Bokebackens
kultursida

Lästips

Kvantfysik för Knatte, Tjatte och Fnatte

Det här är kvantfysik så populär den nu kan bli. Första halvan av Brian Cleggs bok beskriver fysikaliska fenomen på ett för den intresserade lekmannen fullt begripligt sätt. Det är som en Gröngölingshandbok i materia, elektromagnetism, vågrörelse, nukleärreaktioner och mycket mer. Sedan övergår författaren till i och för sig hisnande vetenskapliga spekulationer och en del avsnitt måste man ha universitetsstudier i fysik för att förstå. Bokebackens Thomas Garoff vägleder och kommenterar.

Förlaget Octapus har givit ut en bok som närmast kan förliknas med ”Gröngölingarnas” handbok i kvantfysik där de försöker i korta uppslag steg för steg ge en introduktion till hur dagens fysiker byggt upp den fysikaliska helhetsbild som ligger till grund för hela vår teknologiska utveckling. Brian Clegg är den huvudsakliga författaren till boken. Eftersom den är skriven så att den kan användas av en bredare publik som inte själv avlagt vitsord i ämnet kan några kommentarer vara på sin plats.

Boken inleds med en mycket komprimerad historik hur det vetenskapliga tänkandet har utvecklats från antikens Grekland. Filosofen Thales var den första att skilja på tro och vetande, ett konstaterande som förtydligades två hundra år senare av Aristoteles som lanserade begreppet fysik i motsats till teologi. Matematikerna Pytagoras, Euklides, Eratosenes, Hipparkus, Aristarkos och Arkimedes tas upp i all korthet för att dels beskriva matematikens utveckling och också visa hur tyngdpunkten sakta förskjuts från Grekland till Alexandria där matematiken som vetenskapsgren kraftigt utvecklas under den hellenistiska perioden.

Vad fysiken och kemin beträffar berörs Empedokles definition om att all materia är uppbyggd av de fyra grundelementen: jord, luft, eld och vatten. Aristoteles lade till ett femte element: etern. Denna lära kom sedan att hänga med i alla vetenskapliga sammanhang fruktansvärt lång tid. Ett korn av sanning från denna epok är Demokritos idé att all materia innerst inne består av små odelbara partiklar som ju senare visade sig vara fallet när man upptäckte atomerna.

Materia, elektromagnetism och strålning

Efter denna korta introduktion går boken över till de stegvisa upptäckter som gjordes under 1600-, 1700- och 1800-talen. Vetenskapsmännen har haft ett stort besvär i att åtskilja de fysikaliska helheterna som är förknippade med materiens uppbyggnad, elektromagnetismen och den elektromagnetiska strålningen. Alla tre grupperna har senare utkristalliserats sig som egna vetenskapsgrenar. Härvid tangerar boken ett flertal berömda experiment som alla bidragit med små tilläggsinsikter som steg för steg fört helhetsbilden vidare.

Vågrörelsen

Fenomenet som går under benämningen ”vågrörelsen” har under långa tider väckt förundran; hör den ihop med materia eller kan man spåra den i helt immateriella förhållanden. Ett bra exempel är dispyten mellan Isaac Newton som antog att ljuset förmedlades av små partiklar och Christiaan Huygens som ansåg att ljuset bestod av en immateriell vågrörelse. Newton hade svårigheter att förklara ljusets brytning medan Huygens hade svårt att förklara hur en vågrörelse kunde fortplanta sig i den media lösa rymden, men å andra sidan fick vågrörelseteorin i början av 1800-talet ett starkt stöd från Thomas Youngs försök med ”spaltlådan” som visade ljusets interferensegenskaper som är typiska för vågrörelser. Försöket som tydligt visade att vågrörelsen i vissa fall behöver ett medium var ringklockan under en vakuum kupa som inte ger något ljud ifrån sig.

