Söker efter kvantmekanik

 

148 frågor/svar hittade

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [127]

Fråga:
Hur kan reflektionslagen (r = i) förklaras på atomär nivå? En partikelmodell där fotonen liknas med en boll som studsar, känns som alltför ovetenskaplig förklaring i jämförelse med hur vi beskriver ljusets emission och absorbtion.
/

Svar:
Jag tycker inte att en enkel modell där fotonen liknas vid en boll som studsar är för enkel. Man kan ju göra en jämförelse med ett biljardbord där också reflektionslagen gäller.

Det finns mer avancerade förklaringar som bygger på kvantmekanik där de olika fotonerna interfererar med varandra. I denna teori kan man även elegant förklara dubbelspalten och gittret. Vill Du sätta Dig in i denna teori så läs den trevliga boken: QED The Strange Theory of Light and Matter. av Richard P. Feynman.

Nyckelord: ljusreflektion [17];

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [131]

Fråga:
Jag är intresserad av kärnfysik och undrar om man måste kunna kvantfysik för att förstå kärnfysik?

Vad är Plancks konstant?
/   

Svar:
Du kan förstå mycket av kärnfysik utan att kunna kvantmekanik. Om man däremot ska läsa en djupgående kurs på universitetsnivå då måste man lära sig kvantmekanik.

Atomkärnor är väldigt fascinarande bl a därför att det finns många olika sätt för en kärna att röra sig. De enskilda nukleonerna kan röra sig relativt varandra, hela kärnan kan vibrera och kärnan kan rotera som en snurrande boll. I det senare fallet borde man nog säga en amerikansk fotboll eftersom kärnan inte kan snurra om den är sfärisk!

Plancks konstant definieras av sambandet E = h·f som gäller för fotoner. Om vi t ex har en laserstråle med frekvensen f så kan vi beskriva den som sammansatt av en mängd partiklar, fotoner, vardera med en energi som ges av uttrycket ovan.

Läs: En bok om kärnfysik som inte kräver kvantmekanik är Sven Johansson: "Introduktion till kärnfysiken". Den finns säkert på biblioteket.

*

Ljud-Ljus-Vågor [186]

Fråga:
Varför talar den fotoelektriska effekten emot att ljuset är en våg? Varför kan ljuset uppföra sig både som vågor och partiklar?
/

Svar:
Den fotoelektriska effekten innebär att ljus som faller in mot en metall kan frigöra elektroner ur metallen. Låt oss göra en analogi. I en hamn ligger båtar vid kajen. Det kommer in vågor från havet. Vilka vågor kan lyfta upp båtarna på land? Det är väl rätt klart att det är våghöjden som är avgörande. Är det 4 m från vattenytan till kajkanten så kan ju inte en våg med höjden 2 m lyfta upp båtarna på land men en våg med 10 m höjd klara detta. Däremot har inte våglängden någon avgörande betydelse. Det torde inte spela någon större roll om våglängden är 100 m eller 10 km. Alltså: I en vågmodell har amplituden den avgörande rollen när det gäller att "lyfta ut" saker.

I den fotoelektriska effekten är det våglängden (frekvensen, färgen) som avgör om man kan lösgöra elektronerna vilket inte är förenligt med en vågmodell, se nedanstående figur och länk 1.

För att beskriva alla fenomen behöver vi betrakta ljus ibland som en våg och ibland som en ström av partiklar. Jag tror inte man i detta fall kan ge något svar på frågan: Varför?

Denna "dualism" finns endast när vi använder vårt vardagliga språk. I den matematiska modell som kallas för kvantmekanik finns inte denna tvetydighet.



/GO

Nyckelord: fotoelektrisk effekt [7]; elektromagnetisk strålning [17];

1 http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/mod1.html

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [368]

Fråga:
Om man jämför elektronens rotation runt atomkärnan med jordens rotation runt solen så finner man en hel del likheter. Jordens har en gång i tiden utsatts för en kraft, som då satte den i rörelse. Mina frågor är: Varför kretsar elektronen runt atomkärnan? Kan elektroner befinna sig i vila?
/

Svar:
Rolig fråga! Svaret är att elektronen kan inte befinna sig i vila. Har en elektron "fått ihop det" med en proton så är den enligt kvantmekanikens lagar tvungen att röra sig.

*

Blandat [2685]

Fråga:
Min lärare sa att det fanns motsägelser inom kvantfysiken och tog upp ett exempel om en bit materia slogs ihop med en lika stor bit antimateria, så skickas det ut två fotoner åt motsatt håll. Vågrörelserna är också motsatta, t.ex upp-ner resp. sida-sida. Om man ändrar denna rörelse med t.ex 45 grader så kommer den andra automatiskt inställa sig i motsatt till den nya rörelsen. Hur kan detta ske? Det finns ju inget snabbare än ljushastigheten. Min fråga är nu vad man kan tänka sig som är snabbare än ljushastigheten i det här fallet?
/John C, Birger Sjöberggymansiet, Vänersborg

Svar:
Det handlar säkert om Bells teorem, som handlar just om momentan fjärrkommunikation. Det här är inte spekulationer, fenomenet är experimentellt väl belagt. En viktig sak är, att fenomenet inte kan utnyttjas för att skicka information eller energi. För detta är ljushastigheten en övre gräns. I själva verket är fenomenet på ett djupt plan förknippat men slumpmässigheten i kvantmekaniken.

I svaret på frågan nedan finns en referens till en artikel. 
/KS

Se även fråga 1513

*

Blandat [6439]

Fråga:
Vad menas med begreppet klassiskfysik? Jag hittar inga lättbegripliga förklaringar.
/mats n, skövde

Svar:
Normalt menar man nog fysiken före relativitetsteorierna och kvantmekaniken. Maxwells ekvationer för elektromagnetismen är kanske ett gränsfall.
/KS

Se även fråga 3848 och fråga 2930

*

Partiklar [519]

Fråga:
Jag har läst att i kvantmekaniken spelar sannolikhetsbegreppen stor roll. Dock ingår inte tidsbegreppen i ekvationerna. Hur kan man då förklara att sannolikheten för en observation ökar med tiden. D.v.s. ju längre tid du mäter, ju större är sannolikheten för att observera partikeln?
/

Svar:
I den fullständiga ekvationen som användes i den kvantmekaniska beskrivningen, den sk tidsberoende Schrödingerekvationen finns tiden med. Därför kommer sannolikheter för utfallet av olika mätningar även att vara tidsberoende. Sannolikheten för att observera en partikel på ett visst ställe kan både växa och avta med tiden beroende på den aktuella situationen.

Nyckelord: schrödingerekvationen [4];

*

Partiklar [532]

Fråga:
Dessa frågorna gränsar väl kanske till filosofin men det skulle var intressant att höra vad ni tror. 1) Finns det i fysikalisk mening absolut spontanitet dvs verkan utan någon orsak ?
2) Hur nära "the theory of everything" är fysiken idag ?
3) Skulle en sådan teori inbegripa saker som ex fri vilja ?
4) Måste grunden för all fysik med nödvändighet vara rationell och beskrivbar med matematik så att TOE är möjlig ?
/

Svar:
1 Ja. I kvantmekaniken sker processer som inte styrs av annat än "ren slump". Med hjälp av den kvantmekaniska teorin kan man beräkna de olika saker som kan hända och med vilka sannolikheter de inträffar. Vad som "i verkligheten" sker "styrs" av slumpen.

Läs: Pagels: "Den kosmiska löken" tar upp teorin för mätningar i kvantmekaniken och behandlar de olika synsätt som finns på kvantmekanikens verklighetssyn.

2 Nej. Vad man menar med en "TOE" är en teori som förenar alla krafter mellan partiklar och även beskriver alla partiklar som finns. Personligen tror jag vi är ganska långt från en sådan teori idag och jag tror kanske inte ens den är möjlig.

3 Nej. En sådan teori skulle endast beskriva partiklarna och deras växelverkan. Det är en extrem reduktionistisk syn att man ur partikelfysiken skulle kunna härleda "allt". Detta är min personliga syn på fysikens möjligheter. Vad som kan komma fram i långt perspektiv vet vi inget om.

4 Svår fråga. Det är väl snarare tvärtom. I fysiken väljer vi att studera de aspekter hos naturen som låter sig beskrivas rationellt med matematik. Men det är förvånande hur bra abstrakt matematik är som hjälpmedel i den fysikaliska beskrivningen av naturen.

Nyckelord: matematik i fysik [6];

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [726]

Fråga:
Vad är det som får elektronerna att kretsa runt kärnan? Varför förlorar den inte fart och faller in i kärnan? Går det inte åt energi för att hålla elektronerna i rörelse?
/Andreas P, Nolaskolan , Ö-vik

Svar:
Man kan jämföra elektronernas kretslopp kring kärnan med planeternas banor kring solen.

Precis som för planeterna så behövs det ingen energi för att hålla igång rörelsen. Den förlorar alltså inte fart och faller in mot kärnan.

Det finns en stor skillnad mellan planeternas banor och elektronernas banor, nämligen att endast vissa banor är tillåtna för elektronerna. För att bestämma dessa banor måste man använda en avancerad matematisk beskrivning som kallas för kvantmekanik. När en elektron kommer i närheten av t ex en proton så måste den hamna i någon av de tillåtna banorna om den vill "göra sällskap" med protonen.


*

Blandat, Kraft-Rörelse, Materiens innersta-Atomer-Kärnor [951]

Fråga:
Om vi i ett visst bestämt ögonblick visste alla atomers exakta position, skulle vi då kunna beräkna var de befinner sig vid ett senare tillfälle, d v s förutse framtiden.
/Jim W, universitet, umeå

Svar:
En intressant och klassisk fråga! Newton skulle svarat ja på frågan (han ansåg världen vara deterministisk, Determinism#Quantum_mechanics_and_classical_physics ), men i dag vet vi att det finns två begränsningar: kaos och kvantmekanik.

Kaos: i praktiken kan man inte bestämma alla atomers exakta position, det finns alltid en osäkerhet. Om systemet är komplicerat, så händer det ofta att om man ändrar begynnelsevärdena med mindre än osäkerheten, så blir utvecklingen av systemet helt olika. Man säger att man har ett "kaotiskt system". Detta kallas i meteorologin för "fjärilseffekten", och är anledningen till att man inte kan förutsäga väder för längre tid än ungefär 10 dagar, se länk 1. Nedan visas ett exempel på ett kaotiskt system kallat Lorenz_attractor . Se Chaos_theory för mer om kaotiska system.

Kvantmekanik: Heisenbergs obestämdhetsrelation förbjuder att man bestämmer till exempel läge och hastighet (egentligen rörelsemängd) hos en partikel med stor noggrannhet. Detta var den del av kvantmekaniken som Einstein inte gillade och förde många diskussioner med Niels Bohr om. Senare experiment har visat att Einstein hade fel, se fråga 1513 . Se vidare Heisenberg_uncertainty_principle och Osäkerhetsprincipen#Tolkningar .



/Peter Ekström

Nyckelord: Heisenbergs obestämdhetsrelation [11]; kaos [3]; *meteorologi [17];

1 http://www.smhi.se/forskning/forskningsomraden/analys-prognos/

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [1259]

Fråga:
Elektronmolnet i p-orbitalet ser ut som en 3-dimentionell åtta. Varför kolliderar inte elektronerna med kärnan när de byter sida i elektronmolnet? Om de inte kolliderar vad hindrar dem? Där finns ju krafter mellan elektronen och kärnan och vilken kraft får då elektronen att avvika från kärnan?
/Rikard N, Polhemskolan, Lund

Svar:
Elektronmolnet anger enligt kvantmekaniken sannolikheten för att finna elektronen på en viss plats. Elektronen har en mycket liten men ändlig sannolikhet att befinna sig inne i kärnan. Detta är helt naturligt och innebär inte att elektronen "krockar" med kärnan. Störst sannolikhet att befinna sig inne i kärnan har de inre så kallade s-elektronerna.


/GO

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [1315]

Fråga:
Jag har några frågor angående Pauliprincipen, vad innebär den? Vad betecknar elektronernas olika kvanttal för något? Vad är ett röntgenspektrum och hur uppkommer det?
/Cecilia K, Katedral, Växjö

Svar:
Enligt kvantmekaniken kan en elektron i atomens elektronkal endast befinna sig i vissa tillstånd. Enligt Pauliprincipen kan två elektroner aldrig befinna sig i samma tillstånd.

Analogi Man placerar elektronerna i atomens elektronskal ungefär som böcker i en bokhylla. På varje plats får det bara rum en bok.

Varje elektron har fyra olika kvanttal: n, l, m, ms.

Det är svårt att ge en exakt definition av dem på "gymnasiefysiknivå". Istället får vi ge en enkel bild enligt Bohrs atommodell.

n betecknar antalet nollställen i den radiella vågfunktionen + 1.

l anger hur utdragen banan är.

m anger hur banans plan lutar.

ms anger om spinnet är upp eller ner.

Ett röntgenspektrum uppkommer om man lyckas ta bort en elektron från ett inre skal i atomen. När någon av de yttre elektronerna "hoppar in" till den tomma platsen så sänds en röntgenfoton ut.
/GO

Nyckelord: Bohrs atommodell [9]; pauliprincipen [10]; elektronskal [11];

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [1357]

Fråga:
Jag har 6st frågor;

1, Jag har läst någonstans att gluoner är färgladdade, men inte får ha en neutral färgladdning. Jag har suttit & testat mig fram hur många varianter det kan finnas, men jag får det inte till det antal jag läst om. Jag har läst att det finns 8 varianter, men jag kan inte få till det. Kan ni hjälpa mig med det?

2, Finns det 3 färger, eller 6 färger (med antifärger), kan då vanlig materia ha en antifärg, eller finns det bara i antimateria?

3, Hur många dimensioner räknar fysiker med att det finns? & varför skulle en supersträng ha just 10 dimensioner?

4, I en teori för tiden, sägs imaginär tid kanske vara den universella tiden; hur kombinerar man detta begrepp med tiden?

5, Ifall subkvarkar finns, hur beter dom sig då enligt subkvarksteorin?

6, Vad är Tachyoner för överljushastighets partiklar?
/Hananja R, Grosvad, Finspång

Svar:
1 Gluoner kan finnas i varianterna av typ röd-antigrön. Det finns 6 sådana kombinationer. Dessutom finns det kombinationer av typen röd-antiröd - blå-antiblå som inte är färglösa trots att det verkar så. Enligt kvantmekaniken måste man lägga ihop färgladdningarna enligt vissa symmetrier och de kombinationer man får måste vara oberoende av varandra. Totalt blir det 8 stycken sådana oberoende tillstånd. Det går tyvärr inte att förklara med enkel matematik.

2 Kvarkar i vanlig materia har färg men inte antifärg. Däremot finns det antifärg i det "gluonmoln" som finns inne i nukleonerna. Detta märks inte utanför partikeln eftersom hela systemet (kvarkar + gluoner) är färgneutralt.

3 Supersträngar är rena tankekonstruktioner som rör sig i rum med en tidsdimension och flera rumsdimensioner. Man kan säga att man väljer det antal dimensioner som passar bäst och försöker sedan anpassa det till verkligheten som är fyrdimensionell (en tidsdimension och tre rumsdimensioner).

4 Imaginär tid är ett matematiskt knep som ibland underlättar beräkningar men som inte innebär någon förändring av det fysikaliska tidsbegreppet.

5 Det finns inga tecken som tyder på att det skulle existera subkvarkar.

6 Tachyoner finns endast i teoretiska tankelekar. Dessa partiklar skulle alltid röra sig fortare än ljuset. Det finns inga tecken som tyder på att sådana partiklar finns.
/GO

*

Universum-Solen-Planeterna [1396]

Fråga:
Hej! Kan du förklara hur det är möjligt att svarta hål saknar utsträckning.
/Magnus B, Katedralskolan , Växjö

Svar:
Ett svart hål uppstår när gravitationen blir så kraftig att ingen annan kraft kan hålla emot. Enligt de teorier vi idag har för gravitationen måste då all materia krossas och samlas i en punkt. Vi kan inte vara riktigt säkra att det blir i en punkt utan utsträckning dels därför att kvantmekaniska effekter kan förändra bilden och dels har vi inte testat gravitationsteorierna för så starka fält. Det finns inte idag en teori som innehåller både allmän relativitetsteori och kvantmekanik.

Även om vi inte riktigt vet hur det ser ut i mitten av ett svart hål så är man idag övertygad om att de finns.


/GO

*

Partiklar [1424]

Fråga:
Hur kommer det sig att kvarkar och antikvarkar kan båda finnas i mesonerna? Varför förintas de inte som om materia möter antimateria?
/Veckans fråga

Ursprunglig fråga:
Hur kommer det sig att kvarkar och antikvarkar kan båda finnas i mesonerna? Varför förintas de inte som om materia möter antimateria?
/Henrik J, Parkskolan, Örnsköldsvik

Svar:
Det här är en mycket intressant fråga.

Jo, det är faktiskt så att kvarken och antikvarken i en meson annihilerar (förintar) varandra. Det sker när mesonen sönderfaller. Det finns ingen stabil meson.

Exempel 1, den neutrala pi-mesonen (har ingen elektrisk laddning)

Den neutrala pi-mesonen består av en kombination av [u och anti-u] och [d och anti-d]. För att kunna begripa detta fullt ut, måste man kunna ganska mycket kvantmekanik. I varje fall finns alla förutsättningar för annihilation, och det sker också nästan omedelbart med elektromagnetisk växelverkan. Den neutrala pi-mesonen är mycket kortlivad, 10-16 sekunder.

Exempel 2, den positiva pi-mesonen (har positiv elektrisk laddning)

Den positiva pi-mesonen består av [u och anti-d]. Här har vi två olika sorts kvarkar och de kan inte annihilera varandra direkt. En tredje partikel måste vara inblandad för att ta hand om den elektriska laddningen (som måste bevaras). Sönderfallet (kvark-annihileringen) sker genom den s.k. "svaga växelverkan" som, eftersom den är så svag, behöver lång tid på sig. Den positiva pi-mesonen lever 100 miljoner gånger längre än den neutrala.  
/ KS

Nyckelord: annihilation [14]; antimateria [16];

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [1430]

Fråga:
Hej! Vilka observationer tyder på, eller passar bäst med, att en supersträng skulle ha just 10 dimensioner?
/Hananja R, Grosvad, Finspång

Svar:
Tyvärr finns det inga som helst observationer som bekräftar teorin för supersträngar. Det är rent teoretiska modeller som bygger på att man vill förena kvantmekanik och allmän relativitetsteori. Då väljer man det antal dimensioner på rum-tiden som gör att man kan få en vacker och fungerande teori.


/GO

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [1513]

Fråga:
Hejsan! Satt och tänkte på Einsteins berömda uttalande gällande kvantmekaniken, som han ju satte sig emot. Hade han ändå inte rätt i grund och botten då han sade att "Gud kastar inte tärning med oss"? För om jag förstått saken rätt så går hela kvantmekaniken ut på en gräns, från vilken vi inte kan fastställa både en partikels läge och dess hastighet exakt. Vi är oförmögna att göra det, men det behöver väl inte betyda att den inte har exakta värden på läge och hastighet?
/Nina , Norreport, Ystad

Svar:
Här kommer du in på mycket spännande och grundläggande frågor, svåra också. Det du beskriver kallas Heisenbergs obestämbarhetsrelation, och den har varit under diskussion med ungefär de resonemang som du tar upp. Alltså, det är en sak vad vi kan mäta, och en annan om det finns en "exakt" verklighet bakom.

Slumpmässigheten i kvantmekaniken är faktiskt mycket mer fundamental. Man har på senare år kommit underfund med, att alla delar av universum, i en viss mening, tycks stå i ögonblicklig kontakt med varandra. Den som kom på det hette John Bell.

Det där låter som rena nippran, inget kan ju gå fortare än ljuset! Det som inte kan transporteras snabbare än ljuset är energi och information. Vissa fysiker tror, att vi här kan få en djupare förståelse för slumpmässigheten i kvantmekaniken. Den tycks behövas för vi inte ska kunna skicka information ögonblickligen. Om det skulle ha varit möjligt, skulle universum ha sett helt annorlunda ut. Det här går nog inte att förklara så att du förstår allt. Kanske ingen kan förstå det riktigt.

Det finns ett annat exempel på denna gåtfulla fjärrkontakt, som varit känd långt före kvantmekanikens tillkomst: Machs princip. Det finns ingen absolut rörelse, men det finns absolut rotation. Sitter vi i en roterande ihålig kula och inte kan se ut, kan vi inte avgöra om den rör sig, men vi märker att kulan roterar. Vi känner av centrifugalkraften. Vi måste alltså på något vis stå i kontakt med något utanför.

I den engelska tidskriften New Scientist, 22 augusti 1998, finns en artikel, som tar upp dessa svåra, men intressanta frågor. Den har just titeln "Why God plays dice" eller, på svenska "Varför Gud kastar tärning" (se bilden nedan).

Tillägg 2/3/05 (Peter E):
Som Kaj säger är detta en mycket djup och svårförståelig aspekt av kvantmekaniken. Under länk 1 nedan finns länkar till Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) artikeln, Bells artikel och en beskriving av Aspects experiment. Bell's Theorem är en relativt svår artikel som emellertid innehåller en länk till en förenklad analogi (länk 2 nedan). En varning dock igen: det är inte enkelt!

Sammanfattningsvis kan man säga att Aspects experiment (och flera senare) till 100% bekräftar kvantmekaniken. Vi får acceptera slumpmässigheten och det tycks inte vara något problem med relativitetsteorin eftersom man inte kan få fotonerna i försöket att överföra någon information.

Se även EPR_paradox .



/KS/lpe

Se även fråga 951

Nyckelord: EPR, Bell, Aspect [3];

1 http://www.drchinese.com/David/EPR_Bell_Aspect.htm
2 http://www.upscale.utoronto.ca/GeneralInterest/Harrison/BellsTheorem/Analogy.html

*

Blandat [1525]

Fråga:
Varför säger man att det inte går att sätta samman EN teori beträffande relativitetsteorin kontra kvantfysik. Jag har hört att man i vissa sammanhang måste använda sig av kvantfysik och i andra sammanhang av relativitetsteorin och att de till synes strider mot varandra - såtillvida att kvantfysikens lagar inte borde stämma enligt relativitetsteorin och tvärtom. Stämmer detta ? I så fall undrar jag var svårigheten ligger.
/Patrik H, Mora folkhögskola, Mora

Svar:
Här får du skilja mellan den speciella och den allmänna relativitetsteorin. Den första går alldeles utmärkt att kombinera med kvantmekaniken. I många fall är det absolut nödvändigt, för att man ska få vettiga resultat. Den allmäna relativitetsteorin är ju huvudsakligen en gravitationsteori, och den har man ännu inte lyckats kombinera med kvantmekaniken. Men folk arbetar med det, och det finns de som tror att vi är nära målet. 
/KS

*

Ljud-Ljus-Vågor [1807]

Fråga:
Hur kan en elektron vara både en våg och en partikel?
/Veckans fråga

Ursprunglig fråga:
Jag har läst om att ljuset upträder både som våg och som partikel men jag har fått två olika fakta om dubbelspaltexperimentet där det ena säger att man kan se att ljuset är en partikel när man tittar på varje enskild foton, andra källan säger att varje foton återföljs av en våg. Vad är egentligen sant, är ljus både en partikel och en våg och hur skall jag då bevisa det? Tack på förhand.
/Daniel S, Grennaskolan, Grenna

Svar:
Både ljus och partiklar har våg- och partikelegenskaper.

När man ska beskriva interferensen i dubbelspalten måste man behandla ljuset som en vågrörelse. Om vi låter ljuset träffa en fotografisk film, kan vi inte behandla ljuset som en kontinuerlig våg. Ljuset kan nämligen bara utbyta energi med materia i bestämda energipaket. Dessa kallar vi fotoner. Det är alltså inte fotoner som går genom spalterna, utan elektromagnetiska vågor, men filmen tar emot energi från det elektromagnetiska fältet i form av fotoner.

Medges att det finns olika uppfattningar om hur man ska beskriva dubbelspaltfenomenet. Rent intuitivt upplever man nog högenergetisk elektromagnetisk strålning (gammakvanta) rätt så mycket som partiklar, medan lågenergetisk strålning (radiovågor) har lite partikelkaraktär.

Det är inte bara ljus som har denna dubbelnatur, utan egentligen allting. Man kan tillverka små "fotbollar" av 60 kolatomer (kallas fullerener). Nu har man upprepat dubbelspaltexperimentet med sådana partiklar, se länk 1. Man kastar sådana fotbollar mot en dubbelspalt med en hastighet av ett par hundra meter per sekund. På andra sidan dubbelspalten bildar fotbollarna ett tydligt interferensmönster. Det visar att fotbollen uppträder som en våg, när den passerar dubbelspalten. Vidare visar man mycket klart, att det inte är de olika fotbollarna som interfererar med varandra, utan varje fotboll interfererar med sig själv. Alltså, i någon mening passerar varje fotboll genom båda spalterna. Sunt förnuft säger, att fotbollen passerar genom antingen den ena eller den andra spalten. Så är det alltså inte. Sunt förnuft duger inte när det gäller kvantmekaniken. Om man på något sätt tar reda på vilken spalt den passerat genom, försvinner interferensmönstret, och man säger att vågfunktionen kollapsar.

Se även Double-slit_experiment#Other_variations och Buckminsterfullerene .

Nedanstående video är en trevlig framställning av dubbelspaltexperimentet av Dr Quantum.


/KS/lpe

Nyckelord: våg/partikelegenskaper [7]; dubbelspalt [4];

1 http://www.univie.ac.at/qfp/research/matterwave/c60/index.html

*

[2359]

Fråga:
jag behöver så mycket i som möjligt om väte för jag har ett arbete om det.och om hydrojen.

tex.vad för användnig vi har av den?mm..

det ska vara som en redovisning......

hälsningar:alexandra


/alexandra m, varberg

Svar:
Du ställer en vittomfattande fråga Alexandra och jag kan bara hjälpa dig med några tips hur du kan tänka om väte.

Väte har två viktiga egenskaper, låg densitet och stor benägenhet att reagera med syre och skapa vatten.

Den första egenskapen, den låga densiteten kan man använda för att enligt Arkimedes princip (slå upp den!) lyfta saker. Ballonger och Zeppelinare brukade vara fyllda med väte. Tyvärr lärde vi oss att dess andra egenskap, reaktions- förmågan, kan ställa till problem och Hindenburg (slå upp!) katastrofen var ett faktum!

Att använda väte som bränsle, genom att låta det reagera med syre och skapa vatten är ju en god ide, eller hur? Miljövänligt och effektivt. Det används bland annat för att skjuta upp rymdfärjor, där man har tankar med flytande väte och syre.

För en atomfysiker är väte intressant, eftersom det är det enklaste av alla grundämnen. Dess spektrum (det ljus som väteatomer sänder ut - slå upp!) är enklare att förstå än andra ämnens, och man kan testa teoretiska beräkningar och modeller på väte. Det var vätes spektrum, som gav kvantmekaniken (slå upp) sin kanske största framgång i början av 1900-talet.


/Tomas Brage

*

Blandat [2408]

Fråga:
Idag är kvantmekanik (kvantfysik), kaosteorier med flera väldigt "inne". Framför allt tillämpas dessa inom "icke-fysiska" områden som till exempel psykologi. Ett exempel på detta är Danah Zohar och hennes böcker "Kvantjaget" och "Kvanttänkandet". I vilken utsträckning har fysiska institutioner i Sverige, som er, relationer med andra ämnesområden? Hur ser dessa eventuella relationer ut?
/Clas M, Göteborg

Svar:
Intressant fråga.

Våra relationer med andra ämnen rör främst teknik och medicin. Jag själv som forskar inom kaosteorin har samarbete med kardiologer. Vi försöker hitta matematiska modeller för att beskriva hjärtats dynamik.

Det enda projekt av den typ Du nämner som jag känner till är samarbete mellan fysik och filosofi i Göteborg som förekom för ca 10 år sedan.

Kommentar från Peter Ekström:
De exempel du nämner (jag känner själv till en golfinstruktionsbok som heter Kvantgolf) är för att med en väl etablerad teori (som dessutom få förstår) öka trovärdigheten och statusen för ens egna teorier. Dessa exempel har alltså inget med kvantmekanik att göra, och 'kvant' lånas bara för att kvantmekaniken är en utomordentligt framgångsrik teori. Detta missbruk av en etablerad teori för att ge ens egna funderingar större vikt är för mig en tydlig varning för pseudovetenskap .

Det finns dock, som Gunnar Ohlén säger, fortfarande mycket allvarligt syftande funderingar om man i någon mening kan "förstå" kvantmekaniken.
/GO

Nyckelord: pseudovetenskap [9];

*

Kraft-Rörelse [2999]

Fråga:
Hej! Jag vill återknyta till frågan om Nimtz's experiment med ljushastigheten, som skildras i en något dubiös artikel i Illustrerad vetenskap nr 10/97. Där hävdas att Nimtz sände Mozarts 40:e symfoni med mikrovågor hela 290 pikosekunder snabbare än ljuset "inför miljontals TV-tittare" (tysk publik måtte vara väldigt uppmärksam), varpå artikelförfattaren utan vidare övergår till spekulationer om att sända information bakåt i tiden. Nu undrar jag för det första: vilken är kopplingen mellan ljushastighet och tid egentligen? Att något rör sig snabbare än ljuset behöver ju inte innebära att det kommer fram innan det har startat, och att en kropp rör sej snabbare än det ljus den reflekterar förefaller mej inte paradoxalt i och för sej (om man bortser från massökning och sånt) och på intet vis som att den går baklänges i tiden. För det andra undrar jag om tunneleffekten är så förutsägbar att man kan utnyttja den för att signalera ett partitur (artikeln säger inget om ljudkvaliten).
/Peter N, Solbergaskolan, Arvika

Svar:
I de här fenomenen är, som sagt, tunneleffekten involverad. Den innebär, att en partikel (eller våg) enligt kvantmekaniken har en viss chans, att tränga igenom en barriär som är ogenomtränglig enligt klassisk fysik. En del av vågfunktionen befinner sig helt enkelt på andra sidan barriären. Vilka fotoner som tränger igenom, och vilka som reflekteras är helt slumpmässigt, och sannolikheten bestämms av amplituden på vågfunktionen. Det går alltså inte egentligen att överföra information på detta vis. Bara om vi har väldigt många fotoner kan en försämrad analog signal överföras. Släpps 1% av fotonerna igenom, kan man räkna med att bruset ökar 10 gånger.

Du kan läsa mer under länken nedan.
/KS/lpe

Se även fråga 795

Nyckelord: Illustrerad Vetenskap [17];

1 http://geocities.com/Area51/Vault/5323/gunter.htm

*

Kraft-Rörelse [3453]

Fråga:
Hejsan! Jag skulle vilja veta vad som händer när en elektron emmiteras. Sänder elektronen ut fotonen före fallet och sedan faller tillbaka på grund utav den minskade energin eller, faller elektronen först och sänder sedan ut fotonen?? Mycket tacksam för svar!!!!
/Julia H, Hässleholms tekniska skola, Hässleholm

Svar:
Det här går faktiskt inte att svara på. Kvantmekaniken, som är den bästa teorin för denna typ av fenomen, säger inget om detta. Troligen är det en fundamental egenskap hos naturen, att det inte går att svara på dessa frågor. Problemet är att du söker en beskrivnig, i termer av klassisk mekanik, av ett fenomen som egentligen bara kan beskrivas med kvantmekanik. Ledsen?  
/KS

*

Partiklar [3491]

Fråga:
Jag har hört att en foton som ändrar spin samtidigt ändrar "tvillingfotonens" spin. Min lärare har sagt att det ligger till så här, men inte kunnat ge någon förklaring på hur det går ihop med relativitetsteorierna som säger att ingenting kan färdas snabbare än ljuset (inklusive information om spintal)
/Lars M, Angeredsgymnasiet, Angered

Svar:
Nu är det så att fotonen alltid har spin 1, så det kan inte ändras. Men vi begriper att det är ett annat problem du tar upp. Det går tillbaka till år 1935, då Albert Einstein, Boris Podolsky och Nathan Rosen publicerade en artikel, som ledde till intensiva diskusioner om den så kallade EPR-paradoxen. Utgångspunkten var ett tankeexperiment där en partikel sönderfaller till två partiklar, den ena med spin upp och den andra med spin ner. Enligt en tolkning av kvantmekaniken är tillståndet obestämt ända tills man mäter vilket spin den ena partikeln har. Då blir den andra partikelns spin omedelbart också bestämt, ovsett hur långt borta den är. Det var framför allt Niels Bohr som argumenterade för detta. Einsten kunde inte acceptera denna tolkning, han menade att på något sätt måste det vara förutbestämt vilket spin de båda partiklarna ska ha, kanske i form av "dolda variabler" som vi ännu inte har upptäckt.

I många år handlade det enbart om tankeexperiment och filosofiska argument. År 1969 publicerade John Bell en artikel, som helt vände upp och ner på läget. Han anvisade en metod där saken skulle kunna avgöras med experiment. Sedan dess har åtskilliga experiment gjorts. Man har använt fotoner, och den mätta parametern är inte spin, utan polarisering. Experimenten är inte lätta, men de har förbättrats genom åren. Nu verkar resultaten vara entydiga. Bohr hade rätt, Einstein hade fel.

