Fysikkens scene. Hva fysikk er

Transkript

1 1 fysikkens scene 11 KAPITTEL 1 Fysikkens scene Hva fysikk er I august 1971 løftet astronauten David Scott på Apollo 15 en hammer og en fuglefjær til skulderhøyde og slapp dem samtidig; et drøyt sekund senere traff hammeren og fjæra månens overflate på samme tidspunkt. Verken astronauten eller andre var spent på resultatet. Eksperimentet ble gjort for å hedre italieneren Galileo Galilei ( ), som døde mer enn 300 år tidligere. Galilei er kalt den moderne fysikks far, ja Albert Einstein kalte ham faktisk den moderne vitenskaps far. Galilei er kjent for mange ting, blant annet for å ha oppdaget måner rundt planeten Jupiter med sitt selvutviklede teleskop og for å ha kommet i klammeri med den katolske kirken for å ha hevdet at jorda ikke er universets sentrum. For fysikere er likevel hans innsikt i, og utsagn om, at «naturens språk er matematikk», det mest imponerende. Han innså videre at en må gjøre nøyaktige eksperimenter på naturen for å kunne finne frem til disse matematiske sammenhengene. Dype filosofiske funderinger i godstolen er ikke nok. Selv om Galilei kan sies å ha startet opp moderne fysikk, kan fagets opphav spores tilbake enda 2000 år, til greske naturfiloso-

2 12 hva er fysikk fer som Tales, Demokrit, Pytagoras og Aristoteles. Passende nok stammer derfor begrepet fysikk fra det greske ordet fysis, som betyr «natur» eller fysikos, som betyr «naturlig». I et leksikon kan du finne at fysikk er naturvitenskapen som utforsker materiens oppbygning og de kreftene som ligger til grunn for naturprosessene. Begrepet kraft har her en mye mer presis definisjon enn i den dagligdagse bruken, hvor en snakker om gode og onde krefter i samfunnet. Det som menes er en håndfull av fysiske krefter, for eksempel gravitasjonskraften (tyngdekraften) som sørger for at epler faller i bakken når de løsner fra trærne om høsten. Denne definisjonen er for så vidt grei nok, men i dag synes de fysiske kreftene kjent. De fleste fysikere forsker derfor på hvordan naturlige fenomener kan forstås eller forutsies ut fra disse kjente kreftene. Fysikere som studerer kometers baner på himmelen, bruker loven for gravitasjonskraften, mens de som forsker på lynnedslag eller nye mikrobølgeovner, bruker loven som gjelder for elektriske fenomener. Og her kommer hovedpoenget: Vi, det vil si fysikksamfunnet, ser i dag ut til å ha funnet og beskrevet alle krefter som styrer naturlige prosesser på jorda og i alle fall i vårt solsystem. Dette gjelder også prosessene som styrer hvordan kjemiske forbindelser dannes fra kjemikalier, og livsprosessene i dyr og planter. Det er derfor ikke lenger noe prinsipielt skille mellom fysikk, kjemi og biologi. Og hvis vi fortsetter resonnementet og betrakter mennesker og menneskers handlinger som en konsekvens av disse samme kreftene, inkluderes også fag som psykologi, økonomi, statsvitenskap, og kanskje til og med filosofi, i dette samme forskningsprogrammet. Likevel består disiplinene. Denne boka heter hva er fysikk, ikke hva er naturvitenskap. Hvorfor? En grunn er nok at de toneangivende universitetene er gamle institusjoner hvor instituttopp-

3 1 fysikkens scene 13 delingene grovt sett ble gjort for kanskje hundre år eller enda lenger siden. Og oppdagelsene som prinsipielt smeltet sammen fysikk, kjemi og biologi, ble gjort ganske nylig, så sent som i det 20. århundre. En viktigere grunn til at skillet består, er trolig at fysikere, kjemikere og biologer har ganske forskjellige utdannelser hvor ulike teknikker for å studere og beskrive naturen vektlegges. Hovedkjennetegnet på fysikkutdannelsen er den store vektleggingen på matematiske beskrivelser av naturen. Men matematiske beskrivelser har også lange tradisjoner i kjemi, og begynner å bli en viktig del av biologien. Så hva kan være en moderne definisjon av hva fysikk er? Et forslag jeg har sans for, er at fysikk «er det som fysikere gjør». Dette gjenspeiler forskningsfysikkens litt anarkistiske ideal, og fysikernes allsidige rolle både i forskning og i samfunnet ellers. Imidlertid er en slik sirkulær definisjon lite hjelpsom. Hvis jeg skulle prøve meg på en mer opplysende variant, vil jeg foreslå at fysikk er forskning på naturen rettet mot utvikling av matematiske modeller. Det betyr ikke at alle fysikere jobber med å lage matematiske modeller. De viktigste gjennombruddene i fysikk har faktisk stort sett kommet fra nye observasjoner eller eksperimenter. Likevel har målet for aktiviteten vært å komprimere kunnskapen inn i matematiske lover. Galilei og Newton jakten på matematiske naturlover Galilei prediket ikke bare en uforpliktende vitenskapsfilosofisk idé om at man burde søke etter matematiske sammenhenger i naturen; han startet selv jakten på de matematiske naturlovene. Spesielt fokuserte han på fallende legemer. Ved hjelp av datidens mest nøyaktige måleutstyr studerte han blant annet hvordan kuler falt mot bakken, og fant at lette legemer faller like fort

