Uppdaterat SI-system

Via @KarinBojs såg jag att The General Conference on Weights and Measures har enhälligt röstat för att inleda processen med att byta definitionerna av enheterna kilogram, Ampere, mol och Kelvin.

Bild från New Scientist.

I stället för att kilot skall definieras av en metallklump i Paris skall man sätta ett konstant värde på Placks konstant. Även elektronens laddning, Bolzmanns konstant och Avogadros tal kommer att få bestämda värden på samma sätt som ljusets hastighet i vacuum idag är definierad som exakt 299792458 meter per sekund.

Jag har skrivit tidigare här på bloggen om arbetet med att byta SI-definitionerna. Det är framförallt kilo och Ampere som ställt till problem med sina konstiga definitioner; kilot som massan av en klump metall och Ampere som en ström genom oändligt långa ledare i vakuum. Det sistnämnda kan vara något svårt att reproducera i ett labb. Den konstiga definitionen på  Ampere har gjort att man för länge sedan använder alternativa definitioner i praktiska tillämpningar och det man nu mäter egentligen är en enhet oberoende av SI-enheten (även of den har samma värde).

Elektronen är rund!

I dagarna har resultat presenterats i Nature¹ som visar att elektronens dipolmoment är 0, med hyfsat god precision*. Det är Ed Hinds grupp på Imperial Collage som ägnat det senaste decenniet att mäta detta. För att vara ett resultat som egentligen inte visar något oväntat har det fått mycket uppmärksamhet på bloggar, i fackpress, media o. dyl. Det intressanta här är att standardmodellen säger att elektronen dipolmoment skall vara noll, eller i alla fall väldigt, väldigt nära noll, men det finns alternativa modeller som förutsäger ett större dipolmoment. Mätningarna sätter därmed gränser för vilka teorier som är förenliga med experiment. Och genom att titta oerhört noggrant på så små effekter så testar man i princip teorier som det behövs LHC-klass-acceleratorer att se på "traditionell väg". Som det står i abstrakt till artikeln:

Our measurement of atto-electronvolt energy shifts in a molecule probes new physics at the tera-electronvolt energy scale.

Den som har mycket gott minne kommer ihåg att jag skrev om de här mätningarna redan för drygt fyra år sedan.

För en, som vanligt, utmärkt beskrivning rekommenderas stark bloggen Uncertain Principles, men även Economistbloggen Babbage ger en god inblick i det intressanta.


¹ J.J. Hudson et al., Improved measurement of the shape of the electron, Nature 473, 493–496 (2011).

Andra bloggar om fysik, dipolmoment, elektron, vetenskap

* Ed Hinds var på Natures podcast och förklarade att om man skulle blåsa upp elektronens storlek till motsvarande hela solsystemet så skulle den största möjliga avvikelsen från absolut rundhet vara bredden på ett mänskligt hårstrå. Så, hyfsat rund :)

Pappersbaserade detektorer

Det finns i princip tre anledningar till att man utvecklar utvecklar nya mätinstrument och -metoder. Den första, och sexigaste, är att man vill kunna mäta något som inte tidigare var möjligt. Den andra är att man vill kunna mäta något bättre än vad som tidigare var möjligt. Dessa två är det man i allmänhet förknippar med forskning och utveckling. Tänk partikeldetektorer, atomur eller cancerdiagnostik... Men den tredje anledningen, att kunna mäta något billigare än vad som tidigare var möjligt, är kanske den allra viktigaste för kommersialiseringen och spridningen av en metod. Inom företag ägnas mycket forskning åt den tredje anledningen, men inom akademin är det något som ses som mindre intressant.

Ett undantag från den bilden är George M. Whitesides, professor på Harward och en av kemins superstjärnor.* På senare år har Whitesides intresserat sig för papper, istället för kisel eller PDMS, som bas för detektorer. I en rad artiklar har hans grupp publicerat pappersbaserad ELISA, och electrokemiska detektorer. I en artikel som accepterats i Lab on a Chip presenterar man nu en piezoelektisk kraftsensor av papper. 

Pappersbaserad kraftsensor.

En piezoelektrisk sensor fungerar genom att en ledare ändrar resistans när den deformeras. Genom att tillverka ledaren av kolbaserat bläck stencilerat på papper kunde man tillverka en sensor som kan mäta krafter på upp till 16mN (motsvarande tyngden av en 0,16 grams vikt) med ca 1% precision. Har man väl tillgång till bläcket tillverkas sensorn på under en timme med hjälp av en målarkniv och en pappersskärare. Den totala materialkostnaden är ungefär 0,04US$. På samma sätt tillverkade de även en våg för vikter upp till 15 gram med en mätnoggrannhet på 0,4g.

Det papperslösa kontoret gör plats för det pappersbaserade labbet.