Elektromagnetismen

En svaghet i boken är att författaren bara omnämner Michael Faradays experiment som i mångt och mycket var de första resultaten som beskrev elektricitetens natur. Samma är fallet med James Clerk Maxwells arbete som påvisade sambandet mellan elektricitet och magnetism. Här hade man önskat en lättfattlig introduktion för att bättre förstå hur magnetismen är förknippad med elektronernas rörelser. Endast Faradays demonstration av ett magnetfält med hjälp av järnfilspån och Heinrich Hertz’ experiment som första gången påvisade existensen av radiovågor beskrivs i boken. Däremot är ett mycket informativt diagram infört som visar i en jämförande bild hur våglängderna för de olika elektromagnetiska vågrörelserna förhåller sig till frekvensen (Hz) och till sitt energiinnehåll i elektronvolt (eV). Ur diagrammet framgår det att en ljusfoton som har en våglängd på 10 000 Å har ett energiinnehåll på 1 eV. 10 000 Å utgör våglängdsgränsen mellan infrarött och synligt ljus.

Nanopartiklar och nanoteknologi

Strålningens våglängdsskala väcker förundran. Här framgår det att synliga ljuset har en våglängd som är 0.1-1.0 µm. Partiklar av denna storleksordning kan alltså ännu ses med ljusmikroskop. Om partiklarna är mindre än så syns de inte inom det synliga ljusområdet. En lösning som innehåller partiklar som är mindre än 0.1 µm ser helt klar ut. Nu talas det mycket om nonopartiklar och nanoteknologi i tidskrifter för populärvetenskap, och att det utgör en helt ny dimension inom forskning och utveckling. Man frågar sig dock vad det är för skillnad mellan en molekyl och en partikel av nano-storleksordning. En atom har redan en bredd på 1-2 Å och en vanlig kemisk bindning har en bredd på 1-2 Å vilket gör att en liten socker molekyl har redan en storlek på 10-20 Å vilket är 1-2 nm så man frågar sig är inte den vittomtalade nanoteknologin detsamma som normal molekylkemi? Här skulle det ha varit på sin plats med en förklaring.

Etervinden avdunstar

Boken ger en kort översikt om hur teorin om etervinden uppstått och sedan kullkastats. I den vetenskapliga världen fastnade man för tanken på att rymden skulle, trots sin tomhet, bestå av någon sorts medium. Orsaken var att man upptäckte ljusets vågkaraktär och man antog att ingen vågrörelse kan fortplanta sig utan ett medium. Idén härrör sig från 1630 då Descartes lanserar teorin om en alltuppfyllande eter i rymden och förs vidare av Huygens som 1679 beskriver ljuset som en vågrörelse i etern. Också Young utgår 1801 i samband med sin ”spaltlåda” från att ljuset fortplantas i en eter och till och med Maxwell håller fast vid eterteorin i samband med att han presenterar sina ekvationer som band samman elektriciteten och magnetismen. De sista som försökte bevisa existensen av etern 1887 var Albert Michelson och Edward Morley men som i själva verket lyckades bevisa motsatsen. Återigen saknas en närmare förklaring till hur detta berömda experiment utfördes. Flogistonteorin, som hör lite till samma kategori som etervindsteorin tas inte upp i boken.

Atomens byggstenar

Av boken framgår att ännu alldeles i början av 1800-talet hade kemisterna inte någon närmare uppfattning om hur ämnena var uppbyggda, man antog bara att de bildade en sammanhängande substans som visade olika egenskaper som massa. Den första att ta upp Demokritus tankar om att all materia bestod av minsta beståndsdelar var John Dalton. Han kom fram till att Demokritus atomidé måste vara korrekt då han märkte att de kemiska föreningarna reagerade med varann i bestämda proportioner. Härigenom kunde man också slutgiltigt överge tanken om de fyra elementen. Dalton laborerade redan med väte, kol, kväve, svavel och syre.

Något som kom att bli till stor nytta för utvecklingen inom kemin både på den kemiska och på den fysikaliska sidan var Dimitri Mendelejevs gruperingsarbete där han lyckades ordna upp grundämnena efter deras egenskaper i det periodiska systemet år 1869, något som kraftigt har underlättat förståelsen av kemin men som senare också varit till stor nytta när man utvecklade orbitalteorin.

Följande steg i kartläggningen av atomens beståndsdelar var upptäckten av elektronen, som Joseph John Thomson kunde påvisa genom ett katodstråle-experiment som fick en bakomliggande skiva att fluoriscera. Vikten av en elektron visade sig vara bara en tusendedel av atomens. Tanken på existensen av atomer anammades dock förvånansvärt långsamt. Ännu år 1905 då Albert Einstein påvisade att den så kallade Brownska rörelsen kunde förklaras genom stötar av vattenmolekyler mot en sockermolekyl som åstadkom en zick-zack rörelse hos sockermolekylen, var det många som inte trodde på en atomteori. Utvecklingen kom också in på ett villospår i och med att Thomson lanserade den så kallade Plumpuddingbilden av atomen där de negativa elektronerna är inbäddade i en positivt laddad deg som utgjorde hela atomen.

