Ursprunglig fråga: Vad tror du om rapporten om att man observerat gravitationsstrålning? Nobelpris eller misstag? /Sven P
Svar: Nobelpris i fysik 2017 Gravitationsvågor (både den populära och den avancerade artikeln är utomordentligt välskrivnen)
Rainer Weiss, Barry C. Barish, Kip S. Thorne "för avgörande bidrag till LIGO-detektorn och observationen av gravitationsvågor"
Gravitationsvågor är inom fysiken krusningar i krökningen av rumtiden som propagerar som vågor som rör sig ut från källan. Fenomenet förutspåddes 1916 av Albert Einstein baserad på hans allmänna relativitetsteori, som säger att gravitationsvågor transporterar energi som gravitationsstrålning.
Data och analys ser mycket övertygande ut. En oberoende observation krävs nog för nobelpris, men med det är det ett kassaskåpssäkert nobelpris. Vilka av c:a 1000 författare som får det är en svårare fråga. Knappast Abbot som står först på bästa bokstavsordning.
Det finns flera skäl till att detta är en mycket viktig upptäckt:
Ännu ett bevis för att den allmänna relativitetsteorin är korrekt - exakt 100 år efter Einsteins publikation
Öppnar ett nytt fönster för observationer av universum
Det hittills mest direkta beviset för att svarta hål med en massa av storleksordningen tiotals solmassor existerar
Ger information om den senare utvecklingen hos massiva stjärnor
Gravitationsvågor har observerats i två detektorsystem: Hanford i Washington State (H1) och Livingstone i Louisiana (L1). Avståndet mellan dessa är c:a 3000 km, så den maximala skillnaden i ankomstid till detektorerna är 10 ms.
Fördelen med flera detektorer långt ifrån varandra är dels att man kan eliminera lokala störningar och dels att man kan lokalisera källan. Med fler detektorsystem (som är på gång) kan man lokalisera källan mer exakt. Man kan då leta efter signaler i t.ex. röntgen, gamma eller det synliga området av det elektromagnetiska spektrum.
Detektorerna består av en laser-interferometer med 4 km långa ben i 90 graders vinkel mot varandra. Idén är att gravitationsvågona påverkar benen olika vilket detekteras genom interferens vid startpunkten.
Händelsen med det lite fantasilösa namnet GW150914 (gravitational wave 14/9 2015) tolkas som en sammansslagning mellan två svarta hål. Detta är nog den mest våldsamma händelse vi kan observera i universum. Energin i gravitationsvågorna är 3 solmassor dvs
E = mc2 = 2*1030*(3*108)2 = 1.8*1047 J
Detta var en av de händelser man hoppades kunna detektera, men man vet fortfarande inte hur vanliga dessa sammanslagningar mellan svarta hål är. Som hjälp i sökandet använder man simuleringar med den allmänna relativitetsteorin av svarta hål av olika storlek som slås ihop. Signalen man väntar sig visas näst längst ner i nedanstående bild. När hålen kommer nära varandra kommer de att sända ut mycket energi bland annat i form av gravitationsstrålning. De kommer då att spinna snabbare och snabbare runt varandra. Frekvensen ökar och amplituden ökar tills händelsehorisonterna överlappar och de båda svarta hålen blir ett. Hela processen tar c:a 0.2 sekunder.
Övre bilden visar data från GW150914. Den röda kurvan (från H1) har förskjutits 7 ms och inverterats. Man ser att det är en imponerande överensstämmelse med kurvan från L1-detektorn. Överensstämmelsen med de teoretiska beräkningarna är också mycket god. Man har även bestämt massorna av de två svarta hålen till 36 och 29 solmassor. Det resulterande svarta hålets massa bestämdes till 62 solmassor. De resterande 3 solmassorna blev alltså gravitationsstrålningen som observerades.
För att man skall vara säker på att de som analyserar data gör ett bra jobb lägger man in testdata i smyg:
"In the past, a few senior members of the LIGO team have tested the group's ability to validate a potential discovery by secretly inserting ‘blind injections’ of fake gravitational waves into the data stream to test whether the research team can differentiate between real and fake signals. But the September detection happened before blind injections were being made, so it is thought to be a signal from a real astrophysical phenomenon in the Universe."
