The ¡Rela/vis/c ¡Quantum ¡World ¡ A ¡lecture ¡series ¡on ¡Rela/vity ¡Theory ¡and ¡Quantum ¡Mechanics ¡ Marcel ¡Merk ¡ University ¡of ¡Maastricht, ¡Sept ¡24 ¡– ¡Oct ¡15, ¡2014 ¡
Introduc/on: ¡Marcel ¡Merk ¡ Email: ¡marcel.merk@nikhef.nl ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Website: ¡www.nikhef.nl/~i93 ¡ CV: ¡ 1976 ¡– ¡1982: ¡High-‑school ¡St. ¡Maartenscollege, ¡ ¡Maastricht ¡ 1982 ¡– ¡1987: ¡Study ¡Physics ¡at ¡Radboud ¡University, ¡Nijmegen ¡ Research: ¡ 1987 ¡– ¡1991: ¡PhD ¡in ¡Nijmegen ¡and ¡CERN ¡ The ¡Large ¡Hadron ¡Collider ¡at ¡CERN. ¡ 1991 ¡– ¡1994: ¡Postdoc ¡Carnegie ¡Mellon ¡University, ¡PiWsburgh ¡ Study ¡the ¡maWer-‑vs-‑an/maWer ¡ 1994 ¡– ¡1997: ¡Postdoc ¡Nikhef, ¡Amsterdam ¡ asymmetry ¡in ¡the ¡laws ¡of ¡nature. ¡ 1997 ¡– ¡2000: ¡Fellow ¡of ¡Royal ¡Dutch ¡Academy ¡at ¡Utrecht ¡ 2000 ¡– ¡today: ¡Research ¡Physicist ¡at ¡Nikhef ¡Amsterdam ¡ 2005 ¡– ¡today: ¡Extraordinary ¡Professor ¡at ¡the ¡VU, ¡Amsterdam ¡
The ¡Rela/vis/c ¡Quantum ¡World ¡ Sept ¡24: ¡ ¡ Lecture ¡1: ¡The ¡Principle ¡of ¡Rela/vity ¡and ¡the ¡Speed ¡of ¡Light ¡ Rela/vity ¡ ¡ Lecture ¡2: ¡Time ¡Dila/on ¡and ¡Lorentz ¡Contrac/on ¡ ¡ Oct ¡1: ¡ Lecture ¡3: ¡The ¡Lorentz ¡Transforma/on ¡ Lecture ¡4: ¡The ¡Early ¡Quantum ¡Theory ¡ Mechanics ¡ ¡ Quantum ¡ Oct ¡8: ¡ ¡ Lecture ¡5: ¡The ¡Double ¡Slit ¡Experiment ¡ ¡ Lecture ¡6: ¡Quantum ¡Reality ¡ Oct ¡15: ¡ Standard ¡ Model ¡ ¡ Lecture ¡7: ¡The ¡Standard ¡Model ¡ ¡ Lecture ¡8: ¡The ¡Large ¡Hadron ¡Collider ¡ Lecture ¡notes, ¡wriWen ¡for ¡this ¡course, ¡are ¡available: ¡ ¡www.nikhef.nl/~i93/Teaching/ ¡ Literature ¡used: ¡see ¡lecture ¡notes. ¡ Prerequisite ¡for ¡the ¡course: ¡High ¡school ¡level ¡mathema/cs. ¡
Rela/vity ¡and ¡Quantum ¡Mechanics ¡ “There ¡is ¡nothing ¡new ¡to ¡be ¡discovered ¡in ¡physics ¡now. ¡All ¡that ¡remain ¡is ¡more ¡ and ¡more ¡precise ¡measurements.” ¡ -‑ Lord ¡Kelvin ¡on ¡Physics ¡in ¡1900 ¡ However, ¡two ¡unsolved ¡issues: ¡ 1. The ¡existence ¡of ¡the ¡mysterious ¡aether ¡ ¡ ¡ è ¡ ¡ ¡Rela/vity ¡Theory ¡ 2. The ¡stability ¡of ¡the ¡atom ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ è ¡ ¡ ¡Quantum ¡Mechanics ¡ Albert ¡Einstein ¡ Niels ¡Bohr ¡ Werner ¡Heisenberg ¡ Erwin ¡Schrödinger ¡ Paul ¡Dirac ¡