4 14 hva er fysikk som tunge i situasjoner hvor en kan se bort fra luftmotstand. På månen er det ikke noe luft, og heller ikke noe luftmotstand, og en fuglefjær og en hammer vil derfor falle like fort, som demonstrert av astronauten Scott på Apollo 15. Det sies at Galilei gjorde lignende eksperimenter ved å slippe ting fra toppen av det skjeve tårn i Pisa. Det er kanskje ikke helt sant, men det er i hvert fall en god historie. Galilei studerte videre banen til kanonkuler og fant, ved å gjøre kontrollerte eksperimenter i laboratoriet, at den horisontale delen av bevegelsen var den samme gjennom hele flukten, mens kun den vertikale delen av bevegelsen ble påvirket av gravitasjonskraften. Galilei demonstrerte at kombinasjonen av disse to bevegelsene bestemte kanonkulers bane, og at banen var presist beskrevet av en bestemt matematisk formel. Ved hjelp av denne formelen kunne man, for eksempel, regne ut i hvilken vinkel kanonløpet måtte stilles for at en kanonkule med en bestemt starthastighet skulle falle ned i en bestemt avstand fra kanonen. Engelskmannen Isaac Newton ( ) er kanskje den største fysikeren gjennom alle tider. Hans hovedverk Principia kom ut i 1687 og regnes av mange som den viktigste boka i naturvitenskapshistorien. I boka lanserte Newton sine tre berømte lover for legemers bevegelse, det vil si legemers mekanikk. Newtons andre bevegelseslov er en matematisk relasjon, det som vi i vitenskapen kaller en matematisk ligning, og lyder på matematisk vis F = m a. I ord sier denne ligningen at et legemes masse, symbolisert med m, ganget med dets akselerasjon eller fartsendring, symbolisert med a, er presis lik kraften som virker på legemet, symbolisert med F. Denne loven er blitt stående, og siden den er så allmenngyldig, er den blitt opphøyd til å kalles en naturlov. Overalt hvor fysikk undervises i verden, lærer elevene og studentene å forstå og bruke denne loven, og slik vil det trolig også være om tusen år. Og hvis det sitter noen avanserte uten-

5 1 fysikkens scene 15 omjordiske vesener langt ute i Melkeveien et sted og lærer fysikk akkurat nå, så er jeg sikker på at de lærer om Newtons lover (selv om de nok kaller dem noe annet). Hvorfor er Newtons lover blitt så allment akseptert? Det er ikke av respekt for Newton eller fordi de beskyttes av fysikkvarianten av «Gutteklubben Grei». De er heller ikke vedtatt av noen politikere, som andre av samfunnets lover. De er etter hvert blitt akseptert fordi de, med noen små forbehold, ved utrettelig uttesting mot eksperimenter og observasjoner av naturen har vist seg å holde stikk; det vil si at matematiske forutsigelser fra lovene har vært i samsvar med det man har målt. Politikere, i hvert fall i demokratiske stater, har stort sett innsett at naturens lover eller matematiske sammenhenger ikke kan vedtas politisk. Et noe komisk unntak er et forsøk fra en lege og amatørmatematiker som i 1897 tilbød nye matematiske sannheter gratis til delstaten Indiana i USA mot at disse ble akseptert av delstatsforsamlingen som Indianas offisielle matematikk. Blant annet innebar hans forslag at den matematiske konstanten π, som måler forholdet mellom en sirkels omkrets og diameter, skulle settes til 3,2, mens π i virkeligheten er et såkalt irrasjonelt tall hvor de første sju siffer er funnet (og ikke vedtatt) å være 3, Visstnok sendte delstatsforsamlingen forslaget videre til en underkomité for våtmarksområder (!), som videresendte det til utdanningskomiteen. Der ble forslaget vedtatt enstemmig. Imidlertid kom en matematikkprofessor tilfeldigvis innom delstatsforsamlingen i Indianapolis før lovforslaget kom opp til votering i selve delstatsforsamlingen. Han fikk overbevist et tilstrekkelig antall delstatssenatorer om at dette neppe var en god idé, og behandlingen av forslaget ble derfor utsatt på ubestemt tid. I ettertid er tallet 3,2 referert til som «Indiana π». Newtons andre bevegelseslov kan kanskje virke litt uanselig, kun en enkel relasjon mellom tre fysiske størrelser. Den har like-

6 16 hva er fysikk vel vist seg å være et usedvanlig kraftig verktøy for å forstå naturen og lage oppfinnelser. Imidlertid trenger vi et matematisk uttrykk for kreftene (F) som virker på et legeme for at en skal kunne få et komplett matematisk system. Den mest merkbare kraften i dagliglivet for oss jordboere er tyngdekraften, og en av Newtons store innsikter var at han fant ut at det var den samme kraften, gravitasjonskraften, som sørger for at epler faller til bakken, at månen går i bane rundt jorda, og at jorda og de andre planetene går i bane rundt sola. Han foreslo at det alltid virker en tiltrekkende kraft mellom to materielle legemer, og at størrelsen på kraften øker proporsjonalt med massen (det vi i dagliglivet kaller vekt og måler i kilo) til legemene, men at den minker med kvadratet av avstanden mellom legemene. Det betyr at gravitasjonskraften mellom to legemer reduseres til en firedel når avstanden mellom dem dobles. Med denne matematiske formen for gravitasjonskraften innsatt for symbolet F i sin andre bevegelseslov fant Newton ved matematiske utregninger at teorien korrekt forutsa månens bevegelser rundt jorda, døgnvariasjonen i flo og fjære, og Galileis matematiske formler for kanonkulers bevegelser. Tyngdekraften som trakk kanonkulene mot bakken, var ikke annet enn en manifestasjon av gravitasjonstiltrekningen mellom kula og jorda. Ikke bare det, teorien forutsa også de matematiske lovene som tyskeren Johannes Kepler ( ) mer enn femti år tidligere ved prøving og feiling hadde funnet beskrev de litt avlange sirkelbanene til planetene rundt sola. Men mens Kepler kun hadde funnet en matematisk beskrivelse av banene og ikke kunne forklare hvorfor de hadde denne spesielle formen, kunne Newton forklare det med sine to relativt enkle lover, gravitasjonsloven og den andre bevegelsesloven, som også forklarte så mange andre fenomener. Når en og samme teori kunne forklare så mange forskjellige naturfenomener, både på og utenfor jorda,