Kvantmekaniken är verkligen fantastisk. De båda partiklarna står i kontakt med varandra, oavsett avstånd och tid. Och den kontakten är ögonblicklig. Det tycks strida mot att inget kan gå fortare än ljuset. Här har vi kanske en djupare förklaring till slumpmässigheten i kvantmekaniken, som nämligen garanterar att vi inte kan överföra information med detta fenomen. Om det hade varit möjligt att momentant överföra information, skulle universum ha varit helt annorlunda.  
/KS

Se även fråga 1513

Nyckelord: EPR, Bell, Aspect [3];

1 https://www.lcf.institutoptique.fr/content/download/3309/22271/file/2004%20Bell%20thorem%20naive%20view%20arxiv%20quant%20ph%200402001.pdf

*

Kraft-Rörelse [3652]

Fråga:
Hej! Skulle ni kunna förklara, så gott det nu går, vad S.Hawking menar med "hoprullade dimensioner" (i supersträng-sammanhang)? Sen undrar jag om det finns/fanns någon människa som kunnat föreställa sig fler än tre dimensioner, och verkligen "sett" det framför sig. Är det möjligt? Kunde tex Einstein det?
/Nina a, Österport, Ystad

Svar:
Vi upplever normalt 3 rumsdimensioner och tiden. Matematiskt är det inga problem att behandla hur många dimensioner som helst. Supersträngteori (se The Official String Theory Web Site ) försöker förena den allmänna relativitetsteorin med kvantmekaniken och föra in alla fysikaliska fenomen under en gemensam teori. Där behövs flera rumsdimensioner. Alla utom 3 skulle vara fördolda för oss för att rummets krökning i de övriga skulle vara enorm. 
/KS

*

Blandat [3905]

Fråga:
Jag har hört om ett problem där det var några som stoppade in en katt i en låda tillsammans med en gasutlösare som hade 50% chans att utlösas. Jag tror att det var något radioaktivt preparat som styrde gasutlösare. Om man väntade ett tag och sedan kollade i lådan och skickade ut resultatet till pressen så att allmänheten fick reda på hur det gick, så kollapsar väl lådans tillstånd för allmänheten? Men ifall de som utförde experimentet inte talade sanning så kan väl inte allmänheten veta till vilket tillstånd lådan har kollapsat? Men menar man inte att man vet att något har ett bestämt tillstånd när något har kollapsat?
/Andreas P, Berzeliusskolan, Linköping

Svar:
Du syftar säkert på Schrödingers katt. I detta tankeexpriment är katten samtidigt död och levande. Saken avgörs först när man tar reda på det. Det vill illustrera ett svårbegripligt fenomen inom kvantmekaniken. Det är fullt möjligt för ett system, att samtidigt befinna sig i två motsägelsefulla tillstånd. Titta på länkarna i svaret nedan!
/KS

Se även fråga 2809 och fråga 1807

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [3934]

Fråga:
Jag frågade för lite sedan om hur fotonen kan vara förmedlingspartikel i atomen som helhet. Det står i en bok att den bestämmer storleken och förmedlar kraften mellan elektroner och mellan elektroner och kärnan. Då hänvisade ni till den bok som jag redan hade läst i. Jag vet fortfarande inte hur fotonen fungerar som förmedlingspartikel! Snälla ge mig ett svar, jag måste få veta!!!
/Lucas G, Drakbergsskolan, V.Frolunda

Svar:
Fotonen är förmedlingspartikeln för elektromagnetismen. Man kan se det så, att elektriska laddningar berättar för varandra om sin laddning med hjälp av fotoner. Dessa fotoner är i allmänhet inte observerbara, vi kallar dem "virtuella". Alltså, den positivt laddade atomkärnan kommunicerar, med hjälp av virtuella fotoner, med sina elektroner (negativa). Huvudbudskapet är att atomkärnan vill behålla sina elektroner, så att atomen som helhet blir elektriskt neutral. Hur elektronerna sedan fördelar sig inom atomen är en uppgift för kvantmekaniken att lösa.  
/KS

Se även fråga 3854 och fråga 518

*

Kraft-Rörelse [3959]

Fråga:
-Varför faller inte de negativt laddade elektronerna in i den positivt laddade kärnan?
/johan l, Bromma gymnasium, stockholm

Svar:
En atom går inte att beskriva med klassisk mekanik. Den måste beskrivas kvantmekaniskt. Ta till exempel en väteatom (proton + elektron). Naturen strävar efter det lägsta energitillståndet. Den kvantmekaniska beskrivningen av väteatomens lägsta energitillstånd ger en sannolikhetsfördelning för var man kan hitta elektronen runt omkring protonen. Faktiskt är sannolikheten störst vid protonen. Kvantmekaniken tillåter alltså inte elektronen att "fastna" på protonen. Tyvärr, det där går inte att begripa med klassisk fysik. 
/KS

*

Kraft-Rörelse [4041]

Fråga:
Jag läser lite kvantmekanik på amatörnivå men förstår inte hur det där med virtuella partiklar funkar.

Varför repelleras en elektron som absorberar en annan elektrons virtuella foton t.ex?
/Mårten S, fruängsskolan, sthlm

Svar:
Om du och din kompis står på en hal is, och kastar en tung sten emellan er, fram och tillbaka. Då kommer ni märka, att ni börjar glida isär varandra. Ni repellerar varandra. Ungefär så funkar det med virtuella fotoner också, fast att riktigt begripa det går nog inte.

Läs: Kvarken, människan och kosmos av Lars Bergström och Erik Johansson, sidan 48.
/KS

Se även fråga 4067

*

Kraft-Rörelse [4067]

Fråga:
Jag ställde för någon dag sen en fråga (Kraft-Rörelse [4041]) där undrade hur det där med virtuella partiklar fungerade. Till svar får jag en liknelse som jag läst hundra gånger men som inte förklarar nånting. Så jag frågar igen.
/Mårten S, Fruängsskolan, sthlm

Svar:
Det här med virtuella partiklar är inga lätta saker. Fenomenet kan bara beskrivas med kvantmekaniken. Det går inte att begripa fenomenet med utgångspunkt från klassisk mekanik eller relativitetsteori. Enligt kvantelektrodynamiken omges varje partikel av ett moln av virtuella partiklar, som ideligen uppstår och försvinner. Som en av 1999 års nobelpristagare i fysik (t'Hooft) har uttryckt det, det är faktiskt detta moln som ger partikeln dess egenskaper, som laddning och massa. Du kan ju läsa Nobelstiftelsens pressmeddelande om 1999 års nobelpris i fysik: The Nobel Prize in Physics - Laureates . Där står en del om virtuella partiklar.
/KS/lpe

Se även fråga 4041

*

Partiklar [4122]

Fråga:
Värför anser men att En foton är som paket....kvadratisk formad. Jag säger eftersom allt är Circel formad pga allt sträver efter ha så låg ENERGI för brukning som möjligt så är en FOTONENS form är CIRCEL...eller klot Formad.
/Wissam R, Landskrona

Svar:
Det där med "vågpaket" ska inte tas bokstavligt. Det är inte meningsfullt att diskutera fotonens form. Kvantmekaniken går tyvärr inte att förstå genom konkreta bilder.
/KS

*

Energi [4246]

Fråga:
Vad är energikvanta ??
/Malin F, Rinnman, Ärla

Svar:
Det är en fundamental företeelse inom kvantmekaniken, att energi inte kan överföras kontinuerligt, utan utbyts i form av bestämda "energipaket", så kallade kvanta. Sök på kvanta i denna databas, så får du kanske lite mera hum om det hela!
/KS

*

Universum-Solen-Planeterna [4519]

Fråga:
Hej jag har ett par frågor ang. big bang-teorin.

1.Om vi antar att universum blev till genom big bang. Eftersom explosionen hade en ”början” måste något ha orsakat big bang. Big bang-teorin säger väl att ursprungligen så fanns ingenting, inte ens tom rymd. Inte heller existerade tiden enligt big bang-teorin (tid och rum fanns inte innan big bang). Det som fanns var absolut ”ingenting”. Hur tänker ni när ni menar att just ”ingenting” exploderar och bildar ett universum med all dess komplexitet?

2. Eftersom orsakskedjan logiskt inte kan fortsätta i all oändlighet så borde det funnits en första orsak. Denna första orsak måste alltid ha funnits därför att den inte är orsakad av något. Och om denna sk första orsak alltid har funnits så är den issåfall tidlös. Och är någonting tidlöst så kan det inte sluta att finnas, utan är därför evigt. Därför borde den ”första orsaken” finnas nu också?

3. Varför antar big bang-anhängarna att ”ingenting” är den första orsaken? Var är logiken och vetenskapen i detta antagande?

Detta var kanske inte några enkla frågor men jag vore väldigt tacksam för svar.
/Samuel A, celsiusskolan, Uppsala

Svar:
Vi ska inte nu ge oss på att besvara dina frågor. Det är inget fel på frågorna, tvärt om. De är i högsta grad relevanta idag. I stället sätter vi lite material i dina händer, som säkert kommer att belysa problemställningarna. Efter att du gått igenom det, kommer du säkert att formulera om frågorna.

Det fanns en tid när det var förbjudet att tala om tiden före big bang. Så icke idag. Universums utveckling beskrevs då med allmän relativitetsteori. Det går bra att räkna sig bakåt till den så kallade Planck-tiden eller då universum var 10-43 sekunder gammalt. Det nu synliga universum var då ungefär 1 mm stort. Det låter pyttigt, men var för dåtida förhållanden jättestort. Ljuset hinner nämligen bara gå 10-31 mm på 10-43 s. Där blev det stopp. Då kom kvantmekaniska effekter in, och för en del år sedan var allmänna relativivitetsteorin och kvantmekaniken oförenliga.

Nu är läget annorlunda. Supersträngteorierna förenar de båda teorierna, och nu kan man räkna sig baklänges förbi big bang. Det visar sig, att med supersträngar uppstår ingen singularitet, universums täthet blir hög, men inte oändlig. Intressant är att egenskaper hos universum före big bang, skulle kunna vara observerbara i dagens universum.

I CERN Courier 2, Mars 1999 publicerades en populär artikel om dessa saker med titeln Challenging the Big Bang: a longer history of time, länk 1 nedan. Författaren, Gabriele Veneziano har en hemsida där det finns många referenser till artiklar, länk 2 nedan. Vad du lär dig av detta är att det arbetas intensivt på detta område. Du har nog mest glädje av bilderna i alla fall.

Till sist: Inget är säkert fastlagt inom detta område, kosmologerna trevar sig fram. Men det är väl kul att vi nu får prata om tiden före big bang!
/KS/lpe

Nyckelord: big bang [34];

1 http://www.cerncourier.com/main/article/39/2/11
2 http://www.ba.infn.it/~gasperin/

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [5011]

Fråga:
Vad finns mellan elektronerna och kärnan i en atom? Luft eller?
/matte s, karlsberg, sthlm

Svar:
Det är vanligt att beskriva atomen som ett planetsystem, med elektronerna snurrande runt atomkärnan. Det är faktiskt en mycket missvisande bild. Det går enligt kvantmekaniken inte att lokalisera elektronen. Vad man får fram är en sannolikhetsfördelning. För en väteatom i grundtillståndet är sannolikhetstätheten faktiskt högst vid atomkärnan.

Det finns inte luft i atomen - luft är ju en gas, bestående av molekyler som i sin tur är uppbyggda av atomer. Snarare kan man säga att det är tomrum mellan elektronerna och kärnan.
/KS

Se även fråga 3959

*

Ljud-Ljus-Vågor [5179]

Fråga:
(Jag är för övrigt lärare)

Jag har hört (icke bekräftat) att man kan, om man skickar en enda foton genom en dubbelspalt, få den att interferera med sig själv och bilda ett interferensmönster. Om detta stämmer skulle jag gärna få boktips där jag kan läsa mer.
/Torsten V, Tyresö gymnasium, Tyresö

Svar:
Det där verkar paradoxalt, men det stämmer. Kanske blir det begripligare om man tänker sig ljuset som en vågrörelse. Ljusvågen passerar genom båda spalterna och interfererar med sig själv. När vi sedan registrerar ljuset, är det i form av ett ljuskvantum eller en foton.

Nedanstående figur visar mönstret från en enkelspalt och från en dubbelspalt, se Double-slit_experiment .

På senare tid har interferens observerats med molekyler bestående av 60 kolatomer (fullerener). Alltså uppträder molekylen som en våg, och passerar faktiskt genom båda spalterna. Kvantmekaniken är obegriplig. För en utförligare diskussion, se nedan.



/KS

Se även fråga 1807 och fråga 187

Nyckelord: dubbelspalt [4];

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [5485]

Fråga:
Det här med tunneleffekten: tillåter den överskridningingar av c i små system (kan det förklaras med nuvarande teorier) eller hur kan man förklara påstådda sådana här försök t ex Nimtz? Har liknande försök kunnat upprepats?

Säger relativitetsteorin och kvantmekaniken emot varandra eller kan de två förenas?

Är det ok att använda det som står på denna sida i ett specialarbete?
/David I, Soltorgskolan, Borlänge

Svar:
Nimtz's försök har vi diskuterat tidigare.

De båda teorierna är faktiskt motsägelsefulla. Enligt den allmänna relativitetsteorin är en partikels världslinje entydigt definierad, men enligt kvantmekaniken kan en partikels läge och rörelsemängd aldrig vara samtidigt exakt kända. Intensivt arbete pågår för att hitta en enhetlig teori (supersträngteori).

Visst kan du använda information härifrån i specialarbete.
/KS

Se även fråga 2999 och fråga 795

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [5529]

Fråga:
Vi har nyligen läst kvantmekanik på våran kemikurs, jag blev otroligt fascinerad av dess effekter, men det var en sak som slog mig.

Enligt einstein's fotoelektriska effekt så krävs det en viss mängd energi för att elektronen ska kunna excitera till ett högre energitillstånd, har den inte energin som krävs så kommer den inte att kunna ytföra excitationen. Men enligt kvantmekaniken så kan elektronen låna energi och utföra excitationen. När elektronen sedan emitterar tillbaks till grundtillståndet så kommer den skicka iväg en foton. Det intressant här är att fotonen som skickas iväg kommer att ha högre energi än den inkommande energipaketet, eftersom den "faller" tillbaka hela sträckan.

Enligt termodynamiken så kan energin inte skapas eller förstöras???

Tack på förhand....
/Jimmy K, Umeå universitet

Svar:
Den process du föreslår funkar inte därför att sluttillståndet måste bevara energin. Att låna upp energi är bara tillåtet under en kort tid.
/KS

*

Energi [5574]

Fråga:
Jag har en fråga angående Heisenbergs lån, om en elektron inte har den energi som krävs för att utföra excitationen så kommer inte att excitationen att ske. Men enligt kvantmekaniken så kan energi lånas om det betalas tillbaka snabbt nog.

Låt oss säga att elektronen behöver energin 1 för att utföra excitationen, den tänkta elektronen har bara energin 0,98(orealistiska värden, men bara ett tankeexperiment). Elektronen utför ett Heisenbergs lån och utför excitationen.

Frågan är nu: Vart kommer energin ifrån? enligt termodynamiken kan energin inte bara dyka upp ur tomma intet.
/Jimmy K, Umeå universitet

Svar:
I den situation du beskriver kan elektronen betala tillbaka, om det finns en lägre nivå på just 0.98. Finns inte en sådan nivå, sker inte processen.
/KS

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [5999]

Fråga:
Varför är det så svårt att hitta GUT ? stämmer gravitationsteorierna inte in med det andra eller har man helt enkelt bara inte hittat något samband ? Vilka teorier är det man vill sammanföra egentligen ?
/Martin S, ingen, Malmö

Svar:
Problemet är att den allmänna relativitetsteorin och kvantmekaniken är motsägelsefulla. En teori som innefattar båda brukar betecknas med GUT (Grand Unified Theory). Man tror att det bör vara någon form av strängteori i 10 dimensioner. Man är ännu inte framme vid målet.
/KS

*

Universum-Solen-Planeterna [6672]

Fråga:
Som jag förstått det så är Plancktiden (10^-43 s) det kortaste tidsintervallet. Det betyder väl inget annat än att tiden är kvantiserad eller hur? Då antar jag vidare att det finns en likadan undre gräns för avstånd, typ Planckmeter..? Kvanta? Vilket oundvikligt leder till slutsatsen om kvantiserad förflyttning - "skutt". En partikel förflyttas extremt små avstånd för varje "skutt". Då kan man fråga sig om ökad 'hastighet' innebär större skutt eller snabbare skutt! Är det någon skillnad? Vidare så är c det snabbaste/längsta skuttet -- vad är då det kortaste? Hmmm... kvantiserat koordinatsystem? där det finns en minsta möjliga storlek på x,y och z med kvantiserade vinklar! Kvantiserad gravitation! Coulombkraft! Max ålder/längd/volym/annat!
/David K

Svar:
Plancktiden har inget med tidens kvantisering att göra. Den gängse gravitationsteorin (den allmänna relativitetsteorin) är helt enkelt inte konsistent med kvantmekaniken. Under vissa omständigheter vet vi att kvantmekaniska gravitationseffekter dominerar. Man kan också säga att vid dessa förhållanden är den vanliga rums-tiden inte väldefinierad. Då kan inte den allmänna relativitetsteorin användas för att beskriva världen. Det gäller för tider kortare än Planck-tiden (10-43 s), för avstånd mindre än Planck-längden (10-35 m) och för (punktformiga) massor större än Planck-massan (10-8 kg). Det arbetas intensivt för att komma över dessa problem. Lovande är supersträngteorier, där man arbetar med tio rumsdimensioner.

För mera information, slå på dessa ord i Nationalencyklopedin !
/KS

Se även fråga 4519

1 http://www.physlink.com/Education/AskExperts/ae281.cfm

*

Blandat [6974]

Fråga:
Vad är skillnaden på klassisk fysik och modern fysik? Och vad var det för upptäckter som gjorde att man började tänka "modernt"?
/Helen A, Komvux, Mölndal

Svar:
Detta har vi svarat på tidigare. Just den dag du frågar, firar vi 100-årsjubileet av kvantmekanikens uppkomst. Då begrep man inte hur betydelsefull upptäckten var, det skulle komma senare.
Se svar nummer 2.

Den viktigaste upptäckten, som ledde till relativitetsteorin, var Michelson-Morley's experiment 1887, som visade att ljusets hastighet i vakuum är konstant, oberoende av hur man rör sig.
/KS

Se även fråga 6439 och fråga 6932

*

Partiklar [7279]

Fråga:
Jag har sökt i databasen efter ett svar, men ej funnit något... Därför undrar jag om ni kan förklara begreppet spin(n) (ja det kan vi ta först; heter det spin eller spinn??) Jag vet ganska ungefär hur spin(n) fungerar hel- och halvtaliga multipler av h/2pi, men vad är spin; ett inre rörelsemoment - men vad innebär det?? Är det bara ett uttryck för att förklara fenomen eller är det en form utav rotation (likt jordens dygnrotation)??
/Pontus S, Katedralskolan, Linköping

Svar:
Du vet ju faktiskt en hel del om spinn (spinn på svenska, spin på engelska). Det är alltså ett rörelsemängdmoment. Mycket i kvantmekaniken är obegripligt i den meningen att motsvarande fenomen helt enkelt inte existerar i vardagstillvaron. Spinn är ett sådant begrepp. Det bästa sättet att närma sig kvantmekaniken är nog att acceptera detta faktum. I stället bör man lära sig formalismen och hur dessa begrepp används för att komma fram till praktiska resultat.

Det där låter tråkigt, men jag har aldrig mött en fysiker som påstått sig verkligen begripa vad spinn är.

Det finns en viktig skillnad mellan partiklar med heltaligt spinn (bosoner) och partiklar med halvtaligt spinn (fermioner). Flera bosoner av samma sort kan befinna sig på samma plats (har alla samma kvanttal), men två fermioner av samma sort kan inte befinna sig på samma plats. De partiklar som vanlig materia består av (protoner, neutroner och elektroner) är alla fermioner. Det är mycket viktigt. Om de hade varit bosoner hade varken atomkärnor eller atomer kunnat existera.
/KS

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [7352]

Fråga:
Jag fick en bra fråga idag av en elev som jag blev lite osäker på. Vad är det för krafter som motverkar att elektronerna inte slår sig ihop med protonerna då dessa är negativt resp. positivt laddade i atomen.
/Mattias J, Tranemo Gymnasieskola, Tranemo

Svar:
Enligt kvantmekaniken har systemet elektron-proton ett lägsta energitillstånd, och detta är den neutrala, oexiterade väteatomen. Detta går inte att beskriva med klassisk mekanik. Ofta avbildas elektronen i en sorts planetbana kring protonen. Detta är en ganska missvisande bild. Den kvantmekaniska lösningen talar inte om var elektronen befinner sig. Den ger bara en sannolikhetsfördelning. Det högsta värdet är faktiskt vid protonen.
/KS

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [7777]

Fråga:
Jag håller på att skriva ett specialarbete i fysik. Jag har valt att utifrån Schrödingers katt jämföra främst klassisk fysik och kvantfysik. Tyvärr så är mycket av den litteratur jag funnit 10-20 år gammal och därmed, förmodar jag, inaktuellt vad gäller vissa delar. Jag undrar om ni har något tips på böcker, artiklar, websidor etc med information om experiment och annat som är lite mer aktuell?
/Anna Malou P, Härnösands gymnasium, Härnösand

Svar:
Se svaren nedan! Det viktigaste som har hänt på senare tid, är att den så kallade köpenhamnstolkningen har bekräftats experimentellt. Katten är faktiskt både död levande, ända tills man har tagit reda på saken. Man har naturligtvis inte använt kattor, utan par av fotoner, på engelska "entangled photon pairs". Detta diskuteras av österrikaren Anton Zeilinger i en artikel i Forskning & Framsteg år 2001 Nr 2, sid 44, Forskning & Framsteg, webbarkivet . Han nämner inte "Schrödingers katt", men han kunde ha gjort det.

Alltså: Kvantmekaniken är fundamentalt obegriplig. Ju mer man sätter sig in i den, desto klarare inser man detta. Ändå är det väl ganska underbart att vi, med matematiska metoder, kan hantera det obegripliga.
/KS

Se även fråga 3905 och fråga 1513

1 http://www.qtc.ecs.soton.ac.uk/cat.html
2 http://www.upscale.utoronto.ca/GeneralInterest/Harrison/SchrodCat/SchrodCat.html

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [7970]

Fråga:
Hej!

Jag har hört litegrann om att man inte samtidigt kan bestämma en elektrons läge och hastighet. Dessutom har jag hört att en foton som tvingas gå genom två spalter uppträder som om den gick genom båda spalterna, men om man kontrollerar vilken spalt den går genom så går den verkligen bara genom den ena. Stämmer detta, och i så fall vad betyder det? Betyder det att verkligheten styrs av slumpen och inte genom orsak och verkan. Eller kan man verkligen tolka det som att det gör någon skillnad om någon betraktar fenomenen eller inte? Jag vet inte ens om jag ställer frågan rätt, men jag hoppas någon kan reda ut detta.
/Patrik H

Svar:
Du har det mesta klart för dig. Slumpen är verkligen en fundamental företeelse i kvantmekaniken. Om man tittar riktigt djupt i det hela, tycks slumpen vara en absolut förutsättning för kausalitetsprincipen (lagen om orsak och verkan). Detta utreds i en intressant artikel av Ulf Danielsson i Forskning och Framsteg, nr 3, april 2001, sid 30 (finns också på nätet, se länken). Det är denna slumpmässighet som hindrar oss att påverka händelser i förfluten tid.

Dubbelspaltexperimentet kan också göras med partiklar och molekyler. Till och med ganska stora molekyler (se nedan). I kvantmekaniken är varje partikel i rörelse förknippad med en våg med våglängden

l = h/p

där h = Placks konstant och p rörelsemängden.

Exempel på slumpmässighet: Antag att vi har en radioaktiv atom med halveringstiden 1 timme. Vad vi då kan säga är att det är 50% sannolikhet att den har sönderfallit om en timme. Det finns ingen principiell möjlighet att förutsäga när den ska sönderfalla.

Man kan också säga att sannolikheten att den ska söderfalla är oberoende av tiden. Detta är i själva verket en differentialekvation uttryckt i ord. Lösningen är en exponentialfunktion.

Ett tredje sätt att uttrycka det är att en atom har ingen ålder. Den har ingen information om när den tillkom.
/KS/lpe

Se även fråga 1807

1 http://www.fof.se/?id=01330

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [7978]

Fråga:
Hur kommer det sig att man avbildar elektronernas banor runt kärnan som planetliknande om kvantmekaniken förespråkar att det högsta sannolikhetsvärdet för elektronens plats är nära kärnan? Är teorin inom kemin bara att förkasta? (fråga 7352)
/Karin N, Göteborg

Svar:
Slå på atom i Nationalencyklopedin , bild 7. Där visas sannolikhetstäthetfördelningarna (vilket ord!) för några olika tillstånd. s-elektroner har störst sannolikhet vid kärnan, men inte p-elektroner.
/KS

*

Partiklar [8061]

Fråga:
Slik jeg har forstått det, finnes der partikler, som elektronet, med for eksempel spinn 1/2. Forklaringen på spinn har jeg hørt som antall ganger du må spinne objektet om sin egen akse før den ser lik ut. Hvis denne forklaringen er korrekt, må du ikke da spinne disse partiklene med spinn 1/2 to ganger rundt før den likner seg selv i utgangsposisjonen? Hvordan er dette mulig?
/Vanja M, horten vgs, Horten

Svar:
Spinn är ett fenomen som förekommer i kvantmekaniken och som inte har någon motsvarighet i vardagstillvaron. Elektronen är ju punktformig. Hur kan något punktformigt snurra? Kvantmekaniken är fundamentalt obegriplig. Man kan lära sig hantera den, men aldrig begripa. Det har sina biologiska förklaringar. De av våra förfäder som till äventyrs tänkte kvantmekaniskt hade ingen överlevnadsfördel av det, snarare tvärt om.

Nu till det där med att elektronen måste vändas två varv för att bli sig själv igen. Man ska se det som en matematisk operation som inte ska tolkas rumsligt. Försök i alla fall inte begripa det, för det går inte. Jag tror det är Stephen Hawkings som har gjort fenomenet känt i sin mycket spridda bok A brief History of Time.
/KS

*

Kraft-Rörelse [8069]

Fråga:
Hur uppfyller Newtons första och andra lag korrespondensprincipen?
/Anders E

Svar:
Du tänker nog åt fel håll. Bohrs korresondensprincip innebär att den nya fysiken (relativitetsteori, kvantmekanik) ska stämma överens med den klassiska i gränsfallet.
/KS

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [8269]

Fråga:
Hej!

Jag undrar ifall ni kan ge mig formeln som räknar ut hur stor energin är hos de energibanorna (där elektroner kretsar) som finns kring en kärna?
/Dzevdan K, Gullstrand, Landskrona

Svar:
I Bohrs modell för väteatomen är uttrycket för elektronens energi mycket enkelt:

E = -R/n2

n är ett positivt heltal (huvudkvanttalet) och R är rydbergskonstanten:

R = (mee4)/(8eoh3c)

Bohrs modell för väteatomen är en enkel modell som kom före den egentliga kvantmekaniska beskrivningen. För att sätta sig in i detta krävs gedigna kunskaper i kvantmekanik och matematik.

Läs mer i Nationalencyklopedin i artikeln atom.

me = elektronmassan
e = elektronladdningen
eo = dielektricetskonstanten i vakuum
h = Plancks konstant
c = ljushastigheten
/KS

*

Kraft-Rörelse [8304]

Fråga:
Jag håller på att göra ett arbete om kvantfysiken. Men jag tycker det är mycket svårt att begripa vad kvantfysik igentligen är.

Nu undrar jag om du kan ge mig en lite bättre bild av kvantfysiken och hur den fungerar i stort. - Tack på förhand!
/Kenneth S, Björknässkolan, Boden

Svar:
En elementär lärobok i kvantmekanik är på kanske 500 sidor. Det kan helt enkelt inte beskrivas med några meningar. Börja med att slå på kvantmekanik i Nationalencyklopedin . Du kan också söka på detta ord i denna databas. Då hittar du över 50 frågor med svar
/KS

*

Ljud-Ljus-Vågor [8356]

Fråga:
Jag har svårt att förstå de nyaste teorierna inom fysiken som säger att allt utstrålar energi/partiklar tex ljus/gravitet/tyngdkraft/tiden. Samtidigt som man säger att allt ändå är vågrörelser??! har jag förstått fel? Jag kan förstå att ljud är vågrörelser på en viss våglängd som ögat registrerar men att det är partiklar som bombar ögat samtidigt???
/Harri P, Wennströmska, Västerås

Svar:
Enligt kvantmekaniken har allt en våg- och en partikelaspekt. Kolla svaret nedan!
/KS

Se även fråga 5179

*

Universum-Solen-Planeterna [8357]

Fråga:
Vad är Strängteorier- M-teorin?
/Veckans fråga

Ursprunglig fråga:
Vad är Strängteorier- M-teorin?
/Johanna T, Fyrisskolan, Uppsala

Svar:
Nu berör du saker som verkligen handlar om spetsforkning i teoretisk fysik. Strängteorier kom till för kvantisera gravitationen. Kvantmekanik och allmän relativitetsteori går nämligen inte ihop. Strängteorier arbetar i 10 dimensioner, 9 rumsdimensioner och en tidsdimension. När man 1995 studerade stark koppling i vissa strängteorier vek det ut sig ytterligare en rumsdimension, och den endimensionella strängen blev ett 2-dimensionellt membran i det 11-dimensionella tidsrummet. De 5 etablerade strängteorierna visade sig ha ett visst samband genom det 11-dimensionella tidsrummet. Vad som döljer sig där kallas M-teori. Man kan betrakta de 6 strängteorierna som olika 10-dimensionella projektioner av den 11-dimensionella M-teorin. Det arbetas intensivt på att klara ut vad M-teorin egentligen är. Det mesta är okänt, men många hoppas att här döljer sig svaret på många av universums gåtor. Det finns de som tror det blir möjligt att formulera en teori helt utan fria parametrar. Det skulle vara ett oerhört framsteg. Den så kallade "standardmodellen" har 19 fria parametrar, som alltså måste bestämmas experimentellt

Av de många rumsdimensionerna återstår av någon anledning bara 3. De övriga är inkrökta med sådan liten radie, att de inte märks.

Vill du fördjupa dig i detta kan vi rekommendera: Brian Greene: Ett utsökt universum. Det är en populärvetenskaplig bok, men den är skriven av en expert, och översatt till svenska av en expert (Hans-Uno Bengtsson).

Här är en trevlig websajt som bland annat behandlar strängteori: The Official String Theory Web Site .
/KS/lpe

Nyckelord: standardmodellen [23]; strängteori [7];

*

Kraft-Rörelse [8419]

Fråga:
Hej!

Jag undrar var man kan finna hela den matematiska beskrivningen av den allmänna relativitetsteorin, jag undrar även exakt vad problemet mellan kvantmekaniken och relativitetsteorin(den allmänna) består av?
/Joakim M, Christoffer Polhem, Visby

Svar:
När den allmänna relativitetsteorin (en teori för gravitationen) används i astronomiska sammanhang, spelar kvantfenomen ingen roll. När vi använder kvantmekaniken för atomer och partiklar, spelar gravitationen ingen roll.

Har vi att göra med mycket stora massor eller mycket små avstånd, kan inte kvanteffekter av gravitationen försummas. Direkta försök att kombinera teorierna leder till orimliga resultat. Det tycks som om lösningen kommer att bli någon variant av supersträngteori.

En lärobok i allmän relativitetsteori är: B F Schutz: A first course in general relativity, Cambridge University Press, 1985. Det krävs goda förkunskaper i speciell relativitetsteori (formulerad med Minkowskimetrik) och matematik, speciellt linjär algebra eftersom formuleringen av teorin baseras på tensoranalys. Viss bildning i icke-Euklidisk geometri är också önskvärd, eftersom rumstiden normalt sett är krökt.

Vill du läsa om teorin i mera allmänna formuleringar, slå på relativitetsteori i Nationaencyklopedin. Vill du ha lite flera detaljer, slå på gravitation.

För en populär dikussion av dessa problem kan vi hänvisa till boken: Brian Green: Ett utsökt universum (översatt av Hans-Uno Bengtsson)
/KS

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor, Universum-Solen-Planeterna [8566]

Fråga:
Jag har hamnat i en diskussion med två, lite olika, frågor:

1. Vet man något om vad som 'triggar' en instabil atoms sönderfall? Vi kan ta en liknelse med ett antal rackliga träställningar i olika grad av förruttnelse. Deras sönderfall kan då 'triggas' av t.ex. vindens kraft. Och de olika förrutnelsegraderna gör att de faller sönder på olika tidpunkter. Men atomer är ju knappast ruttna.... och inte blåser det kring atomkärnorna heller. (Jag är alltså inte ute efter differentialekvationer som löser ett statistiskt problem.)

2. Stjärnor föds, 'brinner upp', dör, eventuellt exploderar. Gaserna som kastas ut samlas till nya stjärnor. Allt enligt många böcker. Men om nu allt väte omvandlats till helium, hur kan då en ny sol tändas av detta 'förbrukade' material? Eller blir det ingen ny sol utan bara en 'entropiökning'? Vänliga Hälsningar Ove
/Ove J, Stockholm

Svar:
1. Det är inget alls som utlöser sönderfallet. Det sker fullkomligt slumpmässigt, och det är av fundamental betydelse att det är så. Kvantmekaniken ger inte exakta resultat, utan sannolikhetsfördelningar. Inom den fördelningen blir utfallet slumpmässigt. Många (t. ex. Einstein) trodde att kvantmekaniken var en ofullständig teori, och att där finns dolda variabler, som bestämde resultatet. Nu vet vi att Einstein hade fel på denna punkt. Det finns inga dolda variabler, slumpen är verkligen fundamental. Hade så inte varit fallet, skulle det vara möjligt att påverka händelser i förfluten tid. Lagen om orsak och verkan (kausaliteten) skulle inte gälla. Universum skulle ha sett helt annorlunda ut.