Rela/vity ¡and ¡Quantum ¡Mechanics ¡ ? ¡ ? ¡ lightspeed ¡ Special ¡Rela/vity-‑ ¡ Quantum-‑ ¡ theory ¡ Field ¡theory ¡ Speed ¡ Quantum-‑ ¡ Classical-‑ ¡ mechanics ¡ mechanics ¡ Size ¡ Smallest ¡; ¡elementary ¡parIcles ¡ Human ¡size ¡ Classical ¡mechanics ¡is ¡not ¡“wrong”. ¡ It ¡is ¡has ¡limited ¡validity ¡for ¡macroscopic ¡objects ¡and ¡for ¡moderate ¡veloci/es. ¡
A ¡“Gedanken” ¡Experiment ¡ A ¡useful ¡tool ¡throughout ¡these ¡lectures: ¡ Thought ¡experiments: ¡ Consider ¡an ¡experiment ¡that ¡is ¡not ¡limited ¡by ¡our ¡level ¡of ¡technology. ¡ Assume ¡the ¡apparatus ¡works ¡perfectly ¡without ¡limita/ons ¡so ¡that ¡we ¡ test ¡only ¡the ¡limits ¡of ¡the ¡laws ¡of ¡nature! ¡
Lecture ¡1 ¡ The ¡Principle ¡of ¡Rela/vity ¡and ¡the ¡Speed ¡of ¡Light ¡ “If ¡you ¡can’t ¡explain ¡it ¡simply ¡you ¡don’t ¡understand ¡it ¡well ¡enough” ¡ -‑ Albert ¡Einstein ¡
“Everything ¡should ¡be ¡made ¡as ¡simple ¡as ¡possible, ¡but ¡not ¡simpler” ¡ -‑Albert ¡Einstein ¡
Albert ¡Einstein ¡(1879 ¡– ¡1955) ¡ Annus ¡Mirabilis ¡1905: ¡ • Special ¡theory ¡of ¡rela/vity: ¡ ¡ – Fundamental ¡change ¡interpre/ng ¡space ¡and ¡/me. ¡ Equivalence ¡of ¡mass ¡and ¡energy: ¡ ¡E=mc 2 ¡ • The ¡Photo-‑electric ¡Effect: ¡ – ¡QM: ¡light ¡consists ¡of ¡photon-‑quanta ¡ • Brownian ¡Mo/on: ¡ ¡ – Demonstra/on ¡of ¡existence ¡of ¡atoms ¡ Although ¡these ¡studies ¡were ¡mo/vated ¡by ¡curiosity, ¡they ¡eventually ¡ had ¡a ¡large ¡impact ¡on ¡society: ¡ Compu/ng ¡ ¡and ¡communica/on ¡technology, ¡health-‑care ¡technology, ¡ naviga/on, ¡military, ¡… ¡
Galilei ¡Transforma/on ¡law ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡. ¡ v= ¡ w= ¡ With ¡which ¡speed ¡do ¡the ¡ball ¡and ¡the ¡ouoielder ¡approach ¡ each ¡other? ¡ Galileo ¡Galilei ¡ Intui/ve ¡law ¡(daily ¡experience): ¡30 ¡m/s ¡+ ¡10 ¡m/s ¡= ¡40 ¡m/s ¡ (1564 ¡– ¡1642) ¡ More ¡formal: ¡ Observer ¡S ¡(the ¡BaWer) ¡observes ¡the ¡ball ¡with ¡rela/ve ¡velocity: ¡ v ¡ Observer ¡S’ ¡(the ¡running ¡Ouoielder) ¡observes ¡the ¡ball ¡with ¡rela/ve ¡velocity: ¡ v’ ¡ The ¡velocity ¡of ¡S’ ¡with ¡respect ¡to ¡S ¡is: ¡ w ¡ v’ ¡= ¡v ¡+ ¡w ¡ This ¡is ¡the ¡Galileian ¡law ¡for ¡adding ¡veloci/es. ¡
