Fysikk og Fascinasjon

en blogg om ny og gammel forskning, og om den fantastiske naturen


4 kommentarer

Verdens treigeste eksperiment

Selv om vi pleier å si at veiene våre er dekket av asfalt, så er asfalten egentlig bare det svarte stoffet som binder sammen sand og grus til en slags betong som smøres utover veien. Som vi alle har opplevd er asfalten seigtflytende og klissete når den varmes opp, mens den blir helt hard når den kjøles ned. Tar du en bit ren asfalt og slår den med en hammer, vil den gå i tusen knas, som glass.

Eller – kanskje den er flytende allikevel? Kanskje den bare har blitt veldig, veldig, veldig seig?

Har man først blitt professor ved et universitet, har man muligheten til å gjøre ting som tar litt lang tid. I 1927 bestemte Professor Thomas Parnell ved Universitetet i Queensland seg for å undersøke om asfalten faktisk kunne oppføre seg som en væske. Han varmet opp et stykke asfalt så det ble flytende nok til å klemmes ned i en trakt med forseglet bunn, satte trakten i et stativ, og dekket det hele med en glasskuppel.

Etter tre år bestemte han seg for at asfalten hadde fått roe seg lenge nok, og kuttet av forseglingen i bunnen av trakten. Så ventet han.

Her er den. Asfaltdråpen. Jeg tror batteriet bare er der som skala. (bilde fra Wikimedia Commons)

Her er den. Asfaltdråpen. Jeg tror batteriet bare er der som skala. (bilde fra Wikimedia Commons)

I 1938 falt en dråpe av asfalt ned fra trakten.

Siden har det falt syv dråper til.

Så langt har ingen faktisk sett dråpene falle. Videokameraer var installert, men fungerte ikke, den dagen i år 2000 da den hittil siste dråpen falt.

Nå er det 13 år siden sist, og dråpen ser ut til å kunne falle når som helst. Blir det i år? Om du kjenner spenningen krible i deg, har du muligheten til å se dråpen live på http://www.theninthwatch.com. Du kan til og med logge deg inn og bli registrert for evigheten om du er blant de utvalgte som ser på akkurat i det det skjer.

Om du er litt mer utålmodig av deg, så fortvil ikke: Det ble satt opp et tilsvarende eksperiment på Trinity College i Dublin i 1944, og her ble dryppingen fanget på video den 11. juli i år. For aller første gang. Legg merke til klokken i bakgrunnen og datoen nederst i hjørnet. Fascinerende er bare fornavnet.


3 kommentarer

Du og jeg, Skywalker.

20131024-215341.jpgEtter ti år som eksperimentalist har jeg fått et ganske avslappet forhold til nederlag.

Før jeg begynner på forsøkene kjenner jeg til hel drøss med ting som sannsynligvis vil skjære seg, og jeg er smertelig klar over at de ukjente risikofaktorene er omtrent ti ganger så mange. Av alle ting jeg har forsøkt i labben har jeg kanskje lyktes med…

2 prosent?

Faktisk.

Luke har laser. Mitt hemmelige våpen er UV-pistolen.

Luke (den fine boksen oppå den større boksen i bakgrunnen) har laser. Mitt hemmelige våpen er UV-pistolen.

Grunnen til at jeg (og alle andre eksperimentalister der ute) gidder å fortsette er DEN FØLELSEN man får når ting, mot alle odds, FUNGERER. Når man plutselig ser noe, som er virkelig, og som ingen har sett før.

Du og jeg, Skywalker. Vi har vært tålmodige denne uka. Bevepnet med laser og pistol har vi nedkjempet utallige hindringer. Og til slutt fant vi det,

SVARET

som vi lette etter.

Takk for samarbeidet, for denne gang.

Her er SVARET.

Her er SVARET.

(Du lurer kanskje på hva svaret, eller for den saks skyld spørsmålet, er? Det har jeg ikke tenkt å fortelle akkurat nå.)


2 kommentarer

Litt slitsom dag reddet av godt lesestoff

I dag er jeg tilbake i København. Jeg har en uke på meg til å gjøre eksperimentene mine, så det gjelder å stå på. Mine kollegers reaksjon på ukes-stuntet har vekslet mellom «men da rekker du jo knapt å komme i gang!» (fra de som er vant til lab-jobbing) til «men herregud, hvordan skal mannen din klare seg en hel uke??» (fra de som er småbarnsfedre). Jeg tror mannen min klarer seg fint, selv om huset kanskje er litt rotete når jeg kommer hjem. Og eksperimentene kommer til å gå fint, så klart.

