slags kant, kommer vi aldrig att kunna ta oss dit. Att ta sig till universums slut på bara 23 miljarder år (även om redan detta är en väldigt, väldigt, VÄLDIGT lång tid) kräver alltså att man skyndar sig rätt rejält. Om man nu inte åker moturs förstås.  

The physics of Julkalendern 10/12 2019

Biggest Bang, del 10: Utanför rymdväktarnas port. Bild: Anna Sandler

De flyger moturs. Detta var alltså lösningen. Genom att flyga moturs står tiden still på jorden och de kan komma hur långt som helst på ingen tid alls. Min tidigare analys måste alltså förkastas. Att flyga moturs förefaller vara effektivare än ens warpdrive i Start Trek.

Hur det går till är en fråga för sig, men konsekvenserna välkända. Om man kan resa snabbare än ljuset (vilket man tror är omöjligt) kan man också resa bakåt i tiden (dvs resa ”moturs”). Det ena ger det andra. Problemet är att det snabbt leder till paradoxer om man reser tillbaka för att träffa sig själv. Om man träffar sig själv innan man stiger in i tidsmaskinen (eller överljusrymdskeppet) och hindrar sig själv från att resa iväg vad händer då? Tja, då kan man ju inte resa tillbaka i tiden för att göra just det. Inget hänger ihop och hela universum skulle explodera i en enda stor självmotsägelse. Detta om något vore väl ett sätt att förstöra hela universum. En ledtråd till den fruktansvärda Horgatt Malex?

I ett välordnat universum som inte balanserar på gränsen till undergången måste det finnas en fysikalisk princip som förbjuder resor av sådant slag. Om du reser tillbaka i tiden för att medvetet försöka orsaka en paradox kommer du i efterhand – ibland till din stora förvåning – upptäcka att vad du än försöker göra är det PRECIS det som krävs för att det INTE skall bli några paradoxer.

Fortsättning följer.

The physics of Julkalendern 6-7/12 2019

Igår lyfte Fiaten och flög ut i rymden. Idag hämtades den upp av ett utomjordiskt rymdskepp. Frågan är hur långt den kom? Rufsa hade ganska snart efter start föreslagit att de skulle svänga vänster vid Pluto. Gick det så snabbt att ta sig ut ur solsystemet?

Tidigare konstaterade vi att man med hjälp av några kilo ruttna äpplen och känd fysik skulle kunna komma upp i en tiondel av ljusfarten. Avståndet till Pluto är runt 5 miljarder kilometer vilket det tar ljuset ungefär 5 timmar att färdas. Med en tiondel av ljusfarten skulle det ta 2 dygn.

Ytterligare en komplikation är att man inte kan öka farten riktigt hur snabbt som helst om det skall vara någorlunda bekvämt. Eftersom ingen i Fiaten verkar klaga, och tyngdlös verkar man inte heller vara, tyder detta på en acceleration motsvarande ungefär jordens tyngdacceleration. Det känns alltså som hemma på jorden. I den takten tar det drygt en månad att komma upp i en tiondel av ljusfarten och resan till Pluto tar drygt 11 dygn.

Med dessa beskedliga hastigheter kan man heller inte räkna med någon hjälp av att tiden går långsammare på ett rymdskepp som reser snabbt. Det är först när man börjar närma sig ljusfarten som det börjar hända saker. I ett bekvämt accelererande rymdskepp skulle man kunna hinna till galaxer miljarder ljusår bort och hem igen på en livstid. Fast på jorden skulle det förstås ha gått miljarder år.

Rufsa måste alltså ha skämtat och de befinner sig knappast längre bort än månen när de stöter på rymdskeppet. (Till månen skulle det ta ungefär två och en halv timme med rimlig acceleration.)

Det är hur som helst lovande att de träffat på det utomjordiska rymdskeppet som förefaller betydligt mer avancerat än vad de hittills haft tillgång till. Kanske det är kapabelt till en snabbare resa genom rymden?