7 1 fysikkens scene 17 økte tiltroen til teorien i konkurransen med andre teorier. Dette prinsippet kalles for øvrig Ockhams barberkniv, etter den engelske filosofen William av Ockham (ca ): Når to forskjellige teorier kan forklare en observasjon, så tenderer den enkleste til å være riktig. Selv om Newtons gravitasjonslov raskt ble akseptert av mange, var det selv på slutten av 1600-tallet tvilere som argumenterte for alternative teorier. Briten Edmund Halley ( ) brukte imidlertid teorien til korrekt å forutsi tidspunktet for retur av en komet, senere kalt Halleys komet, til slutten av 1750-tallet. Da den ble observert som forutsagt, økte tiltroen til Newtons lover enda mer. Hundre år senere observerte astronomer at planeten Uranus avvek fra sin beregnede bane. Mens noen trodde at Newtons lover kanskje ikke var helt riktige likevel, brukte en engelsk og en fransk astronom, uavhengig av hverandre, observasjonen til å forutsi en hittil ukjent planet ut fra antagelsen om at Newtons lover likevel holdt. Da planeten, som nå kalles Neptun, i 1846 ble observert akkurat der Newtons lover hadde forutsagt, ble troen på lovenes generelle gyldighet ytterligere forsterket. I 1905 kom imidlertid Albert Einstein med sin spesielle relativitetsteori, som viste at Newtons lover ikke var hele sannheten. Denne teorien, som senere har blitt uomtvistelig bekreftet i eksperimenter, innebærer at Newtons andre bevegelseslov bryter sammen for legemer som beveger seg med hastigheter opp mot lysets. For eksempel tilsier teorien at uansett hvor sterke krefter som virker på et legeme, kan farten aldri bli større enn lysets. Noen slik øvre fartsgrense finnes ikke i Newtons teorier. Hvorfor hadde en ikke oppdaget denne begrensningen før? Jo, fordi lysets hastighet er omtrent kilometer i sekundet, og avvikene mellom forutsigelsene fra Einsteins mekanikk, som kalles relativistisk mekanikk, og Newtons mekanikk, som nå blir kalt klassisk mekanikk, er forsvinnende små for hastigheter

8 18 hva er fysikk mindre enn, la oss si, 1000 kilometer i sekundet. Så for de aller, aller fleste situasjoner her på jorda kan vi fortsatt bruke Newtons mekanikk. Det er fint, siden de matematiske ligningene er mye enklere å håndtere i denne teorien enn i relativitetsteorien. Et interessant psykologisk fenomen er at folk flest synes det er artig når eksperter tar feil. Det er kanskje derfor det ofte ukorrekt hevdes at Einstein viste at Newton tok feil. Det er riktigere å si at Einstein tilføyde en ny etasje på Newtons solide bygg. Naturens kode I avsnittet over ble Newtons mer enn 300 år gamle lover brukt som eksempel på matematiske naturlover. Utviklingen og uttestingen av disse første avdekkede naturlovene er av særskilt historisk interesse, ikke minst fordi de på mange måter representerte starten på utviklingen til dagens moderne kunnskapssamfunn. Siden gravitasjonskraften er den fysiske kraften som er mest åpenbar for oss mennesker, og månens og kanonkulers bane er noe vi kan se med våre egne øyne, er den også godt egnet som et eksempel. Vi vet i dag at det finnes tre andre fysiske krefter i tillegg til gravitasjonskraften: den elektromagnetiske kraften som gir oss strøm til alle husholdningsapparater, samt to såkalte kjernekrefter, som kun virker når noen av naturens minste byggesteiner (inne i atomkjernen) er veldig nær hverandre. De siste merker vi derfor ikke så mye til. Newton kombinerte sin nye mekanikk, dvs. sin andre bevegelseslov, med sin nye matematiske lov for gravitasjonskraften, og kunne med den resulterende matematiske ligningen regne ut både kanonkulers og himmellegemers baner. Tilsvarende oppskrifter brukes for å beskrive effekter av de andre kreftene. Når en vet hvilke krefter som virker på et legeme, kan vi kombinere dette med en mekanikk som matematisk forutsier hvordan lege-