Etter å ha trøstet barn halve natta, stått opp i otta for å reise, og deretter ha gjort vanskelig og pirkete jobb i mange timer, var jeg til slutt helt gåen og datt inn der jeg kunne finne den aller mest tilgjengelige maten. Ingen stor kulinarisk opplevelse, men kvelden ble reddet av at jeg fant denne fine boka i sekken min:

20131021-204720.jpg

DE HEMMELIGE PARTIKLENE av Bjørn Hallvard Samset. Nylig utgitt og lansert med brask og bram på Blindern forrige uke.

For det er jo ikke mulig å være sliten og lei mens man leser et helt kapittel om antimateriale. Skrevet med helt vanlige ord! Mens jeg spiste min herlige burger kunne lærte jeg at i CERN, der man vanligvis driver og aksellererer protoner, har de nå bygget en antiprotonbrems. Ææh! De bremsede antiprotonene får klasket på seg antielektroner, og vips så har man antihydrogen eller til og med antihelium. Anti-anti-kult!

Er man ekstra trøtt går det an å bare kose seg med overskriftene. Hør bare:

«Atomet, puddingen og solsystemet»

«Ta aldri en antiperson i hånden»

«Bang?» (det lurer jeg også på i blant)

«En himmel full av nøytrinoer»

«En sterkt besværlig kraft» (høres ut som noe rett ut av Tolkien)

«Sorte hull – på jorden?»

Gleder meg til å lese videre i denne blandingen av oppkvarker, nedkvarker, elektroner, fotoner, gluoner, passerende nøytrinoer og tilfeldige vakuumeksitasjoner.


4 kommentarer

Nobelprisen i kjemi

Det er fysikken som er sjefen blant vitenskapene, men jeg må innrømme at det var Nobelprisen i kjemi jeg likte best i år.

Kjemi: hvorfor og hvordan

Teorien om Higgs-bosonet, som førte til prisen i fysikk, dreier seg om å finne svaret på hvorfor vi har kjemi. Dette dreier seg om de mest grunnleggende spørsmålene vi kan stille oss, om hva universet består av, men har egentlig ingen umiddelbar praktisk betydning.

Prisen i kjemi blir gitt til tre menn (som vanlig) som har utviklet en viktig metode for å forstå hvordan kjemien fungerer.

At kjemiske reaksjoner skjer, er opplagt. Reaksjoner er molekyler som deler seg eller kobler seg sammen. Kjemiske reaksjoner gjør at kroppene våre fungerer, og at det skjer ting her på planeten vår, rett og slett.

Å se at en reaksjon har skjedd, er en ting. Noe ganske annet er det å forstå hvordan den skjedde. Det finnes ingen kamearaer som kan filme hvordan atomer oppfører seg. Man kan finne ut en del ved å bruke avanserte eksperimentelle metoder, men ikke på langt nær alt.

Det vi imidlertid vet, er hvilke regler som gjelder for atomer og for elektronene og atomkjernene som atomene består av. Dette er fysikk.

Dette bildet har jeg lånt fra Camilla Kirkemo, stipendiat ved Fysisk Institutt, som er ekspert på molekylærdynamikk - biljardkulemodeller av atomer. Bildet viser atomstrukturen i nanoporøst glass. Det er laget i Camilla sin datamaskin ved først å stille silisiumatomer (gule) og oksygenatomer (lilla) pent inntil hverandre i en krystall, la alle atomene bevege seg fortere og fortere til krystallen smelter, strekke den smeltede krystallen til det oppstår små bobler i den, og så kjøle det raskt ned - voila, et glass (fast stoff der atomene sitter hulter til bulter) med små nanohull. Glasset kan nå fylles med vann (her representert ved røde oksygener og hvite hydrogener) for å se hvordan vann oppfører seg når det har så liten plass å bevege seg på.

Dette bildet har jeg lånt fra Camilla Kirkemo, stipendiat ved Fysisk Institutt, som er ekspert på molekylærdynamikk – biljardkulemodeller av atomer. Bildet viser atomstrukturen i nanoporøst glass. Det er laget i Camilla sin datamaskin ved først å stille silisiumatomer (gule) og oksygenatomer (lilla) pent inntil hverandre i en krystall, la alle atomene bevege seg fortere og fortere til krystallen smelter, strekke den smeltede krystallen til det oppstår små bobler i den, og så kjøle det raskt ned – voila, et glass (fast stoff der atomene sitter hulter til bulter) med små nanohull. Glasset kan nå fylles med vann (her representert ved røde oksygener og hvite hydrogener) for å se hvordan vann oppfører seg når det har så liten plass å bevege seg på.