Bilder från föredrag av Chris Van Den Broeck: The direct detection of gravitational waves:
The first discovery, and what the future might bring
http://indico.lucas.lu.se/getFile.py/access?resId=0&materialId=slides&confId=333
Tillägg 16 okt. 2017
"The merging of two neutron stars was detected by gravitational waves and then by telescopes in all parts of the electromagnetic spectrum."
Ursprunglig fråga: Hej jag behöver hjälp med att begripa detta med universums accelererande expansion. Vad jag kan läsa mig till så säger man att supernovor på längre avstånd rör sig fortare än dom på närmare håll och att det säger oss att expansionen accelererar. I min amatör skalle så blir det dock raka motsatsen. Supernovor på längre avstånd ser vi ju längre tillbaka i tid och då får jag det till att dom rör sig långsammare ju närmare nutid vi kommer och att accelerationen således avtar med tiden.
Jag tvivlar inte en sekund på att jag har missuppfattat detta, men det skulle vara mycket intressant att veta hur. /Anders Å, Kode
Svar: Nedanstående figur (från länk 1 -- en liknade figur finns i fråga 7258 ) är den mest direkta indikationen för den ökande expansionen. Jag tror att ditt problem är sättet att plotta data - jag hade nog hellre bytt x- och y-axlarna.
Du kan resonera så här: För ökande avstånd, dvs ökande magnitud (y-axeln, från typ Ia supernovor) ökar rödförskjutningen (x-axeln) långsammare än den prickade linjen som avser fri expansion (heldragen linje, ett tomt universum med W=0). Avståndet (universums skalfaktor) är kopplad till tiden. Den heldragna grå linjen är bästa anpassningen till data. Den heldragna röda linjen är för kritisk densitet (vilket andra mätningar kräver, se länk 2) och utan acceleration.
Man kan alltså se att expansionshastigheten var lägre när universum var yngre. Avvikelsen växer alltså med ökande avstånd vilket tyder på acceleration hos expansionen.
Ursprunglig fråga: Hej!
Solsystemet skapades för 4,5 Ga sedan och sedan universum skapades torde väl ett par generationer stjärnor ha hunnits med för solen.
Finns någonstans beskrivet hur stjärnhimlen/himlen såg ut då? /Thomas Å, Knivsta
Svar: Nej, inte i detalj. Solens och andra stjärnors rörelse är alltför kaotisk för att man skall kunna "räkna baklänges" för att återskapa stjärnhimlen. Solen har ju gjort 4.5/0.24 = 19 varv runt vintergatans centrum, se Milky_Way .
Gaia är en rymdsond som skall utföra astrometri. Den är en uppföljning av Hipparcos-sonden (se fråga 12656 ). Den sköts upp av ESA 19 december 2013 och kretsar i en Lissajous-bana runt den andra lagrangepunkten L2 (se fråga 15179 och nedanstående bild) i sol-jord-systemet.
Gaia skall under tiden 2014-2019 göra observationer som gör det möjligt att sammanställa en katalog med data för över ettusen miljoner (en miljard) stjärnor -- vintergatan innehåller 200-400 miljarder stjärnor. Den primära uppgiften är att kartlägga vintergatan i detalj. Förutom mycket exakta positioner på stjärnor (vilket ger avståndet) bestäms hastigheten och stjärnans egenskaper som typ och ålder.
Förhoppningen är att man med hjälp av denna enorma datamängd från Gaia skall få en säker bild av vintergatans struktur och utveckling.
Se vidare Gaia_(spacecraft) och länk 1. Det finns en grupp vid Lunds universitet (Lund Observatory) som är mycket involverad i analysen av data från Gaia, se länk 2 och länkar från den sidan.
Ursprunglig fråga: Hej!
Elektriska fält, magnetiska fält och gravitationsfält är bekanta och påvisbara.