Coordinate ¡Systems ¡ A ¡ reference ¡system ¡ or ¡ coordinate ¡system ¡ is ¡ used ¡to ¡determine ¡the ¡/me ¡and ¡posi/on ¡of ¡ ¡ an ¡event. ¡ ¡ Reference ¡system ¡S ¡is ¡linked ¡to ¡observer ¡ Alice ¡at ¡posi/on ¡(x,y,z) ¡= ¡(0,0,0) ¡ '" '&" $" $&" An ¡ event ¡(pitcher ¡hits ¡the ¡ball) ¡is ¡fully ¡ (%)*+" w ¡ specified ¡by ¡giving ¡its ¡coordinates ¡in ¡/me ¡ and ¡space: ¡(t, ¡x, ¡y, ¡z) ¡ %" ¡ Reference ¡system ¡S’ ¡is ¡linked ¡to ¡observer ¡ Bob ¡who ¡is ¡moving ¡ ¡with ¡velocity ¡v ¡with ¡ respect ¡to ¡S ¡of ¡Alice. ¡ !" !&" ¡ #" #&" How ¡are ¡the ¡coordinates ¡of ¡the ¡event ¡of ¡ Alice ¡(pitcher ¡hits ¡the ¡ball) ¡expressed ¡in ¡ coordinates ¡for ¡Bob ¡(t’, ¡x’, ¡y’, ¡z’) ¡(running ¡ ouoielder) ¡? ¡ ¡How ¡is ¡the ¡trajectory ¡of ¡the ¡ball ¡for ¡Bob ¡related ¡to ¡that ¡for ¡Alice? ¡
Alice, ¡Bob ¡and ¡Iner/al ¡frames ¡ Alice ¡runs ¡on ¡the ¡deck ¡of ¡a ¡boat ¡with ¡v ¡= ¡10 ¡km/h ¡ The ¡boat ¡has ¡a ¡speed ¡in ¡the ¡canal ¡of ¡w ¡= ¡15 ¡km/h ¡ Bob ¡stands ¡alongside ¡the ¡canal ¡and ¡observes ¡Alice ¡with: ¡10 ¡km/h ¡+ ¡15 ¡km/h ¡= ¡25 ¡km/h ¡ Does ¡Alice ¡know ¡she ¡is ¡going ¡so ¡fast? ¡ She ¡has ¡a ¡windowless ¡cabin ¡and ¡from ¡ within ¡wants ¡to ¡find ¡out ¡whether ¡the ¡ boat ¡is ¡moving ¡by ¡doing ¡an ¡ experiment. ¡ (here ¡illustrated ¡ Can ¡she ¡do ¡that? ¡ for ¡an ¡air-‑plane) ¡ Astronauts ¡in ¡the ¡ISS ¡ do ¡not ¡noIce ¡ that ¡they ¡fly ¡with ¡29 ¡000 ¡km/h ¡around ¡ the ¡earth! ¡ InerIal ¡frames: ¡ ¡ Observers ¡that ¡move ¡with ¡a ¡constant ¡ rela/ve ¡velocity ¡
Special ¡Rela/vity ¡ Postulates ¡of ¡Special ¡Rela/vity ¡ ¡ Two ¡observers ¡in ¡so-‑called ¡Iner/al ¡frames, ¡i.e. ¡they ¡move ¡with ¡a ¡ constant ¡rela/ve ¡speed ¡to ¡each ¡other, ¡observe ¡that: ¡ 1) The ¡laws ¡of ¡physics ¡for ¡each ¡observer ¡are ¡the ¡same, ¡ 2) The ¡speed ¡of ¡light ¡in ¡vacuum ¡for ¡each ¡observer ¡is ¡the ¡same. ¡ A ¡thought ¡experiment: ¡ Bob ¡measures ¡the ¡speed ¡of ¡ light ¡rays. ¡ What ¡does ¡he ¡find? ¡ Alice ¡also ¡measures ¡the ¡ speed ¡of ¡light ¡rays. ¡ Alice ¡ Bob ¡ What ¡does ¡she ¡find? ¡ A ¡clear ¡contradic/on ¡with ¡the ¡Galilei ¡law ¡of ¡addi/on ¡of ¡veloci/es! ¡
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