Simultan-biljard med tusenvis av kuler

Atomer kan man tenke på som en gjeng med litt avanserte biljardkuler. I likhet med biljardkulene har de en veldefinert masse, og til ethvert tidspunkt beveger de seg (selv atomene i en kloss som ligger helt i ro er i bevegelse, hele tiden) i en bestemt retning og med en bestemt hastighet. I motsetning til biljardkulene virker det ikke bare krefter mellom atomene når de treffer hverandre, men også når de er et stykke fra hverandre.

Et atom som beveger seg mot et annet atom vil begynne å «føle» det andre atomet når de kommer i nærheten av hverandre. Først vil de bli trukket mot hverandre, med en sterkere og sterkere kraft. Så, når de er nesten inntil hverandre, ombestemmer de seg og begynner å dytte. Akkurat der hvor trekkingen går over til dytting vil atomene sitte glade og fornøyde ved siden av hverandre.

Om du bare vet hvor atomene dine er, hvor fort de beveger seg og i hvilken retning, og nøyaktig hvordan de vil trekke og dytte på hverandre når de møtes, kan du beregne alt om hvordan et stoff vil oppføre seg. Du kan tegne opp alle atomene i et fast stoff i datamaskinen din, få atomene til å bevege seg fortere og fortere (det er det som skjer når noe blir varmere) til stoffet smelter, dytte det sammen, strekke på det, kjøle det ned så det stivner igjen – så lenge du har en stor nok datamaskin, selvfølgelig. Antall ligninger som datamaskinen må løse blir enom når du har flere hundre tusen, for ikke å snakke om millioner av partikler som bryr seg om hverandre. Men det er allikevel mye man kan finne ut om oppførselen til forskjellige materialer på denne måten.

Elektronenes forunderlige verden

Dessverre er det ikke alltid nok å tenke på atomene som kuler. Et atom består av en kjerne med ett eller flere elektroner svirrende rundt. Når to atomer er i nærheten av hverandre, vil de elektronene som befinner seg ytterst i hvert atom flytte litt på seg. Det er dette som gir opphav til kreftene som virker mellom atomer. Kreftene man putter inn i biljardkule-modellen jeg beskrev over er man derfor nødt til å finne ved å tenke på elektronene og atomkjernene hver for seg. Elektroner og kjerner forholder seg ikke til hverandre som biljardkuler: de følger noen sære og lite intuitive regler som beskrives ved hjelp av det som kalles kvantemekanikk.

Fordelen her er at reglene man må følge er forholdsvis enkle. Ulempen er at det er så mange partikler og regler å holde styr på at det  er vanskelig å beregne noe som kan være matnyttig, nesten uansett hvor stor datamaskin man har.

Man kommer lengre ved å være effektiv

Det er her de tre prisvinnerne har kommet med viktige bidrag. De har utviklet dataverktøy der man kan studere kompliserte kjemiske reaksjoner ved å bruke detaljene bare der de virkelig trengs.

I den delen av molekylet der reaksjonen skjer, tar man med reglene som gjelder for elektronene for å finne ut nøyaktig hvordan de oppfører seg. Lengre borte gjør ikke atomene så mye annet enn å bevege seg litt i forhold til hverandre. Da er det nok å se på dem som kuler, og man trenger ikke beregne hvordan de forskjellige atomene oppfører seg mot hverandre mer enn en gang. Enda lengre bort kan man glemme at atomer er atomer, og bare ta med i beregningen at man befinner seg i ett bestemt materiale.

Nå for tiden brukes denne typen beregningsverktøy like mye som faktiske eksperimenter på kjemilabben. Ved å ta med detaljer bare der de virkelig trengs, kan man bruke den datakraften man har til rådighet til å studere store systemer og lære om hvordan reaksjoner foregår i naturen. Som man igjen kan bruke til å designe materialer der det skjer reaksjoner akkurat slik man vil ha dem. Fange energien fra sola på mer effektive måter, for eksempel.

Det gir ikke svaret på det store HVORFOR, som Higgs, men metoden kan brukes til å finne svar på mange av de ustyrtelig viktige hvordan.


1 kommentar

Og prisen går til…

Noen ganger er det verdt å vente.

For nesten femti år siden foreslo både François Englert og Peter Higgs, uavhengig av hverandre, en løsning på modellen fysikerne brukte for å beskrive de aller minste byggeklossene i universet.

20131008-214733.jpg

Spenningen var til å ta og føle på i fysikkauditoriet i dag. Direktesending fra Stockholm.

Løsningen var fin, men det var tilsynelatende umulig å teste om den faktisk stemte. Teorien forutsier nemlig at det finnes en bestemt partikkel, som er helt sinnsykt vanskelig å observere. Finnes ikke partikkelen, så stemmer ikke teorien – men om man kan finne partikkelen, er det ganske sannsynlig at teorien holder vann.