Det s k Higgsfältet har tillkommit. Hur påvisar man det? Finns områden där det saknas eller är starkare? /Thomas Å, Knivsta
Svar: Higgsbosonen (även: Higgs boson eller Higgspartikeln) är en partikel i partikelfysikens standardmodell, som genom Higgsmekanismen och Higgs-fältet beskriver varför partiklar har massa. Vid ett seminarium vid CERN i början av juli 2012 tillkännagav talespersonen Fabiola Gianotti att man sannolikt upptäckt Higgsbosonen. (Higgsboson )
Att elementarpartiklar får massa genom växelverkan med Higgsfältet kan liknas vid att fältet utsätter partiklarna för friktion. Higgsfältet genomsyrar vakuum. Ett vakuum som rubbas ger upphov till en vågrörelse hos Higgsfältet och "vågtopparna" är det som kallas för Higgspartikeln eller Higgsbosonen. Den skalära Higgsbosonen förmedlar växelverkan mellan Higgsfältet och elementarpartiklar, som utgörs av kvarkar och leptoner och bosoner. Att olika partiklar har olika massa har populärt beskrivits som djup snö, där vissa partiklar vadar i motstånd, medan andra kan glida ovanpå. (Wikipedia Higgsmekanismen )
Higgsfältet är inte som andra fält i kvantfysiken. De andra, som gravitation, varierar i styrka, och när de hamnar i sin lägsta energinivå antar de värdet noll. Så fungerar inte Higgsfältet. Till och med om rymden töms på allt och bara vakuum blir kvar, så är detta vakuum fortfarande fyllt med en substans, ett spöklikt fält som vägrar att stängas av – Higgsfältet. Vi märker det inte – Higgsfältet är som luft för oss, som vatten för fiskarna. Men utan det skulle vi inte finnas, för det är genom att doppas i Higgsfältet som partiklarna får sin massa. De partiklar som far igenom utan att märka Higgsfältet får ingen massa, de som växelverkar svagt blir lätta och några blir, när de segar sig igenom fältet, riktigt tunga. (länk 1)
Frågan är, Thomas, hur mycket klokare man blir av det . Ett problem är att massa uppenbarligen kopplas till gravitation medan gravitationen inte finns med i standardmodellen.
Här är en föreläsning av Leonard Susskind, Stanford University om standardmodellen och hur higgspartikeln ger elementarpartiklarna massa.
Länk 2 är nobelkommitténs som vanligt utmärkta populära beskrivning av standardmodellen och higgspartikelns betydelse. /Peter E
Fråga: Med vilken hastighet expanderar de "yttersta" delarna av universum? /Veckans fråga
Ursprunglig fråga: Hej!
Universum utvidgas enligt gällande modell.
Med vilken hastighet sker det i de "yttersta" delarna?
Pågår inflation därborta fortfarande eller var det något som bara ägde rum strax efter Stora Smällen? /Thomas Å, Knivsta
Svar: Standardsvaret om delar av universum expanderar med en hastighet överstigande ljushastigheten är ja, men man skall ha klart för sig att man kan definiera hastigheter och avstånd på flera sätt, se Faster-than-light#Universal_expansion .
Låt oss passa på tillfället att ta upp annonseringen i går (17/3/2014) att man fått direkta stöd för inflationsteorin och att man har fått fram indikationer på gravitationsstrålning, se pressmeddelandet under länk 1.
Ett par citat ur pressmeddelandet:
Researchers from the BICEP2 collaboration today announced the first direct evidence for this cosmic inflation. Their data also represent the first images of gravitational waves, or ripples in space-time. These waves have been described as the "first tremors of the Big Bang." Finally, the data confirm a deep connection between quantum mechanics and general relativity.
"This has been like looking for a needle in a haystack, but instead we found a crowbar," said co-leader Clem Pryke (University of Minnesota).
When asked to comment on the implications of this discovery, Harvard theorist Avi Loeb said, "This work offers new insights into some of our most basic questions: Why do we exist? How did the universe begin? These results are not only a smoking gun for inflation, they also tell us when inflation took place and how powerful the process was."
Båda dessa upptäcker (inflation och gravitationsvågor) är, om de bekräftas, av nobelprisklass. Vad man gjort är att man har mätt cirkulärpolarisationen av den kosmiska bakgrundsstrålningen (se nedanstående bild) med ett teleskop (BICEP2) på sydpolen. Placeringen på sydpolen är för att undvika att mikrovågsstrålningen absorberas av vattenånga. Sydpolen är den bästa platsen för detta eftersom den befinner sig på 3000 m:s höjd i jordens torraste öken.
Se dock nedanstående där man tyvärr tvingas erkänna fel i tolkningen av data:
http://sverigesradio.se/sida/artikel.aspx?programid=415&artikel=5976181
http://www.svt.se/nyheter/vetenskap/beviset-for-universums-fodelse-minst-halften-var-damm
... och guldet blev till damm?