9 1 fysikkens scene 19 met vil reagere på kraftpåvirkningen. Newtons klassiske mekanikk fungerer perfekt så lenge legemet ikke beveger seg for fort eller er for lite. Når legemer beveger seg med hastigheter opp mot lysets, må Einsteins relativistiske mekanikk brukes. For bitte små partikler med størrelser på en milliondels millimeter eller mindre gjelder verken klassisk eller relativistisk mekanikk. I en annen stor fysikkrevolusjon på begynnelsen av 1900-tallet fant en at så små partikler typisk må beskrives av en helt ny mekanikk, kvantemekanikk. Mer er det i grunnen ikke. Ved overgangen til det 21. århundre er vi i en situasjon hvor det ser ut til at de grunnleggende naturlover som styrer alle naturprosesser på jorda og i hvert fall i vårt solsystem, kan være avdekket, trolig en gang for alle. Vi har på de 400 år siden Galilei dro det hele i gang, funnet hvilke matematiske regler som naturen følger. Matematiske beskrivelser av de fire kreftene og det nødvendige knippet mekanikker er utviklet og grundig uttestet. Avdekkingen av denne veven av matematiske lover, som kan kalles naturens kode, vil jeg personlig rangere som menneskehetens aller fremste kulturelle prestasjon. Men avdekkingen av disse naturlovene betyr ikke at fysikkforskningen er slutt. For det første vil en trolig finne at dagens lover vil være utilstrekkelige når vi i fremtiden får studert naturens minste byggesteiner i eksperimenter i enda mer «ekstreme» situasjoner, for eksempel når de kollideres mot hverandre med enda større krefter enn det en har kunnet studere tidligere. Slike krefter vil aldri kunne oppstå av seg selv her på jorda, men var til stede umiddelbart etter universets oppstart for omtrent 13,7 milliarder år siden. Uansett om nye lover for mer ekstreme situasjoner avdekkes, vil likevel de nåværende lovene trolig fortsatt ha sin gyldighet på jorda, akkurat som Newtons mekanikk ikke sluttet å beskrive kanonkulers bane perfekt etter at Einstein etablerte den relativistiske mekanikken.

10 20 hva er fysikk Dessuten har det vist seg at selv om vi kjenner de grunnleggende matematiske naturlovene, er det i praksis veldig vanskelig å regne ut hva lovene forutsier for mange av de naturfenomenene vi er interessert i. De aller fleste av dagens teoretiske fysikere, det vil si de som kun jobber med de matematiske aspektene av fysikken, jobber derfor med å finne nye måter på å kryste ut forutsigelser om naturen fra kjente matematiske naturlover. Situasjonen er ikke helt ulik det sjakkspillere opplever. Vår avdekking av naturlovene kan sammenlignes med at vi har lært oss sjakkreglene, men som sjakkspillere vet, er det langt derfra til å bli en god sjakkspiller. Fysikkens erkjennelsesrom «Vi ere en nasjon vi med, vi små, en alen lange,» heter det i Henrik Wergelands 17. mai-sang, og som liten skjønte jeg lite av hva dette skulle bety, og hva en alen var. En alen var imidlertid datidens lengdemål. Opprinnelig var den definert som avstanden mellom albuen og tuppen på lillefingeren, og i dagens metriske enheter tilsvarer den 62,75 cm. En alen tilsvarte i sin tur to fot eller 24 tommer, og videre gikk det 3 alen på en favn (omtrent avstanden mellom fingerspissene når armene strekkes rett ut til siden). Frem til 1700-tallet ble avstander til sjøs blant annet målt i «skift på årene» (11,1 km) eller «ett døgns seiling» (266,6 km). De små lengdemålene var altså relatert til kroppsdeler, og de lengre til datidens transportmidler. Uten særskilt måleapparatur er det vanskelig å måle størrelsen på ting som er mindre enn tykkelsen på et hårstrå, omtrent en tidels millimeter. Fra et bra utsiktspunkt hvor en kan skimte noen høye åser ti mil borte i horisonten, kan vi derfor, med et hårstrå foran det ene øyet, direkte få en følelse av lengdeskalaen fra en tidels millimeter opp til ti mil. Ti mil tilsvarer hundre tu-

11 1 fysikkens scene 21 sen meter eller en milliard typiske hårstråtykkelser, så fra det minste til det største er det en faktor på tusen millioner, eller en milliard, i forskjell. I dag strekker fysikkens erkjennelsesområde seg fra en milliarddels milliarddels meter, som er størrelsen på naturens minste bestanddeler, til omtrent hundre millioner milliarder milliarder meter, dvs. avstanden til de fjerneste himmelobjektene vi har kunnet studere. En milliarddels milliarddel kan skrives 0, , 17 nuller bak et desimalkomma etterfulgt av et ett-tall på den 18. plassen. Dette er en upraktisk notasjon, og i fysikken er det derfor vanlig å skrive dette tallet som Tilsvarende skrives hundre millioner milliarder milliarder som 10 26, et ett-tall etterfulgt av 26 nuller. Fysikkens erkjennelsesområde strekker seg derfor fra meter til meter, en størrelsesforskjell på en faktor Dette tallet er så stort at det er vanskelig å forestille seg, men vi kan prøve. Hvis en samler sammen omtrent badeballer, vil de fylle hele jordkloden vår. En kan tenke seg at en slik jordklode bestående kun av badeballer krympes til den blir like stor som en vanlig badeball, men nå bestående av ørsmå mikrobadeballer. Hvis en så fikk samlet sammen nok av slike krympede jordklodebadeballer til at de igjen fylte jordas volum, ville en til sammen ha omtrent mikrobadeballer. Ikke så lett å tenke seg, men så er jo også hjernen vår tilpasset et liv rundt de begrensede lengdeskalaene som er viktigst for vårt dagligliv. Større og større Den største jordiske lengdeskalaen er omkretsen rundt vår nesten kulerunde jordklode, omtrent kilometer eller meter, dvs meter. Denne avstanden ble spesielt relevant etter at vi på 1500-tallet begynte å utforske verdens-

12 22 hva er fysikk havene, men allerede 200 år før Kristus greide egypteren Eratostenes å beregne omkretsen på jordkloden ved å studere lengden på solskygger. Han hadde blitt fortalt at i byen Aswan langt sør i Egypt, ikke så langt fra ekvator, stod sola rett over hodene på folk midt på dagen ved sommersolverv, slik at de ikke kastet skygger. I hans hjemby Alexandria, derimot, kastet sola litt skygge, også midt på dagen. Ved å måle utstrekningen til denne solskyggen, og ved å estimere avstanden mellom Alexandria og Aswan ut fra reisetiden, fant han ved enkel matematikk et rimelig nøyaktig estimat over jordas størrelse. Dette eksperimentet, utpekt som et av de vakreste eksperimenter i fysikkens historie, illustrerer at man ikke nødvendigvis trenger avansert måleapparatur for å få ny innsikt, hvis man bare har den riktige ideen. Jordas omkrets ble etter hvert ganske nøyaktig bestemt, og i 1791 vedtok det franske vitenskapsakademiet å innføre det metriske system. Her ble én meter definert som en ti-milliondel av den korteste avstanden fra nordpolen til ekvator når en passerer gjennom Paris på veien. Dette var en klar forbedring i forhold til lengdenheter basert på menneskelige kroppsdeler, siden menneskestørrelser varierer; for eksempel var den danske sjællandske alen en halv centimeter lengre enn den norske som Wergeland refererte til. Alle vil imidlertid måle den samme avstanden fra nordpolen til ekvator. Etter hvert som internasjonal handel vokste frem, ble det også viktigere med felles enheter. 1. mars 1875 var det et internasjonalt møte i Paris hvor det ble etablert en internasjonal meterkonvensjon, det vil si en avtale om mål og vekt knyttet til det metriske system. Fra Sverige/Norge rakk kun den norske representanten Ole Jacob Broch møtet, og som følge av et vedtak i det norske storting den 26. mai samme år ble Norge det første landet i verden som ratifiserte denne internasjonale konvensjonen; vår unionsstorebror Sverige ble først med tre år senere.

13 1 fysikkens scene 23 En av de første som greide å gjøre en god måling av avstanden til en planet, var italieneren Gian Domenico Cassini ( ), som rundt 1670 brukte en teknikk kalt parallakse til å måle avstanden til Mars. Denne teknikken kan en forestille seg ved å holde tommelen (som her representerer Mars) på strak arm, og deretter vekselvis kikke på den med venstre og høyre øye. I forhold til bakgrunnen vil da tommelen flytte seg fra ett sted til et annet, som tilsvarer en viss vinkelendring. Når avstanden mellom øynene er kjent, kan en ut fra dette beregne avstanden til tommelen (Mars). Siden avstanden til Mars er så stor, må «øyeposisjonene» ligge lenger fra hverandre. Cassini observerte derfor selv fra Paris, mens han sendte en kollega til Fransk Guyana i Sør-Amerika for å observere derfra. Ved denne metoden fant man at den minste avstanden mellom planetene var 60 millioner kilometer. Ved hjelp av Keplers lover for planetbanene, som var funnet et halvt århundre før, kunne de videre estimere avstanden mellom jorda og sola. De fant den til å være omtrent 140 millioner kilometer, under ti prosent feil i forhold til dagens aksepterte verdi. Cassini utvidet derved universet fra typiske jordiske distanser på 10 7 meter til planetære distanser på typisk meter, en økning på en faktor Ved hjelp av nye og kraftigere teleskoper kombinert med menneskelig kløkt har vi gradvis sett lenger og lenger ut i universet. Først oppdaget vi de ytterste planetene i solsystemet vårt, og i dag vet vi at solsystemet er av størrelsesorden meter i utstrekning. Så er det et langt sprang til neste solsystem, det vil si til vår nærmeste nabostjerne Proxima Centauri, som ligger meter unna. Vår sol, Proxima Centauri og flere hundre milliarder andre stjerner utgjør en skiveformet gruppe som vi kaller Melkeveien, vår egen galakse. Melkeveien har en enorm utstrekning, diameteren er på omtrent meter. For å få en føling med størrelsen kan vi tenke oss følgende: Hvis utstrek-

14 24 hva er fysikk ningen på Melkeveien ble redusert til 10 mil, ville vårt eget solsystem ha en utstrekning på omtrent en millimeter. Avstanden til Andromeda-galaksen, en nabogalakse som vi på den nordlige halvkule kan se med det blotte øye, er mer enn meter. Melkeveien og Andromeda inngår i den såkalte lokale gruppen av galakser, og den såkalte Maffei-1-gruppen er vår nærmeste nabogruppe, omtrent meter unna. De mest fjerntliggende galakser vi har studert, ligger anslagsvis meter fra oss, mens diameteren av det universet vi kan observere, er anslagsvis meter. Men så er det slutt, i alle fall inntil videre. Mindre og mindre Våre forfedre som kikket på stjernehimmelen, kunne også se Andromeda-galaksen, selv om de ikke visste at den var hele meter borte. Men for å studere ting særlig mindre enn en tidels millimeter duger ikke øynene. Særskilt måleapparatur må til. De første mikroskoper sies å ha blitt oppfunnet av nederlandske brillemakere på slutten av 1500-tallet, men det var først i siste halvdel av 1600-tallet at en ved hjelp av forbedrede mikroskoper oppdaget levende celler og bakterier og kunne studere andre såkalte mikroorganismer. De minste bakteriene, som er de minste levende organismene en vet om, er omtrent en tusendels millimeter store, altså 10 6 meter. Mindre ting kan en ikke studere med lysmikroskop. Ideen om at naturen består av et sett av minste byggesteiner, er gammel, og er spesielt knyttet til grekeren Demokrit (ca f.kr.). Denne hypotetiske minste byggesteinen ble kalt atom etter det greske ordet for udelelig. Men atomene viste seg å være veldig små, og atomenes eksistens ble ikke endelig bekreftet før på begynnelsen av 1900-tallet. Den første vitenskapelige

15 1 fysikkens scene 25 atomteorien ble utviklet hundre år tidligere av briten John Dalton ( ). Han observerte at kjemiske substanser syntes å bestå av mindre byggesteiner som alltid kom i bestemte proporsjoner. For eksempel består vann av to deler hydrogen og én del oksygen, og det var naturlig å anta at vann bestod av molekyler bygd opp av to hydrogenatomer og ett oksygenatom. Atomene selv ble antatt å være uforanderlige, og atomene av én type, for eksempel hydrogenatomer, ble antatt å være identiske. Atomteorien gav en elegant forklaring på hvorfor vann kan fryse til is og deretter tines opp igjen slik at en får tilbake vannet: Is og vann representerer kun to ulike måter å ordne en samling vannmolekyler på. Utover 1800-tallet ble flere og flere atomtyper identifisert, og på begynnelsen av 1900-tallet ble atomenes eksistens som selvstendige partikler, ikke bare som ingredienser i kjemiske forbindelser, endelig bekreftet. Man greide videre å bestemme størrelsene deres til omtrent meter. I dag vet vi at det i naturen finnes litt over nitti typer atomer. Et tjuetalls atomtyper til har blitt laget i laboratorier, men disse er ustabile, og de fleste forsvinner av seg selv etter kort tid. Alt vi ser rundt oss, er laget av disse atomene, som er naturens byggeklosser. I de senere år har menneskenes evne til å skreddersy stoffer og materialer på atomnivå økt dramatisk, og de nye teknologiene blir ofte omtalt som nanoteknologi. Navnet kommer fra ordet nanometer, som rett og slett betyr 10 9 meter. Forstavelsen nano-, som står for en milliarddel eller 10 9, kommer for øvrig fra det greske ordet for dverg. Forstavelsen mikro-, som i fysikken står for en milliondel eller 10 6, kommer tilsvarende fra det greske ordet for liten. Etter hvert som fysikken studerte naturen på mindre og mindre skala, ble det også behov for en enkel betegnelse for Etter å ha brukt opp de beste greske ordene, gikk man til de romanske språkene og lånte

16 26 hva er fysikk pico, det spanske og italienske ordet for liten. En picometer er følgelig meter. Men så var det vår tur. Da en trengte et begrep for 10 15, ble det skandinaviske ordet femten utnyttet, og en femtometer er derfor meter. Likeledes er betegnelsen for hentet fra oss; meter kalles følgelig en attometer. Atomet er, til tross for opprinnelsen av ordet, likevel ikke udelelig. I 1897 oppdaget briten Joseph J. Thomson ( ) i Cambridge elektronet, og i laboratoriet til Ernest Rutherford ( ) i Manchester ble det ti år senere gjort en oppsiktsvekkende oppdagelse: Atomer består av en ørliten og, relativt sett, tung atomkjerne, med et bestemt antall lette elektroner svirrende rundt. Størrelsen på atomkjernene ble funnet til å være mellom og meter, og atomets størrelse, omtrent meter, var bestemt av den typiske avstanden elektronene har fra atomkjernen. Så atomer er luftige konstruksjoner: Det minste atomet, hydrogen, har den minste atomkjernen med en diameter på kun meter. Dette atomet har kun ett elektron, og hvis en tenker seg atomkjernen som et lite knappenålshode, er det enslige elektronet typisk noen titalls meter borte fra kjernen. Elektronet er et eksempel på en såkalt fundamentalpartikkel og kan, slik det ser ut i dag, ikke deles opp i mindre partikler. Studier av atomkjernen i første halvdel av 1900-tallet avdekket at den er bygd opp av to typer kjernepartikler: protoner og nøytroner. Både protonet og nøytronet er omtrent meter store, og lenge trodde en at disse var udelelige fundamentalpartikler som elektronet. Men det viste seg at vi ennå ikke hadde skrellet oss frem til løkens kjerne. Kjernepartiklene er bygd opp av enda mindre biter: kvarker. I alt finnes seks forskjellige kvarker, den siste av de seks ble funnet så sent som i Kun to av disse kvarkene, opp-kvarken og ned-kvarken, inngår som byggesteiner i kjernepartiklene: Et proton består av to opp-kvarker og én

17 1 fysikkens scene 27 ned-kvark, mens et nøytron består av én opp-kvark og to nedkvarker. Er vi nå ved reisens ende? Det vet vi ikke, men så dypt vi hittil har kunne studere naturen med eksperimenter, ned til meter, ser kvarkene ut til å være udelelige og derved fundamentalpartikler. Men kanskje er vi fortsatt langt unna naturens innerste. Tid Jordas rotasjon om sin egen akse, med det medfølgende døgnjevnlige skiftet mellom dag og natt, har til alle tider gitt mennesket en naturlig tidsskala. Jorda beveger seg også i bane rundt sola, og tiden det tar, kaller vi et år. Ulike sivilisasjoner og kulturer har konstruert ulike kalendere, det vil si ulike måter å nummerere dager på. Vår gregorianske kalender er organisert slik at den lyseste dagen på den nordlige halvkule stort sett alltid er den 21. juni. Siden jorda bruker noen timer mer enn 365 dager på å gå rundt sola, har vi vært nødt til å legge inn skuddårsdager for at vi ikke skal komme i utakt. Men om det var lett å telle dager, var det vesentlig vanskeligere å finne enkle og pålitelige måter å måle kortere tidsrom på. Solur, basert på at skyggen bak en oppreist stolpe flytter på seg når sola beveger seg over himmelen, har vært brukt i flere tusen år, men nøyaktigheten er typisk begrenset til noen minutter. Timeglass, hvor finkornet sand strømmer gjennom en tynn kanal mellom to større beholdere, har blitt benyttet siden middelalderen, og i Norge ble tidsenheten «glass», som tilsvarte 30 minutter, lenge brukt på skip. Det gikk åtte glass på en vakt, og vaktskifte ble signalisert med åtte slag med skipsklokka. Det fortelles at Galileo Galilei som ung mann la merke til at en svingende lysekrone i katedralen i Pisa så ut til å bruke like