* Whitesides har publicerat drygt 1000 vetenskapliga artiklar, och har ett h-index runt 100. Han har startat ett dussin företag och har varit en ledande figur inom än mängd områden i modern kemi, spektroskopi och nanoteknologi, bl.a. var han en av de absoluta pionjärerna inom mikrofluidik. Hans labb har som mål att "fundamentalt förändra de vetenskapliga paradigmen". Och han lyckas ofta.

X. Liu, M. Mwangi, X.J. Li, M. O'Brien och G. M. Whitesides, Paper-based piezoresistive MEMS sensors, Lab Chip, in press, doi:10.1039/C1LC20161A.

Diffraktion och interferens

Nästa post* i serien om de båda Natureartiklarna handlar om diffraktion, och speciellt om hur man kan använda diffraktion för att få fram strukturen hos en kristall.

Diffraktion betyder böjning av vågor och är något som händer när ljusvågor stöter emot ett hinder, som t.ex. en liten spalt, ett hårstrå eller går in i ett material med annat brytningsindex. Att olika våglängder böjs olika mycket ger upphov till det färgade mönster som syns när ljus träffas en CD-skiva. Om ljus faller in mot en liten öppning så kommer det att böjas runt kanten på öppningen. 

Interferens av två vågor i fas och helt
ur fas. Bild från Wikipedia.

Interferens är när två vågor summeras. Om vågorna är i fas ger de en högre resulterande våg. Om de har samma våglängd och är helt ur fas kan de släcka ut varandra.

Diffraktions- och interferensmönster i
dubbelspalt. Bild från Wikipedia.

Samverkan mellan interferens och diffraktion ger upphov till de mönster som syns i t.ex. ett dubbelspaltexperiment. Ljus från den ena spalten släcker ut ljuset från den andra i vissa riktningar och förstärker det i andra.

Braggspridning i två kristallplan.
Bild från Wikipedia.

I en kristall sitter atomerna ordnade i ett bestämt mönster som upprepas om och om igen. När man tittar in i kristallen från olika riktningar ser atomerna ut att vara ordnade i plan, ungefär som när man ser gravstenar på rad på militärkyrkogårdar. När ljus träffar en kristall kommer en del av ljuset att studsa mot det första atomplanet. En del tränger igenom det första kristallplanet och studsar mot det andra. Ytterligare en del studsar mot det tredje, o.s.v. Ljuset som reflekteras från de olika planen kommer att interferera och släcka ut varandra om inte skillnaden i sträcka mellan plan n och plan n+1 är exakt en multipel av en våglängd. Det här kallas för Braggs lag efter William Henry Bragg och William Lawrence Bragg som fick Nobelpriset för sina studier av kristallstrukturer.

Exempel på diffraktionsmönster
från olika kristallstrukturer.
Bild från Penn State.

Skillnaden i väglängd är beroende av vinkeln ljuset sprids i och på avståndet mellan planen. Man kommer alltså att se spritt ljus bara i vissa speciella vinklar från varje kombination av kristallplan. Genom att studera i vilka riktningar ljuset sprids kan man beräkna hur kristallstrukturen ser ut.

Men, eftersom avståndet mellan atomplanen är väldigt litet och det krävs att våglängder är ungefär den samma som avståndet mellan planen fungerar det inte att använda synligt ljus för att undersöka kristallstrukturer. Istället får man använda röntgenljus med en våglängd mindre än en nanometer.

* Lite senare än beräknat, men jag får skylla på att det kändes högre prioriterat att svara på en granskningsrapport.

Frielektronlasrar

Det mest utmärkande draget för en laser, men kanske inte det man först tänker på, är att ljuset den skickar ut är väldigt koherent. Koherens är en egenskap hos en vågor som talar om hur väl korrelerad en våg är med en annan våg eller med sig själv. Enkelt uttryckt innebär koherens att om man undersöker en våg på en plats kan man säga hur den kommer att se ut på en annan plats (rumskoherens) eller på samma plats vid en annan tidpunkt (tidskoherens). Att vågor är koherenta är en förutsättning för att man skall kunna se fenomen som interferens.

I en typisk laser alstras koherent strålning genom stimulerad emission (därav "ser" i ordet laser -stimulated emission of radiation). Först ser man till att lasermediet, som kan vara en gas, en kristall, eller en halvledare, innehåller en stor andel atomer/molekyler/elektroner i ett speciellt exciterat tillstånd genom att pumpa det med energi från en extern källa. När en ljusvåg passerar genom lasermediet stimulerar den de exciterade partiklarna att skicka i väg ljus av samma fas och våglängd med resultatet att man får en förstärkt ljusvåg med samma egenskaper som den ursprungliga ("la" light amplification).

Undulator. 1. Magneter 2. Elektronstråle
3. Cyklotronstrålning. Bild från Wikipedia.