2. Större delen av det material som stjärnorna kastar ut innan de dör är oförbränt, och domineras av väte. Det är sant att halten tunga ämnen ökar i den interstellära gasen, men för överskådlig tid dominerar väte.
/KS

1 http://www.fof.se/?id=01330

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [8846]

Fråga:
Bohr antog ju att väteatomen endast kan avge stålning i diskreta steg. Hur menar han då? Hur sker detta? Hoppas på svar!
/Lars E, Stockholm

Svar:
När Bohr lade fram sin atommodell, hade han ingensomhelst förklaring. Förståelse för det hela fick man ungefär 15 år senare (under 1920-talet) i och med att kvantmekaniken växte fram. Det är en lång och invecklad historia.
/KS

*

Kraft-Rörelse [9182]

Fråga:
Hej Jag har tänkt skriva ett arbete om teleportering och kvantkorrelatering (ickelokalitet). Av att dömma av de fakta jag hittat på internet då bygger desssa fenomen på en hel del avancerad matematik. Så min fråga till er är om ni har tips på någon bok eller internetsite där detta förklaras på ett lättare sätt, helst på svenska. (jag går NV3e)

sen måste jag fråga: Einsteins idée om att de inte finns nån gravitiation utan att massor påverkar varandra pga deras böjning i rummet. Är denna teori omkullkastad av standard modellen med en tänkt gravitaionsförmedlar-partikel?

Tack på förhand
/Erik N, Östra-Gym, Umeå

Svar:
Det finns en bra artikel om teleportering i Forskning och Framsteg, 2001, nr 2 sid 44, Forskning & Framsteg, webbarkivet . Den är skriven av den österikiske fysikern Anton Zeilinger som verkligen är expert på området. Den kräver inga matematiska förkunskaper. Tro inte att du kommer begripa det hela, det går inte. Som du riktigt påpekar, är den yttersta förklaringen att vårt universum är ickelokalt, varje del av universum står i momentan kontakt med varje annan del. Redan Newton funderade över dessa saker. Det finns absolut acceleration men inte absolut rörelse. Varför?

Sen till din andra fråga. En fysikalisk teori gör inte anspråk på att ge den sanna beskrivningen av verkligheten. Vi ska snarare se den som en modell, som är mer eller mindre användbar i olika sammanhang. Den allmänna relativitetsteorin (som ju är en gravitationsteori) är en teori som inte innefattar kvantmekaniken. Det är till och med så illa att de båda teorierna är motsägelsefulla. Det betyder inte att Einsteins gravitationsteori är fel. Alla experimentella tester stämmer överens med den, i motsats till konkurerande gravitationsteorier.
/KS

Se även fråga 4921 och fråga 1820

*

Partiklar [9467]

Fråga:
Hur kan man prata om upp till 10-11 dimensioner (som jag såg du skrev när dom "vibrerande strängarna" togs upp)? Hur kan man ö.h.t prata om flera dimensioner än dom vi känner till? Det måste ju blir rena rama gissningarna och om man nu "gissar" på 10-11 så skulle man väl lika gärna gissa på 5-6 eller 50-60?

Hälsningar Lena
/Lena S, Lännersta, Stockholm

Svar:
Det är faktiskt ingen gissning, strängteorin kan bara formuleras i 11 rums-tids dimensioner. Det visade den amerikanske strängteoretikern Edward Witten (Princeton University) år 1995. Hur är det då med de 10-dimensionella supersträngteorierna? Numera betraktar man dem som aproximativa delar av en bakomliggande mera fundamental 11-dimensionell teori. Den går under beteckningen M-teori. Den är till stora delar okänd, men det forskas intensivt på detta område. Det intressanta är att denna forskning är helt teoretisk.

7 av de 10 rumsdimensionerna märks inte. De är så hårt ihoprullade, att vi inte med några instrument kan påvisa dem. Deras betydelse skulle vara att de kanske kan förklara elementarpartiklarnas egenskaper. Det är vad man hoppas på.

Ett mera tekniskt svar: (för den som kan lite kvantmekanik) Länge undersökte man de 5 supersträngteorierna med störningsräkningar. Det går bra om strängkopplingskonstanten är mindre än 1. Om denna konstant är större än 1 duger inte störningsräkningar, och man har en mycket besvärligare situation. Man anade vid mitten av 90-talet att det faktiskt var så. Vad Witten visade var, att denna situation kräver en extra rumsdimension.
/KS

Se även fråga 8357

Nyckelord: strängteori [7];

*

Kraft-Rörelse [9523]

Fråga:
Når du skal forklare gravitasjon med klassisk mekanikk, bruker en vel de ikke påviste gravitoner. Men hvordan skal egentlig små partikler få for eksempel jorda til å gå i bane rundt sola? Når sola sender ut gravitoner, høres det da mer logisk ut at den skyver jorda fra seg. Og hvordan kan gravitonene bøye lyset? Takker på forhånd for svar.
/Vanja M, Horten vgs, Horten

Svar:
Varken i klassisk mekanik eller i allmän relarivitetsteori finns gravitoner. Det är först när man formulerar gravitationen med kvantmekanik, som gravitoner behövs. I dag finns bara ofullständiga fragment av sådana teorier (supersträngteorier, M-teori). Det finns alltså inte någon användbar teori för gravitoner. Om det kommer att utvecklas en sådan teori ur dagens fragment, kan man i alla fall ange några egenskaper hos gravitonen. Den är en masslös boson med spin 2. Det innebär att den färdas med ljushastigheten och att den har obegränsad räckvidd.

Både i klassisk mekanik och i allmän relativitetsteori böjs ljuset av gravitationen, dubbelt så mycket i det senare fallet. I klassisk mekanik genom kraftverkan på avstånd, i allmän relativitetsteori genom deformation av rumstiden. Blanda bara inte in gravitoner i sammanhanget. Speciell relativitetsteori uttalar sig inte om saken. Den innehåller inget om gravitation.
/KS

Se även fråga 8357 och fråga 9467

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [9614]

Fråga:
När en elektron faller tillbaka från ett exciterat tillstånd till sitt vanliga skal sänds det ut en foton. Anser man att denna accelererar upp till ljusets hastighet eller förekommer ingen acceleration alls här; vore ju konstigt värre.
/Mikael e, Västergårdsgymnasiet, Södertälje

Svar:
Glöm den Bohrska atommodellen, i varje fall om du vill komma åt de djupare aspekterna av kvantmekaniken. I modern kvantmekanik kan elektronen aldrig lokaliseras. Det resultat kvantmekaniken levererar är en sannolikhetstäthetsfördelning. Övergången sker mellan två olika sådana fördelningar. Man kan bara beskriva sluttillståndet, alltså en ny fördelning och en foton, som för iväg energin med ljusets hastighet. Det är inte möjligt att tala om något mellantillstånd. En smula abstrakt, men kvantmekaniken strider faktiskt mot sunt bondförnuft. Det är bara att acceptera att sådan är världen.
/KS

*

Universum-Solen-Planeterna [9655]

Fråga:
Hur vet man att de instrument man änvänder för att fastställa jordens ålder fungerar, och inte ger felaktiga svar?

Tack i förväg
/Abdulgani C

Svar:
Vi kan vara lyckliga över att naturen själv tillhandahåller de instrument vi behöver för detta, nämligen de radioaktiva kärnorna. De är garanterat pålitliga. Sannolikheten att en viss radioaktiv kärna ska sönderfalla inom ett visst tidsintervall är konstant, alltså oberoende av tiden. Detta kan förstås med kvantmekaniken, och denna egenskap gör de radioaktiva ämnena till perfekta klockor. De påverkas inte alls av yttre omständigheter.

Sedan är det en annan sak hur väl vi lyckas läsa av dessa klockor. Man har med tiden blivit allt skickligare på det. Som ett exempel vet man att solsystemets (och därmed jordens) ålder är 4.56 miljarder år, med ett fel som är mindre än 0.2%.

Universums ålder är 13.7 miljarder år, så det finns stjärnor som är mycket äldre än solen.
/KS

Se även fråga 9608 och fråga 7767

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [9714]

Fråga:
Hejsan! Vad är det som förhindrar en elektron i en atom att "falla" mot kärnan?
/Karl H

Svar:
Tänk dig en neutral väteatom i grundtillståndet. Det innebär att elektronen inte kan uppnå ett lägre energitillstånd. Enligt kvantmekaniken är elektronen inte lokaliserad någonstans. Den kvantmekaniska lösningen är en sannolikhetstäthetsfördelning. Enligt denna är det faktiskt störst chans att hitta elektronen vid atomkärnan.
/KS

Se även fråga 9614

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [9737]

Fråga:
Hej!

Jag har tre frågor:

1. Eftersom elektromagnetisk strålning alstras av accelererande laddningar borde inte elektronerna i en atom sända ut strålning hela tiden pga centripetalaccelerationen?

2. När en exciterad elektron återgår till en lägre energinivå så sänds en foton ut, betyder det att elektronen har accelererat?

3. Accelereration kan ju både betyda att hastigheten ökar eller minskar så om elektroner med hög hastighet bromsas snabbt, sänds det ut strålning då också?

Tack för en utmärk sida!
/Karl H

Svar:

1. Om klassisk fysik hade gällt, har du rätt, men här råder kvantmekanik.

2. I kvantmekaniken kan inte mellantillstånd diskuteras, bara begynnelse och sluttillstånd.

3. Se ovan!
/KS

Se även fråga 3959 och fråga 9614

*

Ljud-Ljus-Vågor [9891]

Fråga:
Hej! Jag har en fundering över vågor. Har jag förstått det hela rätt om jag ser ljudvågor som "förtätningar" och "förtunningar" som fortplantar sig genom t ex luft, för att sedan nå örat så att vi översätter det till ljud, och att det är anledningen varför ljud inte kan fortplanta sig genom vakuum?

Jag antar att det är något i den stilen. Men hur är det med ljus? Jag är på det klara att ljus (och annan elektromagnetisk strålning) kan beskrivas dels som partiklar, dels som vågor, beroende på vilket experiment man utsätter det för.

Och att greppa ljuset som partikel tycker jag är helt OK, men däremot som en våg? Jag har själv gjort interferensexperiment, men vad menas egentligen med att ljuset är en våg? Om man inte ska se den som en partikel, vad skulle då denna våg bestå av? Jag har inte riktigt fattat..

Hoppas ni förstår vad jag menar. MVH Johan
/Johan E, Staffanskolan, Ljusne

Svar:
Kvantmekaniken innebär att allt har både partikel och vågkaraktär. Tänk dig en liten fotboll, där det i stället för läderlappar sitter kolatomer i hörnen. Det går åt 60 kolatomer för detta. Man har visat att denna lilla boll också kan uppträda som en våg.
/KS

Se även fråga 5179 och fråga 1807

*

Kraft-Rörelse [9958]

Fråga:
Hej. Jag håller för tillfället på att skriva ett specialarbete om Albert Einstein. Uppenbarligen är gubben oerhört respekterad och har ju en rejäl legendstatus, men finns det egentligen något som säger att Einstein var ovanligt intelligent?

Jag har exempelvis sett att man i dagsläget ibland jämför Stephen Hawking med Einstein. Nog måste det väl ha funnits andra fysiker under 1900-talet som gjorde liknande bedrifter som Einsten, eller beror hans status just bara på att han "rättade" Newton?
/Johan E, Staffanskolan, Ljusne

Svar:
Relativitetsprincipen:

Naturlagarna är samma i alla inertialsystem (system i likformig rörelse).

En teori där relativitetsprincipen gäller, kan kallas en relativitetsteori. Newtons mekanik, till exempel, är en relativitetsteori. Under 1800-talet arbetade fysikerna mycket med elektriska och magnetiska fenomen. Det kulminerade i en matematiskt elegant sammanfattning som kallas Maxwells Ekvationer. Det fanns ett stort problem. Denna teori uppfyllde inte relativitetsprincipen.

Man arbetade mycket med att modifiera ekvationerna, men utan framgång. Allt detta detta är numera bortglömt. Det ledde ju bara till återvändsgränder. År 1887 publicerade Michelson och Morley resultatat av ett experiment, som visade att ljushastigheten är densamma i olika inertialsystem. Detta strider mot år varagsuppfattning, vi är vana vid att kunna addera hastigheter. Vad Einstein gjorde, var att koppla ihop detta med problemet med Maxwells Ekvationer. Han han hittade en lösning, som publicerades år 1905 i Zeitschrift für Phüsik. Översatt till svenska är titeln: "Om rörliga kroppars elektrodynamik". Det är vad vi idag kallar den speciella relativitetsteorin.

Man kan inte säga att Einstein var särskilt radikal vad matematiken beträffar. Det har lett till en del problem, tvillingparadoxen till exempel. Hermann Minkowski hittade några år senare en elegant matematisk form, som förövrigt Einstein helt accepterade, när han 1916 införlivade gravitationen. Den teorin brukar kallas den allmänna relativitetsteorin. Det finns än idag inte någon iakttagelse som motsäger dessa teorier. Det är väl ett gott betyg. Däremot kan man inte säga att Einstein gjorde några betydande insatser inom kvantmekaniken. Han var till och med rätt skeptisk mot vissa företeelser där, till exempel slupmässigheten, som vi numera vet är av fundamental betydelse.

Det som står i fetstil lönar det sig att söka på i denna databas. Du kan också gå till Nationalencyklopedin .
/KS

*

Ljud-Ljus-Vågor [11960]

Fråga:
Vill fråga om den kvantmekaniska beskrivningen av det kontinerliga spektret från heta gaser t.ex. solen eller ett stearinljus. Har sökt i avancerade böcker i atom- och molekylfysik men där behandlas endast de fall som ger bandspektra.Givetvis känner jag till Plancks strålningslag men den kom ju långt före kvantmekaniken och måste väl betraktas som halvklassisk.
/Ove D, IT-gymnasiet, Södertörn

Svar:
Plancks stålningslag utgår från att energin är kvantiserad. Man kan säga det innebar kvantmekanikens upptäckt. Saken är bara den att Planck sjäv nog inte till fullo insåg det själv till en början.
/KS

*

Blandat [14232]

Fråga:
Jag har hört att fysiken är den egentliga naturvetenskapen och all naturvetenskap egentligen är fysik. Är det så?
/Veckans fråga

Ursprunglig fråga:
Jag har hört att fysiken är den egentliga naturvetenskapen och all naturvetenskap egentligen är fysik. Kemi och bilogi skulle alltså vara delar av fysiken. Min lärare säger att det är ur fysiken som kemin kom och ur kemin kom biologin? Vad menas med detta? jag förstår inte riktigt vad min lärare menar när hon säger detta och hon vill inte förklara det mer ingående. mycket tacksam för svar
/Anna L, Gränbyskolan, Uppsala

Svar:
Anna och även Tanja som ställt en liknande fråga!

Att definiera fysik är inte lätt - definitionen beror på sammanhanget. Om man t.ex. menar skolämnet fysik så är det emellertid lätt: fysik är det som ingår i kursplanen för fysikämnet. Om man menar forskningsämnet fysik är det de områden man forskar om på fysiska institutioner vid universiteten. Den preliminära kursplanen för fysik i det nya gymnasiet GY-07 inleds med följande tre stycken:

Ämnet Fysik syftar till fördjupad förståelse för hur fenomen i den egna vardagen och i universum kan förklaras med fysikaliska modeller. Ämnet Fysik syftar också till ett vidgat naturvetenskapligt perspektiv och en modern naturvetenskaplig världsbild. Utbildningen syftar till att öka intresset för ämnet och för fortsatta studier i fysik, matematik, andra naturvetenskapliga ämnen och teknik.

Fysikämnet omfattar allt ifrån det allra minsta, mikrokosmos, till det allra största, makrokosmos. Utbildningen i ämnet syftar till att ge eleven en inblick i olika områden inom fysiken samt dess olika tillämpningar inom vardag, samhälle, industri och forskning.

I all naturvetenskap sker utveckling i samspel mellan experiment och teori. Teorier och modeller är mänskliga tankekonstruktioner som ständigt utvecklas och påverkar människans världsbild. Utbildningen i Fysik syftar därför till ökad kunskap om fysikens arbetsmetoder samt om hur fysikens kunskapsområden utvecklas i samspelet mellan fysik, andra naturvetenskapliga ämnen och matematik.

En alternativ definition är: fysik är den vetenskap som beskriver materia, energi och krafter. Då fysiken är en vetenskap tillämpas den vetenskapliga metoden (se vetenskaplig metod ), med uppställande av hypoteser som antingen förkastas eller antas på grundval av experiment och observationer.

Man skiljer även på klassisk fysik (allt före 1900, t.ex. mekanik, elektromagnetism) och modern fysik (t.ex. relativitetsteori, kvantmekanik, elementarpartikelfysik). Sedan har man även grundläggande fysik (forskning inom fysik som motiveras av vår vilja att förstå naturen) och tillämpad fysik (tekniska, medicinska, mm tillämpningar av fysik).

Eftersom modern fysik omfattar vetande från i stort sett hela 1900-talet, kan det vara på sin plats att använda begreppet nutida fysik som skulle innefatta partikelfysik (standardmodellen ), kosmologi (big bang ), plasmafysik och fusion (fusion ) och kärnfysik, se länk 1 för detaljer om Contemporary Physics Education Project (CPEP).

Historiskt var det så att fysik var all naturvetenskap. Efter hand som kunskapen ökade, hade man behov av specialisering. Efter hand frigjordes biologi, geologi, kemi, m.fl. och blev egna ämnen. Vad din lärare antagligen menar är att t.ex. biologin bestäms helt och hållet av arvet genom DNA-molekylen. De lagar som styr DNAs egenskaper är fysik (kvantmekanik). DNA-molekylernas egenskaper är emellertid så komplicerade att vi inte kommer särskilt långt i förståelsen med kvantmekanik. Man måsta använda andra metoder för att komma framåt, och då är det praktiskt att ge ämnet en egen beteckning.

Historiskt har biologin utvecklats helt oberoende av fysiken: man studerade och klassificerade organismer (Linné, 1700-talet), och efter hand förstod man arv och utveckling (Mendel, Darwin, 1800-talet) och DNA upptäcktes (Watson, Crick, Wilkins och Rosalind Franklin, 1950-talet, se länk 2). Det var egentligen först då kopplingen till fysik återuppstod i form av t.ex. biofysik. Se vidare fråga 13720 .

Även det vi i dag kallar fysik har delats upp i separata ämnen: i början av 1900-talet kallades allt som hade att göra med atomer för atomfysik. Efter hand som kunskaperna ökade frigjordes kärnfysik (som beskrev atomkärnan, atomfysik beskrev bara elektronerna kring kärnan). Efter 1950 frigjordes sedan elementarpartikelfysiken från kärnfysik och blev ett eget ämne som behandlar elementarpartiklar och deras växelverkningar.

För att visa hur krånglig och godtycklig uppdelningen är kan jag säga att delar av kärnfysik i USA klassificeras som kemi (Nuclear Chemistry).

Mer om vad fysik är och vad det är bra för finns under nedanstående länkar och här: fysik, nytta med . Jag beklagar om svaret inte är lätt att förstå, det går nog tyvärr inte att förklara det enklare.

Texten på tröjan nedan antyder att fysiken är den ultimata vetenskapen .



/Peter E

Nyckelord: fysik [10]; *biologi [20]; vetenskaplig metod [18]; kursplan [3];

1 http://www.cpepweb.org/
2 http://www.chemheritage.org/discover/online-resources/chemistry-in-history/themes/biomolecules/dna/watson-crick-wilkins-franklin.aspx

*

Blandat, Energi, Materiens innersta-Atomer-Kärnor [14237]

Fråga:
Randell Mills och pseudovetenskap
/Veckans fråga

Ursprunglig fråga:
En amerikan som heter Randell Mills har tydligen uppfunnit ett system för att få billig och miljövänlig energi från väte. Jag skulle vilja veta mer om detta!
/Sven E, Stockholm

Svar:
Det du frågar om är nog det mest avancerade exemplet på pseudovetenskap och bluff och båg i hela vetenskapshistorien! Nationalencyklopedin säger om pseudovetenskap: mystisk eller spekulativ forskning som inte är accepterad av vetenskapssamhället, t.ex. alkemi, parapsykologi och astrologi. Fallet Mills påminner en hel del om Kall fusion (se fråga 2409 ), men det är ett mycket mer avancerat bedrägeri.

Länken HYDROGEN IS POTENTIAL NEW ENERGY SOURCE beskriver vad idén är. I korthet går det ut på att kvantmekaniken är fel och att det tillstånd vi kallar grundtillståndet i väte inte är det lägsta tillståndet. Det finns enligt Mills flera mycket lägre liggande tillstånd, och man kan genom katalys med kalium få elektronen att gå till dessa lägre tillstånd. Väte i de lägre tillstånden kallar han hydrino. Man skulle då kunna utvinna c:a 40 till flera hundra eV energi från varje atom. Energiutvecklingen ger upphov till en plasma, vilket med vad som kallas en gyrotron kan transformeras till mikrovågor som i sin tur kan generera elektricitet.

Det är uppenbart att om allt detta vore sant skulle man t.ex. kunna köra bilar med vatten som bränsle! Uppfinningen skulle representera ett enormt ekonomiskt och miljömässigt värde. Mills har bildat ett bolag med en mycket professionell webbsajt BlackLight Power, Inc. , och investerare har satsat mycket pengar. Bolaget säljer rättigheter till Mills uppfinning. Bolaget har en fin anläggning i New Jersey, men det tycks bara bestå av direktörer .

Blacklight_Power är en balanserad sammanfattning av Mills idéer och patent. Det är ingen överdrift att säga att etablerade fysiker är måttligt imponerade, och de som är positiva tycks vara direktörer i Mills bolag.

Mills har även skrivit en bok The Grand Unified Theory of Classical Quantum Mechanics med helt nya teorier vad gäller fysiken. Boken (på 1800 sidor i 3 volymer!) ser mycket vederhäftig ut och måste vara resultatet av mycket arbete. Mycket i boken är korrekta textbokskunskaper och en del är fullständig rappakalja. Bland detta finns helt nya vinklingar och teorier, bland annat de nya lägre liggande tillstånden i väte.

En annan intressant sak är att Mills "härleder" förhållanden mellan elementarpartiklarnas massor som funktion av finstrukturkonstanten (en dimensionslös konstant med värdet 1/137.03599911 som förekommer i elektromagnetiska teorin). Bara detta, om det vore korrekt, skulle ge nobelpriset direkt eftersom Standardmodellen för elementarpartiklar och kraftverkningar inte ger några värden på dessa.

____________________

I detta sammanhang kan det vara på sin plats att diskutera vad naturvetenskap är och vad som å andra sidan är pseudovetenskap.

Naturvetenskap - vetenskaplig metod

Ett naturvetenskapligt arbetssätt är ett ständigt samspel mellan teoribyggande och observationer:

TEORI/MODELL <<--->> OBSERVATIONER/EXPERIMENT

I övrigt är följande punkter viktiga för vetenskaplig metod:

  • Alla resutat skall rapporteras i öppna tidskrifter
  • Resultat skall vara testbara och reproducerbara
  • Man får inte godtyckligt välja resultat som "passar"
  • Enklast möjliga beskrivning som inte strider mot tidigare observationer föredras
  • Acceptans för nya idéer – villighet att ompröva gamla teorier
  • Sakargument, ej status och "det är skrivet", bestämmer trovärdighet

Se även ett par frågor som behandlar detta under vetenskaplig metod .

Vad är inte vetenskap?

Vetenskap innefattar alltså det som är mätbart och testbart. Resultat av experiment skall vara reproducerbara. Pseudovetenskap å andra sidan karakteriseras av

  • Data är ofta anekdotiska
    - En vän jag litar på sa att han såg varelser stiga ut ur UFOt
  • Uttalanden är ofta mycket kategoriska eller mycket vaga
    - På vetenskapens nuvarande stadium kan vi säga att...
  • Brist på andra förklaringar
    - Att vi inte kan "förklara" ett fenomen betyder inte att det är övernaturligt
  • Slumpmässiga sammanträffanden är möjliga
    - Bara för att två händelser sker samtidigt behöver inte betyda att de är beroende av varandra
  • Referenser är vaga - auktoriteter används ofta
    - Den välkände Professor Bloggs vid CalTech säger att... I vetenskapen ger man en referens som kan kontrolleras. Det är en persons arbete (normalt publikation) som skall bedömas, inte personens tillförlitlighet
  • Vetenskapligt språk används ofta
    - Bitvis kan fakta vara korrekta – men de är ofta triviala eller irellevanta fakta från läroböcker
  • Hänvisningar till religiösa skrifter
    - Saknar bevisvärde – anektotiska och innehåller ofta symbolik som inte får övertolkas

Observera att det är skillnad på pseudovetenskap, där villfarelsen är avsiktlig, och dålig vetenskap, som i bästa fall kan vara ett oavsiktligt misstag.

Skepticism/källkritik i webbsökningar

Det finns t.ex. på internet väldigt mycket bra information, men också mycket skräp och pseudovetenskap. Några tips för att bedöma information:

  • Leta efter oberoende bekräftelse av fakta
  • Var öppen för olika åsikter, men använd bara bevis som kan bekräftas
  • Studera olika hypoteser – skaffa dig inte en favoritteori som utesluter alla andra
  • Kvantifiera där det är möjligt - "vad som är vagt och kvalitativt är öppet till många förklaringar"
  • Använd "Occam’s Razor": börja med den enklaste förklaringen
  • Är ett uttalande öppet för experimentell bekräftelse? Om inte, kan det vara intressant att diskutera, men validiteten kan aldrig bekräftas
  • Är urspungspersonen knuten till en reputabel institution? Reputabel institution är dock varken nödvändigt eller tillräckligt villkor för tillförlitlighet! (Einstein var anställd vid en patentbyrå i Bern när han pubicerade sina första papper.)
  • Ligger sidan under en officiell website från en respektabel institution (renomerat universitet eller forskningsinstitution)
  • Är sidan från en publikation i en renomerad tidskrift så kan man oftast lita på uppgifterna
  • Icke granskade open access system (t.ex. arXiv, länk 2) kan innehålla allt från nobelpris-forskning till pseudovetenskap, så här gäller det att vara försiktig
  • Är ursprungspersonen expert på ämnet? Nobelpristagare och professorer missbrukar tyvärr ibland sin status för uttalanden i helt andra ämnen!
  • Var misstänksam om författaren utan mycket starka argument angriper grundläggande, sedan länge etablerad vetenskap

Uppslagsverk på webben

Wikipedia är ett flerspråkigt webbaserat uppslagsverk med i huvudsak fritt och öppet innehåll som utvecklas av sina användare (ofta benämnda wikipedianer).

Wikipedia har mer och mer blivit en standardkälla för information. De svenska versionen är ganska begränsad, och jag rekommenderar den bara för svenska förhållanden. Den engelska versionen är emellertid mycket omfattande. Wikipedia kritiseras ibland för att den skulle vara otillförlitlig eftersom vem som helst kan skriva artiklar. Det är ju precis detta som är Wikipedias styrka! Om något fel kommer in så rättas den snabbt av någon annan. Om det är oenighet i ett ämne så markeras detta ofta tydligt i artikeln. Wikipedia innehåller faktiskt inte mycket fler fel och saknad information än Nationalencyklopedin (NE) enligt en undersökning man gjort på Sveriges Radio. Wikipedia är naturligtvis inte den slutliga källan när det gäller komlicerade begrepp, men den är en utmärkt utgångspunkt.

Nationalencyklopedin (NE, Nationalencyklopedin ) har fördelen att artiklarna skrivits av experter på det aktuella området, så kvalitén är hög och jämn. Nackdelen är att nyheter kommer in mycket långsammare än i Wikipedia där "nördar" (positivt menat) bevakar allt som händer. Wikipedias styrka är initierade artiklar även i ganska udda ämnen. Den pedagogiska nivån är emellertid mycket varierande. Avvikelser från Wikipedias principer markeras emellertid oftast tydligt.

En annan fördel med Wikipedia jämfört med NE är att alla viktiga fakta skall ha en referens till en originalkälla. Om detta inte är fallet för artiklar med lägre kvalité så signaleras detta oftast längst upp på sidan.

En stor fördel med Wikipedia är att många bilder är helt fria under Wikimedia Commons .

Pseudovetenskap mm

Ett vanligt pseudovetenskapligt trick är att man påstår något som inte har något stöd i teori eller experiment, men som å andra sidan inte kan motbevisas. Detta kallas efter filosofen Bertrand Russell för Russells tekanna.

Russells tekanna eller den himmelska tekannan är en analogi av filosofen Bertrand Russell. Analogin är ett argument mot idén att det är en skeptikers uppgift att motbevisa religiösa dogmer, snarare än den troendes uppgift att bevisa dem, se Russells_tekanna .

Länk 1 innehåller artiklar om och exempel på pseudovetenskap. Nature of Science är en utmärkt interaktiv site om vetenskaplig metod. James Randi Educational Foundation är hemsidan för en av de mest kända förkämparna för vetenskaplig metod och mot pseudovetenskap. Wikipedia-artiklarna Vetenskap och Pseudovetenskap är mycket bra. Se även Russell's_teapot , Science , Scientific_method , Pathological_science och Pseudoscience .

Referenser: bland annat Carl Sagan: Demon-Hunted World, Robert L. Park: Voodoo Science: The Road from Foolishness to Fraud och Bennett, Shostak, Jakosky: Life in the Universe.

Se även nedanstående figur (Image credit: Hemant Mehta of the Friendly Atheist blog).



/Peter E

Nyckelord: pseudovetenskap [9]; vetenskaplig metod [18]; Wikipedia [5];

1 http://fragelada.fysik.org/links/search.asp?keyword=pseudovetenskap
2 http://arxiv.org/

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor, Universum-Solen-Planeterna [17334]

Fråga:
Vad är supersträngar?
/Veckans fråga

Ursprunglig fråga:
Hej! Jag har tre frågor:

1. Vad är supersträngar?

2. Hur skulle universum se ut, och vad skulle vara annorlunda om vi hade <2 eller 4< rumsdimensioner?

3. Vad menas med att tyngdkraften är additiv? Innebär det att den är tio gånger så stor i en kropp med tio atomer än vad den är i en ensam atom, och 10^9 gånger starkare i en kropp med 10^9 atomer osv.?
/Axel O, Södermalmsskolan, Stockholm

Svar:
Axel! Detta är mycket svåra men aktuella frågor. Eftersom Stephen Hawking och Leonard Mlodinow just kommit ut med en bok, The Grand Design (länk 1), kan det vara på sin plats att sammanfatta var strängteorin står i dag. Nedanstående är till en del baserat på en artikel i Sunday Times vetenskapsbilaga Eureka från september 2010.

Strängteorin innebär att man beskriver elementarpartiklar som små endimensionella strängar. Dessa strängar vibrerar med olika frekvenser för att bilda olika partiklar. Det visade sig att det finns minst fem olika sträng-teorier med 10 rum/tid-dimensioner. Så småningom kom man fram till att alla var ekvivalenta med en teori med 11 dimensioner: M-teorin.

M-teorin

Enligt vissa teoretiker är M-teorin den ultimata TOE (Theory of Everything). Hawking ser M-teorin som ett underliggande karta som håller ihop olika teorier som beskriver alla naturlagar.

Det tycks som om ingen vet vad M-et i namnet kommer ifrån. Förutom Maybe (kanske) har jag sett Master (huvud-), Miracle (mirakulös) och Mystery (mysterium). Det tycks som om M-teorin är allt detta !

I M-teorin har man alltså 11 rum/tid-dimensioner. Anledningen till att vi bara ser tre rumsdimensioner är att de övriga är kollapsade (eller kanske mer exakt, de har inte expanderat som de tre vi ser).

I M-teorin är man inte begränsad till endimensionella strängar, utan man kan ha vibrerande objekt (supersträngar) i 2 dimensioner (membran), 3 dimensioner (blobbar) och upp till 9 dimensioner.

Två fundamentala problem i dagens fysik är den spöklika obestämdheten hos kvantmekaniken (en atom kan befinna sig i flera tillstånd samtidigt) och det faktum att naturlagarna tycks vara finjusterade så att universum kunde utvecklas till ett universum som ger plats för liv - även om det bara finns på ett ställe, se diskussionen nedan.

M-teorin tillåter kanske 10500 olika universa med varierande naturlagar. Teorin tillåter, med hjälp av gravitationen, att universa skapas ur ingenting.

Universums utveckling och Guds existens

Mycket av diskussionen om Hawkings bok har handlat om behovet av en högre makt. Om man studerar universums utveckling från Big Bang till vad vi observerar i dag, visar det sig att många av naturlagarna verkar avstämda för att producera en värld där liv är möjligt. Några exempel (bland många) på denna finjustering av naturlagarna är

  1. Om den starka kärnkraften bara varit lite starkare så hade 2He varit stabilt och stjärnor hade inte kunnat bildas.
  2. Om det inte funnits ett tillstånd i 12C som precis passar till energin hos 3 a-partiklar, så hade ämnen tyngre än kol (som behövs för liv) inte kunnat bildas.
  3. Endast ett universum med 3 utvecklade rumsdimensioner tillåter stabila planetbanor och följaktligen liv, åtminstone som vi känner det.

Ovanstående egenskaper kan förklaras på ett av tre sätt

  1. Det finns en högre makt som bestämt att det skall vara så (den klassiska religiösa skapelseteorin).
  2. Det är en ytterst osannolik slump.
  3. Det finns massor av universa med olika egenskaper. Ett av dessa är vårt med de nödvändiga egenskaperna. De övriga "misslyckade" universa finns, men de innehåller inget intelligent liv som kan fundera på varför deras värld ser ut som den gör.

Hawking förespråkar punkt 3: Gud i punkt 1 behövs inte.

Några kommentarer

Eftersom M-teorin ännu inte kan knytas till observationer kan man ha olika åsikter om teorin:

Den är "Kejsarens nya kläder" eller pseudovetenskap av noll och intet värde. Eller Hawkings optimistiska åsikt att det kan vara den ultimata teorin som förklarar allting: "Philosophy is dead and there is no need for the God hypothesis: modern cosmology has all the answers".

Jag tror att de flesta av dagens fysiker anser att det är en lovande början och låter teoretikerna hållas ett tag till så de får en chans att komma upp med några förutsägelser som kan testas med experiment. Bilden nedan från ett föredrag av Lawrence M Krauss (se fråga 18978 ) är en mindre positiv synpunkt.

Jag har en kanske naiv uppfattning att en modell eller teori skall vara behjälplig för att "förstå" ett fysikaliskt fenomen. För mig uppfyller M-teorin inte detta kriterium med sina 10500 universa. Men för all del, redan kvantmekaniken är obegriplig.