Fråga: Var meteoriten som föll i Ryssland 15 februari 2013 unik? /Veckans fråga
Ursprunglig fråga: Var meteoriten som föll i Ryssland 15 februari 2013 (Chelyabinsk-meteoriten) unik? /Sven M, Stockholm
Svar: Ja, den var på flera sätt unik. För det första var det den största meteorit som fallit ner sedan den som föll i Sibirien 1908, se Tunguska_event . En meteorit av denna storleksordningen täffar jorden ungefär en gång på 100 år, och då vanligen i oceanerna eller obebygda områden.
Dessutom är det den enda dokumenterade meteoriten som orsakat omfattande personskador - c:a 1200 personer, mest lindrigt skadade. Meteoriten föll ju inte intakt till marken utan den exploderade ett par mil ovanför marken. Endast små fragment av meteoriten nådde marken, och skadeverkan var nästan uteslutande från tryckvågen (infraljud). Denna, och seimiska vågor, kunde observeras så långt bort som i USA.
Här är uppskattade (mycket osäkra) data för meteoriten:
Hastighet ovanför atmosfären: 18.6*103 m/s
Rörelseenergi: 300-500 kt
Massa: 107 kg
Vi kan beräkna rörelseenergin till:
mv2/2 = 107*(18.6*103)2/2 = 1.7*1015 J = 1.7*1015/(4.18*1015) = 410 kt
Rörelseenergin har beräknats i kiloton trotyl (fråga 9157 ) för att visa vilken enorm energipotential meteoriten hade: 410 kt motsvarar 410/16=26 Hiroshima-bomber!
Alla materiella (mest krossade fönster) och personskador orsakades alltså av tryckvågen som skapades av explosionen. Tryckvågen kom ett par minuter efter explosionen eftersom den fortplantar sig med ljudhastigheten (på 2 minuter hinner ljudet 2*60*340=41000 m = 4 mil).
Detta var mycket lurigt för de som såg explosionen. De såg ett starkt ljussken (ungefär som solen) och antagligen kände de lite värmestrålning. Sedan hände ingenting och alla stod lugnt och stilla och betraktade rökstrimman (se nedanstående video-klipp). Men efter ett par minuter slog tryckvågen till med full kraft. Massor av glasrutor krossades i flera städer, och många skadades av glassplitter.
Under länk 1 finns ett program som beräknar verkan av en meteorit. Länk 2 ger värdena för det ryska meteoriten. Vi ser att meteoriten korrekt väntas explodera innan den träffar marken. Trycket hos tryckvågen 110 Pa ser inte imponerande ut, men det är uppenbarligen tillräckligt för att krossa fönsterrutor.
Man har från ett stort antal observationer lyckats bestämma meteoritens bana i solsystemet, se bilden längst ner i svaret. Det visar sig att banan är karakteristisk för s.k. Apollo-asteroider (Apollo_asteroid ) som har banor från innanför jordbanan till utanför Mars' bana (asteroidbältet).
Information om meteoriten, och om NEO 2012 DA14 som passerade nära jorden samma dag, finns i nedanstående video från NASA.
Videon nedan innehåller några av ett antal upptagningar från meteoritnedfallet.
Chelyabinsk-meteoriten var det första meteoritnedslaget som var mycket väl dokumenterat. Vi har av detta lärt oss att även efter det att meteoriten brunnit upp eller landat kan det vara risk för skador från tryckvågen.
Fråga: Det finns indikationer om att vattnet på månen bildats av väte från solen. Hur kan man veta det? /Veckans fråga
Ursprunglig fråga: Hej!
Vetenskapsradion meddelar att vattnet på månen bildats av väte från solen. Väteisotopsammansättningen skulle vara annorlunda än det jordiska vattnets.
Hur skiljer sig isotopsammansättningarna åt? Går det att förklara orsakerna? /Thomas Å, Knivsta
Svar: Vetenskapsradions notis finns på lank 1. Av originalartikeln framgår dels att det mesta vätet förekommer i form av OH och att de flesta proverna (som är mångrus från Apollo-färderna 1969-1972) innehåller mycket lite deuterium. Den låga deuteriumförekomsten tyder på att vätet kan komma från solen.
Förhållandet i förekomst fdp = 2H/1H (deuterium/protium, förhållandet mellan antalet kärnor) varierar mycket på olika ställen i universum. Nästan allt deuterium bildades strax efter Big Bang. Som synes i figuren i fråga 13117 var
fdp = 4*10-5/(0.75*2) = 2.7*10-5
strax efter Big Bang. (2:an kommer av att figuren ger förekomsten uttryckt i massa.) Detta är troligen värdet i jätteplaneterna.