En frielektronlaser (FEL) fungerar efter en helt annan princip. När en laddad partikel, i det här fallet en elektron, böjs i ett magnetfält skickar den ut elektromagnetisk strålning, så kallad cyklotronstrålning (eller om energin hos partiklarna är hög - synchrotronstrålning). Genom att skicka in elektroner från en accelerator, med en hastighet juuust under ljushastigheten, i en s.k. undulator, en uppsättning magneter med alternerande polriktning, så kan man få elektronerna att röra sig i en oscillerande bana och skicka ut ljus i varje sväng. Denna teknik har utnyttjats länge i synchrotroner för att få fram ljus av hög intensitet. I en synchrotron är ljuset inte koherent. I en FEL kan man få fram koherent ljus genom att ha en längre undulator där elektronerna har tid att påverkas av fältet i det utsända ljuset. Elektronerna klumpas då ihop (microbunching) och skickar ut ljus koherent. Principen har varit känd länge, men tekniska problem har börjat överkommas endast de senaste åren.

I likhet med en synchrotron kan våglängden hos ljuset från en FEL varieras från någon ångström till millimeter, dvs från röntgen till mikrovågor. Röntgenljus går inte att alstra med några andra typer av lasrar eftersom det inte finns några material att tillverka de nödvändiga speglarna av. Ljuspulserna kan vara så korta som några tiotals femtosekunder (på 100 fs hinner ljus röra sig ca 30 µm eller ca radien på ett hårstrå) med en intensitet 10 miljarder gånger större än hos en synchrotron.

Världens kraftigaste FEL finns i Stanford där man byggde om den berömda acceleratorn på SLAC till en gigantisk FEL. Linac Coherent Light Source (LCLS), som togs i bruk i slutet av 2009, kan leverera ljus från 540 till 9000 eV (2.3 till 0.14 nm) med en pulsenergi på 2-3 mJ. Då pulslängden kan vara runt 100 fs ger det en effekt på 10 GW och en flödesdensitet på >10²⁰W/m² i röntgenområdet. Så korta intensiva röntgenpulser öppnar för mycket ny forskning, som vi skall se.

Men man är inte nöjda med det. I en läsvärd artikel från 2005¹ beskrivs metoder för att kunna nå ännu kortare pulser ner till hundratals attosekunder. Det skulle öppna ytterligare dörrar.


1 Feldhaus, J., Arthur, J. & Hastings, J. B. X-ray free-electron lasers. J. Phys. B 38, S799-S821 (2005).

Diffraktion, röntgen, protein, acceleratorer...

Två intressanta artiklar publicerades just back-to-back i Nature [1,2]. Båda artiklarna handlar om samma ämne och är  till stor del skrivna av samma författare. Det rör sig om röntgendiffraktion av biopartiklar. Artiklarna är intressanta av flera anledningar. Den första anledningen är så klart själva resultaten. Men för mig är det ändå hur många olika vetenskapsområden som är berörda som är det riktigt intressanta. Att artiklarna har drygt 80 olika författare från 20 lab runt om i världen (varav några svenska) understryker det. Om man skulle sammanfatta artiklarna i ett par meningar skulle man kunna säga att forskarna använt en frielektronlaser (FEL) för att bestråla virus eller nanokristaller av biopartiklar. Man kan sedan använda spridningen av ljuset, i det här fallet i röntgenområdet, för att beräkna kristallstrukturen hos de bestrålade partiklarna. Det nya är att genom att använda en FEL kan man göra mätningarna på mindre kristaller, eller som i [2] på enstaka virus.

Den aktuella forskningen är i sin komplexitet en guldgruva att välja bloggämnen ur. Till exempel:

• Hur funkar en laser, och vad tusan är en frielektronlaser
• Acceleratorer och deras fysik
• Vad är diffraktion och hur ger det kristallstrukturer
• Hur går det normalt till när man tar fram proteinstrukturer ur diffraktionsmönster
• Olika tidsskalor för energidistribution
• Massor av biologi... antar jag
• osv.

Jag tänkte under de närmaste dagarna (eller kanske veckan, beroende på arbetsbörda) skriva ett par bloggposter om några av ovanstående punkter, och lära mig något själv också. Sedan kan man återvända till artiklarna och kanske förstå vad som är så nytt och coolt som gör att det är värt inte en utan två Nature-artiklar.

UPPDATERING: På DESYs hemsida finns ett mycket bra pressmeddelande om artiklarna. Läsvärt för den som kan tyska.

UPPDATERING 2: Läs om frielektronlasrar.

[1] Chapman, H. N. et al. Femtosecond X-ray protein nanocrystallography. Nature 470, 73-77 (2011).
[2] Seibert, M. M. et al. Single mimivirus particles intercepted and imaged with an X-ray laser. Nature 470, 78-81 (2011).