The physics of Julkalendern 3/12 2019

Del 3: Ruttna äpplen

Idag fick vi veta vilket bränsle farmors Fiat använder för sina rymdresor: ruttna äpplen. Fem, eller för att vara precis, 6 kilo ruttna äpplen rymmer tanken. Frågan är hur fort man kan åka med hjälp av detta? Det bästa är om kan omvandla äpplena till ren strålning och skapa en laserstråle som fungerar som raket. En liten överslagsräkning med hjälp av Einsteins relativitetsteori visar att man bör kunna komma upp i ungefär 30000 km/s, dvs en tiondel av ljusfarten. Inte så pjåkigt men trots detta en beskedlig fart i kosmiska sammanhang och det är ingen risk för att vindrutetorkarna trillar av. Vi får se om beräkningen håller…

The physics of Julkalendern 1/12 2019

Bildresultat för biggest bang

Årets radiokalender, The Biggest Bang, är full av fysik. Bloggen kommer att bevaka och kommentera.

I första avsnittet berättar Lukas om hur det tar tre miljoner år att komma tillbaka ut ur ett svart hål. Tja, har man ramlat in i ett svårt hål kommer man faktiskt aldrig ut igen. (Om man nu inte räknar att man så småningom kommer ut som Hawkingstrålning, men det tar JÄTTELÅNG tid.) Men Lukas menar kanske inte att man verkligen trillat hela vägen in utan att man uppehåller sig i en omloppsbana kring det svarta hålet som ligger så nära som möjligt? I science-fictionfilmen Interstellar handlar det just om en sådan planet i bana kring ett supermassivt svart hål. Tiden på planeten går hela 60000 gånger långsammare än på jorden. 50 år på den planeten skulle faktiskt motsvara 3 miljoner år oss på jorden. Hur stor skillnaden blir beror på hur snabbt det svarta hålet roterar.

En annan fråga som kommer upp redan i första avsnittet är vad som händer om man reser snabbare än ljuset med farmors gamla Fiat. Enligt Lukas kommer vindrutetorkarna att trilla bort. Faktum är att det nog inte är det enda att oroa sig över. Det skulle krävas oändligt med energi att ens komma upp i ljusfarten, och om man ändå kunde åka fortare än ljuset – vilket man alltså inte kan (tror jag) – skulle man också kunna resa bakåt i tiden. Vilket skulle vara JÄTTEKONSTIGT.

Mer om årets radiokalender finns på Vetandets värld där jag samtalar med Camilla Widebeck och astronomen Susanne Aalto.

Nobelpris i fysik 2019

Årets Nobelpris i fysik handlar om förståelsen av jordens plats i universum. Ena hälften handlar om universums historia och sammansättning, den andra hälften om existensen av andra solsystem.

Här en länk till presentationen av årets pris…

… där de flesta läsare av en blogg som denna nog känner igen de första meningarna i presentationen av det vetenskapliga innehållet efter ungefär 6.10…

Om du vill briljera inför dina vänner, servera dem en kopp kaffe där 69% är kaffe, 26% mjölk och 5 procent socker (var noga när du blandar!), rör om och förklara att de får smaka universum självt. Just så är proportionerna mellan den mörka materien, den mörka energin och den materia som vi och stjärnorna består av. Det är bara sockret i koppen vi har någon koll på, resten vet vi att den finns men inte vad den består av. James Peebles får priset för att ha klurat ut hur man ur återskenet från ursmällen kan läsa av innehållet.

Den andra delen av priset, till Michel Mayor och Didier Queloz, handlar om en uråldrig dröm: finns det planeter kring andra stjärnor? Finns det andra solsystem? 1995 upptäckte de den allra första planeten runt en annan sol. Du kan själv se stjärnan under en mörk och klar hösthimmel i stjärnbilden Pegasus, den flygande hästen. Planeten är av oväntat slag: lika stor som Jupiter men så nära sin sol att den bara behöver drygt fyra dagar för ett varv. Hett om öronen är det också, runt tusen grader.