I stjärnor reagerar (förbränns) deuterium mycket tidigt, så förekomsten är mycket låg.
I jordens hav är
fdp = 1.5576*10-4
alltså mycket högre än värdet vid Big Bang. Orsaken är att masskillnaden mellan isotoperna är mycket stor, så protium är mycket mer lättrörligt och försvinner lättare från jorden.
Wikipedia har en mycket bra sammanfattning av deuteriumförekomsten: Deuterium . /Peter E
Ursprunglig fråga: Hej!
I en tidningsnotis(UNT) står det under rubriken "Svart hål åt upp stjärna" att ett gigantiskt svart hål slukat en stjärna, och att det inträffar bara en gång på 10 000 år. Dessutom står det: Materieslukande svarta hål ligger vanligtvis vilande och oupptäckta i galaxernas utkanter, men kan ibland spåras med hjälp av "resterna" efter sina måltider.
Stämmer verkligen det att svarta hål ligger vid kanten av galaxerna, det brukar sägas att de ligger i galaxernas centrum?! Och om de är oupptäckta, hur vet man då om dem?? Kan de utgöra galaxernas "mörka materia"? (Ofrivillig ordlek!) /Thomas Å, Knivsta
Svar: Hej Thomas! Artikeln du refererar till finns under länk 1. Den är lite för vag för att man skall kunna säga något om fenomenet. Bara det att det skulle inträffa en gång på 10000 år. Per galax? I det synliga universum?
Länk 2 är en lite fylligare artikel.
Du har rätt i att är fel att det svarta hålet finns i utkanten av en galax. Det ligger i centrum av en galax som alla hittills upptäckta supertunga svarta hål gör.
Nej, supertunga svarta hål är nog inte den saknade mörka materien. Den totala massan är inte alls tillräcklig. Möjligen skulle mindre svarta hål som vi inte observerat kunna vara den saknade massan.
Nedanstående bild (från NASA, länk 2) visar galaxen före händelsen (till vänster) och efter (till höger). De översta två bilderna är i ultraviolett (hög energi) och de nedre i synligt ljus/infrarött (låg energi). Man har även undersökt spektra av händelsen, och funnit helium men inget väte. Detta tolkar man så att det är kärnan av en röd jättestjärna som slukats av det svarta hålet. Den vidsträckta atmosfären hos den röda jätten (som innehåller väte) skulle i så fall ha sugits bort vid en tidigare passage.
Det finns flera sätt att "se" svarta hål, alla naturligtvis indirekta.
1 Att följa stjärnors rörelse, som man gjort i vintergatans centrum, och dra slutsatsen att det finns något massivt som är osynligt som bestämmer rörelsen.
2 Genom gravitationslinsning. Gravitationen från ett svart hål verkar fokuserande på strålning på samma sätt som en positiv lins.
3 Att observera intensiv strålning med hög energi från ett mycket kompakt objekt. Det kan vara materia som kommit nära ett svart hål. Genom kollisioner bromsas materian upp och sänder ut strålning tills materian passerat det svarta hålets händelsehorisont.
Fråga: Man har på CERN mätt att neutriner rör sig men en hastighet överstigande ljushastigheten. Är det verkligen möjligt? /Veckans fråga
Ursprunglig fråga: Man har på CERN mätt att neutriner rör sig men en hastighet överstigande ljushastigheten. Är det verkligen möjligt? /Sven D
Svar: Du refererar till ämnet för pressreleasen under länk 1. Felet i den urspungliga mätningen är nu lokaliserat, se Hade Einstein fel? , så problemet med neutriner som rör sig snabbare än ljuset är löst.
En av forskningsgrupperna på CERN (OPERA-kollaborationen) har mätt löptiden hos neutriner från CERN till gruvan Gran Sasso 73 mil ner i Italien. Totalt har man detekterat c:a 16000 neutriner. Resultatet är att man får en hastighet som är lite överstigande ljushastigheten i vakuum c. Resultatet är signifikant med 6 standardavvikelser.