Snart dags att kasta metallklumpen?

Jag skrev för länge sedan om hur man vill ändra definitionerna av SI-enheterna till att vara bestämda av värden på naturkonstanterna, så som metern idag är definierad ur det exakta värdet på ljushastigheten i vakuum. Det stora problemet med dagens SI-enheter är så klart kilot som enligt definitionen är "equal to the mass of the international prototype of the kilogram" som förvaras i Paris. Bättre hade varit att definiera kilogrammet mot en naturkonstant. I en läsvärd artikel från 2006¹ (tyvärr bakom betalvägg) redogör författarna för möjliga nya definitioner för kilogram, ampere, kelvin och mol.

We propose here that these four base units should be given new definitions linking them to exactly defined values of the Planck constant h, elementary charge e, Boltzmann constant k and Avogadro constant N_A, respectively.

I dagarna publicerades en artikel i Physical Reveiw Letters² där en grupp forskare lyckats bestämma N_A genom att tillverka en sfär av kisel och mäta dess vikt och räkna ut atomantalet i den. Det låter kanske inte så imponerande, de flesta har gjort liknande experiment i gymnasiet. Skillnaden ligger så klart i precisionen. Artikeln, som finns gratis tillgänglig som pre-print på ArXiv, är en fascinerade inblick i högprecisionsmätningar.

För att kunna göra mätningarna måste man ha en isotopiskt och kemiskt ren sfär med extremt väl känd storlek, och därtill helt utan kristalldefekter. Först tog man fram rent ²⁸Si genom att centrifugera SiF₄-gas på samma sätt som man anrikar uran genom att centrifugera UF₆. Sedan användes den rena gasen till att växa kiselkristaller som sedan formades till sfärer. Dessa sfärer är bland de rundaste föremål som någonsin tillverkats - de avviker från perfekt sfäriskhet med bara 1 del på 10 miljoner - eller annorlunda uttryckt - hade de varit stora som jordklotet hade det högsta berget varit 5 meter högt och den djupaste dalen 8 meter djup. Eftersom gitterkonstanten (avståndet mellan atomerna i kristallen) hos kisel kan mätas med röntgendiffraktion och man känner till storleken och massan hos sfärerna kan man räkna ut Avogadros tal. Resultatet är att man från två prover lyckas mäta talet till N_A = 6,022 140 78(18) x 10²³ mol^-1 vilket är en relativ onoggrannhet på 30 miljarddelar. Man skriver att det inte är riktigt tillräckligt för att ännu kunna ersätta PtIr-klumpen i Paris, men att man tror sig kunna uppnå tillräcklig noggrannhet inom "överskådlig tid".

Jag trodde faktiskt att det skulle vara så enkelt att man sedan definierad om kilot genom att t.ex säga att N_A ¹²C-atomer väger exakt 12g. Men snarare är tanken att man skall definiera mängden mol med hjälp av det uppmätta värdet på N_A och sedan definiera kilot med hjälp av Plancks konstant.

En intressant sidoeffekt av sådana definitioner med fixt värde på en konstant är att man inte mäter konstanten, utan enheten. Exempel: alla har väl då och då gjort experiment med att mäta ljushastigheten (om inte pröva choklad-mikrougnsvarianten). Men eftersom ljushastigheten är exakt 299 792 458 m/s är det egentligen inte den man mäter, utan längden på en meter. Visst låter det underligt, men tänk på det en stund... Det är alltså en helt legitim fråga att ställa sig "Hur lång är en meter?".

Referenser
¹ I. M. Mills, P. J. Mohr, et al. (2006). "Redefinition of the kilogram, ampere, kelvin and mole: a proposed approach to implementing CIPM recommendation 1 (CI-2005)." Metrologia 43: 227-246. (länk)
² Andreas, B., Y. Azuma, et al. (2011). "Determination of the Avogadro Constant by Counting the Atoms in a ²⁸Si Crystal." Physical Review Letters 106: 030801. (länk, gratis ArXiv)

Grattis kvantfysiken - 110 år

Idag, den 14 december, brukar räknas som kvantfysikens födelsedag. Det var den här dagen, år 1900, som Max Planck höll sitt berömda föredrag på Deutsche physikalische Gesellschaft (DPG) där han lade fram den formel för förhållandet mellan utstrålad energi I(λ,T) och våglängd hos en svartkroppsstrålare.
När jag läste grundläggande kvantfysik fick vi lära oss hur Planck ansatte att energin var kvantiserad, vilket ledde till ett uttryck för I(λ,T) som visade sig passa med mätningar. I själva verket var ordningen en annan.

Strålningsprofil från en svart kropp
av olika temperatur.