Först Ernst Rutherfords experiment där han bombarderade en tunn guldhinna med a-strålar (heliumkärnor), visade att atomen består av en liten kompakt positiv kärna. Som en spin off-mall av Niels Bohrs teoretiska arbete, uppstod sedan den så kallade Bohrska atommodellen med en positivt laddad atomkärna med negativt laddade elektroner i banor runt kärnan som trots sin oriktighet blivit en symbol för atomfysiken.

Följande steg togs av Frederick Soddy som påvisade existensen av isotoper, det vill säga varianter av samma grundämne men med olika relativ atomvikt. Fenomenet fick sin lösning i och med att James Chadwick kunde påvisa år 1932 existensen av neutroner, en laddningslös elementarpartikel som genom de starka växelverkande krafterna håller ihop atomkärnan. Genom att ett och samma grundämne kan uppträda med olika antal neutroner i kärnan uppstår isotoper med olika vikt trots att isotoperna har samma kemiska egenskaper. Alla dessa grundläggande upptäckter som i korthet beskrivs i boken sker under en tidsperiod från början av 1800-talet fram till andra världskriget.

Nukleärreaktioner

Boken tar också upp de viktigaste kärnreaktionerna genom att först presentera kärnklyvningen av uran 235U92 som Lisa Meitner och Otto Hahn lyckades genomföra 1938, just innan andra världskriget bröt ut. Genom att bombardera uranet med neutroner initierade de ett sönderfall som resulterade i barium och ädelgasen krypton enligt:

235U92 + 1n0 = Ba56 + Kr36 + Energi

Detta var det första exemplet på en kärnreaktion som åstadkommits på konstgjord väg. Eftersom reaktionen inte mångfaldigar sig själv fick denna reaktion ännu inte någon praktisk betydelse. Leo Szilard utvecklade denna reaktion till en kedjereaktion som följde den naturliga sönderfallsserien genom att använda långsamma neutroner varigenom en heliumkärna avskildes tillsammans med tre neutroner enligt:

235U92 + 1n0 = Th90 + 31n0

De tre neutronerna som bildas som biprodukt i reaktionen kan sedan föra reaktionen vidare genom att kollidera med en 235U92 atom. Genom att tillföra en lämplig mängd bor 10B5/11B5 som lätt absorberar neutroner kunde Szilard kontrollera kärnklyvningen. Detta är grunden för den fredliga kärnkraften. Under andra världskriget utvecklade sedan Robert Oppenheimer atombomben genom att åstadkomma en ohämmad kedjereaktion med anrikad 235U92 utan en neutronabsorberande 10B5/11B5 tillsats.

Efter andra världskriget klargjorde man sedan kärnreaktionen som pågår i solen. Där övergår väte i helium i en fusionsprocess under mycket hög temperatur och högt tryck. Extrema förhållanden krävs för att pressa samman kärnorna. Reaktionen som sker i tre steg börjar med att två väteatomer förenar sig till deuterium där alltså den ena väteatomen (protonen) har övergått i en neutron. I följande steg förenar sig ytterligare en väteatom med deuteriumatomen och bildar en instabil heliumatom. I det sista steget förenar sig två instabila heliumatomer under bildandet av en stabil heliumatom + två väteatomer enligt:

1H1 + 1H1 = 2H1 (deuterium) + positron + neutrino

2H1 (deuterium) + 1H1 = 3He2 + ?-radiation

3He2 + 3He2 = 4He2 + 2 1H1

Efter andra världskriget utarbetade Frank Teller en vätebomb på basen av denna reaktion. Den fruktansvärt höga temperaturen och det höga trycket åstadkom han genom att baka in vätebomben i en atombomb som så att säga startade fusionsreaktionen ovan. En behärskad variant av fusionsprocessen har man ännu inte lyckats få fram för civilt bruk. Denna korta men koncisa översikt av kärnreaktionerna beskrivs förtjänstfullt i ifrågavarande bok.

