Forskning: Teoretisk fysikk: Generell informasjon - Folk - Kurs - Studieinformasjon - Seminarer - Preprints
Generell informasjon: Hvem arbeider med hva? - Introduksjon
GRUPPEN FOR TEORETISK FYSIKK
HVA ER TEORETISK FYSIKK?
I teoretisk fysikk arbeider vi med et vidt felt a fysiske fenomener, fra den subatomære fysikk ved de minste avstander til universets fysikk ved de største avstander. Idéen er at man ved hjelp av matematiske metoder kombinert med god fysisk forståelse kan undersøke eksisterende teorier, man kan modifisere dem og utvikle dem videre. Nye modeller og teorier som blir foreslått vil i neste omgang kunne konfronteres med målinger og observasjoner. Ofte benytter man forenklede modeller for å oppnå en bedre forståelse av mer sammensatte teorier og fenomener.
En hovmålsetning i teoretisk fysikk er å studere de mest fundamentale problemer i vår forståelse av Naturen. Etter oppdagelsen av relativitetsteorien og kvantemekanikken, utgjør disse teoriene det viktigste grunnlaget for all forskning i teoretisk fysikk. Slik er det også i denne forskningsgruppen, hvor vi særlig fokuserer på spørsmål som gjelder grunnleggende kvante-fenomener.
FORSKNINGSFELTER
Teoretisk elementærpartikkelfysikk
Elementærpartiklene og de kreftene som virker mellom dem blir
teoretisk beskrevet av en type kvantefeltteorier som kalles gaugeteorier.
Historisk sett var kvante-elektrodynamikken, som beskriver vekselvirkningen
mellom ladete partikler og det elektromagnetiske felt, den første
gaugeteori som ble utviklet. Den er nå integrert i en større
teori, den elektro-svake teori som også omfatter vekselvirkning med
nøytrinoer og de tunge gauge bosoner Z og W. Også de sterke
kjernekrefter er beskrevet av en gauge-teori, QCD (Quantum Chromo Dynamics).
Elementærpartiklene i denne teorien er kvarker og gluoner, og vekselvirkningen
mellom dem er årsaken til at kvarkene binder seg sammen og danner
protoner og nøytroner i atomkjernen.
Gaugeteoriene kan formuleres på en enkel (og elegant) måte. Men problemet er at det ofte er vanskelig å utlede de målbare størrelsene fra de grunnleggende ligningene. Dette gjelder spesielt QCD på grunn av den sterke vekselvirkningen mellom elementærpartiklene i teorien. I den elektrosvake teorien kan man på den annen side gjøre forutsigelser med stor presisjon. De beregningsmåter man benytter i elementærpartikkelfysikken er som regel basert på bruk av perturbasjonsteori og utvikling av effektive (lavenergi) feltteorier. Mye av aktiviteten i gruppen er basert på anvendelse av disse metodene.
Vanligvis regnes gravitasjonseffekter som helt neglisjerbare i elementærpartikkelfysikken. Når partiklenes energi blir ekstremt stor gjelder imidlertid dette ikke lenger. I dette energiområdet tror man at nye og uutforskede naturlover gjelder. Mange fysikere er overbevist om at en teori for strenger i stedet for partikler vil gi en korrekt beskrivelse av denne fysikken. Endel av forskningsaktiviteten i gruppen er fokusert på studiet av visse sider ved slike strengteorier.
Koherente kvantefenomener
Kvantefysikken gir opphav til helt nye fenomener sammenlignet med den
klassiske fysikk. Blant annet kan man i et system av vekselvirkende partikler
få andre typer kollektiv oppførsel på grunn av kvantemekanisk
koherens mellom partiklene. Den enkelte partikkel oppgir på en måte
sin identitet til fordel for den kollektive bevegelse, og til gjengjelder
oppstår nye partikkellignende eksitasjoner med egenskaper forskjellig
fra de opprinnelige partiklene i systemet.
Noe av forskningsaktiviteten i gruppen er fokusert på studiet av koherente kvanteefekter i lav-dimensjonale elektronsystemer. I systemer hvor bevegelsen er begrenset til et plan kan elektronen bevege seg som en kvantevæske med spesielle egenskaper. Virvler i væsken kan oppføre seg som partikler med uventede egenskaper. De kan være anyoner, dvs. partikler som verken er bosoner eller fermioner, og de kan ha en elektrisk ladning som feks. er en tredjedel av elementær ladningen. Kvante-Hall effekten er en spesiell (målbar) effekt som man finner i en 2-dimensjonal elektrongass i et sterkt magnetfelt og som er direkte knyttet til disse kollektive fenomenene. Man regner også høyenergi supraledning for å skyldes koherente effekter i et slikt lav-dimensjonalt elektronsystem, men noen etablert teori for dette fenomenet finnes ennå ikke. Det finnes også én-dimesjonale elektronsystemer (spesielt i form av det vi kaller karbon nano-tuber) hvor elektronene oppfører seg på en særegen måte.
Kvanteinformasjonsteori er et nytt forskningsområde i teorigruppen. Kvantemekanikken gir opphav til nye måter å bearbeide og overføre informasjon på, og i senere år er dette blitt et aktivt forskningsområde internasjonalt. I prinsippet er det mulig å konstruere en kvantemekanisk datamaskin som virker etter prinsipper som er helt forskjellige fra de en klassisk datamaskin opererer etter. Disse nye mulighetene er interessante på grunn av de teknologiske anvendelser de kan gi opphav til, men også fordi det å fokusere på sammenhengen mellom kvantemekanikk og informasjon kan gi oss muligheter for ogå å studere grunnleggende kvantemekanikk på nye måter.
Andre forskningaktiviteter
Atom- og molekylfysikk Dette er en forskningsaktivitet med lang
tradisjon i teorigruppen. Den pågående aktivitet er mer fokusert
på studiet av høyt eksiterte atom tilstander enn av egenskapene
til de stabile grunntilstander. Studiet av vekselvirkningen mellom atomer
og det elektromagnetiske felt er også et aktivt forskningsfelt, med
betydning for forståelsen av stoffers optiske og magnetiske egenskaper.
Noe av aktiviteten i atom- og molekylfysikk er stimulert av den pågående
diskusjon av muligheten for å kunne konstruere en kvantedatamaskin.
Dynamiske systemer og kaosteori. Forskningaktiviteten i dette feltet er konsentrert om numeriske studier av instabiliteter i ikke-lineære systemer. Målsettingen er å oppnå en bedre forståelse av hvordan kaotisk oppførsel initsieres.
Klassik fysikk og gravitasjonsteori. Det arbeides her med
problemer i klassisk mekanikk og klassisk strålingsteori. Det
arbeides også med problemer i klassisk gravitasjonsteori og
kosmologi.
Redaksjon: Håkon Enger
Forfatter: Jon Magne Leinaas, j.m.leinaas@fys.uio.no
Dokument opprettet: 05.07.2001, endret: 22.03.2002