Problemet att finna I(λ,T) för en svartkroppsstrålare gick tillbaka till Kirchhoff (han med lagarna för elektriska kretsar) som lade fram problemet 1859. Det jobbades hårt på att ta fram en teori för att beräkna formen, men minst lika hårt med att utveckla de instrument som behövdes för att mäta strålningsprofilen. Ett viktigt framsteg gjordes 1878 när Langley uppfann bolometern, som noggrant kunde mäta energin hos elektromagnetisk strålning. En anledning, utöver att utveckla en teori för strålning, att det var så viktigt att finna I(λ,T) var att med det elektriska ljusets inträde behövdes en standard för luminositet. Vid Physikalisch-Technische Reichsanstalt i Berlin samlades en rad framstående experimentalister, som Otto Lummer, Ernst Pringsheim, Ferdinand Kurkbaum, och Heinrich Rubens, och teoretiker som Wilhelm Wien och Max Planck. 1896 lade Wien fram en empirisk lag

som korrekt beskrev strålningsprofilen. Planck var dock inte nöjd; han ville härleda uttrycket från termodynamiken. Tre år senare, 1899, hade han lyckats, och presenterade för DPG en härledning ur entropin för en mängd endimensionella oscillatorer i termisk jämvikt med ett strålningsfält. Allt såg ut att vara frid och fröjd. Men experimentalisterna hann i kapp. När man lyckades mäta strålningsprofilen vid långa våglängder, i det infraröda området, vilket var svårt, insåg man att Wiens lag inte stämde. Rubens var hemma hos Planck på middag den 7 oktober 1900 och berättade för Planck om de nya resultaten. Den 19 oktober presenterade Planck, igen för DPG, en ny formel

mycket snarlik den gamla. Ekvationen presenterades utan grundläggande motivering. Planck hade valt den för att det var den enklaste formeln som passade strålningsprofilen och gav rätt form på uttrycket för entropin hos en oscillator. Två månader senare, den 14 december, lade han under titeln "Zur Theorie des Gesetzes der Energieverteilung im Normalspectrum"* en motivering där han antog att energispektrumet inte var kontinuerligt utan "utgjord av ett helt bestämt antal finita lika delar".

Det här var alltså kvantmekanikens födelse. Den kom ur ett nära samarbete mellan experiment och teori i ett fokuserat arbete att lösa ett bestämt problem. Planck själv insåg inte vilken grundläggande betydelse hans kvantisering skulle ha. För honom var det ett bekvämt matematiskt trick, han skrev själv att "jag tänkte inte särskilt mycket på det". Det var med Einstein, som aldrig helt accepterade kvantmekaniken, och den fotoelektriska effekten 1905 som kvantiseringens realitet blev uppenbar.

Andra bloggar om fysik, vetenskap, vetenskapshistoria, kvantmekanik. Intressant?
* För den som kan tyska är orginalpappret (här, M. Planck, Verhandlungen der Deutschen physikalischen Gesellschaft 2 (1900) Nr. 17, s. 245) både läsbart och intressant, inte minst den underbart tyska inledningssatsen på 17 rader. Vilken enorm omvandling kvantmekaniken var för fysiken kan man få en ide om när man läser vad Einstein skrev 13 år senare (Albert Einstein: Collected Works, Band 4, Dokument Nr. 23, p. 562):

Es wäre erhebend, wenn wir die Gehirnsubstanz auf eine Waage legen könnten, die von den theoretischen Physikern auf dem Altar dieser universellen Funktion f hingeopfert wurde; und es ist diesen grausamen Opfers kein Ende abzusehen! Noch mehr: auch die klassische Mechanik fiel ihr zum Opfer, und es ist nicht abzusehen, ob Maxwells Gleichungen der Elektrodynamik die Krisis überdauern werden, welche diese Funktion f mit sich gebracht hat.

Den klassiska mekaniken föll offer, och man visste alltså ännu inte om ens Maxwells ekvationer skulle överleva krisen denna funktion f (som vi kallade I ovan) dragit med sig.

Maxwells demon eller energi ur information

Maxwells demon släpper igenom varma molekyler men inte kalla.

En av de klassiska paradoxerna inom termodynamik är Maxwells berömda demon som i ett tankeexperiment kan separera varma och kalla molekyler och därmed bryta mot termodynamikens andra huvudsats - den som säger att i ett slutet system ökar entropin. Den klassiska beskrivningen lyder så här: Gasen i behållarna A och B är i termodynamisk jämvikt. Mellan behållarna finns en lucka; en demon kan öppna luckan för att låta en varma molekyler passera från A till B och kalla från B till A. Detta leder till att entropin minskar utan att någon energi tillsats till systemet (om luckar är friktionsfri o.s.v.) vilket bryter mot andra huvudsatsen. Lösningen, som debatterats i ett drygt sekel bygger på att för att kunna bedöma om han skall öppna luckan eller inte så krävs att demonen besitter information om systemet. Mängden information som krävs svarar mot skillnaden i entropi mellan start- och sluttillstånden.¹

En konsekvens av detta är att man kan använda information för att få arbete ur ett värmebad². 1929 visade Szilárd³ i ett vackert tankeexperiment⁴ hur man med 1 bit information kan få ut E=(log 2)k_BT Joule energi, där k_B är Boltzmanns konstant och T temperaturen. Szilárdmotorn, som den nu är känd som består av en låda innehållande en enda partikel som kan röra sig antingen till höger eller till vänster. I det högsta entropitillståndet har vi ingen aning om var i lådan partikeln befinner sig. Vi vet att lådan innehåller energi, men vi kan inte få ut den.

