Introduktion til uddannelsen

På fysikstudiet lærer du at anvende samspillet mellem abstrakte teorier, avancerede eksperimenter og computersimuleringer til at modellere fysiske fænomener. Fysik har store berøringsflader med andre fag, især matematik, kemi, bio- og ingeniørfagene; fysikkens anvendelser ligger til grund for store dele af den moderne teknik, for eksempel computere, robotter, kommunikations- og måleudstyr, solceller og medicoteknik.

På uddannelsen dyrker du fysikken i dens mange former via teoretiske, eksperimentelle og numeriske studier. Du kommer til at arbejde med kvantemekanik, termisk fysik, elektromagnetisme og fysik af kondenserede stoffer.

Fysik er studiet for dig, der vil forklare, hvordan alting hænger sammen. Du kan lide at kombinere abstrakt tankegang med praktisk anvendelse. Du er god til matematik i forvejen, og på studiet bliver du endnu dygtigere, for matematik er det sprog, naturen taler.

På fysikstudiet på SDU får du mange muligheder for at blive involveret i forskningen. Allerede på første studieår vælger du et projekt og bliver vejledt af forskere. Senere på studiet møder du forskningen, dels i bachelor- og kandidatprojektet, dels i de valgfri blokke, hvor det er muligt at gå i dybden med forskning i individuelle studieaktiviteter.  De mange valgfri kurser i kandidatuddannelsen lægger op til, at du specialiserer dig på dette tidspunkt i uddannelsen. Netop i specialiseringen er det oplagt at arbejde med et forskningsfelt.

Forskningsområder

Herunder præsenterer nogle af SDU’s fysikere deres forskningsområde inden for henholdsvis teoretisk, numerisk og eksperimentel fysik.

Teoretisk fysik

Fundamentale teorier

– Jeg forsøger med min forskning at forstå de mest fundamentale teorier, som beskriver vores univers og dets mindste byggesten. Den helt grundlæggende ramme, som vi benytter, hedder kvantefeltteori og er på mange måder det uundgåelige resultat, hvis man tager kvantemekanik og Einsteins specielle relativitetsteori og forener dem i et stort hele.

De mindste byggesten, vi indtil videre har observeret i store acceleratorforsøg rundt omkring i verden, kaldes for elementarpartiklerne. Disse inkluderer en masse eksotiske størrelser som kvarker, leptoner, elektrosvage vektorbosoner, gluoner og fotonen.

Den kvantefeltteori, som beskriver deres indbyrdes vekselvirkninger, hedder Standardmodellen og er en uhyre sofistikeret teori. Der er dog en række forunderlige fænomener, som vi stadig mangler at forstå til fulde.

Thomas Ryttov, lektor, underviser i mekanik og partikelfysik.

Kosmologi

- Tre af de grundlæggende problemer i kosmologi er informationsproblemet for sorte huller, problemet om den kvantemekaniske oprindelse af vores univers og problemet om den kosmologiske konstant (forståelsen af mørk energi).

Disse tre problemer har alle en fælles rod i vores beskrivelse af tyngdekraften på et fundamentalt kvantemekanisk plan. Under antagelse af at dette binder problemerne sammen, udforsker vi nye løsninger på disse problemer.

Martin S. Sloth, professor, underviser i kosmologi, avanceret kvantemekanik, astronomi, generel relativitetsteori og kvantefeltteori i krumt rum.

Random Walks

– Inden for forskningsområdet statistisk fysik arbejder vi blandt andet med at forstå opførslen af bløde stoffer, såsom biomembraner, og dynamikken af processer i biologiske celler.

Et eksempel på sidstnævnte kunne være et biomolekyle, der produceres ét sted i en celle og skal udføre sit virke et andet sted. Hvordan kommer den frem til det rigtige sted? Ofte foregår det ved en proces, der er en blanding af tilfældig bevægelse (på engelsk ofte kaldet random walks) og målrettet transport, hvilket gør det til en udfordring teoretisk at regne på, hvor hurtigt molekylet når frem.

Michael Lomholt, lektor, underviser i elektromagnetisme, statistisk fysik og Bayesiansk inferens og informationsteori.

Computermikroskopi

– Atomer og molekyler er for små til, at de kan studeres med et traditionelt mikroskop, og vi arbejder derfor på at udvikle et “beregnings-mikroskop”, hvor vi ved hjælp af computersimuleringer kan studere samspillet mellem tusinder af molekyler og endda processer, der involverer enkelte atomer, og på denne måde lære, hvordan komplekse biologiske systemer i vores celler fungerer.

Beregninger på enkelte atomer eller små molekyler kræver kvantemekaniske metoder, mens større systemer kan håndteres med Newtons love. Vores beregnings-mikroskop, VIKING, understøtter en række forskellige simuleringsteknikker til at studere molekylære processer på forskellige skalaer og samspillet mellem dem.

Ilia Solov’yov, lektor, underviser i astronomi, kvantemekanik og numerisk modellering.