Vad gäller din sista fråga, så har jag inte sett uttrycket, men jag tror din tolkning är korrekt: helt enkelt att kraften är proportionell mot massan, F=m*g.



/Peter E

Nyckelord: strängteori [7]; fysikalisk modell [11];

1 http://www.amazon.co.uk/Grand-Design-Stephen-Hawking/dp/0593058291/
2 http://superstringtheory.com/

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [17694]

Fråga:
Hej! Angående radioaktiva ämnen: Vad är det egentligen som avgör vilken atomkärna som står på tur att sönderfalla? Är det verkligen en slump eller beror det på strukturer i kärnan? mvh Filippa Lassen
/Filippa L, Järnåkraskolan, Lund

Svar:
Filippa! Ja, det är bara slumpen. I en samling identiska kärnor har alla samma sannolikhet att sönderfalla i ett visst tidsintervall. Einstein tyckte inte om denna slumpmässighet i kvantmekaniken, men det är så ändå!
/Peter E

*

Universum-Solen-Planeterna [17705]

Fråga:
Hej! Jag undrar hur lång tid det tog för big bang att typ explodera och hur lång tid det kommer ta för att nästa big bang ska komma. Varför hände big Bang?
/sam m, IES, mölndal

Svar:
Sam! Det är inte så väldefinierat när Big Bang slutade, men jag skulle säga när universum blev så kallt (3000 K) att väte och helium blev neutrala och universum genomskinligt för elektromagnetisk strålning. Detta var c:a 400000 år efter Big Bang. Vi kan fortfarande observera spåren efter detta i form av den kosmiska bakgrundsstrålningen som är rödförskjuten med en faktor 1000 till 3 K.

Man tror inte längre att universum kommer att kollapsa så det kan bli en ny Big Bang. Det verkar snarare som om expansionen accelererar.

Varför är en intressant fråga men det kan man inte säga något om. Går man tillräckligt nära Big Bangs början är universum så litet att kvantmekanikens lagar gäller. Enligt Steven Hawking (Stephen Hawkings's Universe ) kan universum ha flera olika ursprung.

Se vidare fråga 13242 .
/Peter E

Nyckelord: big bang [34];

*

Partiklar [10116]

Fråga:
En fråga om partiklar den här gången:

Atomen är ju mestadels tomrum, den volym som upptas av kärnan är ju nästan försumbar. Hur är förhållandet för själva nukleonerna - dvs hur mycket är tomrum mellan de kvarkar som bygger upp protoner, neutroner, osv?

Har man någon teori om vad kvarkarna är uppbyggda av eller anses dessa vara de minsta partiklar som (hittills) upptäckts?
/Bengt I, Sven Eriksson, Borås

Svar:
Om atomen mest består av tomrum kan verkligen diskuteras. I Bohrs atommodell är det så, men den modellen är övergiven sedan mer än 3 generationer. I den kvantmekaniska beskrivningen av den neutrala väteatomen finns elektronen överallt. Sedan är det en annan sak att atomkärnan upptar en mycket liten del av atomens volym.

I standardmodellen för elementarpartiklar betraktas leptoner (som elektronen) och kvarkar som strukturlösa (punktformiga). Det betyder inte att de är lokaliserade i en punkt i rummet, det förbjuder obestämdhetsrelationen. Det betyder att kvarkarna och gluonerna i en proton befinner sig överallt. Frågan om tomrummet i protonen är alltså meningslös ur kvantmekanisk synpunkt.

Man arbetar med att förena allmänna relativitetsteorin med kvantmekaniken. Dessa teorier kallas supersträngteorier. Här är elementarpartiklarna små vibrerande strängar, alltså inte längre punktformiga. Detta är bara fråga om teorier, alltså inte några experimentella resultat.
/KS

Se även fråga 3652 och fråga 9467

*

Partiklar [10146]

Fråga:
Varför finns det ett "behov" att hitta en graviton? Så vitt jag förstått saken överförs ju gravitationen genom en böjning i rumstiden, så varför skulle det behövas en partikel för att överföra den?
/Camilla W, Rudbecksskolan, Örebro

Svar:
I den allmänna relativitetsteorin beskrivs gravitationen som en krökning av rummet, men det kan inte vara den slutliga teorin. Den strider nämligen mot kvantmekaniken. Man arbetar intensivt med en kvantmekanisk gravitationsteori, och där behövs gravitonen. Där behöver man antagligen 10 rumsdimensioner (M-teori).
/KS

Se även fråga 9467 och fråga 9523

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [10148]

Fråga:
Vad är det som gör att elektronerna snurrar runt protonerna? Positiv laddning attraheras ju av negativ laddning. Varför åker då inte elektronerna in i atomkärnan. Som sagt vad för slags kraft får elektronerna att snurra runt atomkärnan istället för att åka in mot den.

Det verkar som om negativ och positiv laddning attraheras av varandra på långt håll men repellerar varandra på nära håll?
/Per B

Svar:
Du försöker begripa atomen med klassisk fysik. Det går tyvärr inte. Man måste använda kvantmekanik.

Ta det enklaste fallet, en proton och en elektron, alltså en väteatom. Den kvantmekaniska lösningen talar inte om var elektronen befinner sig, snarare bildar elektronen ett diffust "moln", som i själva verket utgör atomen. Att lokalisera elektronen till en bestämd punkt, skulle faktiskt kräva oändlig energi. I grundtillståndet (det lägsta energitillståndet) är molnets täthet störst vid atomkärnan (protonen). Vid högre energitillstånd antar molnet annan form och storlek. Slå på atom i Nationalencyklopedin , där finns ett par bra bilder.
/KS

Se även fråga 10116

*

Kraft-Rörelse [10444]

Fråga:
Vad menas med att genom att låta tex fotoner vakuumpolariseras och växelverka med ett Higgs-fält så känner de ett mostånd och därmed är de massiva-de har massa. Vad har Higgs-partikel med motståndet i vakuum att göra? Är Higgs-partiklarna det som utgör motståndet? Är det faktum att de kan känna motstånd bevis på att de har massa?' En sista fråga: Vad menas med att gravitationen är kvantiserad och varför sägs den vara det?
/Maria E, Åsö, Stockholm

Svar:
Begreppet vakuumpolarisation hör i första hand hemma i kvantelektrodyamiken, och där finns inga Higgsfält. Alltså, det motstånd ljuset känner i vakuum genom vakuumpolarisationen (som bestämmer ljushastigheten) beror inte på något Higgsfält. I varje fall inte på något uppenbart vis.

Higgsmekanismen konstruerades för att förklara varför fotonens tyngre kompisar
( Z0,W+ och W- ) är så tunga. Också de andra elementarpartiklarna
(kvarkar och leptoner) får sina massor på detta vis. Fotonen är masslös just därför att den inte känner av Higgsfälten. Detta enligt den så kallade standardmodellen. Higgsmekanismen är ännu inte experimentellt bekräftad. Kolla sajten (på engelska).

Den väl etablerade gravitationsteorin (allmänna relativitetsteorin) går inte ihop med kvantmekaniken, och det är ett bekymmer. Man jobbar intensivt med att hitta en kvantiserad gravitationsteori, men man är inte framme. Man anar vagt något, som går under beteckningen M-teori.
/KS

Se även fråga 8357 och fråga 9467

1 http://www.sciam.com/askexpert_question.cfm?articleID=000290D2-391C-1C71-84A9809EC588EF21&catID=3&topicID=13

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [10568]

Fråga:
Vad är egentligen kvantmekanisk tunnling?
/Jimmy K, Martin Kochgymnasiet, Hedemora

Svar:
Det innebär att en barriär som i klassisk fysik skulle vara helt tät, inte är det i kvantmekaniken. Ett bra exempel är alfasönderfallet. Alfapartikeln har inte energi nog att ta sig över den elektriska potentialbarriären kring kärnan, men den har ändå en viss chans att läcka igenom. Hur lång tid man får vänta, beror på alfapartikelns energi. Ju högre energi, desto fortare går det.

Sök på tunneleffekt i denna databas!
/KS

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [10822]

Fråga:
En elev jag har frågar: Varför rör sig elektronen. Ni har givit ett svar på det nedan, men jag vill nog ha en utveckling av det svaret.

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [368]

Fråga: Om man jämför elektronens rotation runt atomkärnan med jordens rotation runt solen så finner man en hel del likheter. Jordens har en gång i tiden utsatts för en kraft, som då satte den i rörelse. Mina frågor är: Varför kretsar elektronen runt atomkärnan? Kan elektroner befinna sig i vila? / Svar: Rolig fråga! Svaret är att elektronen kan inte befinna sig i vila. Har en elektron "fått ihop det" med en proton så är den enligt kvantmekanikens lagar tvungen att röra sig.
/Helen E, Härnösands Gymnasium, Härnösand

Svar:
NY KOMMENTAR: Det är en konsekvens av Heisenbergs obestämdhetsrelation som säger att obestämdheten i läge (Dx) gånger obestämdheten i rörelsemängd (Dp) är ungefär lika med h/4p. Alltså

DxDp = h/4p

där h är Plancks konstant. Dx i detta fall ges av atomens storlek.
Dp kan alltså inte vara 0. Rörelsemängden är ju produkten av massan och hastigheten (klassiskt), så hastigheten kan inte vara 0.
/KS

Se även fråga 3642 och fråga 4955

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [11198]

Fråga:
hej! en atom är ju väldigt, väldigt liten.. delarna ännu mindre.. störst plats i atomen är det mellanrum som finns mellan kärnan och elektronerna. men melllan dessa två kan det ju inte finnas någon luft; luft innehåller ju atomer. men vad finns där då? mycket nyfiken.. *kramar*
/elin å, aroseniusskolan, älvängen

Svar:
Tänk dig en väteatom. Förstora upp den så att den blir stor som en katedral (100 m). Då blir atomkärnan (protonen) stor som en ärta. Var finns elektronen? Faktiskt överallt. Den är inte lokaliserad till någon plats. Detta är är en följd av kvantmekaniken, som måste användas när man ska beskriva en atom. Men du är inne på rätta tankar. I medeltal är det mesta i en väteatom tomrum.
/KS

*

Ljud-Ljus-Vågor [11212]

Fråga:
Om ljus är "vågrörelser" hur färdas ljus i rymden, detta kommer ni nog förklara med att ljus också är fotoner men i såfall skulle ju bara fotonerna komma fram till jorden och inte "vågorna", kan fotoner bli vågrörelser och vice versa och hur skullle det funka, (värkar orimligt). Kan fotoner vara ljus utan vågrörelserna och vice verca?
/Jonas E, Svane Skolan, Lund

Svar:
Inte bara ljus har dubbelnaturen partikel/vågrörelse, det har allting. En partikels våglängd ges av

l = h/mv

där h är Plancks konstant, m är partikelns massa och v dess hastighet. Detta kallas de Broglies ekvation. Den tyngsta partikeln för vilken man mätt våglängden är molekylen C60. Det är en så kallad fulleren, och består av 60 kolatomer som bildar en liten "fotboll". Molvikten är ungefär 720. Man lät en stråle av sådana partiklar passera en dubbelspalt. På andra sidan kunde man observera ett interferensmönster. Det är inte olika partiklar som interfererar med varandra, utan varje partikel interfererar med sig själv. Det visar klart att varje partikels vågpaket har passerat båda spalterna. Detta är obegripligt, men sådan är naturen. Tar vi reda på vilken av spalterna "fotbollen" passerat, förstör vi partikelns vågfunktion, och interferensmönstret försvinner. I någon mening kan vi själva bestämma om det ska vara en våg eller en partikel.

Detta att partiklar visar vågegenskaper är något som är grundläggande i vad vi i dag kallar kvantmekanik. Från början (1920-talet) kallades det vågmekanik. Se An Introduction to Quantum Mechanics för en trevlig introduktion till kvantmekaniken på engelska.
/KS

Nyckelord: våg/partikelegenskaper [7]; kvantmekanik [27];

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [11620]

Fråga:
Hej! Jag har blivit väldigt intresserad av ljusets våg-partikel dualitet (bl.a. därför att jag gör ett specialarbete om detta). Nu hörde jag för några dagar sedan av en kompis att inte bara fotoner uppvisar vågegenskaper (om man kan uttrycka det så), utan att alla partiklar gör det! Plötsligt verkar världen bli mycket svårare att förstå igen... Vad består dessa vågor av i så fall?
/Sven J, Per Brahe Gymnasiet, Jönköping

Svar:
Kvantmekaniken beskriver allt med hjälp av vågfunktioner. Dessa vågfunktioner kan bara utbyta energi med omgivningen i bestämda energipaket (kvanta). Kolla svaren nedan!
/KS

Se även fråga 11212 och fråga 9891

*

Universum-Solen-Planeterna [11798]

Fråga:
Jag undrar hur nära två planetbanor kan ligga varandra utan att störa varandra. Om vi tar Jorden och Mars, så ligger Jorden på avståndet "1" från solen och Mars på "1,52". Kunde Mars ligga på t.ex. "1,1" utan problem?
/Anna B, Luleå

Svar:
Det här är en intressant fråga, men det finns inget enkelt svar. I äldre läroböcker beskrivs planetenas banor som följande Keplers lagar, som i sin tur kan härledas ur Newtons gravitationsteori. Ungefär som ett exakt urverk. Det är kanske någorlunda sant på kort sikt, men inte på lång sikt. Numera vet vi att planetbanorna hela tiden ändras på ett kaotiskt sätt. Den längsta tiden vi kan förutsäga planeternas läge är ungefär 5 miljoner år. Solsystemet är 4500 miljoner år. Det går alltså inte att visa att jordbanan är stabil.

Man har på senare tid kommit underfund med att resonansfenomen spelar stor roll i solsystemet. Neptunus och Plutos banor skär varandra, men planeterna är i 3/2 resonans. Det innebär att när Neptunus gör 3 varv, gör Pluto 2, vilket innebär att de aldrig kommer nära varandra. Man har nyligen hittat många mindre himlakroppar i liknande banor. Man tolkar det så att det från början fanns massor av himlakroppar därute, men de flesta har råkat illa ut, kolliderat men Neptunus eller solen eller kastats ut ur solsystemet. Bara de med 3/2 resonans blev kvar.

Troligen spelar resonansfenomen stor roll också för de övriga planeterna. Någon har datasimulerat att plocka bort Venus ur solsystemet. Då dröjer det inte länge förrän Merkurius, Jorden och Mars råkar illa ut.

Observera: För dessa studier behövs varken relativitetsteori eller kvantmekanik. Klassisk fysik räcker.
/KS

Se även fråga 7535 och fråga 5340

*

Blandat [11909]

Fråga:
Mina elever frågar efter vilka praktiska exempel, i makrovärlden, som man kan peka på som har kunskapen om kvantmekaniken som grund eller incitament. Jag kommer inte på ett enda exempel och behöver hjälp med detta.
/Anders K, Sollefteå

Svar:
Nej, det är inte lätt att hitta kvantmekaniska fenomen som vi kan uppfatta med våra sinnen. Det är i alla fall ganska lätt att förklara varför det är på det viset. Anledningen är att Plancks konstant har så litet värde (h = 6.6 · 10-34 Js).

Kvantmekaniken lämnar i allmänhet inte exakta svar utan sannolikhetsfördelningar. Det finns alltså en inbyggd slumpmässighet. Enklast kan det uttryckas med Heisenbergs obestämdhetsrelation:

DDt = h / 4p ~ 10-34 Js

Obestämdheten i energi gånger obestämdheten i tid är alltså 10-34 Js. Observera att detta har inte med mätfel att göra. Slumpmässigheten är ett fundamentalt fenomen i kvantmekaniken.

Antag att vi behöver 1 s för att kolla upp något. Då blir obestämdheten i energi alltså 10-34 J. Det ett fantastigt litet värde. Vi har ingen chans att märka det.

Antag i stället att obestämdheten i energi antar ett mänskligt värde, 1 J. Kvantmekaniken tillåter detta i högst 10-34 s, en ofattbart kort tid.

Vi behöver alltså inte kvantmekaniken i vardagslivet. Vår hjärna är därför inte anpassad för kvantmekaniken. Man ska inte ha ambitionen att "begripa" kvantmekanik, det går nog inte.

Här är i alla fall några fenomen där kvantmekaniken kommer in med hjälp av apparater.

1. Fotoelektriska effekten.

2. Bildförstärkare för mörkerseende. Där är bilden "grynig". Man ser de enskilda fotoelektronerna.

3. Slår man på TV'n när inte sändaren är igång, ser man vad som brukar kallas "myrornas krig". Det är ett slumpmässigt mönster som i huvudsak är brus från elektroniken. Det är kvantfenomen som ligger bakom denna slumpmässighet.

Sök på slumpmässighet i denna databas. Där finns ytterligare diskussioner av dessa fenomen.
/KS

Nyckelord: Heisenbergs obestämdhetsrelation [11];

*

Ljud-Ljus-Vågor [11996]

Fråga:
F fråga http://www.fysik.org/website/fragelada/index.asp?id=1807 svarar ni bla att "Om vi låter ljuset träffa en fotografisk film, kan vi inte behandla ljuset som en kontinuerlig våg. Ljuset kan nämligen bara utbyta energi med materia i bestämda energipaket."

Jag förstår inte riktigt VARFÖR man inte skulle kunna se ljuset som en våg. Om det finns någon mer matematisk förklaring, skulle det vara jättebra. Tack för ett suveränt fysikforum!
/John T, Rudbeckianska gymnasium, Västerås

Svar:
I den kvantmekaniska beskrivningen av ljuset (och allt annat för den delen) finns både en våg- och en partikelaspekt. Vid interferens är vågbeskrivningen den relevanta. När silverbromidkristallen absorberar ett ljuskvantum är det partikelaspekten som dominerar. Det verkar motsägelsefullt för sunda förnuftet. Kvantmekanik kan man lära sig hantera, men den går nog egentligen aldrig att begripa.
/KS

Se även fråga 1807

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [12125]

Fråga:
Hej! Har funderat över Schrödingers katt, som ju är både död och levande tills man tittat efter vilket den är. Är det en situation lik den man har när man köpt en skraplott och ännu inte har skrapat den? Då har man ju både vunnit och icke-vunnit tills dess att man tittar efter! Först då man skrapat lotten och får besked vet man ju om man vunnit/vet man omm katten är död! (Jag är ute efter en acceptabel analogi för resonemanget, och undrar om resonemanget är OK, bortsett från ev skillnader i sannolikhet.)
/Thomas Å, Märstagymnasiet, Märsta

Svar:
Det är en inte så dum analogi – men det finns en fundamental skillnad mellan slumpen på en skraplott och slumpen i kvantmekaniken. Vi tror väl alla att lotten är en vinstlott även innan vi skrapar den. I kvantmekaniken har varje skrapruta ett obestämt innehåll ända fram tills vi observerar den. På en vanlig lott antar vi ju alla att det som är tryckt är tryckt och oföränderligt – oberoende av observation eller inte.

Se även länk 1.
/Gunnar O

Se även fråga 3905 och fråga 7777

Nyckelord: Schrödingers katt [2];

1 http://www.youtube.com/v/KOZTPvrhmdc

*

Elektricitet-Magnetism, Materiens innersta-Atomer-Kärnor [12171]

Fråga:
Vi studerar bromsstrålning just nu.

När en elektron passerar en kärna förlorar den rörelseenergi och skickar ut en foton. Men varför? Jag tänker på slangbella principen satelliter ökar hastighet när de passera planeter. Varför är det inte så med elektroner?

Påverkas den inkommande elektronen av elektroner i atomen?
/Jason S, IT-gymnasiet, Uppsala

Svar:
Jason,

Intressant fråga, men inte helt lätt att reda ut.

Om man accelererar en laddning så utsänds strålning. Tänk på en dipolantenn där en laddning oscillerar fram och tillbaka längs antennsprötet. Acceleration är inte bara ökning eller minskning av farten utan även ändring i riktning.

Sedan är det tveksamt om man kan föreställa sig att elektronen går i en viss bana, men om man kan det så accelereras den först in mot kärnan, böjs av och bromsas på vägen ut. Allt eftersom elektronen och kärnan har olika laddningar. Vid alla dessa accelerationer utsänds strålning, och energin tas från elektronens rörelseenergi. Stålningen kallas därför för bromsstrålning.

Men en elektron i en atom går ju i en bana runt kärnan. Sänds det ut bromsstrålning då också? Nej, uppenbarligen inte för då skulle atomen kollapsa. Elektroner som befinner sig i s.k. stationära tillstånd i en atom sänder inte ut någon strålning. Detta är ett grunläggande antagande (postulat) i kvantmekaniken, och tyvärr måste man acceptera det utan full förståelse. Detta eftersom kvantmekaniken som en matematisk beskrivning av atomer fungerar så utomordentligt väl.

Elektronen påverkas även av elektronerna i atomen. Den kan t.ex. kollidera med en atom-elektron och slå ut den. Detta är ytterligare ett sätt elektronen kan förlora energi på.
/Peter E

Se även fråga 1374

*

Universum-Solen-Planeterna [12358]

Fråga:
Hur kommer det sig att man kan använda sig av både allmänna relativitetsteorin och kvantmekaniken när man forskar om tex. svartahål? Hur går det ihop när de inte verkar vilja förena sig med varandra till en enda teori? Är det pga av att strängteorin(de båda teoriernas blandning) funkar kanske?
/Arvid B, Magnusstenbocksskolan, Helsingborg

Svar:
Arvid! Det finns som du säger ingen allmänt accepterad teori som förenar allmänna relativitetsteorin och kvantmekaniken. Men det behöver inte betyda att man inte kan tillämpa båda på samma objekt.

Svarta hål är paradexemplet för den allmänna relativitetsteorin. Vad gäller kvantmekaniken så antar jag att du tänker på Hawkins idé att partiklar kan "tunnla" genom händelsehorisonten och ta sig ut ur ett svart hål - en typisk kvantmekanisk effekt.

Se även den trevliga sajten Stephen Hawkings's Universe under Strange Stuff Explained, Black holes. Eller gör en Avancerad sökning på svart hål i denna databas.
/Peter E

Nyckelord: strängteori [7];

*

Blandat [12430]

Fråga:
Är vetenskaplig determinism accepterad, således att framtiden i teorin är förutbestämd, och att det fria valet där med inte existerar? Ej att man kan förutse framtiden, för det motsäger sig väl obestämbarhetsprincipen, men allt kan väl likaväl vara förutbestämt fastän man ej kan få veta vad som kommer hända?

Existerar slumpen, eller sker saker bara av en orsak?

vad är det fria valet om det existerar?
/Oliver V, Malmö Borgarskola, Höllviken

Svar:
En del av dina frågor gränsar till filosofi, så de duckar jag . Determinism (nylat. determini´smus, jfr determinera), filosofisk ståndpunkt enligt vilken allt som sker sker med nödvändighet, helt bestämt av förutgående orsaker eller andra redan givna villkor.

Kvantmekaniken, som den är formulerad i dag, är i strid med determinismen. Dels betyder Heisenbergs obestämdhetsrelation att en partikels tillstånd (läge, rörelse - tidpunkt,energi) inte kan definieras med oändlig precision. Dessutom kan vi inte med kvantmekaniken förutsäga hur ett system skall utvecklas: vi kan bara uttala oss om sannolikheter att det eller det händer. Så den fria viljan är nog inte hotad.

Läs artikeln om determinism i Nationalencyklopedin . Där täcks den filosofiska biten bättre.
/Peter E

Nyckelord: Heisenbergs obestämdhetsrelation [11];

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [12454]

Fråga:
först och främst, tack för denna underbara site!

här kommer mina frågor: 1. är teknisk determinism accepterat av fysiker? 2. vad är bevisen för, som kvantfysiken säger, att vissa saker av slump och inte orsak?
/Oliver V, Borgar, Höllviken

Svar:
Tack Oliver!

1. Jag vet inte vad du menar med teknisk determinism, så jag kan inget säga om den är accepterad. 2. Finns inga direkta bevis för det. Det bästa man kan säga är att kvantmekaniken fungerar mycket bra (gör bra förutsägelser) och den är som du säger slumpmässig. Men det KAN tänkas att vi någon gång i framtiden hittar en bättre teori som saknar slumpmässigheten. Men jag tvivlar!
/Peter E

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [12701]

Fråga:
Hejsan. Jag heter Love Tätting och jag har en fråga till dig som jag hoppas att du har ett svar på! Det är som så att jag läser en bok som handlar om den moderna fysiken. I den förklaras vad en Comptonspridning är för någonting. Den förklaras som sådan att om man skickar ljus emot en elektron (mitt på) så difrakterar ljuset. Även om det är i benämningen foton eller våglängd. Det framgår även att med hjälp av att beräkna frekvensen före och efter experimentet så framkommer det att frekvensen är mindre efter experimentet vilket skall betyda att ljuset förlorar energi.

Boken berättar även om att om man skulle försöka göra ett mikroskop för att kunna se elektroner så behöver man ljus med en mindre våglängd än elektronens egen storlek. För detta kan man ta gammastrålning. Men det framgår sedan att desto mindre frekvens bidrar till en större energi. Vilket betyder att om man skulle använda gammastrålning i ett mikroskop för att kunna se elektronen så skulle den slås ut ur sin bana och på så sätt vara påverkad.

Min fråga lyder: Kan man genom att använda gammastrålning i en comtonspridning och använda det ljuset som nu har rätt frekvens och har mindre energi i ett mikroskop mot elektronen. Eftersom att det har tillräckligt låg frekvens och har förlorat en del av sin energi!

Jag skulle verkligen uppskatta om du svarade på min fråga.
/Love T, Storkskolan, Blentarp

Svar:
Hej Love! Du skall inte se comptonspridning som en diffraktion. Diffraktion är ett vågfenomen (här är lite fler konstiga ord: interferens, superpositionsprincipen ), utan så att fotonen uppträder som en partikel. Comptonspridning, figuren nedan, kan ses som en kollision mellan två biljardbollar. Fotonen har en energi E = hc/l och en rörelsemängd p = h/l, och genom att kräva att både rörelsemängden och energin bevaras kan man härleda ett samband mellan ändringen i riktning för fotonen och energin, se Compton Scattering . Bilden är från denna sida. I experimentet ser vi en topp vid 0.0709 nm vid alla vinklar. Detta är fotoner som tagit sig till detektorn utan att spridas (pga ofullständigt kollimering). Den andra något bredare toppen är comptonspridda fotoner som följer formeln i den övre delen av figuren.

Det är riktig att för att "se" något så litet som en elektron, så behöver man mycket kort våglängd, vilket betyder hög energi. Det är emellertid en grundläggande egenskap hos kvantmekaniken, som är den teori som beskriver "små" föremål, att om man försöker bestämma läget på en partikel exakt, så kommer dess rörelsemängd ("hastighet") att bli obestämd. Anledningen är att det är inte bara så att ljus uppvisar både våg- och partikelegenskaper (se ovan) utan partiklar har även vågegenskaper.

Härledning av uttrycket nedan för våglängdsändringen finns i Compton_scattering och länk 1.



/Peter E

Nyckelord: comptonspridning [3]; våg/partikelegenskaper [7];

1 http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/quantum/compeq.html#c1

*

Kraft-Rörelse [12831]

Fråga:
Varför går inte kvantmekanik att kombinera med Allmän relativitets teori? Är det endast uppfattningen om antalet dimensioner?
/Christoffer F, Norra Real, Stockholm

Svar:
Christoffer! Det är inget som säger att det inte går - man har bara inte lyckats ännu. Strängteorin, som verkar mycket lovande för att förena relativitetsteori och kvantmekanik, har ännu inte levererat någon kontrollerbar förutsägelse. De senaste två måndagarna har det sänts mycket trevliga program på TV om strängteorin. Sista avsnittet kommer den 8/3 2004. Jag tror inte problemet är antalet dimensioner, men jag kan alltför lite om detta (jag har inte läst boken, men jag har sett filmen ). Se vidare The Official String Theory Web Site .
/Peter E

Se även fråga 9975 och fråga 9467

Nyckelord: strängteori [7];

1 http://www.vof.se/folkvett/20071strangt-om-strangar

*

Blandat [12904]

Fråga:
Om strängteorin (kalla den M - teorin om Ni vill) blir en enhetsteori för allt som händer, skulle den ersätta kvantmekaniken och relativitetsteorin?
/Viking S, Kullaviksskolan, Billdal / Kungsbacka / Halland

Svar:
Svaret ges av frågans formulering: om teorin beskriver allt så beskriver den även det som beskrivs av kvantmekaniken och relativitetsteorin. Men vi är långt ifrån där: än så länge är M-teorin en matematisk konstruktion som inte beskriver något observerbart.
/Peter E

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [13170]

Fråga:
Vad är kvantmekanik och vad är motsatsen till kvantmekaniken?
/Violeta T, Augustenborgsskolan, malmö

Svar:
Nationalencyklopedin säger: kvantmekanik, kvantteori, kvantummekanik, kvantumteori, teorin för det system av naturlagar som upptäckts vid studiet av mikroskopiska system som molekyler, atomer, atomkärnor och elementarpartiklar.

Försök läsa hela artikeln. Inte helt lätt . Det sägs att om man tror man förstår kvantmekaniken så har man inte förstått något. Om man inte går in på filosofiska spekulationer (som Niels Bohr var förtjust i att göra) så kan man se kvantmekaniken som en receptbok som beskriver hur man räknar ut hur atomer beter sig. Man kan inte härleda kvantmekaniken, men motiveringen för den är att den fungerar mycket bra.

Vad man skall mena med motsatsen till kvantmekaniken är lite tvetydigt, men jag skulle säga Klassisk fysik. Det är fysiken före kvantmekaniken (1925), dvs fysiken enligt Newton, Maxwell m.fl.

Det finns massor av frågor om kvantmekanik i frågelådan, se sökningen nedan.
/Peter E

Nyckelord: kvantmekanik [27];

Avancerad sökning på 'kvantmekanik' i denna databas

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [13177]

Fråga:
Hej! Man kan ju tydligen inte tillämpa klassisk fysik på kvantmekaniska system, som till exempel en roterande elektron eller liknande. Hur kommer det sig att man ändå använder storheter som rörelsemängd och rörelseenergi och liknande, dessa härleddes ju av Newton och är väl därför "klassiska"?
/Niclas B, Stockholm

Svar:
Niclas! Det är korrekt att begreppen du nämner definieras i den klassiska fysiken, men de är också viktiga begrepp i kvantmekaniken. De definieras där inte av enkla uttryck som p=mv utan som operatorer som verkar på en vågfunktion. Se en lärobok i kvantmekank, artikeln Quantum Mechanical Operators eller slå på kvantmekaik i Nationalencyklopedin .
/Peter E

Nyckelord: kvantmekanik [27];

*

Blandat, Universum-Solen-Planeterna [13227]

Fråga:
Vilka fysiska fakta kan man ta reda på utan avancerade instrument?

Lek med tanken att redaktionen för Resurscentrums frågelåda helt plötsligt förflyttades till en annan planet, precis som ni står och går. Vi bryr oss inte om hur det gick till, vi bara konstaterar att livsbetingelserna på den nya planeten var utmärkta för medlemmarna.

Jag antar att ni skulle kunna konstatera hur långt dygnet var, om ni befann er på norra eller södra halvklotet samt möjligen efter någon tid latituden. Vilka fler storheter skulle ni kunna konstatera? Tyngdacceleration, precession, årets längd, lyftryck?

Om vi antar att ni inte var över 100 ljusår borta skulle ni då kunna finna solen i form av en stjärna på natthimlen?
/Sandra E, Lund

Svar:
Hej Sandra! Intressant fråga som man kan fundera mycket på.

Jag antar att vi inte har tillgång till böcker och internet.

Med de kunskaper vi har skulle det vara mycket lätt att reproducera fysiken/astronomin fram till 1700, dvs inklusive Newton. Stora delar av den klassiska fysiken, dvs fram till 1905, bör vi också klara av - kunskaperna om resultaten finns och det krävs inte väldigt avancerad utrustning för experiment. Vad gäller den moderna fysiken, speciellt kvantmekaniken (atomfysik, kärnfysik, partikelfysik) så krävs ganska avancerad experimentell apparatur som det skulle ta ganska låg till att konstruera. Men utvecklingen borde gå ganska snabbt - vi har rätt bra aning om resultaten. Tiden skulle till största delen bestämmas av hur många vi var som kunde ägna sig åt fysikstudier.

Nej, vi skulle inte kunna se solen med blotta ögat. Solen har en absolut magnitud av 4.6, dvs om den befann sig på 32.6 ljusårs avstånd, så skulle den ha magnitud 4.6. 100 ljusår är 3 gånger längre bort, så ljusstyrkan skulle bli 1/9, dvs c:a 2.5 magnituder svagare. Man skulle alltså behöva en liten kikare för att kunna se den.
/Peter E

*

Värme [13389]

Fråga:
Jag läser en artikel om absoluta nollpunkten där står det Absoluta nollpunkten är 0 Kelvin = –273,15 gr. C. Detta är den lägsta temperatur som kan existera. Temperaturen är ett mått på atomernas rörelseenergi. Vid den absoluta nollpunkten existerar ingen rörelseenergi hos atomerna. Det är i teorin omöjligt att uppnå den absoluta nollpunkten. Dock kan man komma godtyckligt nära.

Sedan läser jag i en bok ”Supraledare” av Östen Rapp. Att det gäller om det är en gas då är alla elektroner stilla, men i järn rör sig fortfarande vid 0 kelvin elektronerna lika fort som elektronerna i gasen om man hettade upp gasen till 50000 grader.

Min första fråga. Kan man betrakta att atomerna inte har rörelseenergi trots att elektronerna rör sig?

Min andra fråga. Vad är det för kraft som driver elektronerna vid 0 kelvin och är den outsinlig genom tiden?
/Walter H, Rörö

Svar:
Om atomerna är fria kan de ha hur liten energi som helst. Om man stänger in dem i en potential (med en kraft) tvingar kvantmekanikens lagar dem att röra sig. För att denna "nollpunktsrörelse" skall vara märkbar måste man stänga in en atom i en väldigt liten låda.