Den kvantifierade världen

Författaren inleder avsnittet om kvantkaraktären hos kemin och fysiken med svårigheterna man hade i tiderna med att förklara sammansättningen av strålningen från en glödande kropp, som till exempel från glödande järn. Problemet gick under namnet ”den ultravioletta katastrofen”. Tyvärr ger författaren ingen hjälp med att förstå vad den är. Istället övergår boken till Max Plancks berömda formel som beskriver hur all elektromagnetisk strålning är kvantifierad och endast beroende av sin våglängd enligt formeln:

?E = h?

där h är Plancks konstant (6.626 x 10-34) och ? är våglängden på den elektromagnetiska vågrörelsen och där ?E är skillnaden i energi när en elektron faller ner från en energirikare orbital till en energifattigare inunder. Därigenom har man inte en obruten räcka av strålningsvåglängder utan bara våglängder som motsvara något elektronhopp. Detta gav förklaringen till observationen som Philipp Lenard hade gjort i samband med sina undersökningar om den fotoelektriska effekten att ingen elektronutstötning skedde om man använde ljus med längre våglängder, bara om man använde blått eller UV- ljus fick man en tydlig effekt. Situationen ändrades inte fast man ökade ljusstyrkan av långvågigt ljus. Albert Einstein kunde nu med hjälp av Plancks ekvation visa att bara kortvågigt ljus räcker till för att slå ut en elektron, långvågiga ljuskvanta var ej tillräckliga för denna uppgift.

Emissionsspektra

När grundämnena upphettas tills de blir glödande emitterar de en bestämd sammansättning av spektrallinjer. Tidigare visste man inte varpå det berodde, matematikern Jakob Balmer lyckades ändå utarbeta en matematisk ekvation som beskrev vätets spektrallinjer fast man inte visste vad som var den bakomliggande orsaken. Den som slutgiltigt lyckades lansera en heltäckande teori som förklarade alla dessa fenomen var Niels Bohr som visade att alla spektrallinjer kunde förklaras med elektronhopp mellan distinkta energinivåer i en atom.

När en elektron faller ner i en lägre energinivå emitterar den en foton som har en bestämd våglängd som ger fotonen en bestämd energimängd. Jag ställer mig frågan om detta betyder att uppsättningen av våglängder hos den elektromagnetiska strålningen (fotonerna) inte är en kontinuerlig obruten serie utan där finns endast de våglängder som motsvaras av någon reaktion eller något elektronhopp, och att serien därför måste innehålla ”hål” där fotonens våglängd inte motsvaras av någon reaktion eller något elektronhopp och därför inte kan existera.

Interferens hos strålningen

När en ljuskälla riktas mot en skärm med två springor där ljuset får strömma igenom, så uppstår det ett interferensfenomen på en bakomliggande skärm. Detta experiment demonstrerar ljusets vågkaraktär. Forskarduon Clinton Davisson och Lester Germer lyckades 1924 påvisa att också strålningspartiklar visar vågnatur genom att låta en elektronstråle törna mot en grafitplatta runt vilken elektronerna strömmade så att det uppstod ett interferensmönster av koncentriska ringar på motsatta sidan av en vakuumröret. Niels Bohr visade ytterligare att elektronerna kunde endast vara på energinivåer som till sin storlek motsvarade ett jämnt antal vågländer som var specifika för energinivån ifråga.

Osäkerhetsprincipen och vågfunktionerna

Som vanligt bereder avsnittet om Werner Heisenbergs osäkerhetsprincip och Erwin Schrödingers vågfunktioner de största problemen för en läsare att förstå, men kanske är de också mest fascinerande. Heisenberg lyckades visa att man inte samtidigt kunde bestämma en elementärpartikels position och dess hastighet, bestämde man den ena förstörde man informationen om den andra. Schrödinger, i sin tur, utvecklade matematiskt en modell som beskrev elektronens position i atomen men han var tvungen att använda sig en imaginär faktor i där i2 = -1. Max Born lyckades sedan sammanföra Heisenbergs och Schrödingers ekvationer genom att definiera den imaginära faktorn som en sannolikhet. Alla dessa rön tillsammans gav sedan en god korrelation till uppbyggnaden av det periodiska systemet, och med dessa formlers hjälp kunde man räkna ut energinivåerna för atomernas elektronorbitaler.