Någon som inte skulle ha varit förvånad är Anders Celsius som i De pluritatate mundorum (Om existensen av andra världar) från 1743 (eller kanske hans student Isak Svanstedt) skriver:

Eftersom de enskilda fixstjärnorna alltså också är solar som skickar ljus och värme lika långt ut som vår egen sol och de dessutom troligen befinner sig lika långt från varandra som från vår egen sol och sålunda är ytterst lämpliga att fungera som solar, och de alltså inte på något sätt kan sägas vara skapade för vår jords eller ens för vårt solsystems skull, blir det inte bara troligt utan nödvändigt att det kring dem cirklar planeter som behöver deras ljus och värme. Ty annars skulle enorma solar ha skapats, från vilka ingen nytta någonsin strålade till någon, ja inget vore bekant för någon om dess existens, och det är det mest dåraktiga man kan tänka sig. Alltså bör vi tänka oss lika många solsystem som det finns fixstjärnor, och även om de inte liknar vårt till fullo överensstämmer de likafullt med planeterna i detta solsystem i så måtto att de tjänar som boställen åt såväl förnuftiga som oskäliga varelser. (Översättning Krister Östlund.)

Inget nytt under solen, vare sig vår egen eller någon annans.

Full fart på LIGO: svarta hål som äter neutronstjärnor

Det har inte varit så mycket i offentligheten om LIGOs nya observationer. LIGO har i sin nya uppdaterade skepnad varit igång i ungefär en månad och hittar kolliderande svarta hål och neutronstjärnor en gång i veckan. Bästa sättet att hålla sig uppdaterad är med hjälp av en fiffig app.

Hittills har man samlat på sig GW190408an, GW190412m, GW190421ar, GW190425c (inte bekräftad), GW190425z och GW190426c. Två stycken samma dag den 25 april så det räcker inte att bara benämna händelserna med datum. De tre första handlar om kolliderande svarta hål (börjar bli vardagsmat…), medan GW190425z tycks vara två kolliderande neutronsjärnor. Något sådant har man bara sett vid ett tidigare tillfälle – den spektakulära händelsen i augusti 2017 där man också kunde se kollisionen med vanliga teleskop. Läs mer här. Avståndet lite längre denna gång, runt en halv miljard ljusår. Man har försökt hitta den optiska motsvarigheten men hittills har man bara haft falsklarm. Området på himlen man behöver söka av är också mycket större.

GW190426c verkar möjligen kunna vara något nytt: ett svart hål som äter upp en neutronstjärna. Analysen är långt ifrån klar. Men någonstans här:

… på himlen inträffade det.

Skaffa appen! Men glöm inte att stänga av larmet om du inte vill väckas mitt i natten av kosmiska kollisioner.

Interstellar – på riktigt

Vilken fantastiskt tid om man är intresserad av fundamental fysik – särskilt svarta hål. LIGO och observationen av gravitationsvågor från kolliderande svarta hål för några år sedan, och nu det här.

Vid dagens världsomspännande preskonferens presenterades resultaten från en bokstavligt talat världsomspännande forskningsprojekt: Event Horizon Telescope. Mer om bakgrunden finns att läsa här.

Nu har man alltså äntligen lyckats att ta den allra första bilden – en riktig bild – av ett svart hål. Verklighetens svar på filmen Interstellar. Det är två svarta hål man fokuserat på. Det i centrum av vår Vintergata med en massa på några miljoner gånger solens och det i centrum av galaxen Messier 87 i Virgohopen som är tusen gånger större. Eftersom det senare ligger tusen gånger längre bort ser de ungefär lika stora ut på himlen. Eller små. Som en golfboll på månen. Fast svart.