Om man däremot vet i vilken halva av lådan partikeln befinner sig, dvs har en bit information om systemet, kan man snabbt stoppa in en pistong. Partikeln kommer att putta på pistongen och dess rörelse kan utnyttjas till användbart arbete. Man måste dock vara noggrann med att påpeka att man inte omvandlar information till energi. Energin kommer ur värmebadet, som kommer att ha en lägre temperatur efteråt.

En enkel Szilárdmotor. Bilden stulen från Cosmic Variance.

Maxwells demon är alltså ett tankeexperiment som varit drivande för mycket av den moderna förståelsen av entropibegreppet. I en artikel publicerad i Nature Physics ⁵ härom veckan har man för första gången lyckat bygga en Szilárdmotor i labbet. "Motorn" består av en roterande pendel, byggd av två 300nm latexkulor, i ett roterande elektriskt fält. Genom att listigt konfigurera fälten kan man skapa en form av spiraltrappa för pendeln där den ena rotationsriktningen leder "upp" mot högre energi, och den andra "ner" mot lägre. Pendeln är så liten att den, om de elektriska fälten är avstängda, roterar med- eller moturs enligt den brownska rörelseprincipen.

En experimentell Szilárdmotor. Observera att den inte är skalenlig. Bild från 5.

Genom ett feedbacksystem där man observerar pendelns position med en höghastighetskamera och switchar fälten om den är på rätt plats kan man få pendeln att rotera i upp-riktningen. Man kan alltså använda informationen om för att låta pendeln gå till en högre energinivå. Ytterligare ett listigt trick, där de väntade en kort tid mellan mätningen och växlingen av fälten, gjorde att forskarna precis kunde relatera mängden information och hur snabbt pendeln rörde sig. Under väntetiden hinner pendeln flytta sig lite och chansen att den skall befinna sig där den flyttas "upp" minska med ökande väntetid. Precis det kunde man observera. Jag rekommenderar för övrigt att läsa artikeln - den är väldigt klart skriven.

Som experimentalist finner jag det naturligtvis kul att ett klassiskt tankeexperiment realiserats. Men någon kanske undrar varför det tagit så länge. Om man bara läser själva artikeln ser det ganska rättframt ut, men en titt i extramaterialet på Natures sida (pdf - gratis) avslöjar hur mycket rent experimentella svårigheter man stöter på. Bara att tillverka en pendel av två nanobollar, så små att de knapp är synliga i mikroskop, och fästa den precis över elektroderna i en experimentcell tunnare än ett hårstrås tjocklek kräver en del tålamod. Den som inte själv är experimentalist har nog svårt att uppskatta vilket arbete som ligger bakom många av de till synes enkla experiment man läser om.

¹Naturligtvis är det mer komplicerat än så (är det inte alltid det). Se Wikipedia-artikeln om demonen för en längre diskussion om det hela.
¹ Ett värmebad är inom termodynamik ett system med helt homogen temperatur. Enligt andra huvudsatsen kan den värmeenergin inte utnyttjas för att utföra arbete.
³ Szilárd är annars mest känd för att varit en av pionjärerna inom kärnfysik, bl.a. den som upptäckte kedjereaktioner och patenterade en kärnreaktor redan 1934.
⁴L. Szilárd, On the decrease of entropy in a thermodynamic system by the intervention of intelligent beings. Z. Phys. 53, 840-856 (1929). (pdf)
⁵ S.Toyabe, T. Sagawa, M. Ueda, E. Muneyuki och M. Sano, Experimental demonstration of information-to-energy conversion and validation of the generalized Jarzynski equality, Nature Physics 6, 988–992 (2010). (Betalversion, gratis från Arxiv.

Andra bloggar om Vetenskap, fysik, entropi, termodynamik.

Den Vetenskapliga Litteraturen och dess innehåll

När det talas om Den Vetenskapliga Litteraturen så är det oftast det aldrig sinande flödet av vetenskapliga publikationer, författade av forskare, avsedda främst för andra forskare, som åsyftas. Men den kurslitteratur som används på lärosätena är, eller bör i varje fall, också vara en del av den vetenskapliga litteraturen. Kurslitteraturen ska normalt sett specificeras i kursplanen, men i praktiken står enskilda lärare ofta för en del material, exempelvis kompendier. Ibland rent av hela böcker.