1 Elektronernas rörelse har inget med den makroskopiska temperaturen att göra. Om man vill definiera en temperatur för elektronerna, så kan man göra det. Den har emellertid ingen makroskopisk mening.

2 Ingen kraft alls. Om man vill ändra en rörelse behöver man en kraft, inte för en konstant rörelse. Sedan är ju elektronerna instängda i atomen, så vännen Heisenberg ställer till det igen.

Se även nedanstående fråga.
/Peter E

Se även fråga 12815

Nyckelord: absoluta nollpunkten [9];

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [13489]

Fråga:
Heeej! kan undra om ni skulle kunna förklara detta för mig. Ibland anser man att ljus är en vågrörelse och ibland anses ljus att vara materia. förklara dessa båda teroier tack.
/rebecka s, Jonstorpsskolan, Jonstorp

Svar:
Heeej Rebecka! För att göra saken ännu värre så uppträder partiklar ibland som vågor! Det är bara att acceptera att egenskaperna hos det vi traditionellt kallar partiklar och vågor är mer komplicerade än i den enkla föreställningen. Det finns mycket bra teorier både att beskriva elektromagnetiska vågor (kvantelektrodynamik) och partiklar (kvantmekanik). Teorierna beskriver resultat av experiment mycket väl, och det är det viktiga. Att konsekvenserna ibland är "konstiga" för våra vardagsföreställningar får vi leva med.
/Peter E

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [13733]

Fråga:
När en atom absorberar energi från en foton lyfts dess elektron till en högre energinivå, står det i böckerna. Min fråga är då - närmar eller fjärmar sig då elektronen från kärnan, blir radien mindre eller större?
/David K, Västermalms, Sundsvall

Svar:
Man kan föreställa sig elektronerna och kärnan som planeterna och solen. Denna bild ger en liten del av sanningen, och man kan förstå energierna hos de stationära tillstånden (Bohrs atommodell), se bilden nedan och länk 1. I denna modell ligger ett högre energitillstånd längre från kärnan, atomens radie blir alltså större.

Bohrs atommodell är historiskt mycket viktig, men den ger en alldeles för enkel och felaktig bild av atomen. För att få en bättre bild behöver man använda kvantmekanik. En del av denna är Heisenbergs obestämdhetsrelation som säger att läget av små partiklar som elektroner inte kan bestämmas exakt. Vi bör hellre föreställa oss elektronerna som ett negativt laddat "moln" som omger atomkärnan. Man kan alltså inte säga att elektronbanan har en viss radie, men det är fortfarande så att för högre energitillstånd är medelavstståndet från kärnan i allmänhet större.

Jag tycker detta är en bättre bild än "planetmodellen" där elektronerna hoppar från en bana till en annan: Föreställ dig en elektron i ett visst tillstånd som ett negativt laddat moln runt atomkärnan. Hur laddningsfördelningen ser ut beror på tillståndet. Ett annat tillstånd har alltså en annan fördelning av den negativa laddningen. Om atomen går från det ena tillståndet till det andra, så ändras laddningsfördelningen. Denna ändring ger upphov till eller absorberar elektromagnetisk strålning (ljus).

Vilka nivåer man får i en atom kan man räkna ut genom att lösa den s.k. Schrödingerekvationen (Schrödinger_equation ). Det är när man tillämpar randvillkor (t.ex. att sannolikheten att hitta elektronen i en viss punkt måste vara ändlig) som kvantiseringen uppkommer, d.v.s. att endast vissa energitillstånd är tillåtna.

För mer om Bohrs atommodell, se Bohr_model och Nationalencyklopedin .



/Peter E

Nyckelord: Bohrs atommodell [9]; Heisenbergs obestämdhetsrelation [11]; kvantmekanik [27];

1 http://kurslab.fysik.lth.se/Pi/2005/Sammanfattning/Bohr-amodell.pdf

*

Kraft-Rörelse [13821]

Fråga:
Förklara begreppet potential!
/Veckans fråga

Ursprunglig fråga:
Jag frågade förut den här frågan: Ökar eller minskar den potentiella energin när en laddning flyttar sig mot den elektriska kraften?

Men nu har jag en annan fråga om det.. Varför minskar den potentiella energin när en laddning flyttar sig med den elektriska kraften?
/Diar R, Bersilius, Linköping

Svar:
Enligt Nationalencyklopedin definieras potential som det arbete som krävs för att förflytta en massenhet, en positiv enhetsladdning eller en magnetisk enhetspol från oändligt avstånd från ett konservativt kraftfälts källor (jfr konservativ kraft) till en punkt i kraftfältet (gravitationsfält, elektrostatiskt eller magnetiskt fält).

En konservativ kraft är en kraft som har egenskapen att arbetet den uträttar är oberoende av vägen och endast beror av begynnelse- och slutläget. Gravitationskraft och coulombkraft är exempel på konservativa krafter, medan friktionskraften är exempel på en icke-konservativ eller dissipativ kraft.

Man kan alltså definiera begreppen potentiell energi och potential om man har att göra med en konservativ kraft. Eftersom många kraftverkningar inom fysiken är konservativa är begreppet potential mycket viktigt.

I en dimension är sambandet mellan potentialen U(x) och kraften som utövas

F(x) = -dU(x)/dx

Observera minustecknet! Det betyder att kraften är riktad mot potentialökningen.

För ett föremål som befinner sig i en potential (t.ex. en satellit i jordens gravitationsfält) gäller att summan av den potentiella energin U och den kinetiska energin K (rörelseenergin) är konstant:

Total energi (konstant) = U + K = U + mv2/2

där v är hastigheten.

Låt oss som ett enkelt exempel på tillämpning av potential räkna ut hur fort ett föremål faller när det träffar marken från en höjd av 100 (h) meter om vi kan bortse från luftmotståndet (se bilden nedan). Vi antar att förmålets massa är m, men detta kommer inte att ha någon betydelse för slutresultatet. Ändringen i den potentiella energin är enligt ovan (kraften F är konstant eftersom h är litet jämfört med jordens radie):

F(x)*Dx = -DU(x) eller -DU = m*g*h

om den potentiella energin vid marken sättes lika med 0. Om hastigheten vid höjden h är noll är hela energin potentiell energi vid höjden h och hela energin kinetisk energi vid marken. Vi får då

m*g*h = mv2/2

och

v = sqrt(2*g*h) = sqrt(2*9.81*100) = sqrt(1962) = 44 m/s

Se vidare Potential_energy och länken nedan.

Observera att man i kvantmekaniken aldrig talar om krafter - man använder sig av potentialer.



/Peter E

Nyckelord: potential/potentiell energi [26];

1 http://science.howstuffworks.com/fpte10.htm

*

Universum-Solen-Planeterna [13849]

Fråga:
Jag undrar över om universum har en början och ett slut
/Veckans fråga

Ursprunglig fråga:
Hej! Jag jobbar med ett arbete om universum. Jag undrar över om universum har en början och ett slut. Har det det? Tack på förhand!
/Emma W, Falu Fri Gymnasium, Falun

Svar:
Hej Emma! Det är mycket djupa frågor om universum och kvantmekanik för tillfället! Detta är svåra frågor som ingen egentligen har exakta svar på. Newtons lagar är lättare på det sättet !

Tidsmässigt antar man att universum har en början vid Big bang . Vad som eventuellt skedde före denna anses vara omöjligt att någonsin ta reda på. Om universums expansion fortsätter utan att stoppas upp (som det ser ut för tillfället) så kan man inte säga att universum har ett slut. Men det kommer att bli ganska trist utan stjärnor och galaxer.

Om du menar rumsmässigt så är det svårare att svara. Om universum har mycket massa kan man tänka sig att krökningen hos rymden var positiv. Det är svårt att föreställa sig att en rymd med tre dimensioner (och en extra tidsdimension) är krökt, men tänk dig en liknelse med två dimensioner: jordytan är ändlig (har en viss yta) men obegränsad - du kommer aldrig till en vägg som säger att här slutar jorden. En sådant system kallar vi ändligt men obegränsat.

Om universum är ändligt eller oändligt vet vi helt enkelt inte. Den vetenskap som sysslar med universums struktur och utveckling kallas kosmologi . Med hjälp av bland annat observationer från satelliten WMAP av den kosmiska bakgrundsstrålningen (se kosmisk bakgrundsstrålning ) har man satt upp en teori som bland annat säger att universum är 13.7 miljarder år gammalt och att universum inte är krökt. På sajten Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) finns massor av information om detta - inte så lättförståeligt tyvärr. Bilden nedan är från denna sajt och illustrerar hur man mäter universums krökning (genom, verkar det, att skicka ut sniglar med laserpekare ). Lycka till med ditt arbete Emma!



/Peter E

Nyckelord: kosmologi [26];

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [14094]

Fråga:
Jag har funderat lite kring atomernas uppbyggnad och kommit fram till att ämnet är mycket intressant. En fråga som jag dock inte kunnat hitta något utförligt förklaring, som jag förstått är: Hur det kommer sig att elektronerna har ett visst avstånd till kärnan? En elektron är ju negativt laddad och borde väl därför dras till den postivt laddade kärna? Jag vet att svaret har att göra med att elektronen har en hastighet som gör att den inte dras in till kärnan, nmen var får elektronen denna rörelseenergi ifrån.
/Carl W, Kungshögaskolan, Mjölby

Svar:
Man kan inte förstå detta med en klassisk bild av atomen! Niels Bohr försökte detta under många år under 10-20 talet. Man behöver kvantmekanik för att "förstå" (kunna räkna ut energinivåer). Elektronen rör sig inte i diskreta banor, utan har en sannolikhetsfördelning att befinna sig på olika avstånd från kärnan. Se vidare länk 1.
/Peter E

1 http://fragelada.fysik.org/index.asp?keyword=Bohrs+atommodell

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [14183]

Fråga:
Noterar att det i en del sammanhang dyker upp uttrycket 'kollapsar vågfunktionen'. Vad innebär att en funktion kollapsar? Division med noll? Vilka funktioner kan överhuvudtaget 'kollapsa'? Och vad är det som är så speciellt med det? Är följderna av en 'kollaps' positiva eller negativa?
/Thomas Å, Märstagymnasiet, Märsta

Svar:
Thomas!

Det gäller mycket inom kvantmekaniken att när det kommer till en exakt förståelse eller tolkning av de matematiska uttrycken så återstår mycket och diskussionerna som påbörjades av Bohr och Einstein pågår ännu. Någon lär ha sagt att om du tror du förstått kvantmekaniken så har du inte förstått någonting!

Vad som däremot är klart är att kvantmekaniken fungerar alldeles utmärkt när vi räknar på fysikaliska system. Det som kvantmekaniken kan förutsäga (sannolikheter att ett system befinner sig i olika tillstånd och sannolikheter att ett system övergår från ett tillstånd till ett annat) förutsägs mycket väl.

I fysikaliska sammanhang "lånar" man ofta ord från vardagsvärden. Det finns oftast en likhet mellan begreppen, men man får inte övertolka och tro att ordet betyder exakt samma i den fysikaliska värden.

Ett exempel är att kvarkar har "färg". Detta får inte tolkas bokstavligt så att kvarkar är färgade utan så att kvarkarna har en sorts "laddning" som har egenskapen att tre olika laddningar (färger) blir tillsammans laddningsfria på samma sätt som tre grundfärger rött, grönt och blått tillsammans blir vitt.

För att äntligen komma till kollaps av en vågfunktion som du frågade om: varje kvantmekaiskt system kan beskrivas av en vågfunktion. Denna talar om sannolikheten för att systemet ser ut si och sannolikheten för att det ser ut så:

psi = A*psi(si) + B*psi(så) (1)

A och B kallas för amplituder och sannolikheten att systemet ser ut på ett visst sätt ges av |A|2 respektive |B|2 (absolutbeloppen behövs därför att amplituderna kan vara komplexa). För detta fallet gäller då förstås eftersom alla sannolikheter skall summera sig til 1:

|A|2 + |B|2 = 1 (2)

Om vi nu observerar systemet och t.ex. finner att det befinner sig i tillståndet si, så beskrivs systemet inte av vågfunktionen (1) utan av

psi = 1*psi(si) (3)

Amplituden för si har alltså blivit 1 och amplituden för så har blivit 0. Det är detta fenomen att en observation (mätning) får vågfunktionen att gå från (1) till (3) som kallas att vågfunktionen kollapsar.
/Peter E

Nyckelord: vågfunktion [2]; kvantmekanik [27];

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [14369]

Fråga:
I min naiva gymnasiefysikbild så räcker det inte med att en elektron bara accelererar (centripetalacceleration) för att den skall sända ut EM-vågor/fotoner utan att det i stället krävs någon form av accelerations- eller retardationsarbete för att detta skall ske.

Är min fysikbild fullständig eller finns det mer att veta?
/Robert S

Svar:
Det är riktigt att man kan föreställa sig att elektronerna kretsar kring atomkärnan på ett visst avstånd och borde därför accelerera och därmed sända ut ljus. Bohr sa helt enkelt att det inte sker, utan att förklara det närmre. Modellen förutsäger också att atomen har en viss bestämd radie.

Bättre är att föreställa sig elektronen utspridd i ett moln runt kärnan. Så länge elektronen befinner sig i ett och samma tillstånd (energinivå) så är laddningsfördelningen konstant. Ett annat tillstånd har en annan laddningsfördelning, så när elektronen går från ett tillstånd till ett annat, så ändras laddningsfördelningen, och detta ger upphov till ljus.

Processen beskrivs mycket bra med kvantmekanik men mindre bra med våra naiva bilder. Vi måste i varje fall komma ifrån att betrakta elektronen som en liten laddad kula som susar omkring runt atomkärnan! Det leder oss bara fel.

Det finns alltid mer att veta !
/Peter E

Nyckelord: kvantmekanik [27]; atomradie [8];

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [14699]

Fråga:
Jag går på IB i Helsingborg och har en liten fråga. Vad var det vetenskapliga beviset på att atomens uppbyggnad bestod av elektronskal och inte elektroner och protoner tillsammans i kärnan.
/Cecilia S, Filbornaskolan, Helsinborg

Svar:
Hej Cecilia! För en såpass komplex och etablerad teori som atomens uppbyggnad finns det inte ett enstaka bevis utan en successiv förbättring genom experiment och nya och bättre modeller (teorier). Skall jag välja de viktigaste skulle jag säga (ungefärliga årtal inom parentes):

  1. Rutherfords alfa-partikelspidning (1907).
  2. Bohrs enkla modell (1913).
  3. Första kärnreaktionen (1919).
  4. Kvantmekanikens sensationellt bra beskrivning av det vi observerar av hur atomer uppför sig (1925-), se Atomic_orbital .

Se även Atomic_theory .
/Peter E

Nyckelord: vetenskaplig metod [18]; Bohrs atommodell [9];

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [14754]

Fråga:
Vad är egentligen kvantfysik om man ska förklara det enkelt?
/Olof B, Parkskolan, Laholm

Svar:
Hej Olof! Kvantfysik (eller kvantmekanik) är den moderna beskrivningen av mikrokosmos, dvs det allra minsta: atomer, atomkärnor, elementarpartiklar. I den vanliga världen skiljer vi på vågor (havsvågor, ljud, en svängande sträng) och partiklar (en bil, en spelkula). I de flesta fall är det inte svårt att avgöra om ett föremål i den vanliga världen är en våg eller en partikel.

I kvantfysikens värld är det annorlunda: alla objekt har både partikelegenskaper och vågegenskaper samtidigt. Detta är svårt att föreställa sig, men experiment bekräftar att det är så.

Se vidare bra artiklar om kvantfysik och kvantmekanik i Nationalencyklopedin och föreläsningar i 21st Century Science . Se även Kvantmekanik och Quantum_mechanics .
/Peter E

Nyckelord: kvantmekanik [27];

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [14847]

Fråga:
Vad är skillnaden mellan fission och fusion?
/Veckans fråga

Ursprunglig fråga:
Jag undrar hur jag enkelt förklarar skillnaden mellan fusion och fission för mina mellanstadieelever. Jag fick frågan av en elev som är väldigt intresserad av svaret men resten av klassen kommer sitta som fågelholkar när jag förklarar. Undrar därför om det finns en enkel, kort och koncis förklaring... Jag vill ju att de också ska förstå lite...
/Annica W, Centralskolan, Åtvidaberg

Svar:
Annica! Det är inte så lätt att förklara med mellanstadieelevernas begreppsbild. För full förståelse behöver man t.ex. förstå ett begrepp som bindningsenergi.

Det enklaste svaret är bara beskrivande: fusion är när man slår ihop lätta kärnor och fission är när man klyver tunga kärnor. Båda dessa processer ger energi (värme), så de kan användas t.ex. för att producera elektricitet.

Fissionsenergi är väl etablerat i praktiken i kärnkraftverk. Man klyver urankärnor genom att bombardera dem med neutroner. Eftersom det produceras 2-3 neutroner i varje fissionsprocess, går det att åstadkomma en kedjereaktion som kan underhållas kontinuerligt.

Fusionsenergi är däremot än så länge bara ett framtidshopp. Som en illustration till svårigheterna kan jag berätta att när jag började studera kärnfysik för drygt 30 år sedan så sade man att det kommer att ta 30 år att realisera en energiproducerande fusionsreaktor. I dag är uppskattningen: kanske om 50 år! Detta visar om inget annat hur svårt problemet är.

Anledningen till att kontrollerad fusion är så svår är att man försöker slå ihop två atomkärnor som är positivt laddade. Lika laddningar repellerar varandra, så för att kärnorna skall komma tillräckligt nära varandra så måste de skjutas mot varandra med hög hastighet. Hög hastighet hos atomerna i en gas betyder hög temperatur - flera miljoner grader. Man behöver kunna hålla ihop gasen och hindra den att expandera. Detta kan man göra med magnetfält, men det återstår ännu många problem att lösa. Nästa generation av försöksanläggning ITER, som är ett globalt samarbetsprojekt, håller på att byggas i Frankrike, se ITER .

Fusion sker i alla stjärnor, inklusive solen, så solenergi och vindenergi är i princip fusionsenergi från en naturlig fusionsreaktor i solens centrum.

Låt oss se om vi kan förstå varför man kan utvinna energi både genom att slå samman lätta kärnor och att klyva tunga kärnor.

Atomkärnan består av positivt laddade protoner (vätekärnor) och neutrala neutroner. Protoner och neutroner kallas med ett gemensamt namn för nukleoner. Antalet nukleoner kallas masstal och betecknas med A. Antal protoner i en kärna kallas atomnummer och betecknas med Z. Det är atomnumret som bestämmer vilket grundämne man har att göra med.

Protonerna repellerar visserligen varandra, men det finns attraherande krafter mellan nukleonerna som är starkare är repulsionen. Nukleonerna kommer därför att bindas samman och ha vad vi kallar en bindningsenergi.

Man kan förstå förvånansvärt mycket av atomkärnors egenskaper genom en mycket enkel modell: vätskedroppsmodellen. Man betraktar atomkärnan som en vätskedroppe - t.ex. en vattendroppe - så att nukleonerna motsvarar vattenmolekyler. Vattenmolekylerna i en vattendroppe binds samman genom krafter mellan närliggande molekyler, dvs den attraktiva kraften har kort räckvidd. Molekylerna i en vattendroppe har också en bindningsenergi - man måste tillföra energi för att "koka bort" molekyler. Se Semi-empirical_mass_formula för mer om vätskedroppsmodellen.

Bindningsenergin per nukleon visas i nedanstående figur. Grovt kan man säga att bindningsenergin för de flesta kärnor är c:a 8-9 MeV per nukleon. För lätta kärnor är bindningsenergin lägre, och den minskar även för mycket tunga kärnor. De mest stabila kärnorna - högst bindningsenergi - finns omkring masstalet 60, dvs järn och nickel.

Den lägre bindningsenergin för lätta kärnor förklaras av att små kärnor har relativt mycket "yta". Nukleonerna på ytan har inga grannar "utåt", så bindningen blir mindre. Det är denna effekt som orsakar ytspänning i en vattendroppe, se ytspänning .

Nedgången i bindningsenergi för tunga kärnor beror på repulsionen mellan protonerna. Coulomb-repulsionen har lång räckvidd till skillnad från attraktionskraften mellan nukleonerna som har kort räckvidd. Detta betyder att bindningen går som masstalet A och repulsionen som Z(Z-1)/2 där Z är kärnladdningen (antal protoner). För kärnor med många protoner kommer därför coulomb-repulsionen att bli större och därmed bindningsenergin att minska.

Låt oss titta lite på energiförhållandena för fission och fusion.

Om vi delar en urankärna med A c:a 240 hamnar vi omkring A=120. Bindningsenergin per nukleon är 7.5 vid A=240 och 8.4 vid A=120 (se figuren nedan). Vi vinner alltså en bindningsenergi på c:a (8.4-7.5)*240=216 MeV. Detta är ett mycket högt värde för en kärnreaktion, och är anledningen till att det går att utvinna så mycket energi genom fission av tunga kärnor.

Kvalitativt kan man även förstå fissionsprocessen med vätskedroppsmodellen: en inkommande neutron sätter urankärnan i svängning. Om deformationen har tillräckligt stor amplitud, kommer coulomb-repulsionen att ta överhanden och kärnan kan delas i två delar.

Den mest effektiva fusionsreaktionen är att slå ihop deuterium med tritium:

d + 3H --> 4He + n

Bindningsenergierna (Nuclear_binding_energy ) för de ingående kärnorna är enligt figuren nedan

2H: 2*1.1=2.2 MeV
3H: 3*2.8=8.4 MeV
4He: 4*7.0=28.0 Mev
n: 0 MeV

Differensen i bindningsenergi blir alltså 28.0-(2.2+8.4)=17.4 MeV. Som synes är anledningen till den stora frigjorda energin att 4He-kärnan (alfapartikeln) är mycket stabil. Detta är det enda man inte kan förstå med den enkla vätskedroppsmodellen - för att förstå detta behöver man kvantmekanik.

Vätskedroppsmodellen kan även förklara vilken kärna för ett giver masstal är stabilast, se Semi-empirical_mass_formula#Examples_for_consequences_of_the_formula . Även massparablerna (fråga 13758 ) förklaras bra av massformeln.

Hoppas du kan använda en något av ovanstående utan alltför mycket fågelholksreaktion. Mer om ämnet finns under nedanstående länkar (på engelska): länk 1 är mer om bindningsenergi och länk 2 om kärnenergi.



/Peter E

Nyckelord: bindningsenergi [23]; fusion [16]; fission [15]; kärnenergi [18]; vätskedroppsmodellen [5]; kärnreaktion [5];

1 http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/nucene/nucbin.html
2 http://science.howstuffworks.com/nuclear-power.htm

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [15398]

Fråga:
Min fråga är: Varför åker inte elektronerna och protonerna ihop? Olika laddningar dras ju mot varandra. Hur kommer det sig att elektronerna varken åker runt som de vill eller krockar med protonerna? Om jag har tänkt rätt måste det alltså finnas minst två krafter, en som håller elektronerna kvar och en som håller dem borta från protonerna i kärnan. Vilka är dessa krafter och hur uppkommer de?
/Sofia L, Katarinaskolan, uppsala

Svar:
Sofia! När det gäller en proton och en elektron är faktiskt den enda kraften den attraktiva coulombkraften. Det faktum att en bunden elektron inte faller in i kärnan har att göra med att kvantmekanikens lagar gäller.

Kvantmekaniken säger att den bundna elektronen bara kan befinna sig i vissa tillstånd (vars energier kan räknas ut med kvantmekanik). Elektronen kan inte befinna sig permanent inne i kärnan, men från vissa av de lägsta tillstånden kan den göra korta besök (för den avancerade kvantmekanikern: detta gäller framför allt s.k. s-tillstånd).

Innan neutronen upptäcktes (1932) trodde man att kärnan bestod av protoner och elektroner (elektronerna var till för att få rätt laddning hos kärnan). När kvantmenkaniken utvecklades (1925-26) fick man problem med dessa elektroner i kärnan - enligt Heisenbergs obestämdhetsrelation (som är en del av kvantmekaniken) kan så lätta partiklar som elektroner inte finnas i en atomkärna som är av storleksordningen 10-15 m.

För obundna elektroner är det emellertid inga problem att passera genom kärnan. Om man accelererar elektroner med en accelerator och skjuter dem mot en kärna, så går i de flesta fall elektronen igenom kärnan utan att mycket händer. I sällsynta fall kan elektronen reagera med en proton eller neutron och ge upphov till en kärnreaktion.
/Peter E

Nyckelord: Heisenbergs obestämdhetsrelation [11]; kvantmekanik [27];

*

Universum-Solen-Planeterna [15418]

Fråga:
Jag har en fråga angående Bigbang-teorin. Varför "tror" man att hela rummet expanderar och inte att massan expanderar i ett rum? Vilka mätningar bygger man detta på?
/Håkan K

Svar:
1 Man kan inte säga att en enda mätning visar att det är på ett visst sätt. Flera observationer bland annat av den kosmiska bakgrundsstrålningen stöder big bang teorin. Även om teorin ger mycket specifika förutsägelser (se fråga 11987 ), så finns det stora luckor i kunskapen - man vet t.ex. inte vad den mörka materien (23% av universums massa) och den mörka energin (73% av universums massa) består av.

2 Speciellt när det gäller kvantmekanik och kosmologi är mycket så annorlunda det vi är vana vid att vår föreställningsvärld inte räcker till. Vi skapar enkla modeller för att kunna föreställa oss olika fenomen, men modellerna kanske bara räcker för att ge en grovt förenklad bild. Samtidigt kan teorin ge mycket specifika matematiska samband som kan bekräftas med experiment och observationer. Detta är ungefär vad Kate Becker säger i svaret under länk 1.

3 Den traditionella bilden av universums expansion är den jäsande russinkakan: galaxer och galaxhopar ligger stilla i den omgivande rymden och det är denna som exanderar och "trycker isär" galaxerna. Vakuum är inte bara ingenting utan något ganska komplicerat, så det har nog mening att diskutera materians rörelse i förhållande till rymden. Se vidare länk 2.

4 Jag har själv problem med bilden under punkt 3: om nu rymden mellan galaxerna expanderar varför expanderar inte rymden i vår galax eller i solsystemet? Eller gör den det medan materian stannar kvar? Som du ser, det finns inga enkla svar .
/Peter E

Nyckelord: big bang [34];

1 http://curious.astro.cornell.edu/question.php?number=525
2 http://curious.astro.cornell.edu/question.php?number=274

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [15508]

Fråga:
Hej,

Vi undersöker vattenmolekylen. Då vi ska förklara varför det är en dipol kör vi fast. Varför spinner två av syrets yttersta elektroner åt ena hållet och 4 åt andra hållet. Varför inte 3 åt varje håll?

Och kan man verkligen förklara vinkeln genom spinn... Varför delar det fria elktronparet sig inte så att båda elektronerna får så långt avstånd som möjligt till elektronparbindningarna med vätet?
/charlotte n, lars kaggskolan, kalmar

Svar:
Charlotte! Två av syrets elektroner är i det lägsta tillstådet 1s, två i det näst lägsta 2s och de 4 övriga i 2p. Det senare tillståndet har plats för 6 elektroner, varför det finns 2 vakanser. Detta är orsaken till att syre gärna tar till sig två elektroner, t.ex. från två väteatomer.

Att förstå exakt varför vattenmolekylen ser ut som den gör och varför vinkeln mellan väteatomerna är 104.45o och inte 109.47o som man skulle ha om bindningarna ordnade sig tetrahediskt (länk 1) är inte lätt. Man behöver nog göra ganska stora kvantmekanikberäkningar för detta. Att döma av länk 2 är juryn fortfarande ute i frågan (dvs det finns inget allmänt accepterat svar).

Att förstå varför vattenmolekylen är en dipol är emellertid lätt: elektronerna tillbringar helt enkelt mest tid nära syreatomen, så denna ända blir negativ och väteändan positiv.

För allt som rör vatten i kemisk mening är Martin Chaplins sajt Water Structure and Science ovärderlig.
/Peter E

Nyckelord: vatten/is [39];

1 http://www.btinternet.com/~martin.chaplin/molecule.html
2 http://www.btinternet.com/~martin.chaplin/models.html

*

Blandat [15616]

Fråga:
Hej! I ett "papper" av Göran Jarlskog, En värld av nästan ingenting, står det: En av hörnstenarna i fysikens värld är lagen om energins bevarande. Jag undrar vilka de andra hörnstenarna anses vara. Man behöver ju inte ha rätvinkliga hörn, så de kan vara fler än fyra. Men vilka är de? Och finns de listade? På svenska?
/Thomas Å, Arlandagymnasiet, Märsta

Svar:
I klassisk fysik har vi bevarandelagarna för

energi
rörelsemängd
rörelsemängdsmoment
laddning

I kvantmekaniken och standardmodellen tillkommer ett par absoluta, men många av de övriga är inte absoluta utan har undantag. Se vidare konserveringslagar i Nationalencyklopedin , Conservation_law och länk 1 (de senare två tyvärr endast stubbar vilket är Wikipedia-slang för påbörjade artiklar).
/Peter E

1 http://sv.wikipedia.org/wiki/Konserveringslag

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [15938]

Fråga:
Hej! Enligt Hans-Uno Bengtsson (Nalle Puh och atomens existens) så utstöter elektroner endast 1 foton då de "kontaktar" varran. Måste inte det betyda att de redan har någon slags kontakt, eftersom de "vet" var den andra är, då de "skjuter"? Jag hade för mig att de utstrålade fotoner åt alla håll alltid, och de träffade varran "slumpvis". Men om de nu så pricksäkert alltid utstöter endast 1 foton på varran, innebär det då inte att det redan finns någon slags kontakt, att de inte alls reppelerar/attraherar med fotoner?
/Axel K, Maria Montessoriskolan, Lund

Svar:
Axel! Jag antar du menar när man har en övergång mellan två tillstånd i en atom.

Allt vad atomer och elektroner företar sig styrs av kvantmekanik . I den teorin har man ett begynnelsetillstånd, ett (eller flera) sluttillstånd och vad man kallar en växelverkan - det som orsakar övergången från begynnelsetillståndet till sluttillståndet. Man har observerat fall där två fotoner sänds ut, men sannolikheten är mycket lägre än för utsändande av en foton, så man kan i princip bortse från processen.

Vad gäller kvantmekanik så ger den mycket bra resultat, dvs stämmer bra med mätningar, men en djupare tolkning och förståelse har vi fortfarande inte. Detta är t.ex. fortfarande ett ämne för forskning, se t.ex. länk 1 om forskning vid Lunds universitet. Så diskussionen mellan Niels Bohr och Albert Einstein (bilden nedan) är alltså inte slut ännu även om deltagarna är döda.



/Peter E

Nyckelord: kvantmekanik [27];

1 http://www.teorfys.lu.se/phd08/phd08c.pdf

*

Elektricitet-Magnetism [16229]

Fråga:
Hej! Jag gör ett projektarbete i skolan om naturvetenskapsmetoder inom arkeologi och jag undrar apropå geomagnetism om ni kunde förklara exakt hur en protonmagnetometer (SQUID) fungerar med Josephsoneffekt och tunneleffekt och liknande?
/Johanna B, Sturebyskolan

Svar:
Johanna! Det finns en utmärkt beskrivning av protonmagetometern i Wikipedia-artiklarna Proton_magnetometer och Magnetometer#Proton_precession_magnetometer . Den har intet att göra med josephsoneffekten, SQUID eller tunneleffekten.

Protonmagnetometern är i princip samma detektor som i en MRI -apparat. Principen bygger på protonens magnetiska moment (genererat av dess spinn). I ett magnetfält har protonen lite olika energi om den har spinnet parallellt eller motsatt magnetfältet. Denna energiskillnad kan mätas mycket exakt, och eftersom protinens magnetiska moment är känt kan magnetfältet beräknas med hög precision.

Enligt josephsoneffekt är josephsoneffekten, att en ström kan flyta mellan två supraledare som är åtskilda av ett tunt (några nanometer) isolerande skikt. Fenomenet förklaras kvantmekaniskt med hjälp av tunneleffekt för elektroner. Strömmen påverkas starkt av små ändringar i magnetfältet i det isolerande skiktet, och den kan därför användas för att mäta magnetfält mycket exakt. För en djupare förståelse krävs kunskaper i kvantmekanik, speciellt tunneleffekt , supraledning och koherenta vågfunktioner. Se vidare josephsoneffekt , SQUID , Josephson_effect och länk 1.

Det unika för båda sortens detektorer är att man med hög precision kan mäta mycket små variationer i det jordmagnetiska fältet. På så sätt kan man hitta föremål som innehåller järn på land och i havet, speciellt för arkeologiska tillämpningar.
/Peter E

Nyckelord: MRI [5];

1 http://nonlocal.com/hbar/squid.html

*

Kraft-Rörelse [16263]

Fråga:
Hej hej, jag har en fråga om relativitetsteorin som jag för närvarande skriver ett arbete om i Fysiken.

Jag tror att jag har hittat en paradox när jag började räkna lite grann på tidsdilatationen. För det första;

Om man skulle befinna sig på ett tåg som rörde sig med en hastighet av 0.9999c under fem minuter, så skulle det för en utomstående observatör ha gått ca fem timmar, enligt t0=t/(sqrt(1-(v^2/c^2)) där t0 är observatörens tid, och t är tiden för personen på tåget.

t0=t/(sqrt(1-(v^2/c^2)) för t = 300s => 300/(sqrt(1-.9999^2) = 21 213.7338s ~ 5 timmar

om vi sedan släpper iväg ett tåg med halva hastigheten på samma sträcka, så skulle det ta 600s att färdas samma sträcka. Det leder till en tidsdilatation på

600 / sqrt(1 - (.49995^2)) = 692.797231 Alltså inte mer än 1.5 minuter!

Det betyder att för en utomstående observatör så skulle det långsammare tåget komma fram flera timmar före det snabbare!

Hur kan man förklara detta?