Löpsträckan på 73 mil (löptid 2.4 millisekunder med ljushastigheten) bestämdes med GPS med en precision på 20 cm. Tidssynkroniseringen gjordes även den med GPS och hade en precision av 1 ns. Totala osäkerheten i tidsdata uppskattades till 10 ns, och den uppmätta effekten var 60 ns. Denna diskrepans på 60 ns motsvarar t.ex. ett fel i avståndsmätningen på 60*10-9*3*108 = 18 m.
Vad gäller mätningen av löpsträckan var den största svårigheten att mäta sträckan inne i tunneln i gruvan Gran Sasso - GPSen fungerar dåligt under 1400 m berg! Man kan i mätningarna (som pågått sedan 2009) tydligt se effekter av kontinentaldriften och ett hopp i samband med en jordbävning i Italien 2009, se nedanstående figur.
Man gav ett webbseminarium från CERN fredagen den 23 aeptember 2011, länk 2. Där presenterade man resultatet och metoderna mycket bra och detaljerat.
Kommentarer:
* De flesta fysiker tror nog att mätningen är felaktig, men än så länge finns ingen bra förklaring. Troligaste orsaken är att sträckan är felmätt eller att tidssynkroniseringen CERN-Gran Sassio är felaktig.
* Einsteins speciella relativitetsteori förbjuder inte expicivt att partiklar rör sig med överljushastighet. Vad den förbjuder är att en partikel accelereras upp till ljushastigheten, det skulle kosta oändlig energi. Enda problemet är att partiklar som rör sig snabbare än ljuset (hypotetiska partiklar som kallas tachyoner, se Tachyon ) får imaginär massa. Se även fråga 15804 .
* OPERA-kollaborationen har helt följt god vetenskaplig procedur:
- Analysen har gjorts "blind" så att man inte skulle kunna påverkas av det väntade resultatet.
- Arbetet presenterades utförligt på ett öppet seminarium och i ett publicerat preprint.
* Det är inte första gången man försökt mäta neutriners hastighet, men man har inte fått fram definitiva värden. Den enda signifikanta observationen hittills är neutriner från supernovan SN 1987A, se fråga 125 och Supernova_1987A . Denna mätning visar att neutrinernas hastighet är mycket nära ljushastigheten. Att neutrinerna kom fram några timmar före ljuset kan förklaras att stjärnan är transparent för neutriner tidigare än den är transparent för ljus. Avståndet till SN 1987A är 168000 ljusår. Med den uppmätta tidsdifferensen skulle neutrinerna ha kommit fram
(60*10-9/2.4*10-3)*168000 = 4.2 år före ljuset.
Neutrinerna skulle alltså kommit fram flera år innan supernovan upptäcktes, inte några timmar. Tyvärr var neutrinodetektorerna inte igång då (Kamiokande II började ta data 1985, se (Kamioka_Observatory ).
Fotnot: Nedanstående meddelande distribuerades i samband med pressreleasen. Det får anses helt unikt att en officiell deklaration från CERN går ut tillsammans med en pressrelease.
Dear Colleagues,
As usual, I am sending you this CERN press release before we issue it
to the media. Unusually this time, however, I feel that it needs a few
words of introduction. The OPERA collaboration has measured the time
of flight of neutrinos sent from CERN to Gran Sasso, along with the
distance they cover. These measurements appear to show that the
neutrinos are travelling faster than light. When a collaboration makes
a surprising observation such as this and is unable to account for it,
the ethics of Science demand that the results be made available to a
wider community, to seek scrutiny and to encourage independent
experiments. That's why when the spokesperson of the OPERA
collaboration asked me whether they could hold a seminar here, I said yes. Given the potential impact of such a measurement, I felt it important for CERN formally to make its position clear. That's the reason for the cautiously worded statement we're sending to the media today.
Best regards,
Rolf Heuer
Se även Hade Einstein fel? där det längst ner finns en uppdatering av statusen för experimentet.
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:
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
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:
Den fungerar som beskrivet och uppfinnarna blir rika som troll (osannolikt)
Man har gjort ett oavsiktligt misstag (knappast, eftersom den påstådda effekten är mycket stor)
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 artikel från Ny Teknik. Länk 2 är en ganska svårläst Nature-artikel.
En djupare förståelse för effekten kräver rätt mycket kunskaper i kvantmekanik. Nedan finns en video som visar hur experimentet går till:
. Ett problem är att massa uppenbarligen kopplas till gravitation medan gravitationen inte finns med i standardmodellen.
Sök i svenska Wikipedia:
