Denne pdf-fil er downloadet fra Illustreret Videnskabs website ( og må ikke videregives til tredjepart.

Transkript

1 Kære bruger Denne pdf-fil er downloadet fra Illustreret Videnskabs website ( og må ikke videregives til tredjepart. Af hensyn til copyright indeholder den ingen fotos. Mvh Redaktionen

2 FYSIKKEN står ved en skillevej Laserstråler testes og udvikles i laboratorier. De kan bl.a. skære i stål, reparere synsskader og overføre ekstremt store datamængder. shutterstock

3 Stort tema Fysikken har fejret nærmest ufattelige triumfer. Alligevel står videnskaben nu i et voksende dilemma. Skal fysikerne fortsætte jagten på teorien om alting? Eller skal de i stedet gå i laboratoriet og koncentrere sig om at skabe konkrete opfindelser til gavn for os alle? Den sidste vej er langt billigere end den første og desuden den mest fristende for politikere og industri. Men ikke mange fysikere har lyst til at give op, hvor Einstein slap. Læs her om fysikkens store udfordringer. Og om den udvikling, som startede, da Newton formulerede sin lov om tyngdekraften og måske vil kulminere med fysikernes forståelse af netop denne kraft. Håndgribelig fysik bliver til abstrakt matematik: det svære verdensbillede Den klassiske fysik: Fra urværk til varmedød Den moderne fysik: Fra atomet til universet Fremtidens fysik: Hinsides uendeligheden Gigantiske forsøg som på CERN er den eneste vej frem, hvis fysikerne skal finde de partikler, der kan afsløre sandheden om fx big bang. m. brice/spl/scanpix

4 Håndgribelig fysik bliver til abstrakt matematik: det svære verdensbillede F ysikken står ved en skillevej. Den ene vej kan føre til helt nye og uventede opdagelser om stoffets mindste byggesten, naturkræfter og måske andre dimensioner og universer. Denne vej kan vi kun følge, hvis vi bygger enorme acceleratorer som den på CERN. Den anden vej er mindre ambitiøs, men måske af langt større betydning for samfundet. Den består i det arbejde, der foregår i laboratorier verden over, bl.a. med at udvikle kraftige kvantecomputere, nye superledende materialer samt ny og bedre optisk kommunikation. Egentlig burde der slet ikke være en skillevej, for det naturlige er at gøre begge dele. Men moderne forskning er kostbar, og samfundet må her som alle andre steder prioritere. Det er et grundfæstet videnskabeligt princip, at enhver teoris holdbarhed skal kunne afprøves ved forsøg. Men i praksis kan vi snart blive tvunget til at stole på en teori, når blot den på overbevisende måde giver matematisk mening i konsekvens af at det i bedste fald vil kræve enorme omkostninger og i værste fald vil være umuligt at efterprøve dens holdbarhed eksperimentelt. I fysikkens barndom var den let at forstå, og den førte til opfindelser, der bragte velstand og vækst. I dag er den mere abstrakt og kan ende med at blive ren matematik. Og vel at mærke en matematik, der er så kompliceret, at kun de færreste kan forstå den til bunds. Selv om fysikken dermed bliver mere og mere verdensfjern, har den dog stadig enorm betydning for samfundet. Et godt eksempel er klimadebatten. Klimaet er styret af fysikkens love, men Jordens klima er en så kompliceret størrelse, at man er nødt til at opstille store computermodeller for at forudsige klimaets udvikling. Disse modeller er vores eneste mulighed for at træffe de nødvendige beslutninger, men modellerne har også deres begrænsninger. Og den allerstørste begrænsning er nok, at hver eneste model kun viser en del af sandheden. Det er med andre ord uhyre vanskeligt at afgøre, hvilken vej fysikken bør gå. Til syvende og sidst kan valget komme til at ligge hos de politikere, der skal bevilge midlerne til fremtidens forskning. Dermed er det også vigtigere end nogen sinde, at ikke kun nogle få eksperter, men et bredt udsnit af befolkningen har indblik i fysikernes måde at arbejde på og dermed kendskab til såvel fysikkens muligheder som dens begrænsninger den usynlige virkelighed Fysikken navigerer i en skyggeverden For over 2000 år siden beskrev Platon fysikkens største dilemma. bridgeman/scanpix Det verdensbillede, som fysikerne i dag er kommet frem til, bygger på tanker, som er skabt inden for de seneste 2500 år. Her har de græske filosoffer haft stor betydning. En af dem er Platon ( f.kr.), der var elev af Sokrates. Platon er berømt for sin huleanalogi, hvor nogle mennesker sidder lænket i en hule og kun kan se en væg. Bag dem er et bål, og det, de så kan se, er kun skyggerne af alt det, der passerer forbi bag dem eller uden for hulen. For de lænkede mennesker er skyggerne virkeligheden. Vi skulle jo med fysikernes målinger og eksperimenter være bedre stillet end de lænkede hulemennesker. Det var da også sådan, den klassiske fysik begyndte: Der blev målt på ting, vi kunne tage og føle på, som fx bevægelsen af en kugle eller trykket i en dampkedel. Men efter indførelsen af kvantemekanikken er det, som om Platons tankegang igen er blevet aktuel. Vi måler og beregner men den kvantemekaniske virkelighed bag beregningerne er helt uanskuelig og måske endda uforståelig for os mennesker. Teorien virker, hver gang vi afprøver den, men det er, som om den fortæller os, at det, vi ser, kun er skygger af en dybereliggende virkelighed. claus lunau De mennesker, der sidder lænket i Platons hule, ser ikke virkeligheden, men udelukkende skygger af den. 60 Af Helle og Henrik Stub Illustreret Videnskab nr. 10/2011

5 Den skæve virkelighed Ethvert kort forvrænger verden s. dalton/nature pl Forkert matematik skabte myten om, at bien ikke bør kunne flyve. den falske virkelighed Humlebi fik ry for at trodse naturen En af de mest sejlivede historier om fysikkens manglende evne til at forklare verden omkring os er myten om, at humlebien ikke kan flyve. Naturligvis kan den det, og dens flyvning strider ikke mod fysikkens love. Myten viser, hvor galt det kan gå, hvis man vælger en forkert model. Historien er sikkert startet med en hurtig beregning på bagsiden af en kuvert. Den simpleste model er at sammenligne biens vinger med vingerne på et fly. Det er matematisk overkommeligt, fordi et flys vinger sidder fast, og det gør det let at udregne vingernes løfteevne. Men vingerne på en humlebi er netop ikke fastlåste. De bevæger sig i et ganske kompliceret mønster, op og ned. Vingerne minder i deres funktion meget mere om rotoren på en helikopter end om en flyvinge. Deres bevægelse skaber komplekse luftstrømme, og resultatet er, at vingerne leverer opdrift, både når de bevæger sig op og ned. Humlebiens flyvning er ikke noget, der kan klares med en hurtig beregning. Det kræver en meget kompliceret model og en masse computerkraft. Det har vi fået i dag, men det er stadig ikke mere end godt 20 år siden, at gåden om humlebien er blevet endeligt løst. Når vi skal finde rundt, bruger vi kort. Et kort over en by er overskueligt med kun de oplysninger, vi har brug for, fx om veje og jernbaner. Virkeligheden med dens utal af detaljer vil blot gøre os totalt forvirrede. Vi må vælge, hvad der betyder mest for os. Som enhver kaptajn ved, findes der ikke noget søkort, der dækker hele verden. Enten er kortet nøjagtigt ved ækvator, og alle områder ved polerne stærkt fortegnede, eller omvendt. I 1800-tallet blev det matematisk bevist, at det ikke er muligt at tegne et fladt kort over hele den runde klode, hvorpå alle afstande er korrekte. Ligesom geograferne tegner l andkort, tegner fysikerne også kort over den virkelighed, der omgiver os. Et fysikkort er et sæt ligninger og love, der beskriver en del af verden. Fysikerne foretrækker selv at tale om modeller i stedet for kort, men ideen er også her at skabe overblik ved kun at medtage de dele af virkeligheden, vi har brug for. Mange fysiske beregninger kan kun gennemføres, fordi de modeller, der anvendes, med vilje er forenklet meget. Muligvis står fysikerne med deres modeller i helt samme situation som kaptajnen at der ikke findes en model, der korrekt beskriver hele det enorme univers, der omgiver os. Vi har i dag mange gode modeller for små dele af virkeligheden. Men endnu har vi ingen teori, der dækker alt og spørgsmålet er, om der overhovedet findes en sådan perfekt model for hele universet det, som fysikerne har givet navnet TOE, theory of everything. En afstandsbevarende afbildning af en kugle på en flade er matematisk umulig. Derfor bliver flade kort fortegnede ved polerne. shutterstock & alamy Illustreret Videnskab nr. 10/2011