----

När jag tänkte lite på detta kom jag fram till ytterliggare en fråga, nämligen att ett ljusår (eller ljusminut, eller vilken annan avståndsbenämning som helst som bygger på ljushastigheten) ju är ett begrepp som är äldre än relativitetsprincipen. Betyder det att tidsdilatation inte tagits med i beräkningen av sträckan? För om så är fallet leder samma ekvation som tidigare till att en sträcka på 8 ljusår (jorden / sirius) skulle vara byggt på en tidsdilationerad bild av ljuset. Om man med samma tåg som tidigare åkte med en hastighet av 0.9999c så skulle man behöva färdas i endast en vecka för att tiden skall dilatationeras åtta år.

Hur går det ihop?

---

Frågan framför allt, vad har jag missat; jag tror knappast att jag hittat ett otäppbart hål i grunden för den moderna fysiken.

Tack.
/Johan S, Bergska Skolan, Finspång

Svar:
Hej Johan! Roligt att du funderar! Bra också att du inser att det krävs mycket för att kullkasta Einsteins speciella relativitetsteori. Eftersom ingen hittills lyckats (men många har försökt!) sedan 1905, så är det uppenbart att teorin vilar på ganska säker grund!

Låt oss först reda ut var ditt resonemang går fel och sedan lite om hur man skall uppfatta en fysikalisk teori och då speciellt relativitetsteorin.

I ditt första resonemang använder du dig av begreppet samtidighet, se fråga 3061 nedan och Relativity_of_simultaneity . Eftersom tidsdifferenser beror av hastigheten v och läget x (Lorentz-transformationen) så kan man inte utan vidare använda begrepp som "kommer först", "kommer efter", etc.

Din andra fråga har egentligen inget med relativitetsteorin att göra. Ett ljusår är en sträcka som ljuset tillryggalägger på ett år sett utifrån slutpunktens referensram. Ljushastigheten har varit känd med tillräcklig precision ganska länge, så det är inget problem att förvandla km till ljusår. En observatör som rör sig i förhållande till denna referensram kommer visserligen att ha en avvikande uppfattning om avståndet (längdkontraktion), men det förändrar inte det "verkliga" avståndet.

Den speciella relativitetsteorin utgår från två antaganden:

1 Naturlagarna är oberoende av rörelse med konstant hastighet

2 Ljushastigheten i vakuum c är densamma oberoende av observatörens rörelse

Dessa antaganden är rimliga med hänsyn till observationer, men de går inte att bevisa. Detta är en metod man ofta använder i vetenskapen: gör ett antagande och visa vad antagandet innebär vad gäller fenomen man kan observera. Om observationen skiljer sig från vad man väntat har man falsifierat teorin, och man får göra nya antaganden. Man har inte falsifierat relativitetsteorin, utan alla observationer stämmer med vad man väntar med utgångspunk från de två antagandena.

Detta är typiskt för naturvetenskapliga teorier: det går aldrig att bevisa att de är korrekta - endast att de är inkorrekta. De inkorrekta sorteras bort och lagras i vetenskapshistoriens skräpkammare. De som överlever blir, allteftersom nya typer av observationer visar sig stämma, mer och mer etablerade. Einsteins speciella relativitetsteori tillhör de mest etablerade fysikaliska teorierna.

Ibland kan steget mellan att formulera antagandena för en teori och att visa på vad teorin förutsäger vad gäller observationer vara svårgenomträngligt för en experimentalfysiker. Då får vi helt enkelt lita på att teoretikerna kan sin sak och att de formler de får fram är korrekta.

Den speciella relativitetsteorin ställer rimliga krav på matematikkunskaper - relativt enkel algebra räcker. Svårigheten är att vissa av resultaten av teorin står i strid med intuitionen.

Den allmänna relativitetsteorin (se General_relativity ) kräver däremot mycket avancerad matematik som få behärskar. Här får man helt enkelt nöja sig med antagandet (ekvivalens mellan acceleration och gravitation) och att resultatet av alla observationer till fullo stöder teorin.

Är då relativitetsteorierna de slutgiltiga teorierna? Nej, det är de inte, vi saknar bland annat en förening med kvantmekaniken. En ny teori kommer att omfatta relativitetsteorierna men utökas till att även ta hänsyn till kvantmekaniska fenomen.

Det finns en mycket omfattande och bra artikel i engelska Wikipedia: Special_theory_of_relativity . Se även Speciella_relativitetsteorin och fråga 16270 nedan.
/Peter E

Se även fråga 3061 och fråga 16270

Nyckelord: relativitetsteorin, speciella [41]; fysik, förståelse av [16]; relativitetsteorin, allmänna [29];

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [16307]

Fråga:
Vad är ESS bra för?
/Veckans fråga

Ursprunglig fråga:
Vad är ESS bra för?
/Fredrik A

Svar:
ESS, European Spallation Source (European_Spallation_Source , European_Spallation_Source ), är en anläggning där man skall bedriva forskning framför allt i biokemi och materialegenskaper med användning av neutroner. I slutet av maj 2009 togs ett beslut som sannolikt innebär att anläggningen skall lokaliseras till Lund.

Att lokaliseringen bestämts till Lund i hård konkurrens med Spanien och Ungern är dels ett resultat av att Lund kan erbjuda en god forskningsmiljö och en bra infrastruktur. Resultatet har även uppnåtts genom en utomordentlig prestation av forskningsministern Lars Leijonborg, chefsförhandlaren Allan Larsson, ESS-Scandinavias föreståndare Colin Carlile och hela den organisation för ESS-S som byggts upp i Lund.

ESS är ett planerat flervetenskapligt forskningscenter baserat på världens mest kraftfulla neutronkälla. Anläggningen kan jämföras med ett super-mikroskop, där man studerar material – från polymerer och läkemedel till membran och molekyler – för att förstå hur det är uppbyggt och hur det fungerar.

ESS kommer att öppna helt nya möjligheter för forskare inom hälso-, miljö-, energi-, klimat-, transport- och ingenjörsvetenskap, läkemedel samt arkeologi. Planerna för ESS har tagits fram i ett samarbete mellan hundratals forskare från 18 laboratorier i 11 europeiska länder. ESS kommer att byggas och drivas av flera europeiska länder gemensamt.

Bilden nedan (från länk 1) visar hur Lund kan tänkas se ut om c:a 10 år sett från NO mot SV. Den långa, raka konstruktionen är en 600 m lång linjäraccelerator som producerar 1.3 GeV protoner. Protonstrålen får träffa ett strålmål av en tungmetall, varvid atomkärnorna pga den höga energin till en del slås sönder i sina beståndsdelar protoner och neutroner (kallas spallation). Neutronerna bromsas upp av en moderator, och leds ut till experimentutrymmena för att där träffa det prov man vill undersöka med hjälp av neutrondetektorer som placeras runt provet.

Neutronerna växelverkar med provet dels genom den starka kärnkraften med atomkärnorna och dels, genom sitt magnetiska moment, med magnetfält i provet. Spridningen styrs även av kvantmekaniken på så sätt att neutronerna uppträder som vågor med våglängden

  l = h/p

där h är Plancks konstant och p är neutronens rörelsemängd. Om man väljer en energi för neutronerna för vilken våglängden är av samma storleksordning som avståndet mellan atomer i en molekyl (c:a 0.1 nm) får man ett spridningsmönster som ger maximal information om molekylstrukturen. Neutrondiffraktion, som processsen kallas (se Neutron_diffraction ), är analog med röntgendiffraktion (se X-ray_scattering_techniques ) som ju använts bland annat för att bestämma strukturen på DNA.

En fördel med att använda neutroner i stället för röntgenstrålning är dels att neutronerna "ser" den mycket små atomkärnorna medan röntgenstrålning "ser" stora överlappande elektronmoln. Dessutom detekteras lätta kärnor (väte, kol, kväve, syre) mycket effektivare med neutroner än med röntgenstrålning. Detta senare är speciellt viktigt eftersom biomolekyler till största delen består av dessa lätta ämnen.

Här finns en video som visar vad ESS är:

Länk 1 är till ESS-Scandinavias webbsajt som innehåller mycket bakgrundsmaterial och nyheter om projektet. Klicka t.ex. på panelen till höger märkt 'Science for Society'. Där finns massor med bra material bland annat en virtuell tur genom materialet för en utställning som under våren visats i Lund. Bland annat finns videos och broschyrer om ESS och neutronforskning.

Länk 2 är till ett utmärkt dokument med svar på ett antal vanliga frågor. Dokumentet är emellertid skrivet innan det senaste beslutet att ESS-S stöds av Tyskland och Frankrike. Sedan dess har även ett avtal slutits mellan Sverige och Spanien, den ena av Sverigers konkurrenter. Det ser alltså ut som det inte finns några hinder för att anläggningen skall byggas i Lund.



/Peter E

Nyckelord: neutron [4];

1 http://ess-scandinavia.se/
2 http://fragelada.fysik.org/resurser/ess-s_faq.pdf

*

Blandat [16588]

Fråga:
Hej jag skriver just nu ett arbete om fysikens historia och fysikens innebörd för samhället idag. Pga detta så undrar jag lite om vad som har hänt med fysiken under 1900-talet samt vilka betydelser det har för oss idag. (Det räcker med att ni tar upp 4 exempel på teorier eller "fysikuppfinningar" som uppkom under 1900-talet)

Bästa hälsningar Fysikälskaren Ellen :)
/ellen s, erik rydberg, stockholm

Svar:
Bra försök Ellen, men eftersom du älskar fysik så vill du väl skriva arbetet själv ! Jag kan bara ge dig några tips.

Wikipedia-artikeln History_of_physics är bra och har många länkar. Artikeln fysik i Nationlencyklopedin är också bra. Man får även anta att de upptäckter som betytt mest för samhället belönats med nobelpris i fysik. Så ett tips är att botanisera bland fysikprisen, se The Nobel Prize in Physics - Laureates . Speciellt för de senare priserna finns det mycket bra artiklar.

Fysiken som utvecklades i början av 1900-talet är grunden för all nutidsfysik. Det var Einsteins relativitetsteorier och kvantmekaniken. De upptäckter som påverkat samhället mest är nog fission (Nuclear_fission ), transistorn (Transistor , nobelpris 1956) och den integrerade kretsen (Integrated_circuit , nobelpris 2000). Upptäckterna bakom fysikprisen 2007 och 2009 har också betytt mycket för utvecklingen av datorer och kommunikation.
/Peter E

Se även fråga 8405

Nyckelord: fysik [10];

1 http://fragelada.fysik.org/links/search.asp?keyword=vetenskapshistoria

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [16629]

Fråga:
Valenselektroner och elektronskal
/Veckans fråga

Ursprunglig fråga:
Jag undrar hur man kan på bästa sätt förklara vad ett valenselektroner är och vad är ett elektronskal.
/Malin J, Ljungbacken, lidingö

Svar:
Malin! Är du inte lite ung för att fundera på elektronskal och valenselektroner?

Atomkärnor har 1 till c:a 100 positivt laddade protoner (och ett antal neutroner som vi inte behöver bekymra oss för). För att atomen skall vara oladdad måste den ha samma antal negativa elektroner som den har protoner. Detta antal kallas för atomnummer, och bestämmer vilket grundämne vi har att göra med.

Enligt kvantmekanik ens lagar kan man inte bara stoppa in dessa elektroner i atomen hur som helst, utan man fyller vad som kallas elektronskal som rymmer ett bestämt antal elektroner. Fyllda skal är normalt orörda, så det är elektroner som hamnar i det översta icke fulla skalet som bestämmer grundämnets egenskaper. Det är dessa s.k. valenselektroner som deltar i kemiska reaktioner. Grundämnen som har alla skal fyllda saknar valenselektroner, och deltar nästan inte i kemiska reaktioner. De är gaser, och kallas för ädelgaser.

Sammanfattning:

Elektronskal är från varandra avgränsade energiintervall inom vilka elektronerna i en atom kan befinna sig.

En valenselektron är en elektron i atomens yttersta skal (valensskalet). Antalet valenselektroner har stor betydelse för vilka kemiska föreningar atomen kan ingå i, det vill säga antalet bestämmer atomslagets kemiska egenskaper. Alla ädelgaser har strukturen ns2np6 i sitt yttre skal. Undantaget He som ju bara ha två elektroner 1s2. Gemensamt för alla ädelgaserna är alltså att det yttersta skalet är fullt (2 elektroner i s-tillstånd och 6 elektroner i p-tillstånd).
/Peter E

Nyckelord: elektronskal [11]; Bohrs atommodell [9];

*

Ljud-Ljus-Vågor [16939]

Fråga:
Hur har man kommit fram till att fotonens energi är W=hf?
/Veckans fråga

Ursprunglig fråga:
Hej! hur har man kommit fram till att fotonens energi är W=hf, där h är planks konstant och f är frekvensen? finns det en svensk länk där man kan läsa om det i djupet tack!!
/Ali Z, malmö borgarskolan, malmö

Svar:
Hej Ali! Bra fråga! Formeln för fotonens energi

E = hv (av konvention använder man oftast v [grekiska ny] för fotonens frekvens)

är ju så djupt rotad i den moderna fysiken att man kanske glömmer vad den kommer ifrån.

När det gäller fysikaliska samband uppkommer de typiskt på ett av två sätt:

1 ett experimentellt uppmätt samband eller lag

2 ett antagande som leder till andra samband som kan verifieras experimentellt

eller en kombination av 1 och 2

När det gäller fotonens energi är det till att börja med fall 2: Max Planck (Max_Planck ) gjorde antagandet att energin var proportionell mot frevensen för att härleda ett fungerande uttryck för den den experimentellt observerade fördelningen hos temperaturstrålning (1900), se Plancks strålningslag , speciellt fråga 12397 och Planck's_law (den senare på engelska).

Bilden nedan från Wikimedia Commons Ultraviolet_catastrophe ) visar uppmätt temperaturstålning för tre olika temperaturer (nedre kurvorna). Den övre, svarta kurvan visar den klassiska förutsägelsen (Rayleigh–Jeans law). Som synes avviker den senare mycket från den observerade fördelningen, speciellt för korta våglängder.

Plancks uttryck representerade uppmätta data mycket bra även för korta våglängder. Plancks antagande att energin var given av strålningens frekvens var en avvikelse från den klassiska teorin där energin gavs av amplituden hos strålningen. Utan att veta det förebådade Planck den kommande kvantmekaniken.

Einstein var i sin artikel om fotoelektriska effekten (1905) mycket tydlig med kvantiseringen, och införde begreppet foton för en "ljus-partikel". I fråga 2931 visas data för fotoelektriska effekten som visar proportionaliteten mellan energi och frekvens.

Det mest direkta beviset kom genom Bohrs atommodell (1913). Man kunde bygga upp energidiagram där skillnaden i energin mellan två tillstånd var lika med energin hos fotonen som utsändes vid en övergång. Man kunde mäta våglängden och med hjälp av det generella sambandet mellan vågens utbredningshastighet c, våglängden l och frekvensen v

c = l*v

verifiera proportionaliteten mellan energi och frekvens. Senare infördes namnet Plancks konstant h för denna proportionalitetskonstant.

År 1923 verifierade Arthur Compton sambandet återigen genom sitt experiment att sprida fotoner på elektroner, se comptonspridning .

Länk 1 är en intressant artikel om Max Planck och länk 2 beskriver den historiska utvecklingen av atomteorin.

/*fa*



/Peter E

Nyckelord: Plancks strålningslag [6]; fysik [10]; elektromagnetisk strålning [17]; #ljus [63];

1 http://www.fof.se/tidning/2002/3/max-planck
2 http://www.pixe.lth.se/bossen/fysik/history1.htm

*

Ljud-Ljus-Vågor [17060]

Fråga:
Hej! I dagens nummer av tidskriften Ny Teknik(24/3 - 10) skriver man bl a att en danska för några år sedan med hjälp av laser lyckades stanna ljuset(!). Är det en felaktig formulering eller är det sant? Om ljuset stannades så bör ju fotonerna varit i vila och haft en viloenergi/vilomassa. Hade de det? Återfick ljuset sin fart efteråt?
/Thomas Å, Arlandagymnasiet, Märsta

Svar:
Thomas! Låt oss säga att formuleringen är lite tillspetsad! Vad man gör är att man fördröjer ljuset genom att lagra information om en laserpuls i en samling atomer med mycket låg temperatur - ett Bose-Einstein-kondensat . Denna laserpuls kan sedan "väckas till liv" igen senare. På så sätt kan man i princip få det att se ut som om ljuset stannade.

Den ledande forskaren på detta är danskan Lene_Hau från Harvard. Jag kan inte hitta artikeln du hänvisar till på nätet, men det har såvitt jag vet inte hänt något speciellt på området den senaste tiden. Länk 1 är en tidigare artikel i Ny Teknik och länk 2 är en mer svårläst Nature-artikel.

En djupare förståelse för effekten kräver rätt mycket kunskaper i kvantmekanik. Nedan finns ett par videor som visar hur experimentet går till:

Här är en längre föreläsning med Lene Hau:


/Peter E

Nyckelord: Bose-Einstein-kondensat [6]; kvantmekanik [27]; ljushastigheten [23]; nyheter [11];

1 http://www.nyteknik.se/nyheter/it_telekom/allmant/article38049.ece
2 http://www.nature.com/nature/journal/v445/n7128/abs/nature05493.html

*

Universum-Solen-Planeterna [17160]

Fråga:
Hur kan planeterna hålla sig kvar i stabila banor runt solen i många miljarder år?
/Veckans fråga

Ursprunglig fråga:
Hur kan planeterna hålla sig kvar i stabila banor runt solen i många miljarder år? Vet man någonting om detta egentligen? Är t ex Jordens medelavstånd till solen alltid detsamma, eller har det alltid varit detsamma.

Jag vet t ex att Månens medelavstånd till Jorden långsamt ökar och att Månen till slut kommer att lämna sin bana runt Jorden och att detta beror på energiförluster som orsakas av tidvatteneffekterna på Jorden.

Jag tänker mig att när gravitationskrafterna håller kvar en planet i en bana runt solen så måste det ju vara ett instabilt system där minsta rubbning kommer att få planeten att antingen falla in mot solen eller falla ifrån den, först långsamt sedan allt snabbare. Det borde ju vara ungefär som att försöka ställa en rak pinne så att den balanserar rakt upp och förblir stående, kanske inte för alltid men åtminstone för en mycket lång tid, där den minsta lilla rubbning i balansen gör den instabil och pinnen faller till marken.

Ett annat liknande exempel är elektronernas banor runt en atomkärna som ju måste vara mycket stabil. I detta fall känner jag till en förklaring till att elektronbanan förblir stabil, nämligen att när elektronen, som ju har en massa, rör sig runt atomkärnan så är detta en accelererad rörelse och när en massa accelereras så sänds en vågrörelse ut pga den sk partikeldualismen och elektronen bildar en sk stående våg i sin bana runt atomkärnan och att det är denna stående våg som gör elektronbanan stabil.

Finns det något liknande fenomen när det gäller en planetbana runt solen? Kan det vara ett slags samspel mellan planeterna där de påverkar varandras banor med gravitationskrafterna som skapar en stabilitet i de olika planeternas banor runt solen?

Har jag lyckats beskriva mina frågor tillräckligt bra för att det skall framgå tillräckligt tydligt vad jag egentligen frågar efter? Är mitt resonemang, eller mina föreställningar, felaktiga på något sätt?
/lars e

Svar:
Den grundläggande anledningen till planetsystemets stabilitet är att planetbanorna är utspridda och ganska cirkulära. Det är alltså viktigt att stora planeter inte kommer för nära varandra. Det är även viktigt att förhållandet mellan omloppstider inte är hela tal - då kan man få stora effekter pga s.k. resonanser.

Månens rörelse bort från jorden beror som du säger på tidvattnet, se fråga 8359 .

Från geologiska data kan vi säga att jordens bana varit mycket stabil i miljarder år - det har t.ex. funnits vatten och enkelt liv i c:a 3.5 miljarder år (solsystemet är c:a 4.5 miljarder år gammalt). Jordens medelavstånd till solen har alltså varit mycket stabilt. Däremot varierar excentriciteten (hur avlång banan är) pga störningar från jätteplaneterna Jupiter och Saturnus. Denna ändring i excentricitet är antagligen den dominerande orsaken till att vi får istider med ganska jämna mellanrum, se fråga 830 .

Även om man mätt upp planeternas banor och massor ganska exakt, så är det inte ett trivialt problem att beräkna hur stabilt systemet är, eftersom det faktiskt på längre sikt är ett kaotiskt system (se kaos ). Systemet är alltså i princip oförutsägbart eftersom en liten variation i ingångsvärdena kan medföra stora skillnader i sluttillståndet.

Som solsystemet ser ut i dag så är det emellertid ganska stabilt. Antingen har det bildats på det sättet eller så har de planeter som från början "ställde till problem" kastats ut ur solsystemet eller kastats in i solen. Om ett större objekt (jordstorlek) skulle komma in i det inre solsystemet skulle situationen kunna bli besvärlig eftersom de inre planeternas banor skulle störas. Detta är emellertid mycket osannolikt på kort sikt (miljoner år) - de enda objekt som kommer in i det inre solsystemet utifrån är kometer. Dessa har så liten massa att allt utom en direkt kollision är ofarligt.

Bilden nedan (från Wikimedia Commons, länk 1) visar resultatet av räkningar på solsystemet. Man har gått 10 miljarder år tillbaka (helt teoretiskt naturligtvis eftersom solsystemet existerat i mindre än 5 miljarder år) och 15 miljarder år framåt i tiden. För varje planet plottas excentriciteten hos banan - egentligen maximum under varje 10 miljon år. Eftersom systemet är kaotiskt är det inte direkta förutsägelser som plottas - det är vad som sannolikt skulle kunna hända. För lite annorlunda startvärden skulle detaljerna i plottarna (var topparna ligger) kunna vara annorlunda.

Som synes händer inget med de stora planeterna, men de minsta huvudplaneterna uppvisar ett mycket intressant beteende. Merkurius' bana får en excentricitet som skulle göra kollisioner mellan Merkurius och Venus möjliga. Mars påverkas ganska mycket, medan Venus och jorden inte påverkas särskilt mycket. Intressant är emellertid att Venus och jorden tycks ändra excentricitet i takt med varandra!

Dina funderingar om elektroner i atomer är inte korrekta. För det första är det inte bra att föreställa sig att elektronerna rör sig i banor runt kärnan som planeter runt solen. Det är bättre att föreställa sig att att elektronens position styrs av ett "sannolikhetsmoln", se fråga 13733 . För det andra så är de lägsta tillstånden stabila - det finns enligt kvantmekanikens lagar inget lägre tillstånd att hamna i och energins bevarande vill vi inte ge upp!

Se även fråga 108 , fråga 16606 och länkarna nedan.



/Peter E

Nyckelord: solsystemet [7]; kaos [3]; planet [14];

1 http://www.scholarpedia.org/article/Stability_of_the_solar_system
2 http://www.pnas.org/content/98/22/12342.full

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [17237]

Fråga:
Varför ramlar inte elektronerna in i kärnan?
/Veckans fråga

Ursprunglig fråga:
Hej! Vi känner alla till den vanliga atommodellen, med en kärna i mitten och elektroner som snurrar runt den. Men den förklarar inte flera saker som, t.ex, varför fäster sig inte elektronerna direkt på kärnan? Så jag undrar om det finns någon bättre modell över atomen som förklarar mitt exempel. Tack!
/Oskar H, Cybergymnasiet, Malmö

Svar:
Oskar! Modellen som beskrivs i fråga 13733 - elektronfördelningen är som ett suddigt moln - är mer realistisk. Elektroner kan pga Heisenbergs obestämdhetsrelation inte stängas in i kärnan. Innan man upptäckte neutronen (1932) trodde man att atomkärnorna innehöll elektroner för att ge rätt kärnladdning. Det visade sig emellertid att obestämdhetsrelationen gjorde att elektroners rörelse inte kan begränsas till kärnan. När man upptäckt neutronen och förstått att en kärna består av Z protoner och N neutroner (där A=Z+N är masstalet) så var problemet löst: det krävdes inga elektroner i kärnan så de fick hålla sig på mycket större avstånd.

Oskar kom tillbaka med följande fråga:

Jag har försökt bli klok på varför man inte kan bestämma elektroners exakta position och varför de inte kan befinna sig i atomkärnan enligt Heisenbergs obestämdhetsrelation, men jag begriper mig inte på den. Kan ni förtydliga vad det egentligen obestämdhetsprincipen säger?

Oscar! Det var det konventionella svaret du fick, och jag håller med att jag kunde varit lite tydligare. Så låt oss först räkna lite.

Obestämdhetsrelationen ges av (Heisenberg_uncertainty_principle ):

Dx*Dpx = h/4p (1)

Om vi stänger in en elektron i en atomkärna så är Dx ungefär 10-15 m. Vi får då

Dp = 0.5*10-34/10-15 J*s/m = 0.5*10-19 N*s

För att få en bättre uppfattning om vad detta betyder gör vi om rörelsemängd p till energi E. Det relativistiska sambandet är (vi måste använda relativistiska samband eftersom hastigheten är hög)

E2 = (pc)2 + (mc2)2 (2)

Eftersom energin kommer att visa sig vara mycket hög så kan vi försumma elektronens viloenergi mc2 och får det enkla sambandet

E = pc (3)

(Detta är för övrigt även sambandet mellan energi och rörelsemängd för en foton.) Vi får

E = 0.5*10-19*3*108 N*s*m/s = 1.5*10-11 J = 1.5*10-11/(1.602*10-13) MeV = 100 MeV.

För det första kan vi konstatera att det var OK att försumma vilomassan för elektronen (0.511 MeV). För det andra ser vi att detta är en mycket hög energi och vi känner ingen kraft som är stark nog att hålla elektronen fångad. Coulombkraften räcker inte till på långa vägar - den ger det lägsta tillståndet (1s) i en atom på medelavståndet 10-10 m, vilket är fem storleksordningar större än atomkärnans utsträckning.

Små system som atomer och kärnor följer alltså inte de lagar vi är vana vid i vardagen. Två olika laddade klot attraherar varandra och kommer att fastna vid varandra. Elektroner följer emellertid kvantmekanikens lagar och måste bland annat lyda Heisenbergs obestämdhetsrelation.

Det är emellertid inte helt lätt att tolka vad kvantmekaniken säger oss om naturen. Se t.ex. Kvantmekanik#Exempel_p.C3.A5_tolkningar .

De flesta fysiker föredrar Köpenhamnstolkningen. Den sista, lite skämtsamma, "håll käft och räkna!" är inte heller så dum. Även om kvantmekaniken är svårförståelig så stämmer resultatet mycket bra med observationerna, och det är det viktigaste för en fysikalisk teori.

Länkarna 1 och 2 är svar på liknande frågor.

Man kan även resonera på ett annat sätt: om man stänger in elektronen i en låda om 2*10-15 m så måste våglängden vara högst 4*10-15 m (vågen måste ha en nod där potentialen blir oändlig). Vi får rörelsemängden

p = h/l = 6.6 10-34/4 10-15 = 2 10-19 N*s

vilket är av samma storleksordning som ovan.
/Peter E

Nyckelord: Heisenbergs obestämdhetsrelation [11]; kvantmekanik [27]; relativitetsteorin, speciella [41];

1 http://www.newton.dep.anl.gov/askasci/chem99/chem99283.htm
2 http://www.fnal.gov/pub/inquiring/questions/bob.html

*

Ljud-Ljus-Vågor [17245]

Fråga:
Hej. Jag har en fråga angående bildandet av elektromagnetisk strålning. frågan lyder:

Bildas det magnetiska fältet i strålningen av den exciterade elektronens rörelse, likt vad som händer induktion? Elektronen, som laddad partikel, rör sig ju fram och tillbaka och borde ge ett magnetfällt i åt ett håll och sen direkt efter åt det andra, och på så sätt skapa en våg eller puls.

Om det inte är så, hur är det i så fall?

Om det är så, hur kommer det sig att: * fotonen sprider sig i en enda riktning istället för att spridas ut som en ring? * våglängden för ett längre, mer energirikt, hopp blir kortare, fastän vägen är längre och den elektriska kraften mellan kärnan och elektronen borde vara mindre?
/Harald W, Polhemskolan, Lund

Svar:
Harald! Nej, du kan inte föreställa dig utsändning av elektromagnetisk strålning från en atom på det sättet. Utsändning av radiovågor från sändarens antenn kan man se som effekten av en laddning som rör sig fram och tillbaka och ger upphov till ett växlande elektriskt fält. Detta ackompanjeras sedan alltid av ett magnetfält som svänger i takt med det elektriska.

För en atom som sänder ut elektromagnetisk strålning är bilden i fråga 13733 bättre. Men kom ihåg att elektroner är laddade partiklar som styrs av kvantmekanikens lagar och inte små laddade biljardbollar.

Se vidare fråga 15035 och 186 .

En enstaka foton kan bara gå i en riktning. Om man har många fotoner kan fördelningen vara sådan att de går i alla riktningar.

Det är korrekt att energin är högre för kortare våglängd, se fråga 16939 .
/Peter E

Nyckelord: elektromagnetisk strålning [17];

*

Kraft-Rörelse [17313]

Fråga:
Vad resonans är ställer inte till några problem för oss i undervisningen. Däremot varför? Varför har svängande system en egenfrekvens? Hur förklarar man att amplituden i ett system kan öka så mycket när den påtvingade frekvensen överensstämmer med egenfrekvensen?
/Lena R, Lars Kaggskolan, Kalmar

Svar:
Hej Lena!

Först, jag tycker inte att ordet varför är bra när det gäller fysik. Man kan beskriva hur naturlagarna ser ut, men varför de just är som de är vet vi inte. Vi antar att naturlagarna inte varierar med tiden och platsen i universum, men det vet vi egentligen inte heller. Varför är för mig mer filosofi/religion än fysik.

Resonans är ett mycket vanligt fenomen i fysiken. Det förkommer både i klassisk fysik (t.ex. pendel, gitarrsträng, orgel) och dels i kvantmekaniken (t.ex. atomers absorption av vissa vågängder av elektromagnetisk strålning, kärnreaktioner).

Det är emellertid inte svårt att se hur resonans uppkommer. Man kan dela upp problemet i två delar: vilken egenfrekvens har systemet och varför påverkas det mer om frekvensen av påverkan är nära egenfrekvensen.

Vi kan ta en plan pendel (gunga) som exempel. Svängningstiden T ges av

T = 2p*sqrt[l/g]

(se fråga 14065 ). Härledningen, som finns i länk 1, är inte helt lätt, men utgår bara ifrån pendelns påverkan av tyngdkraften. Observera att perioden bara beror av pendelns längd l (och tyngdkraftaccelerationen g). Perioden beror alltså (i första appoximationen) inte på svängningens amplitud. Detta är viktigt för att systemet skall ha en konstant egenfrekvens. Om systemet inte har konstant frekvens skulle den förstärkta påverkan (resonans) försvinna.

I fråga 384 finns ett försök till förklaring varför påverkan av systemet är maximal vid egenfrekvensen (resonans).
/Peter E

Nyckelord: resonans [4];

1 http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/pend.html#c1

*

Värme [17401]

Fråga:
vilka tre temperaturskalor är de vanligaste som används i världen idag?

var används de tre skalorna?

vad betyder "den absoluta nollpunkten"?
/Michelle D, skiljeboskolan, västerås

Svar:
Michelle! De vanligaste temperaturskalorna är Celsius (oC), Fahrenheit (oF) och den absoluta skalan Kelvin (K, obervera inget o-tecken!). Användningen beskrivs mycket bra i länk 1. Länk 2 är en kalkylator som konverterar mellan olika skalor.

I fysiken använder man nästan uteslutande absoluta temperaturer (K). I de flesta länder är oC standard, men Storbritanien ger ofta även oF. I USA avänds fortfarande nästan uteslutande oF för väderrapporter.

Absoluta nollpunkten är den teoretiskt lägsta temperaturen som går att uppnå. Ur ett klassiskt perspektiv motsvarar absoluta nollpunkten den temperatur där atomernas och molekylernas vibrationer helt avstannar. Kvantmekaniken förbjuder dock via Heisenbergs obestämdhetsrelation en sådan situation – i stället ses absoluta nollpunkten som den temperatur där samtliga partiklar når sin lägsta energi, det vill säga befinner sig i grundtillståndet.

Internationellt har man definierat absoluta nollpunkten som 0 K på Kelvinskalan, eller −273,15°C på Celsiusskalan. Som utgångspunkt för definitionen har man använt sig av vattnets trippelpunkt vid 0,01°C (273,16 K). Vetenskapen har nått temperaturer mycket nära absoluta nollpunkten och där observerat kvantmekaniska effekter hos materia som exempelvis supraledning och suprafluiditet. Se Absoluta_nollpunkten .



/Peter E

Nyckelord: temperatur/temperaturskalor [16];

1 http://abyss.uoregon.edu/~js/glossary/temperature_scale.html
2 http://www.konvertera.nu/konvertera_temperatur.php

*

Ljud-Ljus-Vågor [17478]

Fråga:
Varför är vanligt fönsterglas transparent för UV-A, men släpper inte igenom kortare våglängder som UV-B och UV-C?
/Veckans fråga

Ursprunglig fråga:
Varför är vanligt fönsterglas transparent för UV-A, men släpper inte igenom kortare våglängder såsom UV-B och UV-C?
/ulrika e, risbergskaskolan, örebro

Svar:
Ulrika! Min favorifråga, varför? Svaret är som alltid: så är naturlagarna! Det är helt enkelt en egenskap hos glas att det är transparent för synligt ljus och för närliggande UV-A medan det absorberar de mer kortvågiga UV-B och UV-C. Genom att titta på problemet i ett mikroskopiskt perspektiv kan man emellertid säga lite om varför.

Vad är det som gör att ett material absorberar elektromagnetisk strålning av en viss energi? Fria atomer absorberar bara vissa våglängder (spektrallinjer), se fråga 176 . Vilka våglängder som absorberas beror på energinivåerna i atomerna och dessa beror på atomstrukturen. Atomstrukturen i sin tur beror på hur atomen är sammansatt, dvs kärnans laddning (som bestämmer vilket grundämne det är frågan om) och kvantmekanikens lagar.