Astropartikelfysik

– I min forskningsgruppe og på CP3-Origins-centret, som jeg er en del af, forsøger vi at forstå to kæmpestore og relaterede mysterier i naturen. Nemlig hvor masse kom fra, og hvad mørkt stof er.

I 1970’erne blev det klart, at al den fysik, vi i dag forstår, i bedste fald beskriver omkring 5 % af universet. En langt større del af universet består af mørkt stof, som vi ikke ved hvad er, men vi ved, at det har været helt afgørende for universets udvikling: Mælkevejen, vores bolig i universet, ville falde fra hinanden uden mørkt stof. Kort sagt er verden født ud af mørket!

Vi kan studere mørkt stof gennem den måde, det via tyngdekraften trækker i almindeligt stof som stjerner, galakser og galaksehobe. Med data fra mange forskellige eksperimenter på jorden, som LHC ved CERN, og i rummet, bl.a. på den internationale rumstation, forsøger vi også at observere mørkt stof direkte.

Mads Toudal Frandsen, lektor, underviser i klassisk mekanik, fluidmekanik og galaktisk dynamik.

Kvantetyngdekraft

– Hvilke grundlæggende, mikroskopiske byggeblokke består vores univers af? Dette fascinerende spørgsmål forsøger jeg at besvare med min forskning inden for teoretisk fysik.

Mit arbejde består af at ‘zoome ind’ på den mikroskopiske struktur af stof og rumtid – det fundamentale filament, som vores univers består af. Jeg benytter en matematisk form for mikroskop til at zoome ind til de allermindste skalaer, som ikke engang de mest kraftfulde eksperimenter såsom LHC-eksperimenterne ved CERN kan måle. Det er på disse små skalaer, at kvantefysikken begynder at påvirke rumtidens struktur.

Spørgsmålet er så, om rumtiden på disse skalaer er delt op i diskrete “rumtidsatomer”? Eller om den bliver ved med at være kontinuert, så den ligner en indviklet matematisk struktur, en fraktal? Vores mest avanceret rumtidsteori, Einsteins generelle relativitetsteori, kan ikke besvare disse spørgsmål, da den ikke medtager kvanteeffekter. Derfor arbejder jeg på at udvikle en ny, mere fundamental teori for kvanterumtid og stof.

Astrid Eichhorn, lektor, underviser i kvantegravitation.

Mørkt stof og stjerner

– Der er noget mystisk og ekstraordinært i universet. Vi ser stærke tegn på, at der er en ny form af stof, der ikke interagerer stærkt med lys, og derfor er det usynligt for os. Fysikere kalder det mørkt stof. Det fantastiske er, at vores beregninger viser, at der er fem gange mere mørke stof end det almindelige stof, som vi er lavet af.

Mørkt stof kan være nøglen til at forstå universet fra den mindste skala (skalaen for elementarpartikler) til den største skala (skalaen for selve universet). Derfor er det ingen overraskelse, at der lige nu er flere igangværende eksperimenter, der forsøger at detektere mørkt stof på forskellige måder på Jorden.

Mine studerende og jeg arbejder på flere forskellige måder, som vi kan bruge til at undersøge eller sætte begrænsninger på forskellige modeller for mørkt stof. En del af vores indsats er fokuseret på at udvikle teoretiske teknikker, som kan hjælpe eksperimentelle fysikere med at finde mørke stoffer. For eksempel: Hvis partikler af mørkt stof er tilstrækkeligt lette, kan de interagere med atomer, når de rammer jorden.

Mit team udfører numeriske beregninger på supercomputere, hvor vi simulerer banen og spredningen af milliarder af mørke partikler, der rammer Jorden. Vores mål er at kende det nøjagtige spektrum af sådanne partikler, når de ankommer til detektorerne. Derfor samarbejder vi med eksperimentelle fysikere, der undersøger mørkt stof, og vi foreslår måder, som vil øge sandsynligheden for, at disse eksperimenter kan finde mørke stoffer.

Chris Kouvaris, lektor, underviser i avanceret kvantemekanik og introduktion til astrofysik og kosmologi.

Numerisk fysik

Kollektive egenskaber

– Sammen med kollegaer i ind- og udland, udvikler og analyserer jeg modeller for uordnede magnetiske materialer, kolloider og biologisk og teknologisk evolution, på alle relevante tids- og rumskalaer. Observationer, computersimuleringer og eksperimentelle data er vigtige elementer i mine projekter, der ofte ender med at beskrive emergente, dvs. kollektive, egenskaber.

For det utrænede øje kan de nævnte arbejdsområder se meget forskellige ud, men vigtige fællestræk træder frem, når man skræller overfladen af. Fællesnævneren er den tidsafhængige opførsel af komplekse systemer. Disse består af (rigtigt) mange vekselvirkende frihedsgrader og mangler de rumlige og tidslige symmetrier, som kendes fra ordnede systemer, fx krystaller.

Paolo Sibani, lektor, underviser i termodynamik og statistisk fysik.