18 28 hva er fysikk lang tid på å pendle, det vil si svinge frem og tilbake, enten pendelutslaget var lite eller stort. Som tidsmåler brukte han sin egen puls. Denne erkjennelsen ble senere benyttet av nederlenderen Christian Huygens ( ) til å lage det første pendelur, og pendelur forble de mest nøyaktige tidsmålerne frem til godt ut på 1900-tallet. Men pendelur måtte stå i ro og var, for eksempel, ubrukelige til sjøs. Nøyaktig tidsmåling på sjøen ville gjøre det mulig å måle hvilken lengdegrad en seilskute var på, og var følgelig viktig i navigasjonsøyemed. I 1714 utlyste derfor det britiske parlamentet en pris på pund til den som kunne løse problemet. John Harrison ( ) brukte de siste 50 år av sitt liv på utfordringen, og greide til slutt å konstruere et tilstrekkelig nøyaktig urverk basert på fjærer og finmekanikk. Like vanskelig ble det å overbevise priskomiteen om at han faktisk hadde løst oppgaven, men etter mye om og men fikk han i 1773 til slutt utdelt prisen, men bare 8750 pund. Spesielt ved fremveksten av jernbanen på midten av 1800-tallet ble det nødvendig for samfunnet å måle tider mer nøyaktig, både for å unngå ulykker og for at toget skulle kunne følge en ruteplan. Det ble utviklet praktiske lomme- og armbåndsur, som også folk med moderate inntekter hadde råd til. Likevel var slike ur en stor investering og noe man fikk til konfirmasjonen og kanskje hadde hele livet. I dag masseproduseres billige og nøyaktige kvartsur for noen få kroner ved bruk av samme teknologi som benyttes for å lage innmaten i datamaskiner og mobiltelefoner. Siden mye av fysikken handler om å beskrive hvordan ting forandrer seg med tiden, er nøyaktige klokker et viktig forskningsinstrument. Dagens nøyaktigste klokker, såkalte atomklokker, går mindre enn ett sekund feil på en million år. Fysikkenheten for tid er sekund, men for lange tidsrom er fortsatt år en mer populær enhet. Universet ble skapt for anslagsvis 13,7

19 1 fysikkens scene 29 milliarder år siden i en gigantisk eksplosjon kjent som Big Bang, og vi har i dag en rimelig god oversikt over de viktigste milepæler: Vår egen galakse, Melkeveien, er nesten like gammel som universet selv, mens sola og jorda ble skapt for omtrent 4,6 milliarder år siden. Det første enkle éncellede liv, og derved biologien som fag, oppstod for 3,5 4 milliarder år siden. Det moderne mennesket begynte å vandre på jorda for omtrent år siden, mens de første (publiserende) fysikerne, som grekeren Demokrit, begynte sine funderinger for 2600 år siden. Snur vi tidspila og ser fremover, vet vi at sola vil fortsette å skinne i noen milliarder år til, men om fem milliarder år vil den ha est slik ut at den nesten rekker ut til jordas bane og gjør jorda ubeboelig for oss. Universet selv vil trolig ekspandere til evig tid. Menneskenes evne til å oppfatte korte tidsintervaller er svært begrenset. Sansene våre trenger gjerne minst et tidels sekund på å reagere, og fenomener som varer mye kortere enn dette, har vi problemer med å få med oss. Dette utnyttes for eksempel når vi ser på TV. Egentlig ser vi en sekvens med stillbilder hvor hvert bilde kun vises i et par hundredels sekund, så kort at hjernen ikke greier å skille mellom de raskt presenterte bildene. I stedet flyter de sammen og gir oss den ønskede illusjonen om at det vi ser, varierer kontinuerlig. For å studere raske fenomener må en derfor ha hjelp av teknologi. For eksempel, i et noe bisart eksperiment med et avansert kamera løste den franske legen Étienne-Jules Marey i 1894 mysteriet om hvordan en katt som holdes med beina opp når den slippes, greier å rette seg opp i fallet slik at den lander med beina ned. Mysteriet var hvordan katten greier å snu seg rundt i lufta når den ikke har noe å dytte mot, og i populærpressen ble det fremstilt som om katten i sin uskyldighet hadde brutt Newtons lover. Snuingen skjer for fort til at det menneskelige øye får det med seg. Ved å ta seksti bilder i sekundet fant Marey ut hvordan