Om det absorberande materialet är molekyler får man absorptionsband i stället för linjer. Orsaken är att man för molekyler även kan ha vibrations- och rotationstillstånd.

I vätskor och fasta ämnen är atomerna mycket nära varandra vilket medför att energinivåerna blandas ihop så man får kontinuerliga band av absorption. Det är detta som orsakar att olika material har olika färger (se t.ex. fråga 10888 ).

Det finns ju många olika sortes glas, en del som är färgade och alltså innehåller atomer som absorberar i synligt ljus. Fönsterglas är emellertid transparent för våglängder ned till och med UV-A, se nedanstående figur. Orsaken är helt enkelt att de tillgängliga energinivåerna ligger så högt i energi att det krävs kortvågig strålning (UV-B eller kortare) för att excitera nivåerna. Kortvågig strålning innebär ju stor energi enligt uttrycket

E = hv = hc/l

där E är strålningens energi, h och c konstanter och l är våglängden.

För mer om UV-ljus, speciellt om hur människan påverkas, se fråga 12865 .



/Peter E

Nyckelord: UV-ljus [11]; #ljus [63];

*

Partiklar [17518]

Fråga:
Neutrinooscillationer
/Veckans fråga

Ursprunglig fråga:
Hej! neutrinooscillation innebär att de olika neutrintyperna kan övergå i varandra, om jag läst rätt. Men de tycks ha olika vilomassor. Var kommer massan från om en lätt neutrin övergår till/i en tyngre? Från hastigheten(kinetisk energi blir massa)? Och om en tung omvandlas till en lätt, ökar den farten då eller vart tar massan vägen? Hur/När omvandlingen sker, är det bekant? /Hur bör jag förklara det för elever?!/
/Thomas Å, Knivsta

Svar:
Nobelpris i fysik 2015
Neutrinooscillationer
Takaaki Kajita, Arthur B. McDonald
”för upptäckten av neutrinooscillationer, som visar att neutriner har massa”

Neutrino: Neutrinon är en elementarpartikel, som tillhör gruppen leptoner och saknar elektrisk laddning. Den har halvtaligt spinn och är därför en fermion. Neutrinon har mycket liten massa och är universums mest förekommande partikel.

Neutrinooscillationer är ett fenomen i elementarpartikelfysiken som innebär att neutriner, som kan skapas och detekteras i tre väl definierade skilda slag (aromer) kan ändra karaktär på väg från källa till detektor.

Neutrinooscillationer kan inträffa om elektron-, myon- och tauneutriner har olika massa, vilket innebär att de inte alla kan vara masslösa. I partikelfysikens standardmodell är neutrinerna exakt masslösa. Vittnesbörd om neutrinooscillationer är därför ett tecken på ny fysik bortom Standardmodellen. (Från svenska Wikipedia)

Neutrinoocillation är ett kvantmekaniskt fenomen, och som vanligt när det gäller dessa är det svårt (på en fundamental nivå omöjligt) att förstå, se Neutrino_oscillations . Lite kan man dock förstå relativt enkelt:

De tre aromerna av neutriner är sammansatta av tre neutriner med olika massa (m1, m2 och m3):

|elektron> = e1|m1> + e2|m2> + e3|m3>
|myon> = m1|m1> + m2|m2> + m3|m3>
|tauon> = t1|m1> + t2|m2> + t3|m3>

Massdifferenserna mellan typ 1, 2 och 3 är mycket små - bråkdelar av eV. Energier hos typiska neutriner vi observerar är MeV eller GeV. Men det är den totala energin vi måste bevara - det finns inget som säger att vilomassan skall bevaras. Vi behöver alltså "fuska" med energier av storleksordningen meV när vi har MeV tillgängligt. För att uppfylla bevarandet av energin rör sig de olika egentillstånden (som ju har lite olika massor) med lite olika hastighet.

Det finns en klassisk mekanisk analog till neutrinooscillation: två kopplade pendlar, se Neutrino_oscillations#Classical_analogue_of_neutrino_oscillation .

Det finns andra exempel från kvantmekaniken där två tätt liggande nivåer blandas och förorsakar interferens och att systemet oscillerar mellan två mycket olika tillstånd.

I fråga 125 beskrivs en annan observation som tyder på att neutrinon har en vilomassa som är större än noll.
/Peter E

Nyckelord: kvantmekanik [27]; neutrino [18];

1 http://fof.se/tidning/2015/11/artikel/neutriner#overlay=tidning/2015/11/artikel/neutriner
2 http://www.svt.se/nyheter/vetenskap/nobelpriset-i-fysik-2015

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [17629]

Fråga:
Varför kan inte en diatomic molekyl snurra vinkelrätt runt sin egen axel samtidigt som det kan snurra parallellt med sin axel när det är som slaget av en foton som skulle kunna ta den till en annan energinivå.
/Angela K, Umeå universitet, Umeå

Svar:
Ett kvantmekaniskt system (till skillnad från ett klassiskt system) kan inte rotera kring en symmetriaxel. Se det så att i kvantmekaniken är det ingen skillnad mellan olika orientering kring symmetriaxeln.
/Peter E

*

Elektricitet-Magnetism, Materiens innersta-Atomer-Kärnor [17654]

Fråga:
Är det verkligen en relativistisk effekt att ett blybatteri har en spänning på 2V och inte 0.3V?
/Veckans fråga

Ursprunglig fråga:
Hej! I dagens tidning, UNT, nämns att elektronerna i en blyatom i ett bilbatteri måste hålla så hög fart för att inte dras in i kärnan att elektronmassan ökar relativistiskt, och det rätt mycket, och att detta medförde att energiutbytet kan vara så stort som det är. Fråga: Är det en vanlig kinetisk energi hos elektroner som bidrar till den elektriska? Och hur sker d e t?
/Thomas Å, Knivsta

Svar:
Hej Thomas! Du syftar på artikeln under länk 1. Att man behöver relativistiska korrektioner vid beräkningar av atomära nivåer är inget nytt. Detta gäller särskilt de innersta skalen. Det är däremot lite förvånande att relativitetskorrektionerna har så stor påverkan på elektriska egenskaper som ju styrs av de yttre skalen. Mer om detta nedan.

Som alltid vill jag emellertid varna för modellen att elektronerna är små laddade kulor som snurrar i banor kring kärnan och riskerar falla ner i densamma, se fråga 13733 och 17237 . Verkligheten är såpass annorlunda de bilder vi kan föreställa oss eftersom vår erfarenhet kommer från den makroskopiska världen där partiklar och vågor uppför sig "normalt".

För att "förstå" atomära system löser man en ekvation, schrödingerekvationen (SE), se Schrödinger_equation . För atomer som är mer komplexa än väteatomen är det inte trivialt att lösa SE och man tvingas till approximationer och omfattande iterativa processer.

SE tar inte hänsyn till relativistiska effekter, t.ex. att en elektrons massa beror av dess hastighet (speciella relativitetsteorin). Diracekvationen (Dirac_equation ) gör emellertid detta. Problemet är att den är ännu mer svårhanterlig.

Artikeln från Uppsala universitet (länk 2 är en light-version, originalartikeln är bitvis rätt svår att förstå för icke-specialister) redovisar en beräkning av energinivåerna i bly både icke-relativistiskt och relativistiskt. Man kan med den relativistiska lösningen mycket bra reproducera EMS (fråga 17476 ) för ett blybatteri. Den icke-relativistiska lösningen avviker emellertid väsentligt från de c:a 2V man observerar.

För tenn (som ligger ovanför bly i det periodiska systemet och borde likna bly) är den relativistiska effekten mycket mindre, vilket medför att tennbatterier är ganska värdelösa eftersom EMS är mycket liten. Anledningen är att tenn har betydligt lägre kärnladdning än bly (50 respektive 82), vilket innebär att elektronerna rör sig långsammare i tenn.

Det visar sig från räkningarna att det är framför allt 6s nivåerna (6s är bland valens-nivåerna i bly) som påverkas av relativistiska effekter. Eftersom s motsvarar rörelsemängdsmomentet 0 har dessa elektroner en liten men dock sannolikhet att befinna sig nära atomkärnan. På grund av blys höga kärnladdning rör de sig då mycket snabbt, och relativistiska effekter blir stora. Ökningen i elektronens massa gör att orbitalen krymper och fördelningen hos elektronmolnet förskjuts in mot kärnan.

Sammanfattningsvis beror effekten på att relativistiska effekter för elektroner nära blykärnan påverkar valensnivåerna, vilka i sin tur bestämmer EMS för blybatteriet.

Jag tycker artikeln är intressant av flera skäl:

  • Att man med grundläggande kvantmekanik kan beräkna makroskopiska storheter.
  • Relativistiska effekter är inte alltid små och knappt mätbara korrektioner.
  • Att man kan räkna på molekyler och joner.

Den relativistiska kontraktionen av 6s orbitalen förklarar även varför guld glimmar gult och varför guld är så lite reaktivt: What Gives Gold that Mellow Glow? . Se fråga 14685 för fler experimentella stöd för den speciella och allmänna relatiovitetsteorin.

Slutligen kan jag inte låta bli att citera den avslutande meningen i artikeln: Finally, we note that cars start due to relativity .
/Peter E

Nyckelord: kvantmekanik [27]; batteri [25]; relativitetsteorin, speciella [41];

1 http://www.unt.se/uppsala/kravs-en-einstein-for-att-starta-bilen-1220168.aspx
2 http://focus.aps.org/story/v27/st2

*

Energi, Materiens innersta-Atomer-Kärnor [17662]

Fråga:
Kall fusion på italienska
/Veckans fråga

Ursprunglig fråga:
Hej! Jag undrar vad du tror om den senaste rapporten om kall fusion? Vad är nytt jämfört med det som kom upp 1989?
/Arne S

Svar:
Det finns både likheter och skillnader. Likheten är att man presenterar nyheten på en presskonferens och förbigår den normala proceduren att publicera en fullständig rapport i en refereegranskad tidskrift. Den största skillnaden är att man föreslår en helt annan typ av fusion än vätefusion, nämligen fusion mellan väte och nickel. Mer om detta nedan.

Två italienska forskare, Focardi och Rossi, har den 14 januari 2011 demonstrerat en apparat som under en timme levererat en effekt på 12 kW med en input-effekt på 400 W. Hur apparaten är konstruerad säger man inte (av patentskäl), men den innehåller nickel och väte. Se NyTekniks artikel (länk 1) och nedanstående bild på apparaten (från länk 2).

Om funktionen hos apparaten verkligen är vad man hävdar är detta utan tvekan den största uppfinning som mänskligheten någonsin åstadkommit -- den skulle utgöra en i praktiken outsinlig källa till energi. Problemet är att det är ganska säkert inte sant eftersom det skulle kräva en fundamental ändring i fysikens lagar som vi uppfattar dem i dag. Detta är mycket likt Randell Mills idéer (fråga 14237 ) om ett nytt grundtillstånd i väte som kan utnyttjas som energikälla.

Uppgifter om data för demonstrationen är ganska vaga, men vi använder följande som approximationer för nedanstående överslagsberäkningar:

Tid för fortfarighetstillstånd i demonstrationen: 1 timme
Nettoeffekt (Put-Pin): 10 kW
Mängd väte förbrukat: 1 g
Flöde av vatten: 4.9 g/s

Vi antar dessutom i fortsättningen att sedan många decennier etablerade lagar i kärnfysiken gäller.

Artikeln av och Focardi och Rossi

Uppfinningen kallas energikatalysator (Energy Catalyser Boiler), men kunde även kallats evighetsmaskin. Det senare namnet kunde emellertid ställa till problem vid patentansökan .

Artikeln (länk 2) har refuserats i flera tidskrifter. I stället har författarna skapat en ny (webb)tidskrift kallad Journal of Nuclear Physics där ett antal märkliga artiklar publicerats.

Artikeln har flera av de i fråga 14237 listade kriterierna på pseudovetenskap. Mycket i artikeln är korrekta men triviala textboksfakta som t.ex. inledningen om bindningsenergi för atomkärnor och diskussionen om kvantmekanisk tunnling mot slutet.

Det som brister är emellertid beskrivning av apparaten. Det som i normala artiklar kallas experimentella procedurer saknas helt. Detta är helt i strid med det vetenskapliga arbetssättet (fråga 14237 ): alla experimentella resultat skall kunna reproduceras. Vem som helst skall alltså kunna upprepa experimentet och få samma resultat, men detta kan man ju inte göra utan en detaljerad beskrivning.

I diskussionen mot slutet i artikeln förklaras barriärpenetreringen med någon effekt att elektron och proton kommer mycket nära varandra. Elektronen skulle då skärma protonens laddning och protonen skulle därmed inte utsättas för en repulsiv coulombbarriär. Det skulle kanske kunna bli en ny film: Honey, I Shrunk the Hydrogen Atom (jämför Honey,_I_Shrunk_the_Kids ), men någon ny energikälla är det knappast.

Det finns andra märkligheter i artikeln där författarna visar att deras kunskaper i kärnfysik är mycket begränsade. I stället för att i detalj dissikera artikeln och utvärderingsrapporten (som också finns under länk 2) gör vi några enkla beräkningar.

Kemisk energi från väte

Energipotentialen från väte (den energi man maximalt kan få ut av en massenhet väte genom kemiska reaktioner) är enligt figuren i fråga 17516 drygt 140 MJ/kg. Från ett gram väte kan man alltså få ut 140 kJ. Om vi dividerar detta med den utvecklade medeleffekten får vi

(140 kJ)/(10 kJ/s) = 14 sekunder.

1 g väte skulle alltså räcka i 14 sekunder - långt från en timme som demonstrationen varade. Kemiska reaktioner med väte kan alltså inte förklara energiutvecklingen.

Strålning från fusion

Den mest förekommande nickelisotopen är 58Ni. Den dominerande fusionsreaktionen bör då vara:

1H + 58Ni -> 59Cu

Denna reaktion har Q-värdet 3.4 MeV. Det betyder att den exciterade 59Cu kärnan måste på något sätt göra sig av med 3.4 MeV för att hamna i sitt grundtillstånd. Det enda kända processen för detta är genom gammasönderfall. 59Cu är radioaktiv och sönderfaller med halveringstiden 80 s med b+-sönderfall:

59Cu -> 59Ni + e+ + v

Q-värdet för sönderfallet är 4.8 MeV. Totala utvecklade energin per reaktion är då 3.4+4.8=8.2 MeV. Detta värde är helt i linje med den maximala bindningsenergin per nukleon i figuren i fråga 1433 på drygt 8 MeV.

59Ni är mycket långlivat så vi kan bortse från det sönderfallet. Vi bortser även att en del energi försvinner ut ur systemet i form av neutriner.

Antal fusionsreaktioner som krävs per sekund för att generera 10 kW:

(10*103 [J/s])/(8.2 MeV * 1.6*10-13 [J/MeV]) = 0.8*1016 /s

För varje fusion med 58Ni får vi även ett sönderfall av 59Cu. Vi har alltså minst 2*0.8*1016=1.6*1016 gammasönderfall/s.

Aktiviteten blir 1.6*1016/(3.7*1010)=4.3*105 Ci.

Detta är en enorm aktivitet. I Curie sägs att

A radiotherapy machine may have roughly 1000 Ci of a radioisotope such as cesium-137 or cobalt-60. This quantity of nuclear material can produce serious health effects with only a few minutes of exposure.

Den visade apparaten är alldeles för liten för att innehålla tillräckligt med strålskydd. Alla närvarande borde alltså ha fått en dödlig stråldos. Man har dessutom mätt med strålningsdetektorer och konstaterat att strålnivån inte överstiger bakgrundsnivån.

Ett annat problem är att om en stor andel av gammastrålningen slipper ut, så blir det för liten effekt för att skapa apparatens påstådda positiva nettoeffekt.

Strålskydd/infångande av energi

Om fusionen sker med etablerade lagar så kommer energin i huvudsak ut i form av gamma-strålning. Låt oss se hur mycket strålskydd man behöver för att fånga in så mycket strålning att det inte är farligt att gå nära apparaten. Observera att man måste ändå stoppa det mesta av strålningen för att kunna ta tillvara energin.

Halveringstjockleken för bly för gammastrålning med energin 2-4 MeV är c:a 20 g/cm2. Med blys densitet 11 g/cm3 blir halveringstjockleken i cm

20 g/cm2/(11 g/cm3) = 2 cm

Med aktiviteten ovan på 4*105 Ci och en rimlig säker nivå på 1 mCi (som en vanligt lab-preparat) får vi en absorptionsfaktor på

1*10-6/(4*105) = 2.5*10-12

Vi antar vi behöver x halveringstjocklekar:

2-x = 2.5*10-12

(-x)*log10(2) = log10(2.5) -12

(-x)*0.30 = 0.40 -12 = -11.6

x = 11.6/0.3 = 39

Vi behöver alltså ett blyskydd på 39*2 = c:a 80 cm för att få ett säkert strålskydd! Detta hade man uppenbarligen inte vid demonstrationen!

Energi från fusion

Antag att vi har 0.8*1016 fusionsreaktioner per sekund (se ovan). 1 g väte är 1 mol väte. 1 g väte innehåller 6.022*1023 väteatomer. Konstanten är Avogrados tal. 1 g väte räcker då i

6*1023/(0.8*1016) = 7.5*107 s = 21000 timmar. Energipotentialen i 1 g väte vid fusion är alltså mer än tillräcklig.

Demonstrationen av nettoeffekten på 10 kW

Apparaten värmer vatten från 13oC till 100oC (DT=87 K). Enligt fråga 14203 är vattens specifika vämekapacitet 4.18 J/gK. Sedan förångas vattnet (kräver 2260 J/g). Med vattenflödet 4.9 g/s får vi den utvecklade effekten

(4.9 [g/s])*(4.18 [J/(g*K)]*87 K + 2260 [J/g]) = (1.8+11.1)*103 = 12.9 kW

vilket är nära den påstådda effektutvecklingen.

Sammanfattning och slutsats

Om den uppvisade apparaten skulle fungera krävs en fullständig revision av våra kunskaper om atomkärnor. Artikeln är dessutom av pinsamt låg kvalité med många tecken på pseudovetenskap. Att artikeln refuserats i flera tidskrifter visar bara att refereesystemet fungerar bra.

Det finns tre alternativ för den s.k. energikatalysatorn:

  1. Den fungerar som beskrivet och uppfinnarna blir rika som troll (osannolikt)
  2. Man har gjort ett oavsiktligt misstag (knappast, eftersom den påstådda effekten är mycket stor)
  3. Det är ett medvetet bedrägeri för att lura till sig riskkapital (troligaste; detta är numera tyvärr ganska vanligt)

Låt oss fundera på om den utvecklade effekten på 10 kW är rimligt. En normal spisplatta utvecklar c:a 1 kW. När den varit igång en stund är det lätt att känna värmen från plattan om man står inom c:a 1 meter. Effekten 10 kW (som ju måste ta vägen någonstans) borde vara märkbar för alla som var i rummet vid demonstrationen - det borde blivit varmt som i en bastu! Inget sägs emellertid om att det blev varmt i rummet.

Vart tog energin vägen då? Lagrades i apparaten? Nej, det finns inget material med så hög specifik värmekapacitet att det skulle vara möjligt. Försöket är alltså inte enbart tvivelaktigt vad gäller våra kunskaper i kärnfysik. Det verkar även som om apparaten strider mot fysikernas heligaste lag: lagen om energins bevarande.

Man skall inte avslöja trollkarlens trick, men jag har ett förslag till lösning av mysteriet. Det sägs ingenstans, och syns ingenstans i videor och på bilder vad man gör med ångan som genereras. Om denna kondenseras inne i apparaten och släpps ut som vatten återfås ångbildningsvärmet. Enligt ovan används huvuddelen av effekten till att förånga vattnet, så återvinning skulle göra att man kan få en effektbalans utan att blanda in fusion.

Det finns många saker som tyder på att energikatalysatorn inte kan fungera som man hävdar. För mig är de viktigaste problemen avsaknaden av tydlig netto-effektutveckling och avsaknaden av gammastrålning.

Energiutveckling:
Vart tog den utvecklade energin (i första hand i form av vattenånga) vägen under demonstrationen? Kan man verkligen vara säker på att allt kylvatten förångades? Den mesta energin upptas genom ångbildningsvärmet, så det är helt avgörande att visa att allt vatten i form av vattenånga tas ut ur systemet.

Kärnfysikproblem:
I artikeln (länk 1) sägs att det är frågan om fusion mellan nickel och väte till isotoper av koppar. Man hävdar även (utan någon beskrivning av metoden) att man detekterat ett från det naturliga förhållandet avvikande värde på isotopförhållandet för kopparisotoper.

Var och en med elementära kunskaper i kärnfysik kan se ett antal problem med Rossis demonstration och beskrivning.

  1. I tabell 3 i Rossis artikel anges den totala utvecklade energin (Q-värdet) för vätefusion med 58Ni till 41.79 MeV. Detta är totalt felaktigt, det korrekta värdet är 8.2 MeV. Det senare värdet är i god överenskommelse med bindningsenergin per nukleon i detta område, se figur 1 i artikeln.

  2. Coulomb-barriären för en proton mot nickel är av storleksordningen 1 MeV. Transmissionen beräknad med etablerade kvantmekaniska metoder är nästan noll - ett faktum som även Rossi konstaterar i artikeln. Det är svårt att se hur den kemiska miljön skulle väsentligt kunna påverka kärnans Coulomb-barriär.

  3. Även om man accepterar att barriärpenetrationen inte är något problem så är det svårt att se hur den resulterande kärnan överför sin överskottsenergi till omgivningen utan gammastrålning.

  4. Det finns absolut inget skäl att den bildade radioaktiva 59Cu-kärnan skulle sönderfalla på ett helt annorlunda sätt än vad som är väl etablerat. Man borde alltså detektera gammastrålning och annihilationsstrålning.

  5. I fusionen med 58Ni bildas en stor aktivitet av 59Cu (av storleksordningen 1016 Bq, se ovan) som b+-sönderfaller till 59Ni med en halveringstid på 82 sekunder. I artikeln sägs att "No radioactivity has been found also in the Nickel residual from the process". Med tanke på den mycket höga aktivitet som måste ha producerats när energikatalysatorn kördes är detta uttalande ytterst förvånande: det borde vara lätt att verifiera produktionen av 59Cu genom att detektera gammastrålning.

Diskussion
För nästan exakt 100 år sedan (7 mars 1911) presenterade Rutherford sin modell av atomen med en mycket liten kärna (10-15 m) som innehåller nästan hela atomens massa och elektroner som rör sig omkring kärnan inom ett område på c:a 10-10 m. Sedan dess har ett stort antal experimentalister med sofistikerad utrustning och teoretiker med kraftfulla datorer studerat atomkärnans egenskaper. I dag måste man säga att vi förstår atomkärnan mycket väl. Det är svårt att tro att 100 års forskning om atomkärnan är så bristfällig som punkterna ovan indikerar.

Vad gäller tunnlingen skulle man kunna tänka sig att elektroner på något sätt skärmar barriären och släpper in protonen. Problemet med detta är att Heisenbergs obestämdhetsrelation förbjuder elektroner att vistas en längre tid i ett så litet område som atomkärnan. Denna förklaring skulle alltså på ett grundläggande sätt förändra kvantmekaniken som vi känner den.

En annan förklaring av tunnlingen som framförts (Widom-Larsen Theory Portal ) är att protonen växelverkar med en elektron och förvandlas till en neutron och en neutrino (neutronen är ju neutral och har inga problem att ta sig in i kärnan):

p + e- -> n + v

Denna reaktion är fullt tillåten, men problemet är att den sker med den svaga växelverkan och har därmed en mycket liten sannolikhet. Om man vill använda ovanstående reaktion i förklaringen måste man väsentligt modifiera den väl etablerade teorin för den elektrosvaga växelverkan. Dessutom borde man vänta sig att en del av de bildade neutronerna "smiter ut". De skulle då reagera med omgivningen och ge upphov till lätt detekterbar gammastrålning.

I punkterna 3, 4 och 5 ovan är problemet att man i Rossis försök inte observerar någon gammastrålning. En förklaring som framförts är att gammastrålningen från kärnan på något (magiskt?) sätt förvandlas till värmestrålning. Detta är något som aldrig observerats och det står helt i strid med vad vi vet om elektromagnetisk strålning.

Bakgrundsmätning
Om man verkligen vill visa att energikatalysatorn fungerar borde man göra en blind bakgrundstest: Enligt Rossis artikel är vätet nödvändigt för att apparaten skall producera energi. Låt en oberoende person kontrollera väteflödet utan att konstuktörerna vet om flödet är på eller av. Kontrollera att energiproduktionen är fullständigt korrelerad med vätetillförsel.

Låt oss avsluta med ett citat från Carl Sagan: Extraordinary claims require extraordinary evidence.

Bra sammanfattning av Göran Ericsson, Uppsala universitet: Kall fusion i Italien
En uppdaterad diskussion av Peter Ekström: Kall fusion på italienska
Kjell Alekletts synpunkter och diskussionsforum (på engelska): Rossi energy catalyst – a big hoax or new physics? .



/Peter E

Nyckelord: kall fusion [7]; pseudovetenskap [9]; nyheter [11];

1 http://www.nyteknik.se/nyheter/energi_miljo/energi/article3073394.ece
2 http://fragelada.fysik.org/resurser/Rossi-Focardi_paper.pdf

*

Kraft-Rörelse [18042]

Fråga:
I en fysikbok om vågrörelse lära som jag läser som komplement till fysik b boken står det att hookes lag skrivs som F=-kx-k2x^2-k3x^3.... under detta står det att k,k2,k3 är fjäder konstanter. Men i problemet de diskuterar(harmonisk svängningsrörelse) så finns det bara en fjäder ju!? hur går det ihop?

P.s De förkastar visserligen de ickelinjära termerna. Men innebär denna formulering att konstanten ändras ju mer man drar ut den?
/David L, Kunskapsgymnasiet, Västerås

Svar:
Hookes lag säger att återställande kraften F är proportionell mot avvikelsen från jämviktsläget x

F = -k*x

där k är en konstant. Minustecknet betyder att kraften är motriktad avvikelsen från jämviktsläget. För små avvikelser x gäller ovanstående för många elastiska system. Materialet sägs då uppföra sig lineärt (ovanstående är ju av första graden i x).

För större avvikelser kan kraften avvika från det linjära sambandet. För att korrigera för detta lägger man helt enkelt till korrektionstermer av olika grad i x med faktorer k2, k3... som anpassas så att kraftverkan reproduceras så bra som möjligt.

Ja, ovanstående är ett sätt att hantera att konstanten k ändras med avvikelsen. Det betyder i sin tur att uträkningen av en svängning, se fråga 14264 , blir mycket svårare.

Hookes lag enligt ovan ger potentialen

U = k*x2/2

Denna används som approximation i många sammanhang, t.ex. i kvantmekanik. Potentialen kallas harmonisk oscillator.

Perioden för en harmonisk svängning

T = 2p*(m/k)1/2

härleds i fråga 14264 .

Se vidare Hooke's_law och länk 1.
/Peter E

Nyckelord: harmonisk svängning [4];

1 http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/shm2.html

*

Kraft-Rörelse [18678]

Fråga:
Hej! Jag har nu haft en laboration i fysik B där syftet var att bevisa bevarelselagen för rörelsemängd. Vi använde oss av en luftkuddebana för att minimera felkällor men har ändå fått lite konstiga resultat. Vid ett av våra försök fick vi fram att ju mer hastigheten minskade efter en stöt desto mindre minskar rörelsemängden. Det här låter inte alls rimligt. Vad kan detta bero på? Kan det vara felkällor som luftmotstånd? Vi utförde liknande försök ytterligare tre gången och där fick vi rimliga svar. Hur kommer det sig då att felkällor inte verkade här? Tack på förhand
/Sandra Y

Svar:
Sandra! En grundläggande egenskap hos fysikens lagar är att man alltid får samma resultat när man upprepar ett experiment. Vi förutsätter att det inte är försök på atomär nivå, för där gör kvantmekaniken det lite mer komplicerat.

Utan att veta exakt vad ni gjort kan jag inte säga vad som gått snett. Eftersom rörelsemängden är m*v och m är konstant måste rörelsemängden och hastigheten ändras med samma förhållande.
/Peter E

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [18711]

Fråga:
Hej!

Jag vet att strålning (ex: fjärrfältet av laddade partiklar i rörelse, röntgenstrålning och gammastrålning) alla kan beskrivas som både fotoner och som ELEKTROMAGNETISKA vågor.

Jag vet också att andra partiklar än fotonen kan beskrivas som vågor (våg-partikeldualiteten). En neutron eller en elektron kan ju beskrivas som vågor, vilket de ofta gör inom kvantmekaniken. Min fundering är dock:

Vågen som beskriver partiklar, andra än fotonen, är de också elektromagnetiska vågor? Alltså; kan en proton (partikeln i sig) beskrivas med en elektromagnetisk våg eller är det en annan sorts våg?

MVH Robin
/Robin K, Lunds Universitet, Lund

Svar:
Våg-partikeldualitet innebär att elektromagnetisk strålning (till exempel ljus) och materia (i praktiken små massor, till exempel elementarpartiklar, atomer och molekyler) uppvisar både vågegenskaper och partikelegenskaper. Denna dualitet behandlas inom kvantmekaniken. (Våg-partikeldualitet )

Exempel på vågegenskaper för elektromagnetisk strålning är interferens (fråga 965 ). Maxwells ekvationer (fråga 13822 ) beskriver elektromagnetisk strålning som en vågrörelse. Den fotoelektriska effekten (fråga 19245 och 186 ) och comptoneffekten (fråga 12701 ) kan emellertid bara förklaras med partikelegenskaper.

Vågfunktionen som beskriver hur partiklar rör sig får man oftast fram genom att lösa schrödingerekvationen. Denna funtion är komplex och absolutkvadraten tolkas som sannolikheten för att partikeln skall befinna sig i en viss punkt. Dessa "sannolikhetsvågor" har inget alls att göra med elektromagnetisk strålning, de har antagligen inte ens någon plats i den fysikaliska verkligheten utan är teoretiska konstruktioner som kommer ut ur kvantmekaniska räkningar.

Se vidare den omfattande och lite mer avancerade artikeln Wave–particle duality .
/Peter E

Nyckelord: kvantmekanik [27]; schrödingerekvationen [4];

*

Kraft-Rörelse [18900]

Fråga:
Hej! Jag har lärt mig på universitetet i grundläggande mekanikkurser att partiklar som rör sig i cirkelbana endast påverkas av en centripetalkraft som måste utgöras av en annan kraft, och att denna kraft håller kvar partikeln i en ständigt accelererande cirkelbana. Nu under TVÅ olika kurser i kvant-/modern fysik har båda mina föreläsare i dessa kurser hävdat att en laddad partikel (runt atomkärna resp i partikelaccelerator) påverkas av en inåtriktad kraft (pga coulumbkraft resp magnetfält) och en utåtriktad centrifugalkraft och att dessa måste balansera varann... Jag tycker att mina föreläsare i kvant-/ modern fysik har fel, eftersom denna bild inte stämmer med min tidigare. Jag har frågat föreläsarna, vänner, sökt på internet men inte fått något svar på dessa två motsatta förklaringar. Finns det två sätt att se på saken eller har jag missat något? Jag är mycket tacksam för svar! /Hälsningar Maria
/Maria I, Uppsala universitet, Uppsala

Svar:
Maria! Du har rätt i att man klarar sig utmärkt utan centrifugalkraft. Centripetalkraften som kan orsakas av spänningen i ett snöre, ett magnetfält, ett elektriskt fält eller ett gravitationsfält tvingar partikeln att accelereras in mot centrum så att den får en cirkelbana. För att åstadkomma en acceleration a hos en kropp med massan m erfordras en nettokraft F enligt F=m*a. Om du inför en lika stor utåtriktad kraft blir det ingen nettokraft och ingen acceleration.

Du kan införa en centrifugalkraft om du väljer ett koordinatsystem som rör sig med din partikel. Detta är rimligt för att förklara vad som händer inne i en bil som går genom en kurva. För subatomära system är detta val av koordinatsystem inte särskilt praktiskt.

I kvantmekanik använder man sig dessutom över huvud taget inte av krafter utan potentialer. Dessutom kan man inte se elektronerna i atomer som små laddade partiklar som rör sig i banor runt atomkärnan,se fråga 13733 .

Se vidare en detaljerad utläggning om centrifugalkraft i fråga 15272 .
/Peter E

Nyckelord: centrifugalkraft [15]; kvantmekanik [27]; centripetalkraft [11];

*

Blandat [19032]

Fråga:
Kvantvärlden är ju slumpmässig. Gäller detta även den "klassiska" världen?
/Veckans fråga

Ursprunglig fråga:
Inom den verkligt lilla världen vars lagar studeras inom kvantmekaniken råder ju en grundläggande slumpmässighet, definierad genom Heisenbergs osäkerhetsprincip.

Att vi inte kan förutsäga utgången av t.ex. ett tärningskast, eller vädret under en längre tid framåt ("fjärilseffekten", kaos) brukar också diskuteras i termer av slumpmässighet, men dock på ett högre och inte lika grundläggande nivå.

Det skulle kanske vara möjligt att konstruera en maskin som utförde det perfekta tärninskastet, men även detta skulle väl då egentligen vara omöjligt, beroende på den grundläggande inneboende slumpmässigheten i världen, definierad inom kvantmekaniken?

Hur hänger detta ihop?

Världen är i grunden icke deterministisk. Följer av detta att ALLT skulle kunna inträffa? Detta är fallet inom termodynamiken. Att vi aldrig upplever det, beror då på att det är så oerhört osannolikt.

Det är teoretiskt sett möjligt att gå igenom en vägg (tunnling), men sannolikheten för att makroskopiska föremål ska göra det är så oerhört liten, så att vi inte behöver ta det i beaktande. Dock, strikt matematiskt, finns det en möjlighet. Givet oändlig tid och oändliga försök.....? Innebär detta då inte att egentligen "ingenting är helt säkert"?