Modeller for materialer

– Hvordan fungerer hverdagsmaterialer som gummi, plastik, yoghurt, shampoo, vingummi, lim og maling? De er alle eksempler på det, som vi kalder ”bløde materialer”. Dvs. komplekse materialer, som er et sted i grænselandet mellem det flydende og det faste. Vores kroppe er bygget af dem, vi spiser dem hele tiden, kort sagt vi er i kontakt med bløde materialer hver dag. De er også essentielle i mange industrielle og teknologiske processer.

Men hvordan virker disse materialer egentligt? I min gruppe bygger vi molekylære modeller af sådanne materialer på computeren. Vi kører så simuleringer på supercomputere for at undersøge, hvordan deres materialeegenskaber opstår ud af deres molekylære strukturer.

Carsten Svaneborg, lektor, underviser i modellering af fysiske systemer og termodynamik.

Eksperimentel fysik

Biomimetiske grænseflader

– En forudsætning for livet er evnen til at adskille individer, for eksempel en plante, et dyr, kun en enkelt celle, fra resten af verden. Der etableres derfor grænser mellem indvendig og udvendig i form af en biologisk væg. Denne væg er dermed grænsefladen, hvorigennem individer interagerer med den ydre verden. Evolutionen har valgt biomembranens dobbeltlag til den opgave.

Biomembraner består af fedtlignende molekyler (lipider) med indlejrede proteiner. Proteinerne styrer transport ind og ud af cellerne, hjælper med genkendelse og signalering og etablerer aggregering i større enheder som væv og hele organismer.

Biomembraner er meget komplekse. Derfor udvikles biomimetiske model systemer, det vil sige modelsystemer, der efterligner biologiske systemer, til at studere grundlæggende egenskaber og processer. Biologi starter i det små og strækker sig til det store!

Jeg arbejder med at studere struktur og dynamik i biomimetiske systemer med neutronbølger og røntgenstråler. Resultaterne fortæller, hvad der foregår i nanokosmos, og de kan også løfte sløret for egenskaber i makrokosmos og dermed give os viden om livets univers.

Beate Klösgen, lektor, underviser i eksperimentel fysik med fokus på bløde materialer og spredningsmetoder.

Kvantiseret lys

– I min gruppe arbejder vi eksperimentelt med det, vi kalder kvanteoptik. Vi undersøger, hvordan lys opfører sig på det mest fundamentale niveau. Teknologi baseret på lys bruges overalt, fra kasseapparater i supermarkeder over lyslederkabler, der driver internettet, til stråleterapi.

Når man beskriver, hvordan lys bruges i disse sammenhænge, er det tilstrækkeligt at beskrive lyset klassisk som elektromagnetiske bølger. Lys er dog ikke bare bølger, men er derimod kvantiseret og består af elementarpartikler, fotoner. Hvis man kigger på en enkelt lyspartikel, beskrives den ikke af bølgeligningen, men af kvantemekanik.

For at undersøge de kvantemekaniske effekter af lys skal man skrue ned for lyset og kun arbejde med få fotoner, for netop i det grænseland kan man måle kvantemekaniske effekter. Det er imidlertid meget svært at undersøge og kontrollere enkelte fotoner eksperimentelt, og feltet kvanteoptik er et relativt nyt område indenfor fysikken. Vi er en af et begrænset antal grupper, der arbejder eksperimentelt med få fotoner, og vi gør det i eksperimenter med ultrakolde atomer.

Sebastian Hofferberth, professor, underviser i atomfysik og astronomi.

Biologisk fysik

- Fysik er et sæt redskaber og love til at beskrive naturen på det mest fundamentale niveau. Men fysikkens love gælder inden for alle områder af naturen; også inden for områder, som normalt betragtes som tilhørende andre videnskaber, for eksempel biologi eller materialevidenskab.

I vores forskningsgruppe anvender vi metoder og teknikker fra fysikken til at beskrive og karakterisere biologiske systemer og bløde materialer. Vi arbejder primært med avanceret mikroskopi og billedanalyse af mikroskopibilleder, eksperimentelle modelsystemer (for eksempel studier af kunstige membraner og geler) og teoretiske modeller for biologiske processer.

Biologiske systemer er grundlæggende opbygget af fire typer molekyler, nemlig proteiner, fedtstoffer, DNA og kulhydrater. Disse stoffer vekselvirker med hinanden via fysiske kræfter og danner komplekse selvsamlede strukturer, som udgør fundamentet for liv på det molekylære niveau. Ved at forstå fysikken bag biologiske strukturer og processer kan vi for eksempel komme nærmere mekanismer for, hvordan sygdomme opstår, og hvordan de kan behandles.

Adam Cohen, lektor, underviser i eksperimentel fysik.

Podcast med lektor Mads Toudal Frandsen

85 procent af vores univers består af mørkt stof, som vi ikke aner, hvad er

Lyt med (16 min.)

Vi samler statistik ved hjælp af cookies for at forbedre brugeroplevelsen. Læs mere om cookies

Acceptér cookies