Och just detta, en bok som används på KTH (och som eventuellt också har använts på Chalmers) är på tapeten. Det började, tror jag, med en artikel i Metro Teknik, och har sedan följts upp av bland annat DN och SR.

Boken har fått mest uppmärksamhet för sina tendentiösa påståenden rörande klimatvetenskap. Här ett citat ur boken:

"Climategate unfolded in November 2009 when a whistleblower uploaded
thousands of emails by scientists connected to the UN Intergovernmental
Panel for Climate Change IPCC formed to study Anthropogenic Global
Warming AGW by CO2 emission from burning of fossil fuels. The emails
revealed questionable scientific methods and thus undermined the scientific
basis of AGW."

Ovanstående påstående kan på goda grunder ifrågasättas, men är ett fint exempel på hur tendentiös boken är. Textraderna ger tydliga indikationer beträffande författarnas åsikter i klimatfrågan - möjligen inte ett ämne som har en självklart plats inom numerisk analys. Det finns också ett räkneexempel rörande klimatförändringar i boken, som inleds på följande vis:

"Once Icarus and Daedalus have escaped from the Labyrinth of Ignorance,
they wiil be ready to take on problems. What is the biggest problem facing
humanity today? Is it Global Warming because of increasing CO2 in the
atmosphere from burning fossil fuels like oil and coal, and from humans
breathing and cows letting out? Can we all go on breathing or will it be
reserved for the rich?"

Jag antar att ingen har några problem att gissa vad räkneexemplet kommer fram till?

Och den som inte tycker att ovanstående räcker som exempel på den lätt oortodoxa tonen i boken kan kika på nedanstående exempel:

"But elevating wave-particle duality to a physical principle is a cover-up of a contradiction [3, 4, 11]: As a reasonable human being you may sometimes act like a fool, but duality is here called schizophrenia, and schizophrenic science is crazy science, in our time represented by CO2 climate alarmism ultimately based on radiation as streams of particles. The purpose of this note is to show that particle statistics can be replaced by deterministic finite precision computational wave mechanics. We thus seek to open a door to restoring rational physics including climate physics, without any contradictory wave-particle duality."

Om man är positivt lagd kan man ju se det som ett läromedel som uppmuntrar studenternas kritiska tänkande, och det kan förvisso vara behövligt, men frågan är hur långt utanför sitt specialområde ett läromedel bör gå, utan granskning av experter inom det aktuella området. I det här avseendet tycks det mig ganska klart att man går långt över gränsen. En nyligen publicerad undersökning visar att forskarkollektivet tappat en del när det kommer till allmänhetens förtroende. Det är inte utan att man kan tycka att det är rimligt. Att man är professor gör en inte kompetent att uttala sig om vad som helst.

En version av boken kan hittas här. Jag kan dock inte garantera att det är exakt denna version som använts på KTH (eller någon annanstans). Och den som ids kan också följa den ganska långa debatten som pågår på Forum för vetenskap och folkbildning.

Kattvetenskap

Som kattälskare och accepterad matare och klappare* av en pälsklädd drottning drogs jag naturligtvis till den här rubriken: Cats' Tongues Employ Tricky Physics. Den är från en artikel från Science Now och beskriver hur katter gör för att dricka utan att, som hundar, blöta ner ansiktet och allt runt skålen. Studien publiceras i Science inom kort.

Några forskare på MIT, under ledning av biofysikern Roman Stocker, har fotat drickande katter med höghastighetskamera. Det visar sig att katter använder en helt annan, mycket elegantare**, teknik än t.ex. hundar. Hundar viker tungan till en slevform och slafsar i sig vätskan. Katter böjer tungan till ett J, nuddar vid vätskeytan och drar snabbt upp tungan igen. En liten vattenpelare dras med som katten kan fånga i munnen innan den trillar tillbaka i skålen.  Enligt forskarna har katterna dessutom utmärkt tajming. Om de stänger munnen för tidigt eller för sent missar de en del vatten, men istället har de lärt sig att göra det i precis rätt tid. En genomsnittlig katt hinner med fyra lapningar i sekunden. Och stora katter dricker på samma sätt. Man har filmat tigrar, lejon och andra stortandade katter, förhoppningsvis i säkerhet bakom ett galler, och kommit fram till att de använder samma teknik, men något långsammare för att kompensera för den ändrade balansen mellan tröghet och gravitation på grund av de större inblandade tungorna.

Man byggde även en liten maskin som visar på hur kattlapandet går till. 

En film finns på New Scientists blogg.

Ytterligare en film, 67 gånger långsammare än i verkligheten.

Höghastighetskameror är coola, katter är coola. Kombinationen kan bara bli fantastisk.