6 Den klassiske fysik ca : FRA URVÆRK TIL VARMEDØD I fysikkens barndom har årsag altid en virkning, og naturen kan måles. Fysikken kan omsættes til en strøm af praktiske opfindelser og nyder enorm popularitet, fordi den synes at gøre verden bedre og bedre. De største udfordringer: Hvordan kan vi skabe elektricitet? Hvad er sammenhængen mellem varme og energi? Og hvad er varme? Dampmaskinen satte bogstaveligt talt tryk på produktionen. Her ses en bomuldsfabrik i 1830 erne. scanpix I 1700-tallet er det fysiske verdensbillede især formuleret af en enkelt fysiker, nemlig Isaac Newton, der med sin banebrydende tyngdelov giver den første videnskabelige forklaring på, hvordan planeterne bevæger sig. Det er nu muligt at gennemføre præcise beregninger af planeternes baner mange år ud i fremtiden. Newtons univers kan nærmest opfattes som et urværk, velordnet og styret af matematikkens love. Men det himmelske urværk er en sag for astronomer. I 1700-tallets saloner er det andre dele af fysikken, de velhavende morer sig med især elektriciteten, hvor det altid er en succes at kunne trække gnister ud af folk, som er blevet elektrisk opladet. For de rige er elektriciteten et legetøj, man kan underholde med for fysikere den næste store udfordring. Den franske revolution er endnu 20 år ude i fremtiden, da James Watt i 1769 tager patent på sin dampmaskine og dermed skaber grundlaget for industrisamfundet. Overalt bygges skibe og fabrikker drevet af dampmotorer, og en af de store udfordringer for ingeniørerne er at gøre 62 Illustreret Videnskab nr. 10/2011

7 Epokens profiler bridgeman/scanpix Tyngdeloven gav en forklaring på planeternes bevægelser, som bl.a. astronomen Tycho Brahe havde observeret. Universet syntes at arbejde som et velsmurt urværk. dem bedre og mere effektive. Der mangler helt klart viden om et så grundlæggende begreb som varme, og det bliver begyndelsen til et vigtigt samarbejde mellem fysikere og ingeniører. Fysikerne begynder nu at interessere sig for sammenhængen mellem varme, energi og arbejde, og langsomt udvikles den moderne varmelære, eller termodynamik. Den gamle teori om varme som et usynligt stof ved navn caloric, der flyder fra varme mod kolde legemer, erstattes af den moderne beskrivelse af varme som energien i molekylernes bevægelser. Termodynamikken får formuleret sine to hovedsætninger, der stadig er grundlaget for moderne fysik. Første hovedsætning er loven om energiens bevarelse, den anden er loven om entropiens vækst. I 1820 tager fysikken en helt ny drejning, da H.C. Ørsted opdager elektromagnetismen. Ørsted opdager under en forelæsning, at elektrisk strøm kan påvirke en magnetnål, men det er fysikere som Ampère i Paris og Faraday i London, der bygger videre på Ørsteds opdagelse. Med Faradays opdagelse af induktionsloven er grundlaget skabt for produktion af elektricitet i stor stil. For at producere elektricitet skal man blot have nogle turbiner, som kører hurtigt rundt og det Illustreret Videnskab nr. 10/2011 er lige en opgave for dampmaskinen, som har undergået en enorm udvikling. Kun 60 år efter opdagelsen af elektromagnetismen bliver de første elektricitetsværker bygget omkring 1880, og dermed har termodynamikken og elektromagnetismen fundet sammen. Kabler skaber det første internet Elektricitetsværkerne og de telegrafkabler, der nu forbinder det meste af Jorden og skaber, hvad man kan kalde datidens internet, er 1800-tallets højdepunkter af ingeniørkunst. Men teknologien er kun den synlige del af fremskridtet. Termodynamikken og elektromagnetismen danner også grundlaget for et nyt verdensbillede og det er her, vi møder en af de største videnskabsmænd i historien. Den skotske fysiker James Maxwell sammenfatter i 1865 mere end 40 års eksperimenter med elektromagnetismen i bare fire ligninger. Maxwells ligninger rangerer på linje med Einsteins senere relativitetsteori, og ligesom termodynamikkens love har de overlevet 150 års udvikling uden at blive ændret. Maxwells ligninger viser den meget tætte forbindelse mellem det elektriske felt og magnetfeltet. Ligningerne beskriver, hvordan elektriske felter scanpix Isaac Newton ( ) lagde med sin tyngdelov og sine bevægelseslove grundstenen til den klassiske fysik. Han viste bl.a., at alle himmellegemer er underlagt tyngdekraften. Og med sine optiske studier afdækkede han, at hvidt lys er sat sammen af alle spektralfarverne. Han opnåede enorm hæder bl.a. slog den engelske dronning ham til ridder. spl/scanpix Lord Kelvin ( ) startede på universitetet som 10-årig og blev professor i en alder af kun 22 år. Han indså bl.a., at varme skyldes bevægelse, og han opfandt den temperaturskala, der stadig bærer hans navn. Han opstillede tillige en teori for, hvordan elektricitet udbreder sig i kabler, og var selv med til at lægge de første kabler mellem USA og Europa. Ludwig Boltzmann ( ) ydede et gigantisk bidrag til fysikken med sin formel for entropi, der viste, at uorden i universet vil vokse, og at det derfor ikke kan eksistere for evigt. Han var sikker på eksistensen af atomer og molekyler, men mødte stor modstand. I et depressivt anfald hængte han sig, året efter at Einstein havde påvist atomernes eksistens. James Clerk Maxwell ( ) ses i dag som en af de største fysikere, der har levet. Med sine fire ligninger om elektriske og magnetiske felter forudsagde han bl.a. det, vi i dag kalder radiobølger. Sammen med Boltzmann beskrev han molekylers bevægelser i en gas og angav som den første en metode til at fremkalde et farvefoto. spl/scanpix bridgeman/scanpix

8 bridgeman art library skabes af ladninger, og magnetfelter bliver skabt af elektriske strømme. Maxwells ligninger åbner et nyt univers for os. De forudsiger eksistensen af radiobølger og viser, at alle stråler, fra røntgenstråling til ultraviolet stråling, synligt lys, infrarødt lys og radiobølger, er af samme fundamentale type. Det er alt sammen elektromagnetisk stråling skabt af svingende elektriske og magnetiske felter, og de har en fælles udbredelseshastighed på km i sekundet. Æteren viser sig at være varm luft Denne hastighed kan ikke bare måles, men dukker op af sig selv i Maxwells ligninger. Det er en meget stor triumf for Maxwell, men han begår her en fejl, som først bliver rettet 40 år senere af Einstein. En hastighed skal jo altid måles i forhold til noget, og her foreslår Maxwell, at de km i sekundet skal måles i forhold til et usynligt stof, som fylder hele universet, og som han kalder æteren. H.C. Ørsted opdager under et foredrag, at elektricitet påvirker en magnetnål. Men hvis det er sandt, vil vi her på Jorden i løbet af et år måle forskellige værdier for lysets hastighed, når Jorden på sin vej rundt om Solen bevæger sig i forhold til æteren. Det burde man kunne måle, og denne udfordring tages op af de to fysikere Albert Michelson og Edward Morley. I et af fysikkens vigtigste eksperimenter, foretaget i Ohio i 1887, kan de ikke finde en variation i lysets hastighed. Forklaringen kommer først i 1905 med Einsteins specielle relativitetsteori. Termodynamikken giver et helt andet bidrag til det nye verdensbillede. Med loven om energiens bevarelse bliver det klart, at universet ikke bare kan eksistere i al evighed. Stjernerne producerer en utrolig mængde energi, men universet, som vi kender det, vil dø, når disse energikilder er udtømt. Stjernerne vil afkøles, og omgivelserne blive en smule varmere men til sidst vil der være den samme temperatur overalt. Og uden temperaturforskelle kan vi ifølge anden hovedsætning om entropiens vækst ikke udnytte den energi, som stjernerne gennem milliarder af år har pumpet ud i rummet. Fænomenet er blevet kaldt universets varmedød. Det evige univers erstattes altså nu af et univers, som udvikler sig fra orden til kaos for til sidst at dø entropidøden, når varmen er jævnt fordelt overalt. Denne forudsigelse er også en del af den moderne kosmologi. Efter elektromagnetismens opdagelse bliver det muligt at sende signaler kloden rundt. Her udsættes en bøje under udlægningen af det transatlantiske kabel i stapleton historical collection/scanpix Fysikeren John Dalton brugte i 1800-tallet denne model til at vise, at stof er bygget af atomer. science & society picture library Atomer erstatter varmestof Den måske vigtigste idé, vi har arvet fra den klassiske fysik, er, at alt stof er opbygget af atomer og molekyler. Atomteorien var kendt i det gamle Grækenland, men kunne først blive en del af fysikken, efter at der var gennemført eksperimenter, som kun kunne forklares ved atomteorien. Teorien om varmestoffet caloric var meget udbredt langt op gennem 1800-tallet, selv om der blev udført talrige forsøg, som man bedst kunne forklare ud fra teorien om, at alt stof er opbygget af atomer og molekyler, og at varme blot er et udslag af energien i molekylernes bevægelse. Problemet er, at atomer er små og usynlige, selv i de stærkeste mikroskoper. Og mange fysikere brød sig ikke om at bygge en teori på nogle atomer, som ingen kunne se. Det endegyldige argument for atomernes eksistens kom først i 1905 med Einsteins berømte analyse af de såkaldte brownske bevægelser. De var blevet opdaget i 1828 af den skotske naturforsker Robert Brown. Han så i sit mikroskop, at bittesmå pollenkorn i vand udfører nogle tilsyneladende helt tilfældige zigzagbevægelser. Einstein kunne på en matematisk overbevisende måde argumentere for, at de brownske bevægelser skyldtes, at de små pollenkorn hele tiden får skub fra molekylerne i vandet.

9 DE STORE GENNEMBRUD Ingen kan skabe energi kun omforme den I dag er tanken om, at energi ikke kan opstå eller forsvinde, men kun omdannes fra en form til en anden, blevet en fast del af vores verdensbillede. Loven går også under navnet termodynamikkens første hovedsætning, og den gør det desværre fuldstændigt umuligt at konstruere en evighedsmaskine. Loven bliver første gang formuleret af lægen Julius von Mayer i På en rejse til Hollandsk Ostindien nutidens Indonesien opdager han, at hans patienters blod har en dybere rød farve, end han er vant til fra Europa, og han fortolker observationen ved, at de bruger mindre ilt og derfor mindre energi til at opretholde kropstemperaturen i Indonesiens varme klima. Det bringer ham på sporet af, at varme og mekanisk arbejde begge er former for energi. Uafhængigt af Mayer kommer James Joule på samme idé i 1843, hvor han måler, hvor meget mekanisk arbejde det kræver at øge temperaturen i én liter vand med én grad. Moderne fysik er helt baseret på energibevarelse. Forskellen er nu, at vi kender langt flere energiformer, end man gjorde i tallet og at vi nu ved, at stof kan omdannes til energi, som det fx sker i et atomkraftværk. Tiden går fra orden mod kaos Det kan diskuteres, hvilken lov der er fysikkens mest fundamentale. Mange siger, at det er energisætningen, mens andre mener, at æren bør tilfalde termodynamikkens anden hovedsætning: Entropien i universet vil altid vokse. Det er netop anden hovedsætning, der er begrundelsen for, at vi skal spare på energien, selv om energi ifølge første hovedsætning ikke bare kan forsvinde. Grundlæggende er entropi et mål for graden af uorden i et fysisk system. Blander vi to luftarter som ilt og kvælstof, vokser entropien. Før blandingen havde vi en vis grad af orden, da ilten og kvælstoffet var adskilt fra hinanden. Efter blandingen bevæger molekylerne sig rundt mellem hinanden. Vi har tabt information om, hvor molekylerne er, og der er kommet mere uorden. I princippet kunne tilfældige sammenstød mellem molekylerne føre til, at ilt- og kvælstofmolekyler igen blev adskilt. Denne modsatte proces er dog meget usandsynlig vi skal måske vente længere end universets levetid for at se det ske. I praksis vil vi derfor aldrig se, at blandinger skilles, så entropien aftager. Sagt helt simpelt, så kan anden hovedsætning udtrykkes ved, at Naturen afskyer forskelle. Energi vil altid søge at sprede sig ud, indtil der til sidst ikke er nogen temperaturforskelle. Når det er sket, har vi ikke glæde af energien mere. Så selv om energi ikke kan gå tabt, forsvinder den brugbare energi: Den dyre kemiske energi i kul og olie bliver til unyttig varmeenergi i luften Vi har fyret for gråspurvene. Mere filosofisk sætter entropien en pil på tidsaksen, da universet altid vil udvikle sig mod en tilstand med højere entropi, altså mere uorden. claus lunau Når vi blander fløde i kaffen, skaber vi mere uorden. Og de to elementer vil aldrig kunne skilles ad igen. spl/scanpix Naturen afskyr forskelle Venstre rum er fyldt med luft, mens der er vakuum i det højre. Luftmolekylerne i det venstre rum suser rundt, og når de rammer væggen, ryger de tilbage igen. Hvis vi åbner en passage mellem de to rum, vil molekylerne lidt efter lidt ryge ind i rummet til højre. Herfra vil nogle ryge gennem passagen tilbage til venstre rum. Så længe der er færre molekyler til højre, vil der dog også være færre, der suser ind i venstre rum. Og til sidst vil der være lige mange molekyler i hvert rum.

10 Den moderne fysik ca : Fra atomet til universet Da fysikken trænger ned i det atomare univers og ud i det kosmologiske, kommer hele vores verdensbillede i opbrud. Virkning og årsag hænger ikke længere sammen, og tid og rum bliver relative størrelser. Denne nye fysik kan ikke i samme omfang som hidtil omsættes til praktiske opfindelser. Og over Hiroshima mister den sin uskyld. De største udfordringer: Hvordan udsendes varmestråling? Hvordan opstår lys? Og hvordan skal vi forstå tid og rum? I starten af 1900-tallet mødes fysikere fra hele verden hyppigt for at få has på den nye fysiks udfordringer. Her hos Niels Bohr i København. spl/scanpix O mkring år 1900 er man godt klar over, at der er uløste problemer inden for fysikken, men mange regner med, at de kan løses inden for de eksisterende rammer. Man ved jo, at den klassiske fysik fungerer og hviler på et solidt eksperimentelt grundlag. Lord Kelvin holder i 1900 en forelæsning med titlen Nineteenth-Century Clouds over the Dynamical Theory of Heat and Light. Her kommer han ind på nogle af de skyer på fysikkens himmel, som han mener udfordrer den klassiske fysik. Og han vælger netop de to problemer, som i løbet af få år kommer til at danne grundlaget for en helt ny fysik. Kelvins første problem er varmestrålingen fra et legeme. Varmestråling er et velkendt fænomen, hvor det er ret let at foretage præcise målinger. Vi ved jo alle, hvordan en jernklods ved opvarmning først gløder rødt, så orange og gult for til sidst at blive hvidglødende. Ved hver temperatur udsendes der lys af mange forskellige bølgelængder, og resultatet kan ses på en kurve, der viser, hvorledes det udsendte lys fordeler sig på de for- 66 Illustreret Videnskab nr. 10/2011

11 DE STORE GENNEMBRUD alamy Ved varmestråling bliver der udsendt lys af forskellige bølgelængder. Det sker i bestemte portioner kaldet kvanter. skellige bølgelængder. Selv Maxwells ligninger kan ikke forklare kurvens ud seende ud fra den klassiske fysik. Det viser sig, at denne lille sky på fysikkens himmel kommer til at vælte hele den klassiske fysik. Løsningen kommer fra den tyske fysiker Max Planck, der i december 1900 forklarer kurven ved at antage, at strålingsenergi kun kan udsendes i bestemte portioner eller kvanter. For stråling med frekvensen f har hver kvant energien E = h f, hvor h nu kaldes for Plancks konstant. Hermed indfører Planck energikvantet, der bryder med hele den klassiske fysik. Planck ser først kvantet som et matematisk trick til at forklare varmestrålingen og ikke som en fysisk størrelse. Den første, der bruger Plancks energikvant som et fysisk begreb, er Albert Einstein i sin afhandling om den fotoelektriske effekt fra Energikvantet tages senere op af Niels Bohr til at forklare brintspektret i hans atomteori fra Universet får hastighedsgrænse Kelvins andet problem handler om den forgæves søgen efter æteren, og det kommer til at danne grundlaget for Einsteins specielle relativitetsteori fra Relativitetsteorien giver ikke bare universet en hastighedsgrænse, nemlig lysets hastighed. Endnu vigtigere er det, at hele vores opfattelse af tid og rum ændres. I den klassiske fysik er tid og rum den scene, hvorpå fysikken udspiller sig. Men Einstein viser, at tid og rum begge er dynamiske størrelser, der i stedet er påvirket af den fysik, som foregår. I dag taler vi om tiden som 30 år, der rystede fysikken. I løbet af claus lunau claus lunau Masse er frossen energi Formlen E = mc 2 regnes af de fleste for selve kernen i Einsteins relativitetsteori, men er egentlig mere en konsekvens af teorien. Relativitetsteorien fastslår, at lysets hastighed i vakuum altid er den samme, og at alle andre fysiske teorier må tilpasses, så de passer hermed. Dermed kan bl.a. masse og energi, der hidtil har været to usammenlignelige størrelser, nu forenes. Formlen beskriver masse som frossen energi, og når masse omsættes til energi, kan energitilvæksten beskrives med præcis denne formel, hvor E er energien, m er massen, og c lysets Lysets hastighed er en konstant, hvis værdi ikke afhænger af, hvorledes vi bevæger os i forhold til lyskilden. Ifølge relativitetsteorien vil enhver iagttager måle lysets hastighed til km/s, uanset om han bevæger sig hen imod lyskilden med måske km/s eller bort fra lyskilden med km/s. Konsekvensen var, at vi måtte ændre vores opfattelse af tid og rum. Tiden går langsommere for legemer, der bevæger sig med hastigheder nær lysets. Det bekræftes dagligt i CERN, der jo sender partikler rundt i deres store accelerator med 99,999 procent lyshastighed. Her måler man også en anden konsekvens af relativitetsteorien, nemlig at massen af en partikel vokser med hastigheden. Det modsatte gælder i øvrigt for længder. Hvis CERN kunne sende en lille, rund stålkugle rundt i centerets accelerator, ville vi se den som en meget flad pandekage på grund af den såkaldte længdeforkortelse. Den specielle relativitetsteori gav også anledning til at indføre den såkaldte Hvis den ene af to tvillinger tager på en lang rumrejse, vil han opleve tiden normalt. Men da tiden i hans hurtige rumskib går langsommere end på Jorden, vil han være yngre end sin bror, når de to mødes efter hjemkomsten. hastighed. Det er denne omdannelse, der bl.a. får stjernerne til at lyse. Men ligningen siger også, at energi kan omdannes til masse. Når partikler kolliderer med hastigheder nær lysets, frigøres så meget energi, at der opstår nye partikler, som ikke findes i naturen. Det er det, der bl.a. sker på CERN. Tid og rum smelter sammen corbis/polfoto For et legeme i bevægelse går tiden langsommere. Det blev målt, da Harold Lyons opfandt atomuret. firedimensionale rumtid, hvor tiden behandles som en fjerde dimension. I dag regner mange fysikere endda med et univers med 10 eller 11 dimensioner. Illustreret Videnskab nr. 10/2011

12 DE STORE GENNEMBRUD Partikler kan optræde som bølger En af de vigtigste opdagelser i moderne fysik er, at naturen på det atomare niveau ikke skelner mellem partikler og bølger. Lys kan opføre sig både som partikler (fotoner) og som en bølgebevægelse. Og en partikel som elektronen kan optræde som både partikel og bølge. Det er ikke svært at eftervise denne dobbelthed eksperimentelt. En måde at gøre det på er at sende en elektronstråle gennem et gitter mod en skærm, der lyser op, når elektronerne rammer den. Resultatet bliver et interferensmønster, der tydeligt afslører, at elektronerne har opført sig som bølger, efter at de passerede gitteret. Fjerner man gitteret, opfører elektronerne sig som partikler, der så danner en lille lysende plet, når strålen rammer skærmen. Tilsvarende er der udført berømte forsøg med dobbeltspalter, der viser, at lys kan opføre sig både som partikler og bølger. Ifølge Niels Bohr giver det derfor ingen mening at spørge om, hvad en elektron er i virkeligheden. Det eneste, vi kan vide, er, at den i nogle forsøg vil spl/scanpix Når elektroner sendes gennem et gitter og rammer en fluorescerende skærm, viser interferensmønsteret, at de har opført sig som bølger. opføre sig som en bølge og i andre som en partikel. Til gengæld er det umuligt at udføre et forsøg, hvor elektronen har begge egenskaber på en gang. I sin yderste konsekvens siger Bohr, at vi faktisk ikke kan vide, hvordan verden er, så længe vi ikke observerer den. For vi kan først afgøre, hvordan den reagerer, i det øjeblik vi udfører en måling. Enhver måling forvrænger Det er ikke spor let at foretage målinger i atomernes verden. For hver gang vi foretager en måling, forstyrrer vi det, vi måler på. Hvis vi fx vil måle hastigheden af en elektron, er vi nødt til at iagttage den ved at sende lys mod den. Men lyset skubber til den lille elektron, så den nu ikke længere har sin oprindelige hastighed. Det kan undgås ved at bruge lys med meget lidt energi og dermed meget stor bølgelængde men den store bølgelængde gør det umuligt at vide, hvor elektronen var, da vi foretog målingen. Heisenbergs usikkerhedsrelation opsummerer dilemmaet: Det er umuligt på én gang at udføre præcise målinger af en partikels position og hastighed. Dette har ingen betydning for målinger i dagligdagen, men det udgør en gigantisk barriere for at trænge ind i atomernes verden. Partikler er evigt forbundne Den måske allermest uforståelige side af naturen, som kvantemekanikken har budt os, er den såkaldte entanglement. Det engelske ord betyder sammenfiltring, og begrebet drejer sig om partikler eller fotoner, som bare én gang har været i kontakt med hinanden. For den kontakt glemmer de aldrig. Lad os tænke os, at et radioaktivt atom henfalder til to andre partikler. Hver af disse partikler dannes med et såkaldt spin en slags rotation om deres egen akse. Nu følger det af naturlovene, at summen af de to partiklers spin skal være nul. Så hvis den ene partikel roterer den ene vej ( spin-op ), skal den anden partikel rotere den modsatte vej ( spin-ned ). Vi claus lunau Har to partikler én gang været i kontakt, vil de altid have modsatrettet spin, uanset hvor de befinder sig. lader den radioaktive partikel henfalde, så de to partikler flyver hver sin vej. Vi ved ikke noget om deres spin, og denne størrelse er faktisk slet ikke defineret, før vi måler den. Når de to partikler er nået langt fra hinanden, måler vi den førstes spin. Der er 50 pct. sandsynlighed for at måle spin-op og 50 pct. for spin-ned. Vi udfører målingen og finder spin-op. Dermed har den anden partikel nu med sikkerhed spin-ned. Det fastlægges, idet målingen på den første partikel udføres. Lad os antage, at de to målinger foregår på Månen og Mars. Det tager det hurtigste, vi kender, nemlig lyset, flere minutter at komme fra den ene klode til den anden. Men hvis vi klokken måler spin-op på Månen, så vil fysikeren på Mars i samme øjeblik med sikkerhed måle, at den anden partikel har spin-ned også selv om et lyssignal fra Månen først kan nå frem til Mars klokken Man kan roligt sige, at ingen forstår entanglement. Effekten er dokumenteret i laboratoriet, og matematisk hænger den sammen med, at de to partikler stadig deler den såkaldte bølgefunktion. Men derfra og til at indpasse fænomenet i vores verdensbillede er der lang vej.

13 Sådan ser fysikerne verden i dag Epokens profiler spl/scanpix denne korte tid formuleres de to store teorier, der danner grundlaget for den moderne fysik: relativitetsteorien og kvantemekanikken. Begge teorier bryder på afgørende vis med den klassiske fysik, og teorierne bliver udviklet uden store og kostbare forsøg. Den nye fysik skabes især af ikoniske videnskabsmænd som Einstein, men er også et resultat af det uformelle samarbejde, der er mellem verdens fysikere. Man kender hinanden og deltager i de samme kongresser og så skaber Niels Bohr et enestående miljø på Institut for Teoretisk Fysik på Blegdamsvej i København. Det er her, store dele af kvantemekanikken udvikles. Virkning mister sin årsag Kvantemekanikken tvinger fysikerne til at opgive den gamle drøm om et anskueligt verdensbillede. Bl.a. fordi den bryder med princippet om kausalitet. Begrebet dækker over den almindelige erfaring, at enhver virkning skal have en årsag. Således flyver en fodbold gennem luften, fordi en spiller har sparket til den. Men i kvantemekanikkens sære Den moderne fysik har gjort det muligt for mennesket at slippe kolossale kræfter løs. verden kan en radioaktiv atomkerne henfalde uden nogen som helst årsag. Det sker bare, og dermed bryder kvante mekanikken med kausaliteten. Men det bliver værre endnu: Vi kan ikke engang beregne, om en bestemt kerne vil henfalde inden for den næste time, kun sandsynligheden for, at den vil henfalde. Konsekvensen er, at fysikken bliver så svært tilgængelig, at den ikke længere kan give de simple forklaringer på verden omkring os, som hidtil har gjort den forståelig i brede kredse af befolkningen. Samtidig mister fysikken i det 20. århundrede med atombomben sin uskyld. På godt og ondt må fysikerne nu drøfte konsekvenserne af deres forskning. Denne debat optager mange fysikere under den kolde krig, men i dag er det ikke så meget kernefysik som it-teknik, der præger den militære teknologi. På mange måder har atomvåben mistet deres betydning med gps-teknologien. Kan man ramme med en meters nøjagtighed, kan et ton almindeligt sprængstof være lige så effektivt som en atombombe. Max Planck ( ) var ophavsmanden til kvanteteorien. Med sin teori om, at strålingsenergi kun udsendes i kvanter, skabte han en afgørende forståelse for lysets udbredelse. Han forsøgte forgæves at forhindre nazisternes indgreb i forskningen. Albert Einstein ( ) er blevet selve ikonet for en videnskabsmand. Han viste, at lys kan opføre sig som partikler, påviste eksistensen af atomer og fremsatte de to relativitetsteorier samt formlen om sammenhængen mellem masse og energi, E = mc 2. Han flygtede i 1933 fra Tyskland og levede herefter i USA. spl/scanpix Niels Bohr ( ) ydede i 1913 et afgørende bidrag til kvantemekanikken med sin atomteori, hvor elektroner kan springe fra en bane til en anden og derved udsender lys. I 1920 erne samlede han verdens førende fysikere på sit institut, hvor man i tæt samarbejde udviklede kvantemekanikken. Werner Heisenberg ( ) viste, at kvantemekanikken havde nogle alvorlige problemer, fordi man ikke kan måle på en partikel uden samtidig at påvirke den. Skønt han ofte var på kant med nazisterne, blev han i Tyskland under krigen. Richard Feynman ( ) fik udført de meget komplicerede beregninger, der gik forud for atombomben. Efter krigen ydede han bl.a. et stort bidrag til forskningen i superledning. Var med i den kommission, der undersøgte Challenger-ulykken. bridgeman/scanpix bridgeman/scanpix scanpix t. harvey/brookhaven natl. lab.

14 Atomernes verden Her dominerer kvantemekanikken Processer kan foregå uden årsag. Vi kan ikke beregne, om de vil ske, kun sandsynligheden for, at de vil ske. Og vi kan ikke se, hvad der foregår inde i et atom, kun beskrive det med begreber fra vores egen verden. claus lunau & shutterstock Stof Atomets kinesiske æske Universets mindste byggesten er de såkaldte elementarpartikler (kvarker og leptoner). Kvarkerne indgår i de tunge partikler i atomkernen. Leptoner er derimod små, lette partikler som elektroner og neutrinoer. Tre kvarker Kvark Strenge Partikel Stråling Partikler kan være strenge. I virkeligheden er kvarker og leptoner måske ikke partikler, men strenge, der vibrerer i rum, som har flere end tre dimensioner, de såkaldte Calabi-Yau-rum. Calabi-Yau-rum danner nukleoner, som er de neutroner og protoner, der udgør atomkernen. Atomkernen danner sammen med de elektroner, der kredser om den, atomerne, som i kombinationer med hinanden danner stof. Atomkerne Kerner lever deres eget liv. En ustabil atomkerne henfalder ved at udsende partikler eller elektromagnetisk stråling. Det sker uden en ydre årsag, og vi kan ikke beregne, om en kerne vil henfalde fx inden for en time, kun sandsynligheden for, at det vil ske. Atom Atomer har skydække. Et atom (her kulstof) består af en kerne, som omkredses af elektroner. I virkeligheden kredser elektronerne ikke om kernen i baner. I stedet fordeler de sig i orbitaler, skyer, hvor der er 90 % chance for at finde dem. y Elektroner x Orbital Stof kan være både orden og kaos. Stof findes i et utal af former fra den levende celle til krystaller. Levende celler er enormt komplicerede, mens en bjergkrystal er helt simpel med sine atomer placeret i regelmæssige gitre. I et plasma farer atomerne rundt mellem hinanden og har endda mistet mange af deres elektroner. Krystalstruktur Atomstruktur i plasma Henning dalhoff Alt stof i universet består af 2 x 12 byggesten Ifølge den såkaldte standardmodel består alt stof i universet af 24 slags partikler: seks typer kvarker og seks typer leptoner med hver deres antipartikler. Ud over stofpartiklerne findes også kraftpartikler (bosoner). De formidler de fire naturkræfter, nemlig den elektromagnetiske kraft, den stærke og den svage kernekraft samt tyngdekraften. Disse kraftformidlere kaldes hhv. fotoner, gluoner, W- og Z-bosoner samt gravitoner. Gravitonerne er endnu ikke eksperimentelt påvist. Det gælder også den såkaldte higgs-partikel, der ifølge teorien er nødt til at eksistere, for at nogle af bosonerne kan have masse. LEPTONER Kvarker Elektron Elektronneutrino Up Down Fotoner formidler den elektromagnetiske kraft. Gluoner formidler den stærke kernekraft. Stofpartikler Myon Myon- Charm Strange neutrino Tau Tau- Top Bottom neutrino Kraftpartikler W- og Z-bosoner formidler den svage kernekraft. Higgs-partikel forklarer bl.a., hvorfor nogle bosoner har masse. Gravitoner formidler tyngdekraften. IKKE PÅVIST IKKE PÅVIST

15 DEN NÆRE OMVERDEN Her dominerer den klassiske fysik Alting har en årsag (kausalitet). De fleste processer, vi kan iagttage, følger en grundlæggende orden. De kan beregnes og forudsiges. Men trods den tilsyneladende orden hersker der alligevel en vis uberegnelighed. claus lunau & shutterstock Solformørkelse på klokkeslæt. Solens, Månens og andre himmellegemers baner kan nøje beregnes med tyngdeloven. Derfor kan vi også helt præcist forudsige solformørkelser. Vandfaldet overholder loven. Vandet adlyder i sit fald tyngdeloven. Det betyder, at vi bl.a. kan beregne dets acceleration. Kuglen holder en støt kurs. Når jægeren affyrer sit skud mod hjorten, følger kuglens bane tyngdeloven og er i princippet let at beregne. Bålet omdanner energi. Ifølge termodynamikkens første lov om energiens bevarelse kan energi hverken skabes eller gå tabt, kun omdannes fra en form til en anden. I et atomkraftværk kan stof omdannes til energi; i et bål frigives den kemiske energi, som er bundet i træet, til varme og lys. Kuglen forvandler liv til død. Når kuglen rammer hjorten, dør den. Et eksempel på, at virkning i vores omverden har en årsag. Liv skyldes en midlertidig orden. Alt liv, fx et træ, skyldes, at stof med Solens energi kan organisere sig (her via fotosyntese), så det kan danne liv. Strømhvirvler er rent anarki. Når vandet i floden snor sig mellem stenene, opstår der nogle kaotiske hvirvler. Deres forløb kan ikke beregnes. Dødens uorden sejrer til sidst. Hele universet bevæger sig ubønhørligt mod stigende uorden (entropiens vækst). Med tiden blandes alt, indtil alle forskelle er udlignet. Når hjorten dør, går kadaveret i opløsning og blandes med omgivelserne.

16 UNIVERSET Her dominerer relativitetsteorien I universet hersker der grundlæggende orden men det er en orden, som kan være meget vanskelig at forstå. Først og fremmest fordi både tid og rum bliver dynamiske størrelser. Det medfører bl.a., at tiden går langsommere for legemer i hurtig bevægelse. claus lunau spl/scanpix Tiden går hurtigere i satellitten Tiden i en gps-satellit følger ikke helt tiden på Jorden. Gps-uret vinder 45 mikrosekunder i døgnet i forhold til Jorden, fordi satellitten bevæger sig i et svagere tyngdefelt. Til gengæld taber gps-uret 7 mikrosekunder på grund af satellittens hastighed. Samlet vinder gps-uret altså hvert døgn 45-7 = 38 mikrosekunder. Solen krummer rummet og danner en tyngdebrønd. Tid og rum smelter sammen Ifølge relativitetsteorien er tiden en ekstra dimension, som tilføjes de tre kendte dimensioner fra den klassiske fysik. Tid og rum slås dermed sammen i en rumtid, som krummer omkring tunge legemer. I vores solsystem er det fx Solens krumning af rumtiden, der fastholder planeterne i deres bane om vores stjerne. Planet Solen Brønden holder planeterne fast i deres kredsløb. Stjernes position Stjernes observerede position Billede A Kvasar Solen bøjer lyset Da tyngdekraften fra Solen krummer rummet, afbøjer den også lyset. Derfor vil en iagttager på Jorden (under en total solformørkelse) kunne se en stjerne, selv om den egentlig er skjult bag Solen. Solen Galakser stiller skarpt Himmellegemers afbøjning af lyset betyder, at stjerner og især galakser kan virke som enorme tyngdelinser, som kan skabe nogle helt fantastiske billeder af kvasarer. Tyngdekraften fra galaksen giver her ikke alene to billeder af samme kvasar den fokuserer også lyset, så det bliver forstærket og giver et meget klart billede af kvasaren. Iagttager på Jorden Galakse virker som linse. Billede B Sorte huller sluger alt lys omkring sig Hvis fx en tung stjerne kollapser, vil tyngdekraften omkring den krumme rummet så kraftigt, at der opstår et hul, som indfanger alt lyset omkring sig. Resultatet er, at dette område for en iagttager på Jorden bliver kulsort. Deraf er betegnelsen sort hul opstået. Langt de fleste galakser menes at have sorte huller i deres centrer. Universet har vokseværk Ifølge Einsteins almene relativitetsteori kan universet ikke være statisk, og man har da også for længst fastslået, at det udvider sig. Det sker dog med stigende hastighed, hvilket tyder på eksistensen af en kraft, der modvirker tyngdekraften, den såkaldte mørke energi.

17 Kan de tre verdener blive til én? Atomernes verden, den nære omverden og universet udgør tilsammen fysikkens verdensbillede. Den første kan vi ikke se, men kun beskrive ud fra den verden, vi kender. Kun ved hjælp af gigantiske acceleratorer som den i CERN kan vi for alvor studere de mindste byggesten og forsøge at forstå de kræfter, de adlyder. I vores nære omverden føler vi os derimod naturligt hjemme med dens forudsigelige vekslen mellem nat og dag og den håndgribelige forskel på en sten og en bølge på vandet. Men bag denne tilsyneladende orden hersker der kaos og uforudsigelighed, og meget af verden omkring os er så kompliceret, at vi aldrig kommer til at sætte det på formler. Det gælder ikke mindst for livet, der set med en fysikers øjne er en oase, hvor naturen helt undtagelsesvis går mod loven om entropiens vækst takket være den uafbrudte energistrøm fra Solen. Ude i universet møder vi igen love, som vi har svært ved at forholde os til. Først og fremmest fordi rum og tid, som i vores hverdag er den scene, alting udspiller sig på, nu er blevet relative størrelser. At tiden fx ikke går lige hurtigt overalt, virker helt ubegribeligt. Hvad der kan virke uoverskueligt for de fleste, er til gengæld en stor triumf for fysikken. Det tredelte verdensbillede er resultatet af tusindvis af eksperimenter, matematiske udregninger og ikke mindst store fysikeres evne til at tolke dem. Alligevel er det ultimative mål for den teoretiske fysik stadig at samle fysikkens tredelte verdenskort til ét. Her står der imidlertid to store forhindringer i vejen. For det første skal relativitetsteorien og kvantemekanikken forenes. Førstnævnte handler om, hvad der sker ved store hastigheder nær lysets, og hvordan tunge legemer kan ændre selve rummets form. Trods sin store kompleksitet er relativitetsteorien dog dybest set en klassisk teori, fordi vi i princippet kan beregne, hvad der vil ske i fremtiden. Heroverfor står så kvantemekanikken, hvor alt udspiller sig på en passiv scene af tid og rum. Rummet er fyldt af virtuelle partikler, som dannes og forsvinder i et mønster, der kun kan forudsiges med en vis sandsynlighed. De to teorier er så forskellige som nat og dag. Den anden udfordring er standardteorien, hvis 24 byggesten styres af fire naturkræfter. Der arbejdes hårdt på at opstille en fælles teori for de fire kræfter, men der er meget lang vej endnu. De fire naturkræfter er svære at samle Det nærmeste, fysikerne er kommet på at samle naturkræfterne under en fælles hat, er en teori, som forener elektromagnetismen med den svage kernekraft, og der er håb om at udvide teorien til den stærke kernekraft i en grand unified theory (GUT). Til gengæld ligger det ultimative mål at få tyngdekraften med i teorien og forene relativitetsteorien og kvantemekanikken i en theory of everything (TOE) endnu langt ude i fremtiden. Den elektromagnetiske kraft vekselvirker mellem elektrisk ladede partikler. Den svage kernekraft får tunge elementarpartikler til at henfalde til lettere. Den stærke kernekraft holder kvarker og atomkerner sammen. Den svage kernekraft og den elektromagnetiske kraft er forenet i en teori om den elektrosvage kraft. TOE (theory of everything) skal bl.a. forene GUT med tyngdekraften. Dette mål er vi endnu langt fra. GUT (grand unified theory) skal forene den stærke kernekraft med den elektrosvage kraft. Dette mål er inden for rækkevidde. claus lunau Tyngdekraften er en tiltrækningskraft mellem alt, der har en masse. Det er fx tyngdekraften, der holder stjernerne sammen i en galakse. Men den har overhovedet ingen betydning på partikelniveau.

18 Fremtidens fysik ca Hinsides uendeligheden Fysikken står i dag ved en skillevej, hvor den eksperimentelle fysik vil sluge enorme ressourcer, hvis vi skal stræbe efter det komplette verdensbillede. Dermed kan den ende i ren matematik. Men vi kan også vælge at satse på praktiske resultater i laboratorierne. De største udfordringer: Hvordan forenes kvantemekanik og relativitetsteori? Hvad gør vi med tyngdekraften? Og findes der flere dimensioner, universer og naturlove? F ysikkens betydning for samfundet har ændret sig meget de sidste 200 år. I det 21. århundrede er den blevet abstrakt og svært tilgængelig, og det kan være svært at se den tætte forbindelse, der trods alt stadig er mellem fysik og teknik. I stedet er det fysikkens mere filosofiske aspekter, der er dens ansigt udadtil. Eksperimenterne i CERN er spændende, netop fordi de rører ved de store spørgsmål, om der findes andre dimensioner og universer uden for det univers, vi kender. Denne måske mere spekulative opfattelse af fysikken viser sig i jagten på den meget omtalte higgs-partikel, der i pressen ofte omtales som the God particle. Nutidens udvikling af fysikken er kommet gradvist, og det er endnu for tidligt at sige, om fysikkens fremtid ligger i teoretiske studier af andre dimen- Der skal findes mindst én higgspartikel, for at standardmodellen kan passe. Men det kræver enorme mængder energi at skabe higgs, måske mere, end CERN kan klare. Én partikel skal redde standardmodellen Higgs-partiklen er uden tvivl den mest omtalte elementarpartikel i fysikkens historie. Den er endnu ikke fundet, men eftersøgningen på CERN og Fermilab i USA har skabt overskrifter over hele verden. Hvis vores nuværende teorier er korrekte, må den simpelt hen eksistere. Ellers har standardmodellen alvorlige problemer. I fysikken har vi en type partikler kaldet bosoner, som formidler naturkræfterne. Den masseløse foton formidler elektromagnetismen, mens den svage kernekraft bæres af de meget tunge W- og Z-bosoner. Teoretisk burde alle disse bosoner være masseløse, så for at forklare, hvorfor nogle bosoner er tunge, opfandt Peter Higgs og andre forskere en mekanisme (i dag kaldet higgs-mekanismen), som giver partikler masse. En konsekvens af denne teori er, at der skal eksistere mindst én såkaldt higgs-partikel. Når partikler vekselvirker med higgs, får de så masse. Jo mere de vekselvirker, jo tungere bliver de. Teorien løste mange problemer, men skabte også nye. For det første har vi stadig ikke set higgs, og for det andet ved vi ikke, hvor tung den selv er. Forudsætningen for at skabe higgs er at lade protoner støde sammen med hastigheder nær lysets. Herved frigøres enorme mængder energi, som igen kan omsættes til masse. Men hvis higgs er meget tung, kan selv CERN ikke levere energi nok til at skabe partiklen. Så måske får vi aldrig svar på, om den findes. spl/scanpix Superstrenge er en smart matematisk model, men kræver ni rumdimensioner. claus lunau Strenge vibrerer i flere dimensioner Blandt fysikkens største udfordringer er at finde en kvanteteori for tyngdekraften. Et af de bedste bud er den såkaldte strengteori. Den grundlæggende idé er simpel. Mange elementarpartikler har en meget kort levetid, før de henfalder til mere kendte partikler. Det kan fortolkes ved at antage, at de befinder sig i en anslået tilstand med høj energi. Når de henfalder, slipper de af med deres overskudsenergi ved at udsende partikler. Det svarer til, at en violinstreng ligeledes befinder sig i forskellige energitilstande, når den svinger med forskellige frekvenser. Denne analogi kan udvikles matematisk, så det giver mening at tale om elementarpartikler som små 1-dimensionale strenge, der kan vibrere med forskellige frekvenser svarende til forskellige energier. Prisen er dog, at strengene ikke vibrerer i vores 3-dimensionale rum, men i et rum, der har ni dimensioner ud over en tidsdimension.

19 sioner og universer. Det er en vej, som er farlig at betræde, fordi vi ikke kan foretage forsøg, der kan afprøve teorierne. I 1949 indleder den britiske science fiction-forfatter Arthur C. Clarke sin novelle The Wall of Darkness med ordene: Many and strange are the universes that drift like bubbles in the foam upon the River of Time. Clarke kunne ikke vide det, men det er en ganske god beskrivelse af det nye verdensbillede, nogle fysikere mener, at vi nærmer os at vores univers kun er et blandt mange, der lidt poetisk udtrykt driver som bobler i skummet på tidens flod. Måske er vi på vej mod en ny fysik Hvis vi vil forudsige udviklingen af det 21. århundredes fysik, kan vi gøre det samme, som lord Kelvin gjorde i år 1900 nemlig at se på de uløste problemer, vi har arvet fra det 20. århundrede. Dem er der mange af, men som for 100 år siden ved vi ikke, hvilke problemer der rummer starten på en ny fysik og hvilke problemer der kan løses med kendt teori. Der er ingen tvivl om, at det største problem er, at relativitetsteorien og kvantemekanikken står som to adskilte teorier, der gælder for hvert sit område. Relativitetsteorien gælder først og fremmest i universet og bygger trods sin umiddelbart svært forståelige sammenblanding af tid og rum dog stadig på forløb, som vi kan beregne. Kvantemekanikken udspiller sig derimod i atomernes mikrokosmos, er uberegnelig i klassisk forstand og opererer med byggesten, som vi i bedste fald kan se skygger af i stort anlagte eksperimenter. Problemerne med tyngdekraften og standardmodellen har ført til den såkaldte strengteori, der første gang formuleres i Strengteoriens grundlæggende idé er, at elementarpartikler ikke er små punktlignende partikler, men små strenge, der vibrerer i et rum med hele ni dimensioner. Teorien er til dels indført for at løse nogle matematiske problemer ved standardmodellen, men især for at gøre det muligt at bringe tyngdekraften ind under modellen. De matematiske problemer ved at skabe strengteorien var enorme og har udfordret mange af verdens bedste fysikere. Den klassiske strengteori er nu afløst af den såkaldte M-teori, der har forøget antallet af rumdimensioner fra 9 til 10. Selv om teorierne er matematisk elegante, har de det fælles problem, at de er umulige at undersøge eksperimentelt. Det kræver nemlig energier langt større, end selv den 27 km lange CERN-accelerator LHC kan producere vi skal faktisk have acceleratorer på størrelse med hele Mælkevejen for at kunne gennemføre FREMTIDENS MÅL Vores univers er ét blandt mange Om strengteorien vil vise sig at være et af fysikkens bedste påfund, eller om den i stedet vil blive kasseret som 1700-tallets teori om varmestoffet caloric, er endnu for tidligt at sige. Men under alle omstændigheder har den givet matematikerne mulighed for at fremsætte teorier uden at være hæmmet af eksperimentelle kendsgerninger. Resultatet er blevet M-teorien, hvor M oprindeligt stod for membrane, men i dag tolkes på mange måder som fx magic og master. M-teorien indeholder alle strengteorier og erstatter de 1-dimensionale strenge med figurer, som kan svinge i flere dimensioner som 2-dimensionale membraner, og figurer i endnu flere dimensioner. M-teorien kræver en ekstra rumdimension, så vi nu skal holde styr på ikke mindre end 10 rumdimensioner og en tidsdimension, altså 11 dimensioner. De skjulte dimensioner kan foldes på mange måder, og hver måde svarer til et sæt af naturlove og naturkonstanter. En mulig fortolkning af M-teorien er, at der til hver af de måder, de skjulte dimensioner kan foldes på, svarer et univers med sine helt egne love. Hvis det passer, er det jo ikke så mærkeligt, at der også er plads til et univers som vores med de love og naturkonstanter, der her gør det muligt at rumme liv. Men det må kraftigt understreges, at hele ideen om et multivers bestående af mindst universer er ren teori. Det kan i højeste grad diskuteres, om M-teorien overhovedet kan kaldes for en fysisk teori, da der ikke er nogen kobling til målinger og eksperimenter. M-teorien opererer med universer hvert med sit eget sæt af naturlove. spl/scanpix

20 de nødvendige forsøg. Det har fået nogle fysikere til at mene, at fysikken dermed er kommet ind på en forkert vej. Også standardmodellen giver problemer. Det ser ud til, at alt stof i universet er opbygget af 24 forskellige elementarpartikler, seks typer af kvarker og seks typer af leptoner. Det giver 12, men til hver kvark og lepton svarer en antipartikel, og så er vi oppe på 24. Disse 24 elementarpartikler er så byggestenene i de over 200 partikler, som vi kender i dag. Kvarker indgår i de tunge partikler som protoner og neutroner, der hver består af tre kvarker. Langt de fleste partikler er opbygget af kvarker. Men elementarpartiklerne tæller også leptoner, som er små, lette partikler som elektroner og neutrinoer. Vi ved ikke, hvorfor naturen er udstyret med lige netop 24 bygge klodser i stedet for måske 2, 8 eller 32. Det er bare et af de mange uløste pro blemer inden for standardmodellen. Ifølge samme model styres de 24 byggeklodser af kun fire naturkræfter. Det er tyngdekraften, den elektromagnetiske kraft, samt den stærke og den svage kernekraft. Nu virker fire kræfter som et lidt vilkårligt tal, så der udfoldes store anstrengelser for at opstille en fælles teori for alle de fire kræfter. Men der er i bedste fald meget lang vej endnu. Det nærmeste, vi er kommet, er en teori, som forener elektromagnetismen med den svage kernekraft. Der er håb om også at udvide teorien til den stærke kerne kraft, men til gengæld har tyngdekraften modstået ethvert forsøg på at blive forenet med de andre naturkræfter. Der er en sikker nobelpris til de forskere, der kan opstille en kvante teori for tyngdekraften. Dette gennembrud er nødvendigt, hvis vi vil forstå, hvad der skete lige efter big bang. Men det værste af det hele er, at standardmodellen arbejder med 19 naturkonstanter, hvis værdier ikke kan beregnes, men kun måles. En naturkonstant er en talstørrelse, som er den samme overalt i universet, og som ikke har ændret sig, siden universet begyndte. Som vigtige eksempler på naturkonstanter kan nævnes lysets hastighed c på km i sekundet og gravitationskonstanten G, der bestemmer tyngdekraftens styrke. Selv en konstant kan variere At vi ikke kan beregne naturkonstanterne, men kun måle deres værdier, viser, at selv vores bedste teorier er mangelfulde. Det er måske ikke så overraskende, men i 2010 er der dukket et nyt og muligvis endnu større problem op. Målinger Superledning fjerner enhver modstand Superledning, altså evnen til at lede elektrisk strøm uden modstand, blev opdaget allerede i 1911, og en praktisk udnyttelse har siden været et af fysikkens og teknikkens store mål. Det vil spare enorme mængder energi, hvis vi kan undgå, at en stor del af den elektriske energi omdannes til varme, når den bliver transporteret gennem lange ledninger. Selv om ganske mange stoffer kan blive superledende, sker det normalt kun ved temperaturer tæt på det absolutte nulpunkt. Drømmen er at finde stoffer, som kan være superledende ved stuetemperatur. Vi kender i dag keramiske og organiske stoffer, som er superledende ved temperaturer på mere end 100 grader over det absolutte nulpunkt. Det er en udfordring for teoretikerne, for vores nuværende teorier for superledning kan ikke forklare disse stoffers egenskaber. Endnu er vi nok langt fra superledning ved stuetemperatur. De nyeste superledere kræver temperaturer, der kan opnås ved køling med flydende kvælstof og det er bestemt ikke billigt til industriel brug. Men gevinsten er enorm. Fx er superledning ved stuetemperatur lige det, der skal til for at gøre de nye maglevtog, der svæver hen over magnetiske skinner, virkelig rentable. En neurochip (tv.) kan opereres ind i vores hjerne. I skålen th. ses en musehjerne. m. brega/spl/scanpix Hjernen får nye forbindelser Vi har gennem årene vænnet os til at kommunikere med computere via tastatur og mus men biofysikere arbejder på at gå skridtet videre. Der er teoretisk en mulighed for, at vi kan forbinde vores hjerner direkte med en computer, så vi kan få den til at udføre en opgave blot ved tankens kraft som det sker, når vi bevæger arme og ben. Det vil kræve helt specielle neurochips, som kan indopereres i vores hjerne. Her opfanger de så hjernens elektriske signaler og sender dem til en lille computer på størrelse med en mobiltelefon. Denne computer rummer en model af hjernens funktion og genererer så de signaler, som vi sender videre til den store computer, vi ønsker at styre. Det kan for den sags skyld godt være en robot måske et kunstigt ben, man ønsker at kontrollere. Perspektivet er, at lammede eller andre handicappede personer får et exoskelet, de kan styre, og som sender signaler tilbage til hjernen på samme måde, som vores egne lemmer gør det. Med denne teknik kan vi også udforske Solsystemet og havets dybder på en helt ny måde. Computeren vil fungere som vores forlængede sanser, og vi vil næsten kunne føle, hvordan det er at gå på Mars.