Som läsare blir man något omtumlad när man får veta att Newtons fysik först blir klassificerad som en specialfallsfysik men att hela energisektorn är kvantiserad precis som materien i atomer och att sedan båda två är starkt förknippade med varandra via sannolikhetsfunktioner. Man kan säga att ”köksmatematiken” först spjälkas upp i en kvantisering som sedan mynnar ut i ”bara” en sannolikhet.

Osäkerhetsprincipen gav förklaringen till solens strålglans

Fysikaliska beräkningar hade kommit fram till att en fusionsprocess där väte övergår i helium inte var möjlig trots de enorma temperaturer och intensiva tryck som råder i solens inre. Den repulsiva kraften i två protoner skulle i alla sammanhang vara för stor för att de skulle kunna förenas till deuterium. Men osäkerhetsprincipen gav vid handen att en proton inte hade en definierbar position utan var belägen inom ett sannolikt område vilket möjliggör för protonerna att reagera med varandra bara sannolikhetsområdet överlappar varandra. Man talar då om att protonerna når varandra genom en tunneleffekt.

Kvantfysiken applicerad på elektrodynamiken

Följande kapitel i boken tar upp de fysikaliska och matematiska modellerna där kvantfysiken appliceras på elektrodynamiken. Framför allt Richard Feynmans modeller beskrivs. Detta avsnitt är dock för avancerat för en normal läsare fast Feynman använde sig av så kallade ”vagnsdiagram” för att underlätta förståelsen av vilka alternativ som kunde uppstå efter en växelverkan mellan en foton och en elektron. Dynamiken blir inte lättare att förstå när Feynman inför partiklar som tar sig bakåt i tiden och därför inte syns i vår värld.

När man väl har kommit så här långt har man avverkat ungefär hälften av boken, men att fortsätta att försöka recensera resten av innehållet börjar te sig som alltmera meningslöst utan att inneha nödvändiga kunskaper i fysik och teknik. Helt konfunderad blir man också när kvantumspin-företeelsen beskrivs. Man har lyckats visa att i ett elektronpar där elektronerna automatiskt har motsatt spin, är den ena elektronens spin inte definierbart innan man undersökt spinnet på den andra. Detta lär möjliggöra överförandet av information snabbare än ljuset. Det går till så att genom att skilja åt två elektroner ur ett elektronpar och förflytta den ena elektronen 1200 kilometer. Därefter bestäms spinnet på den första elektronen varvid den andra avlägsna elektronen i samma ögonblick avslöjar det motsatta spinnet. Tro det den som vill.

Fria radikalerna nämns inte

Vid närmare eftertanke stannar man plötsligt upp när man begrundar påståendet ovan, att elektronerna bevarar någon typ av kommunikativ information som baserar sig på deras elektronspin om de åtskiljs från ett elektronpar. Om så är fallet måste detta ha långtgående konsekvenser inom den normala kemin i alla sammanhang där fria radikaler är inblandade. Då dessa radikaler bildas härrör sig alltid den fria reaktiva elektronen från ett tidigare elektronpar som bildat en kovalent bindning. Detta innebär i så fall att varje radikal bär med sig ”spin- arvet ” från den tidigare kovalenta bindningen, och där igenom för denna information vidare till nya bindningar. Om detta stämmer tyder det på att kemiska föreningar skulle kunna kommunicera via sin ”spininformation”. Boken övergår allt mer till vilka spekulativa möjligheter som alla vetenskapliga upptäckter kan ge upphov till i framtiden. Unnderhållande att läsa om är till exempel tvisten mellan Einstein och Bohr, om kvantfysikens vara eller icke vara, där det överraskande visar sig att Einstein länge motsatte sig idén om ett kvantiserat världsallt.

THOMAS GAROFF

17 februari 2019

Lista över författare

Ansvarig utgivare: Ulf Ivarsson


Upphovsrätt

För allt material, text och bilder, som finns på Bokebackens kultursida gäller lagen om upphovsrätt. Det innebär att enstaka kopior får tas för privat bruk men ingen spridning är tillåten utan upphovsrättsinnehavarens tillstånd.

Intressanta platser att besöka på internet:

Litteraturbanken gör svenska klassiker tillgängliga i digitala versioner

Projekt Runeberg ger tillgång till fria elektroniska utgåvor av klassisk nordisk litteratur.

Kontakt

bokebackenskultursida@gmail.com ulf.erik.ivarsson@telia.com

Sidan är optimerad för upplösningen 1600 x 900 i Firefox.