I praktiken visade det sig att det var det svarta hålet i M87 som var lättast att avbilda med lagom mycket materia i vägen. Delvis nog beroende på att det vänder sin ena pol nästan rakt mot oss. Vinkeln är bara 17 grader. Detta är skälet till att bilden inte ser riktigt ut som i Interstellar som visar ett svart hål med skiva med infallande gas rakt från sidan. Mer förklaring här.

Bilden är inom felmarginalen helt cirkulär vilket är att vänta om man ser det svarta hålet från ett sådant håll. Från sidan skulle rotationen platta till det. Ett nästa steg – om man vill hitta ny fysik – blir att mäta formen riktigt noga och se om det finns någon avvikelse.

Håll koll på EHT framöver. Det här är bara början.

Vårt universum rider på en mörk bubbla i en extra dimension

English translation below.

Idag publicerar Physical Review Letters vår nya teori om universums mörka energi. För teoretisk fundamental fysik är PRL den mest prestigefulla tidskriften (Nature och Science kan i sammanhanget jämföras med Hemmets Journal). Artikeln omnämndes i somras av Scientific American i en intervju om den nya krisen inom strängteorin.

I korthet går det ut på att hela vårt universum rider på randen av en bubbla som expanderar i en extra dimension. Det ser ut ungefär så här:

Vårt universums tre rumsdimensioner svarar mot randen av bubblan, medan radien av den växande bubblan är den extra dimensionen. Liknande bilder av vårt universum kan man hitta i den populärvetenskapliga litteraturen men vad vi visar är att det bokstavligt kan vara sant om man har koll på sin strängteori. Av strängteorins nio rumsdimensioner måste fem vara riktigt små och ihoprullade medan fyra hyfsat stora för att det skall fungera. Den fyrdimensionella (eller femdimensionella om man räknar in tiden) rymden är instabil och här och var bildas bubblor som börjar växa. Detta svarar mot ett universum som föds. Det märkliga med modellen är att bubblorna expanderar på ett sådant sätt att den som rider på randen får för sig att det finns en mörk energi. Egentligen handlar det bara om en effekt av den extra dimensionen.

Men hur är det med de underliga dödsstjärneliknande strålarna på bilden? För att allt skall fungera måste den materia som du, jag och stjärnorna består av utgöras av strängar som sträcker sig ut i den extra dimensionen. Deras ändpunkter på bubblan tolkar vi som fundamentala partiklar typ kvarkar och elektroner.

Och varför skall man tro på detta? För att det ser ut att fungera och att andra alternativ inom strängteorin inte längre verkar hålla ihop. Nästa steg blir att kontrollera alla matematiska detaljer och hitta sätt att testa teorin mot observationer…

In English:

Our universe rides a dark bubble in an extra dimension

Today, Physical Review Letters publishes our new theory about the dark energy of the universe. For theoretical fundamental physics, PRL is the most prestigious journal (Nature and Science can in this context be compared to The Sun). The article was mentioned this summer by Scientific American in an interview on the new crisis in the string theory.

In short, our universe rides on the boundary of a bubble that expands into an extra dimension. It looks like this:

Our three space dimensions correspond to the boundary of the bubble, while the radius of the growing bubble is the extra dimension. Similar images of our universe can be found in the popular science literature, but what we show is that it can literally be true if you believe in string theory. Of the nine space dimensions of string theory, five must be really small and rolled up while four fairly large for it to work. The four-dimensional space (or five-dimensional if you include time) is unstable and here and there bubbles are formed that begin to grow. This corresponds to the birth of a universe. The marvelous thing about the model is that the bubbles are expanding in such a way that the rider on the bubble observes dark energy. Actually, it’s just an effect of the extra dimension.

But what about the strange death-star-like rays in the picture? For everything to work, the matter that you, me and the stars consist of must be strings that extend out in the extra dimension. We interpret their end points on the bubble as fundamental particles like quarks and electrons.

Why should you believe in this? Because it seems to work and that other options within string theory no longer seem to hang together. The next step is to check all mathematical details and find ways to test the theory against observations …