20 30 hva er fysikk katten ved koordinerte rotasjoner med for- og bakpart, kombinert med inntrekk og utstrekk av beina på de riktige tidspunkter, kom seg rundt uten å komme i konflikt med Newtons lover. Høyhastighetskameraene har utviklet seg mye siden 1894, og kameraer som tar bilder hvert titusendels sekund og oftere, brukes i dag blant annet til å studere kollisjoner i bilfabrikkenes testlaboratorier. Den pågående data- og kommunikasjonsrevolusjonen, som er basert på økende miniatyrisering av elektroniske komponenter, har ført til utrolige hastigheter i våre menneskeskapte datamaskiner. En vanlig kontordatamaskin bruker i dag omtrent 10 8 sekund på å summere to tall, i hvert fall en faktor 10 7 raskere enn hva mennesker og vår relativt sett trege hjerne får til. Men atomære prosesser, som vibrasjoner i molekyler eller dannelse av molekyler fra byggesteinsatomene, skjer enda raskere. Typisk varighet er fra til sekunder. Inntil nylig var disse grunnleggende prosessene for raske til at en kunne måle dem direkte, men oppfinnelsen av lyskilder som kun lyser i sekunder, såkalte femtosekundlasere, har nå gjort det mulig å studere disse prosessene med en variant av Mareys teknikk med høyhastighetskameraer. I dag har en greid å studere prosesser med så kort varighet som sekunder. Enda kortere tider finnes i fysikken: Ikke alle atomkjerner er stabile, de går i stykker spontant. For eksempel finnes atomtypen bor i ulike varianter, kalt isotoper. Alle isotopene har fem protoner i kjernen, men antallet nøytroner kan variere. Den vanligste varianten har seks nøytroner og er stabil, men en annen variant med bare to nøytroner er svært ustabil. Den har en såkalt halveringstid på bare sekunder. Det betyr at hvis du starter med 1000 slike boratomer, så vil antallet være redusert til 500 etter sekunder, til 250 etter sekunder, og så videre. Men ikke alle atomære prosesser er raske. Som eksempel

21 1 fysikkens scene 31 har det vanligste uranatomet en halveringstid på 4,5 milliarder år, og denne saktegående naturlige klokka har blant annet blitt brukt til å estimere jordas alder. Den enhetlige fysikken «Mennesket er så vidt nærmere atomet enn stjerna,» skrev den britiske astrofysikeren Arthur Eddington i Det han trolig siktet til, var at forholdet mellom størrelsen av et atom (omtrent meter) og et menneske (omtrent 1 meter) er sammenlignbart med forholdet mellom størrelsen av et menneske og avstanden til sola (omtrent meter). I dag har menneskets horisont blitt ytterligere utvidet: I mikrokosmos har vi studert naturen ned til avstander på meter, mens vår makroskopiske horisont dekker nesten hele universet og går ut til mer enn meter. Langs tidsaksen strekker vår horisont seg fra studier av atomære prosesser som varer sekunder, til universets alder på omtrent sekunder. Så også her kan en si at mennesket befinner seg omtrent «midt mellom» atomet og stjernene. Målt i vekt, eller masse for å være mer presis, er spennet enda større. Et elektron har en masse på bare kg, mens vår galakse, Melkeveien, har en masse på over kg. Totalt har kanskje vårt univers en masse på over kg. En kan lett bli ør og forundret over alle disse store og små tallene, som når en blar i Guinness rekordbok. Men det som er virkelig oppsiktsvekkende, er at naturen følger de samme få reglene for sine minste og største strukturer. Gravitasjonskraften styrer, for eksempel, formen på galakser (typisk meter), planetbanene (typisk meter) og eplets fall til jorda (typisk 1 meter). Så langt man har kunnet sjekke, har Newtons matematiske gravitasjonslov, som sier at den tiltrekkende kraften mellom to masser minker med kvadratet av avstanden, vist seg å

22 32 hva er fysikk holde stikk. Av tekniske grunner har vi imidlertid så langt kun fått testet loven for avstander ned til 10 4 meter. For atomære avstander, typisk meter, er den elektromagnetiske kraften dominerende, mens inne i atomkjernene, som er meter store, bidrar i tillegg to kjernekrefter, kalt henholdsvis den sterke og den svake kjernekraften. Til sammen styrer disse fire kreftene alle naturfenomener vi har observert, fra kvarker til universet som helhet. Ulike mekanikker må imidlertid brukes for ulike fenomener. Newtons mekanikk duger utmerket for de fleste dagligdagse fenomener. Atomer, molekyler og halvledermaterialene som ligger bak datarevolusjonen, kan derimot bare forstås ved hjelp av kvantemekanikk, mens universets historie og utvikling bare kan forstås ut fra Einsteins relativitetsteorier. I dag har derfor fysikerne en tilsynelatende komplett matematisk verktøykasse bestående av fire krefter og noen mekanikker som vi kan plukke fra for å lage beskrivelser av naturen fra det aller minste til det aller største. Dette utrolig kraftige knippet av matematiske ligninger, som ikke er større enn at de kan skrives ned på et vanlig ark, fortjener betegnelsen naturens kode. Og denne koden er tema for neste kapittel. Videre lesning Baziljevich, M Atomet og eplet. Damm, Oslo. Den norske fysikeren Michael Baziljevich tar leseren med på en reise i naturvitenskap fra det aller minste til det aller største. Einevoll, G.T. og Newth, E. (red.) Naturens kode har fysikken avslørt naturens hemmeligheter? Gyldendal, Oslo. Et tjuetalls norske fysikere gir en populærvitenskapelig fremstilling av grunnleggende fysikk og fagets samfunnsrolle. Neffe, J Einstein en biografi. Andresen & Butenschøn, Oslo. Næss, A Da jorden stod stille Galileo Galilei og hans tid. Gyldendal, Oslo. Biografi om Galilei.

23 1 fysikkens scene 33 Renstrøm, R Fysikkens historie fra naturfilosofi til kvanteteori. Høyskoleforlaget, Oslo. Den norske fysikeren Reidun Renstrøm gir oss innsikt i hvordan fysikken har utviklet seg siden antikken. White, M Isaac Newton: den siste trollmannen. Damm, Oslo.