Verden består av partikler

Partikkelfysikk er ganske abstrakte greier. Det er altså en måte å beskrive verden på. En fysisk modell er et sett med regler. Eksempler på mer hverdagslige regler kan være «når jeg trykker på bokstaven b på tastaturet kommer det en klikkelyd og det dukker opp en b på skjermen» eller «når jeg slipper denne ballen i gulvet hører jeg et dunk og ballen spretter opp igjen til en fjerdedel av den høyden jeg slapp den fra». Partikkelfysikk-reglene er mer av typen «når den partikkelen har den hastigheten og treffer den andre partikkelen så blir de til en sånn og sender ut en sånn».

Gjennom årenes løp har fysikere kommet frem til at det vi observerer i verden rundt oss (bortsett fra tyngdekraften!) kan beskrives om man sier at det finnes 17 partikler. Dette inkluderer det vanskelige Higgs-bosonet, som altså er nærmest umulig å se men må være der om ikke teorien skal rase sammen. De andre partiklene har alle sin veldefinerte og viktige rolle å spille, elektronet og kvarkene lager for eksempel atomene som vi består av.

En stor maskin for å finne noe lite

Higgs-bosonet har stor masse. For å lage en partikkel med stor masse, trenger man masse energi. I partikkelfysikken er det nemlig sånn at energi og masse er to sider av samme sak.

En bil som kjører fort har større energi enn en som kjører sakte. Derfor blir den også mer mos om den krærjer i høy fart.

Om vi tar protoner og får dem til å bevege seg helt utrolig fort, får de stor energi.

Om vi tar disse protonene som har stor energi, og kræsjer dem inn i hverandre – ja da får vi så mye energi samlet på et sted at vi kan lage nye, tunge partikler.

Higgs-bosonet er siste brikke i en av brikkene i det store puslespillet.

Higgs-bosonet er siste brikke i en av brikkene i det store puslespillet. (Bildet er det offisielle nobelpris-faktaarket)

I de femti årene som har gått siden Englert og Higgs lanserte sine teorier, har faktisk verdenssamfunnet investert enorme summer penger i å bygge gigantiske maskiner som kan gjøre nettop dette. I CERN sendes protoner gjennom en 27 km lang, rund tunnel. En stråle av protoner går i hver retning, og de kolliderer i to detektorer – kameraer, på en måte – på størrelse med katedraler.

Protonene beveger seg med 99,99999 % av lysets hastighet. Når de kræsjer, dannes en haug med forskjellige partikler, som beveger seg i forskjellige retninger. Noen av partiklene er ustabile og blir til andre partikler, som går i andre retninger og kanskje blir til andre partikler igjen, og så videre. Detektorene fanger opp det som er igjen til slutt. Så sitter tusenvis av forskere og nøster seg tilbake for å finne ut hvilke partikler det startet med. Fordi det blir mye usikkerhet i beregningene, må dette gjøres mange, mange, mange ganger.

Sikkert som… fem sigma?

Nå er det fem sigma, sier forskerne, og mener at det er en halv milliondels sjanse for at signalet de ser ikke skyldes at det noen ganger dukker opp et Higgs-boson i detektoren.

Det er bra nok for en nobelpris.

Englebert og Higgs er nå 80 og 84 år gamle (de var altså 30 og 34 da de banebrytende artiklene ble publisert) og jeg tipper at de ikke hadde ventet at dette skulle skje i deres levetid. Men det gikk! Noen ganger er det verdt å vente.

Nå gjenstår det bare å finne ut hva tyngdekraften egentlig er, og hva 80 % av universet egentlig består av. Vi har nemlig ikke peiling. Så det er nok å ta av! Er du smart nok, vanker det kanskje en nobelpris om en femti års tid.


Legg igjen en kommentar

Alvene danser på vannet

20131003-140056.jpg

Eller frostrøyk, som man også kan kalle det.

Magisk, vakkert. Og ikke mindre av noen av delene selv om det kan forklares med fysikk.

Når høstnatten senker seg blir lufta fort kaldere. I vannet, derimot, er det lagret mye varme som trenger lang tid for å forsvinne.

Etter en stund er vannet varmere enn lufta rundt. Helt nede ved vannoverflaten blir lufta varmet opp av vannet. Den varme lufta stiger opp og blander seg med lufta rundt i små virvler.

Jo kaldere lufta er, jo mindre vanndamp orker den å bære på. Lufta nede ved vannflaten tar med seg mer vann enn det er plass til i den kalde lufta rundt. Når den stiger og blir avkjølt dytter den vekk vannet, som samler seg i små dråper.

Tusenvis av små dråper blir til små virvlende skyer. Alver.