De fluktuationer och den osäkerhet som finns på kvantnivå brukar förklaras som att de "tunnas ut" alltefter som vi förflyttar oss upp till den nivå i rummet som vi är vana vid. Kvantmekanikens effekter gäller endast mycket korta avstånd. (Tanken på universums skapelse ur ingenting är sprunget ur detta.) Men borde inte dessa effekter om än MYCKET osannolikt kunna påverka även vårt storskaliga universum idag? Alltså - mycket teoretiskt - är det verkligen t.ex. helt säkert att solen går upp imorgon eller kan osäkerheten inom den lilla världen ge effekter?
/Fredrik O, Kungsholmen, Stockholm

Svar:
Fredrik! Blev lite filosofiskt det där . Se fråga 951 för en diskussion om determinism.

Ja, man kan antagligen se en yttring av av slumpmässighet som överlevt från Big Bang. Temperaturvariationerna i den kosmiska bakgrundsstrålningen (se fråga 705 ) kan vara slumpmässiga s.k. vakuumfluktuationer (se fråga 11001 ) från före den supersnabba expansionen (inflationen) 10-38 sekunder (se fråga 17472 ) efter Big Bang.

Nedanstående bild från rymdsonden Planck (länk 1) visar de senaste resultaten på "grynigheten" hos universum när det var 380000 år gammalt.

Den största enhet jag vet man visat att den uppför sig kvantmekaniskt slumpmässigt är fullerener genom en dubbelspalt, se fråga 1807 .

Slumpmässighet och obestämbarhet förekommer inte bara i kvantmekaniska system. Det finns även många klassiska system som är kaotiska, se t.ex. fråga 17160 om planeternas rörelse i solsystemet.

Kvantmekanikens räknelagar fungerar oberoende av massa och energi. Det är bara att kvantmekaniska effekter blir mycket små med makroskopiska värden på massan.

Korrespondesprincipen innebär att kvantmekaniska effekter övergår i klassiska värden för höga kvanttal, se Correspondence_principle :

The rules of quantum mechanics are highly successful in describing microscopic objects, atoms and elementary particles. But macroscopic systems, like springs and capacitors, are accurately described by classical theories like classical mechanics and classical electrodynamics. If quantum mechanics were to be applicable to macroscopic objects, there must be some limit in which quantum mechanics reduces to classical mechanics. Bohr's correspondence principle demands that classical physics and quantum physics give the same answer when the systems become large.


/Peter E

Nyckelord: kaos [3]; kosmisk bakgrundsstrålning [15]; kvantmekanik [27];

1 http://sci.esa.int/science-e/www/object/index.cfm?fobjectid=51551
2 http://pespmc1.vub.ac.be/CHAOS.html

*

Kraft-Rörelse [19092]

Fråga:
Hej! Jag undrar om det finns en minsta tid? Eftersom det finns ett minsta avstånd (Planck-längd) och eftersom ingenting kan färdas snabbare än ljuset så kanske det finnas en minsta tid? I så fall är kanske: Minsta tid = tiden det tar en foton att färdas en Planck-längd
/Andreas M, Hässelby Villastads skola, Hässelby

Svar:
Inte en minsta tid men en naturlig enhet.

Planck_time : the Planck time is the unit of time in the system of natural units known as Planck units. It is the time required for light to travel, in a vacuum, a distance of 1 Planck length. Värdet är 5.4*10-44 s.

För att beskriva universum med ålder mindre är plancktiden krävs en ny teori som omfattar både kvantmekanik och gravitation.
/Peter E

*

Ljud-Ljus-Vågor [19245]

Fråga:
Vad har den fotoelektriska effekten gjort för mänskligheten? Jag googlade och läste i böcker men det är lite svårt att hitta.. Min lärare ställde den frågan och det endaj ag har hittat är att den fotoelektriska effekten används i solceller... har ni någon bra förklaring till vad effekten används till? tacksam för svar!
/Sarah M, Kunskapsgym., Malmö

Svar:
Sarah! Gjort för mänskligheten är kanske att ta i...

Einsteins tolkning av den fotoelektriska effekten (se fråga 2931 ) var mycket viktig för kvantmekanikens utveckling. Se fysik, nytta med för allmänna funderingar om nytta med fysik.

I solceller, se fråga 16133 , blir elektronerna inte fria så det är inte riktigt fotoelektrisk effekt.

Att googla kan fungera ibland, men det är svårt att från resultatet bedöma vad som är bra. Den bästa startpunkten är ofta Wikipedia (den engelska, den svenska är när det inte gäller svenska förhållanden mycket underlägsen). Här finns några tillämpningar av den fotoelektriska effekten: Photoelectric_effect#Uses_and_effects

Fotomultiplikator Photomultiplier
Bildsensorer i tidiga TV-kameror Photoelectric_effect#Image_sensors
Elektroskop Photoelectric_effect#Gold-leaf_electroscope
Fotoelektronspektroskopi Photoelectric_effect#Photoelectron_spectroscopy



/Peter E

Nyckelord: fotoelektrisk effekt [7];

1 http://homepage.lnu.se/staff/pkumsi/OXF/LabbFotoEffekt.html

*

Blandat [19332]

Fråga:
Hej!

Min fråga berör kvantdatorer. Man talar om att dessa kommer att kunna lösa matematiska problem mycket snabbare än "vanliga" datorer. Vad är det som gör att kvantdatorerna är överlägsna den vanliga datorn, och hur fungerar de?
/Rukhsar M, Fria gymnasieskolan, Handen

Svar:
Hej Rukhsar! Det är inte helt lätt att beskriva vad en kvantdator är. Den har i sin än så länge mycket enkla form ett par egenskaper som skiljer den från normala datorer.

Kvantdator är en än så länge hypotetisk dator som använder kvantmekanik för att utföra vissa specifika typer av beräkningar potentiellt mycket snabbare än dagens datorer. För generella beräkningar kommer kvantdatorer antagligen vara långsammare än dagens datorer. (Kvantdator , Quantum_computer )

Kvantdatorer har möjligen potential att lösa vissa problem snabbare än vanliga datorer - t.ex. tunga kvantmekaniska beräkningar av stora molekyler och att bryta kryptering.

En sak som utmärker en kvantdator är att man inte opererar med bits utan med qbits (Quantum bits). Nedanstående figur (Quantum_computer#Bits_vs._qubits ) illustrerar skillnaden. Överst visas hur en bit representeras som 1 (spinn upp) eller 0 (spinn ner). Ett register med fyra bitar i en vanlig dator kan representera talen 0-7, se exemplet i mitten av figuren där talet 5 representeras binärt. Qbits kan, se längst ner i figuren, representera både |1> och |0> samtidigt med olika sannolikhet. Värdet blir då 4-5 beroende på komplexa koefficienter framför |>.

En annan effekt man kan utnyttja i en kvantdator är Kvantmekanisk sammanflätning (entanglement). Detta fenomen kan påvisas inom kvantfysiken. Fenomenet innebär att om två eller fler partiklar är sammanflätade kommer ändringar av den ena av partiklarna omedelbart att medföra att egenskaperna för den andra partikeln ändras – oavsett hur långt det är mellan dem. Detta att observationen ändrar vågfunktionen kallas att vågfunktionen kollapsar, se fråga 14183 .

Se vidare länk 1, 2 nedan och Vetenskapens värld 2014-03-03:
http://www.svtplay.se/video/1861150/del-7-av-18-kvantvarldens-nya-ingenjorer



/Peter E

Nyckelord: vågfunktion [2];

1 http://www.nordichardware.se/Forskning/google-testar-sin-kvantdator-upp-till-35-000-ganger-snabbare-problemloesning.html
2 http://computer.howstuffworks.com/quantum-computer.htm

*

Elektricitet-Magnetism [19430]

Fråga:
Vad gör vissa ämnen supraledande?
/Veckans fråga

Ursprunglig fråga:
Hej, jag undrar vad som gör vissa ämnen supraledande? Måste det finnas en halvmetall med? Och varför blir ämnen bara supraledande vid låga temperaturer? Tacksam för svar!
/Johanna L

Svar:
Wikipedia (Supraledare ) definierar supraledning:

Supraledning är ett fenomen i fasta tillståndets fysik som uppträder under en viss kritisk temperatur (ofta betecknad Tc) i vissa material. Ett supraledande material karakteriseras av sin oändligt stora elektriska ledningsförmåga och av att det inte kan innehålla något magnetiskt fält i innandömet (Meissnereffekten). Fenomenet förklaras teoretiskt av att elektronerna vid tillräckligt låga temperaturer parar ihop sig till Cooper-par.

Supraledning finns vid tillräckligt låga temperaturer hos vissa metaller och även keramiska ämnen. Det finns ämnen som är supraledande vid så hög temperatur att man kan använda billigt och lättillgängligt flytande kväve som kylmedel (kokpunkt 77 K).

Supraledning är ganska komplext och det finns olika förklaringar och fenomenet är inte helt förstått, speciellt när det gäller högtemperatursupraledare. Den klassiska förklaringen är BCS-teorin (se BCS_theory ).

I en vanlig ledare (typiskt en metall) sker laddningstransporten med fria elektroner, se fråga 9549 . Elektronerna kolliderar med atomerna i gittret och i en del av dessa kollisioner förlorar elektronen energi som värmer upp ledaren. Denna uppvärmning av ledaren är oftast oönskad eftersom den innebär en energiförlust (ledningsresistans).

I vissa ledare vid låg temperatur slår sig elektronerna ihop två och två med motsatt spinn (+1/2.-1/2). Man får då vad man kallar ett Cooper-par med spinnet 0. Dessa Cooper-par leder strömmen i stället för fria elektroner. På grund av kvantmekaniken är den emellertid två avgörande skillnader:

1 Eftersom ett Cooper-par har heltaligt spinn (0) är de bosoner och behöver till skillnad från fermioner (halvtaligt spinn) inte lyda pauliprincipen, se fråga 18298 . Alla Cooper-par kan då befinna sig i det lägsta tillståndet, grundtillståndet. Detta kallas Bose-Einstein-kondensat, se fråga 1136 .

2 Energin i grundtillståndet är för liten för att Cooper-paren skall kunna växelverka med gittret. Detta betyder att kollisioner blir "förbjudna" och Cooper-paren kan röra sig obehindrat, det vill säga att resistansen är noll.

I figuren nedan visas resistiviteten (grön kurva) som funktion av temperaturen. Man ser att resistiviteten är exakt noll för temperaturer mindre än Tc. Den blå kurvan visar specifik värmekapacitet. Man ser att även denna påverkas vid fasövergången T=Tc.

Se även Superconductivity .



/Peter E

Nyckelord: supraledning [7]; pauliprincipen [10]; resistans [12]; specifik värmekapacitet [23]; Bose-Einstein-kondensat [6];

*

Elektricitet-Magnetism [19591]

Fråga:
Varför stöter lika magnetpoler bort varandra?
/Veckans fråga

Ursprunglig fråga:
Hej jag undrar varför magneterna stöter bort varandra om det är ex : Nordpol mot nordpol
/Tina p, Tuveskolan, Göteborg

Svar:
I fysik kan man inte besvara varför-frågor: naturen är helt enkelt så! I bästa fall kan man beskriva ett fysikaliskt fenomen på olika sätt eller se likheter med andra fenomen. I allmänhet använder man matematik för detta.

Kvantmekanik (se fråga 14754 ) beskriver atomära och subatomära system. Kvantmekanikens förutsägelser vad gäller observerbara storheter utomordentligt exakta, men en djupare tolkning av teorin saknas fortfarande. Einstein kritiserade kvantmekaniken (trots att han var en av upphovsmännen) framför allt för att den är ofullständig. Speciellt att den endast kan förutsäga statistiska storheter: om en atom kan sönderfalla på två sätt kan man bara förutsäga sannolikheten till varje tillstånd - inte vilken väg en individuell atom skall sönderfalla.

Här är den välkände fysikern Richard Feynman när han försöker (och misslyckas) förklara magnetism:

Lika magnetiska poler stöter bort varandra och olika poler attraherar varandra. Ett sätt att uttrycka detta är att magneterna strävar efter minimal energi. Detta är likt (men lite annorlunda) att en boll du håller i handen har en potentiell energi som kan omvandlas till rörelseenergi om du släpper den. Men, som sagt, det är ingen förklaring, bara en alternativ beskrivning av vad som sker.

Se vidare fråga 14849 , 15625 och 13877 .
/Peter E

Nyckelord: fysik, förståelse av [16]; magnetism [48]; kvantmekanik [27];

*

Universum-Solen-Planeterna [19876]

Fråga:
Hej! På sistone talas det om att "information inte kan försvinna" när materia dras in i ett svart hål. Vad menas med "information" i sammanhanget? Och vilken är den lag/princip som förbjuder försvinnandet?
/Thomas Å, Knivsta

Svar:
Detta är en mycket besvärligt problem där inte ens Stephen Hawking et al är överens. I detta sammanhang betyder information fullständig kännedom om vilket kvantsystem ett system befinner sig i. Paradoxen uppstår när man försöker att beskriva hawkingstrålning (se fråga 19164 ) genom att förena allmänna relativitetsteorin (klassisk beskrivning av gravitation) och kvantmekaniken (där totala sannolikheten måste vara 1).

Länk 1 och 2 ger försök till en någotsånär lättförståelig beskrivning av problemet.
/Peter E

Nyckelord: svart hål [40]; relativitetsteorin, allmänna [29]; kvantmekanik [27];

1 http://profmattstrassler.com/articles-and-posts/relativity-space-astronomy-and-cosmology/black-holes/black-hole-information-paradox-an-introduction/
2 http://math.ucr.edu/home/baez/physics/Relativity/BlackHoles/info_loss.html

*

Universum-Solen-Planeterna [19888]

Fråga:
Hej! När atomer avger energi i form av ljus, vad är det som avgör ljusets färg? Beror det på vilken atomslag det är? T.ex. ger natriumklorid gul färg vid upphettning, beror det då på natriumatomerna. Är det alltså de som styr färgen?
/sara r

Svar:
Färgen ges av våglängden som i sin tur beror på den tillgängliga energin

E = hc/l

Den tillgängliga energin ges av differensen i energi hos energinivåer i atomen. Dessa bestäms av kvantmekaniken och är olika för atomer med olika kärnladdning (atomnummer Z).

Se vidare fråga 15042 .
/Peter E

*

Blandat [19935]

Fråga:
Hej! Termodynamikens huvudsatser är en sorts "axiom" inom den klassiska fysiken. Så torde även "lagen om rörelsemängdens bevarande" vara, liksom postulatet om att ljushastigheten, c, är den högsta. Men vilka "axiom" gäller inom kvantmekaniken? Var kan en förteckning över fysikens "axiom"/postulat återfinnas? (Är fysikersamfundet enigt om dem?)
/Thomas Å, Knivsta

Svar:
Beteckningen axiom när det gäller fysik är inte bra eftersom fysik baseras på resultat av experiment och axiom har fortfarande (för mig) en klang av självklarhet. Postulat är bättre om man menar ett antagande som inte är i strid med erfarenheten och som leder till förutsägelser som kan bekräftas av experiment.

För kvantmekaniken är Schrödinger-ekvationen det viktigaste postulatet, se Schrödingerekvationen .

Det finns en lista på kvantmekanikens postulat i Mathematical_formulation_of_quantum_mechanics#Postulates_of_quantum_mechanics , men stycket är mycket teoretiskt.
/Peter E

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [20191]

Fråga:
Hej! Jag har en fråga gällande kvantteorin. Man har bevisat att kvantteorin är sann och nu så har man också lyckat teleportera välldigt små partiklar, nämligen fotoner från en ö till en annan(det är flera hundra km mellan de) Och man vet att fotoner inte skär genom luften när den Telleporteras. Min fråga är hur lyckas man spåra fotonen och veta helt säkert att den inte skär luften/ åker genom luften mellan!?? Mvh saima
/Saima M, Norregårdskolan, Växjö

Svar:
Detta är en mycket subtil aspekt av kvantmekaniken som är relaterad till EPR-paradoxen och Aspects försök, se fråga 1513 . Jag är ingen expert på detta, men som jag förstår det så sker påverkan snabbare än ljushastigheten, men "teleportation, as a whole, can never be superluminal, as a qubit cannot be reconstructed until the accompanying classical information arrives." (Quantum_teleportation#Non-technical_summary ).

Som sagt, detta är inte lätt men det finns mycket bra beskrivning på svenska i Kvantteleportering .
/Peter E

Nyckelord: EPR, Bell, Aspect [3]; kvantmekanik [27];

*

Kraft-Rörelse [20447]

Fråga:
Vad är suprafluiditet?
/Veckans fråga

Ursprunglig fråga:
Hej! Jag har en fråga som handlar om suprafluiditet. Har försökt att få något svar via wikipedia men hittar inget där. Här är frågan: Vad är suprafluiditet? Jag vet att det är när vätskor inte har någon friktion alls, men jag undrar hur det kan komma sig. Jag skulle gärna vilja ha ett svar på kvantnivå.

Jag har tänkt på om det kan vara samma anledning som suprafluiditet (att elektroncooperparen har för låg energi för att växelverka med atomerna i gittret). Men i en vätska finns det inte fria elektroner så att de kan bilda bosoner. Jag vet att jag är är lite ung enligt vissa för att ställa sådana frågor, men jag har intresserat mig för fysik och kvantmekanik länge och vill verkligen ha ett svar.
/Isac M, Katarinaskolan, Uppsala

Svar:
Jodå, det finns massor av information om suprafluiditet på webben, men för Wikipedia får du (som ofta) gå till den engelska artikeln Superfluidity .

Suprafluiditet kallas det fenomen som gör att vissa ämnen vid låga temperaturer har en fluid fas som flödar utan viskositet, så kallade "suprafluider". Ett exempel är helium-isotopen helium-4, en boson, som vid temperaturer under 2,186 kelvin (-270,964 °C) uppvisar sådana egenskaper. Suprafluiditet

Här är ett experiment med 4He:

Vid mycket låga temperaturer hamnar många av heliumatomerna i det lägsta kvantmekaniska tillståndet (grundtillståndet) Detta är möjligt eftersom 4He är en boson med heltaligt spinn, och den behöver därför inte lyda paulipricipen (se fråga 18298 ). Energin hos atomerna i grundtillståndet är för låg för att spridning till ett högre tillstånd skall kunna ske. Spridning är alltså omöjlig och viskositeten blir noll.

Ännu märkligare än viskositeten noll är att supraflödande He kan ta sig över hinder, se nedanstående figur från Rollin_film . Detta kallas Onnes-effekten som uppstår genom att kapillärkrafter dominerar över tyngdkraften och viskositeten.



/Peter E

Nyckelord: Bose-Einstein-kondensat [6]; absoluta nollpunkten [9]; kapillärkraft [10];

*

Blandat [20540]

Fråga:
Frågor kring Lgr 11

Jag prövar att förstå Lgr 11 för år 4-6 (jag är ny lärare i en år 4), men har svårt att förstå vissa bitar. Så jag har lite frågor.

Den första är:

1. När jag ska lära eleverna hur man resonerar har jag följande mall som stöd. Hur tänker ni den skulle fungera för en år 4?

- Påstående
- Förklaring

Jag har valt ordet ”påstående” eftersom jag inte hittar något bättre. Det är ett nytt ord för dom, det kanske blir för mycket när resonera också är ett nytt ord för dom. Öppen för annat.

Förklaring tycker jag är rätt bra då dom redan känner till det ordet. Sen vet jag att man kan bygga vidare med

2. Vad är fysikaliska samband, i t ex elektriska kretsar? Är det naturlagen som syftes till? Kunna du ge ett exempel i så fall?
/Jeppe S, Ekarängskolan, Borås

Svar:
Fysik är en del av naturvetenskap. Låt oss först se vad naturvetenskap är.

Naturvetenskap är läran om den fysiska världen. Naturvetenskapen använder vetenskapliga metoder som i hög grad beror på empiriska mätningar av uppställda hypoteser (vetenskaplig metod, se fråga 14237 ). Naturvetenskapen försöker göra teoretiska modeller som så enkelt som möjligt kan förklara det som kan observeras, mätas och testas (se Ockhams rakkniv i fråga 3810 ).

1 Mja, jag är tveksam till "påstående". Det låter som något som Donald Trump hittar på på nätterna ! Jag tycker att man från början skall göra klart att fysik är en empirisk vetenskap. Jag skulle föredra "observation". Det täcker både observationer av företeelser vi inte kan påverka (t.ex. supernovautbrott) och resultatet av ett genomfört experiment (t.ex. samband mellan spänning och ström).

"Förklaring" är OK om man bara inte övertolkar det som svar på frågan "varför?". Fysiken är som den är.

2 Våra förklaringar utgörs ofta matematiska samband mellan olika storheter. För elektriska kretsar t.ex. Ohms lag och Kirchhoffs lag, se fråga 15837 .

Tro, hopp och fysik

Man skall även ha klart för sig att fysik är en mycket mogen vetenskap: vår förståelse av fysikaliska fenomen är mycket god vad gäller grundläggande fenomen, t.ex. atomfysik, kärnfysik och kvantmekanik. Detta betyder att bevisbördan är mycket tung för den som hävdar sig ha upptäckt något som strider mot etablerad kunskap. Nyheter om upptäckten av nya sorters kärnreaktioner är ett exempel som förekommit flera gånger i över trettio år. Anledningen till att sådana "fake news" (för att använda en aktuell term) får så stort genomslag är människors tendens att tro på det de vill tro på (vi kan lösa alla problem med global uppvärmning med en liten apparat man kan tillverka i garaget) i stället för att kritiskt granska de bevis som finns. Öppen publicering, reproducerbarhet och kritik är grunderna för god vetenskap.

Se vidare fråga 2409 (kall fusion) och 14237 (vetenskaplig metod).
/Peter E

Nyckelord: kursplan [3]; fysik, förståelse av [16];

1 https://www.skolverket.se/laroplaner-amnen-och-kurser/grundskoleutbildning/grundskola/fysik

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [20583]

Fråga:
Om en väteatom exciteras av en elektron som precis har den energin som krävs för excitation till viss nivå. Vad händer då med elektronen ?
/Jörgen G, Bäckängsgymnasiet, Borås

Svar:
Nobelpris i fysik 1925
Franck-Hertz försök
James Franck, Gustav Ludwig Hertz
"for their discovery of the laws governing the impact of an electron upon an atom"

Till skillnad från excitation med fotoner är kravet för oelastisk spridning av elektroner inte att energin skall vara lika med energidifferensen mellan grundtillståndet och ett exciterat tillstånd.

För att få en mätbar sannolikhet måste den inkommande elektronen ha en energi som är större än energiskillnaden mellan grundtillståndet och det exciterade tillståndet. Energin som "blir över" tas om hand av den utgående elektronen och det exciterade tillståndet sönderfaller genom att sända ut en foton, se nedanstående bild.

Oelastisk spridning av elektroner på fria atomer var ett mycket direkt stöd för Bohrs atommodell:

Franck-Hertz försök var ett fysikexperiment som stöder Bohrs atommodell, en föregångare till kvantmekanik. De tyska fysikerna James Franck och Gustav Hertz försökte 1914 undersöka energinivåerna i en atom. Deras numera berömda experiment stödde på ett elegant sätt Niels Bohrs atommodell där elektroner rör sig runt atomkärnan i banor med specifika diskreta energier. Franck och Hertz fick 1925 Nobelpriset i fysik för detta arbete.

Franck-Hertz försök bekräftade Bohrs kvantiserade atommodell genom att visa att atomer bara kan absorbera vissa specifika energimängder (kvanta). (Franck-Hertz_försök )

Se vidare fråga 1591 , Electron_excitation och Franck–Hertz_experiment



/Peter E

Nyckelord: Bohrs atommodell [9];

*

Partiklar [20591]

Fråga:
Om kvarkarna i en proton väger 12 MeV, hur kan protonen väga 938 MeV?
/Veckans fråga

Ursprunglig fråga:
Kvarkarna som hålls ihop av gluoner påstås vara masslösa, hur kan de då komma sig att en proton väger 938 MeV medan men totala massan av kvarkarna den består av endast väger 12 MeV?
/Emil A, Rudbeck, Örebro

Svar:
Ja, det kan tyckas konstigt. Problemet är att protonen inte bara består av tre kvarkar. Den innehåller (se nedanstående figur från länk 1) även massor av gluoner. Gluonerna har färger, så de kan växelverka med varandra och bilda virtuella kvark-antikvark par. I figuren är de ensamma blå bollarna (markerade) de tre kvarkarna. Övriga bollar är kvark-antikvark par, och spiralerna är gluoner. I själva verket kommer huvuddelen av protonens massa från gluonerna och de virtuella kvark-antikvark paren.

Detta är liknande fenomentet i QED (se nedan) att vakuum har en energi som kommer från virtuella elektron-positron par, se fråga 11001 och Vacuum_energy .

Se även Proton#Quarks_and_the_mass_of_a_proton .

Kvantteorin för den elektromagnetiska växelverkan är QED och motsvarande teori för färgkraften (stark växelverkan) är QCD. Här är lite av vad Wikipedia säger om dessa:

QED
Kvantelektrodynamik (QED efter engelska Quantum electrodynamics) är en fysikalisk teori grundad på kvantfysik och elektrodynamik som kan sägas vara en tillämpning av kvantfältteori på elektromagnetiska fält.

Under 1940-talet hade Feynman, Schwinger och Tomonaga var för sig lyckats visa att elektromagnetismen kunde skrivas som en fullgod kvantteori. Problemet var att enligt den relativistiska kvantmekaniken kan partiklar skapas om man har tillräckligt med energi. Detta betyder att då man sprider en elektron mot en annan elektron kan man skapa t.ex. ett extra elektron-positronpar. Har man inte tillräckligt med energi kan man ändå skapa dem virtuellt, eftersom Heisenbergs osäkerhetsprincip säger att så länge detta par lever tillräcklig kort tid kan det skapas. Detta betyder att man måste behandla teorin som en mångpartikelteori, en kvantfältteori, där man kan skapa ett godtyckligt antal partiklar så länge detta inte strider mot osäkerhetsprincipen. (Kvantelektrodynamik )

QCD
Kvantkromodynamik eller QCD (från eng. quantum chromodynamics) är inom partikelfysiken den teoretiska beskrivningen av stark växelverkan. Den starka kraften binder samman kvarkar till protoner, neutroner och andra hadroner och den håller också samman atomkärnorna som dessa protoner och neutroner bygger upp. Kvantkromodynamiken är en kvantfältteori som på den fundamentala nivån beskriver hur kvarkar växelverkar genom att byta ut masslösa partiklar med spinn 1 som kallas gluoner. (Kvantkromodynamik )

Se även fråga 20647 .



/Peter E

Nyckelord: vakuum [8]; kvark [12]; gluoner [6];

1 http://cosmologyscience.com/cosblog/three-quarks-dont-add-up-to-one-proton-not-even-close/

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [20821]

Fråga:
Hej, jag läser boken "introduction to quantum mechanics" som Griffiths har skrivit och då skriver han i början att det är oklart vad som menas med hastighet i kvantmekaniken. Vad menar han egentligen? Förstår inte riktigt hur jag ska tolka det. Skulle du kunna tydliggöra det?

Tacksam på förhand!
/ellie a

Svar:
Ellie! Jag tycker Griffiths överdriver svårigheterna. Hastigheten v är ju relaterad till rörelsemängden p genom mv=p, där m är partikelns massa. För p finns i kvantmekaniken operatorn p=-ihbar(d/dx)

Enda skillnaden i kvantmekaniken är alltså att p är en operator och att positionen x och p måste lyda Heisenbergs obestämdhetsrelation. Hastigheten bör alltså rimligen uppfylla sambandet mv=p även i kvantmekaniken.

Se även länk 1. Länk 2 är en föreläsning om operatorer i kvantmekanik.
/Peter E

Nyckelord: kvantmekanik [27];

1 https://www.quora.com/How-is-the-velocity-v-defined-in-quantum-mechanics
2 https://www.youtube.com/watch?v=YymnLDIrKuU

*

Kraft-Rörelse [20847]

Fråga:
Angående Einsteins relativitetsteori… Nu håller jag på och läser en bok av Jan Slowak som ifrågasätter den speciella relativitetsteorin. Jag hade ju, på 60-talet, en genial fysiklärare som engagerade sig i Einsteins teorier och han menade att de var felräknade. När E:s teorier inte stämde så lade E in konstanter så att de ändå stämde men ändå var fel. E drog sig inte ens för att göra om Pythagoras sats… E satte ett minustecken framför den kortaste katetens kvadrat… Den här läraren hävdade att om man räknar rätt så utvidgar sig inte universum eftersom rödförskjutningen och blåförskjutningen är lika stor! Precis dessa saker kan man hitta i boken ”Einsteins speciella relativitetsteori = matematiskt och fysikaliskt nonsens!”

Jag minns att när vi frågade vår lärare vad hans upptäckter medförde så sa han att om mänskligheten tror att universum utvidgas trots att det inte sker så spelar det absolut ingen roll. All astronomi är hjärnföroreningar! Om vetenskapsmän uppfattar Einstein som en gud så ser de inte de uppenbara fel som finns i hans teorier. Eller också är det så att de inte vill se felen för då förlorar de alla karriärmöjligheter…

Jag har försökt att hitta kommentarer till Jan Slowaks forskning utan att lyckas. Det som känns konstigt är att felräkningarna som min lärare påpekade på 60-talet finns beskrivna i Jan Slowaks bok. Kan det vara så att fortfarande ingen forskare vågar se Einsteins felräkningar? Tyvärr så omkom min geniale lärare i en trafikolycka något år senare. /Harald
/Harald G, Östersund

Svar:
Einsteins speciella relativitetsteori (SR) är - till skillnad från den allmänna relativitetsteorin (AR) - matematiskt närmast trivial. I fråga 20459 visas t.ex. en härledning av tidsdilatationen som bara kräver elementär geometri/algebra.

Den speciella relativitetsteorin bygger på två mycket rimliga antaganden, se fråga 16263 . Det finns dessutom ett otal experiment som stöder teorin, se t.ex. fråga 2697 och 14685 .

Det råder stor enighet i vetenskapssamhället att SR och även AR ger en mycket bra beskrivning av det vi kan observera. De utgör inte den slutgiltiga teorin eftersom integreringen av AR med kvantmekaniken saknas.

Det finns flera exempel på författare som kritiserat och gjort om delar av den moderna fysiken. Det mest omfattande exemplet är Randell Mills som skrivit en bok på över 1000 sidor med värdelöst nonsens, se fråga 14237 och Brilliant_Light_Power#Criticism . Jan Slowak är på en helt annan lägre nivå, se länk 1. Du har rätt i att det är svårt att hitta någon som tagit den minsta notis om JSs teorier som handlar dels om SR och dels om Big Bang. Dock har en professionell fysiker (anonym?) tagit sig tid att vänligt kritisera JSs teorier, se länk 2.

Sannolikheten att en person i dag skulle hitta grundläggande fel i en etablerad teori som SR är om inte noll så åtminstone mycket nära noll. Einstein själv framställs ibland som en isolerad kuf med revolutionerande idéer. Detta är långt ifrån sanningen. Han hade mycket bra kontroll på den aktuella vetenskapliga utvecklingen de första åren på 1900-talet. SR var en frukt av flera fysikers arbeten, men det var Einstein som "knöt ihop säcken" och skapade en konsistent teori.
/Peter E

Nyckelord: relativitetsteorin, speciella [41]; pseudovetenskap [9];

1 https://www.bokus.com/cgi-bin/product_search.cgi?authors=Jan%20Slowak
2 https://www.smakprov.se/smakprov/visa/9789174637533/partner/smakprov

*

Partiklar [21001]

Fråga:
Hej,

Undrar hur fria elektroner färdas då de inte interagerar med omgivingen, kontinuerligt eller diskontinuerligt? Mera generellt om elementarpartiklar med massa någonsin accelererar utan att de kanske bara efter interaktion med andra partiklar eller fält stegvis har högre eller lägre hastighet? Mera vilt undrande ifall standardmodellen kan beskriva gravitation utan allmänna relativitetsteorin då den till skillnad mot den speciella beskriver rörelser med acceleration ...

Med vänlig hälsning Mikael Hjelm
/Mikael H, Västerås

Svar:
Man kan inte tala om att en elektron rör sig i en viss bana. Elektronen har ju även enligt kvantmekaniken vågegenskaper. Dubbelspaltexperimentet, se fråga 1807 , är ett bra exempel på detta.

Nej, standarmodellen beskriver inte gravitation. Vi behöver den allmänna relativitetsteorin än så länge. Se fråga 18849 .
/Peter E

*

Värme [21055]

Fråga:
Hej! Jag undrar vilken fundamental kraft som får vatten att koka? Tack på förhand!
/Karolina P, Hvitfeldtska, Göteborg

Svar:
Jag är inte säker på att jag förstår din fråga.

De fyra fundamentala kraftverkningarna beskrivs i fråga 3716 .

I vatten binds vattenmolekylerna till varandra så att de hela tiden håller sig nära sina grannar. När man värmer upp vatten ökar temperaturrörelsen hos vattenmolekylerna, och bindningarna bryts vid kokpunkten. Molekylerna är då nästan fria i vattenångan.

Den kraft som binder atomer till molekyler och molekyler till varandra är den elektromagnetiska kraften. För att förstå kraftverkningen måste man använda kvantmekanik, se fråga 14754 .
/Peter E

*

Sök efter    

Skriv de ord du vill söka på i sökfältet ovan och klicka på sökknappen. Uteslut ord genom att sätta - (minus) före ordet. Ordgrupper definieras med hjälp av "...". Sökningar är oberoende av stora och små bokstäver.

Exempel:

helium "kalle anka"
Sök på 'helium' och ordgruppen 'kalle anka'
orgelpipa
Sök på 'orgelpipa'
orgel -gitarr
Sök på 'orgel' men inte 'gitarr'

 


sök | söktips | Veckans fråga | alla 'Veckans fråga' | ämnen | dokumentation | ställ en fråga
till diskussionsfora

 

Creative Commons License

Denna sida från NRCF är licensierad under Creative Commons:
Erkännande-Ickekommersiell-Inga bearbetningar
.