* Kattägare är ett ord som inte har någon reell betydelse.
** Ursäkta hundälskare, men det är ett faktum att katter är elegantare än hundar :)

Nobelpris för grafen

Årets Nobelpris i fysik gick till Geim (även IgNobelpristagare för några år sedan) och Novoselov för banbrytande experiment med materialet grafen.

Det är ett roligt pris för att 1) jag har redan skrivit om det här så det är lätt att göra en Nobelprispostning, 2) Jag jobbar själv lite grann med grafen, 3) det är ny intressant forskning av relativt unga pristagare.

Tyvärr missade jag ju årets Nobelgissning. Jag trodde det var för tidigt för grafen.

Andra bloggar om grafen, fysik, Nobelpriset, vetenskap

Relativitet i mänsklig storlek

De flesta som känner till något om Einsteins relativitetsteori vet att tiden går långsammare om man rör sig snabbt. Denna så kallade tidsdilation har man lyckats mäta med hjälp av duktigt noggranna atomur. 1971 utfördes Hafele och Keating-experimentet där man flög fyra atomur jorden runt två gånger, en gång österut och en gång västerut. Helt i enlighet med teorin hade uren som flög österut förlorat 59+/-10 nanosekunder och de som flög västerut visade 273+/-7 ns extra.
I själva verket var resultatet summan av två olika tidsdilationer; den som säger att om man rör sig fort går tiden långsammare, och den kanske mindre bekanta som säger att ju starkare gravitation desto långsammre går tiden. Den första effekten kommer ur den speciella relativitetsteorin, medan den andra är sprungen ur den senare allmänna relativitetsteorin.
Enligt den gravitationella tidsdilationen så går en klocka alltså snabbare om man lyfter den från jordytan, eftersom gravitationen är svagare ju högre man kommer. Det är en effekt som dagligen tas i beaktande i signalerna från GPS-satelliternas klockor. Där handlar det dock om en höjdskillnad på 20000 km mellan jordytan och satelliterna. Man kan mäta skillnader mycket mindre än så. I en artikel nyligen publicerad i Science¹ presenterar forskare från NIST (National Institute of Standards and Technology) nya mätningar med hjälp av två (fantastiskt noggranna) klockor sammankopplade med optisk fiber. Klockorna arbetar med optiska atomövergångar som har mycket högre frekvens, och därmed mycket högre potentiell noggrannhet, än de mikrovågsklockor som används t.ex. som definition av sekunden. Genom att klockorn är förbundna med optisk fiber kan man mäta frekvenskillnaden mellan klockorna. Skillnaden i frekvens kan direkt relateras till hur fort tiden går hos de olika klockorna (tid=1/frekvens).
Den relativa skillnaden i frekvens mellan klockor på olika höjd ges av ekvationen*

där g är accelerationen pga gravitationen, Δh är höjdskillnaden mellan klockorna och c är ljushastigheten. Eftersom c² är ett jättestort tal blir skillnaden ganska liten; vid jordytan ungefär 1.1×10^-16 per meter. Det innebär att huvudet hos en 50-åring är mellan 100 och 200 ns äldre än hennes fötter (beroende på hur mycket man står/sitter/ligger). Forskarna vid NIST lyckades mäta skillnaden när en klocka lyftes så lite som 33 cm. Den uppmätta relativa skillnaden mellan klockfrekvenserna (4.1×10^-17) motsvarar en sekund på drygt 770 miljoner år.

Man mätte också tidsdilationen när man puttade lite på en klocka, som består av en samling aluminiumjoner i en magnetisk fälla, med hjälp av ett elektriskt fält. När man knuffar till jonerna börjar de vibrera upp och ner i fällan. Ju hårdare man knuffar desto fortare rör de sig. Man lyckades mäta tidskillnaden mellan klockorna när den ena stod still och den andra rörde sig så långsamt som 10 m/s (36 km/h). Man kan alltså mäta relativisitiska effekter i cykelfart.

Förutom att det är coolt att man kan mäta något så noggrant så ser NIST-forskarna också praktiska applikationer med sådana mätningar. Med ytterligare lite noggrannare klockor så skulle man kunna bygga upp nätverk med atomur som skulle kunna göra dagliga mätningar av hur markytan rör sig p.g.a. tidjordeffekten, tektoniska rörelser m.m.

Referens
1. C. W. Chou, et al., Optical Clocks and Relativity. Science, 2010. 329: p. 1630-1633.

* under förutsättning att gravitationen inte är alltför stark (gh≪c²).

En stor eller många små?

En intressant fråga från Sandbian ledde till att slösade bort stora delar av arbetsdagen med roligare saker än att skriva artiklar. Jag citerar Daniel: The claim is that breaking the asteroid in to several pieces is at best just as bad, but probably worse

Daniel anade att svaret är att en stor klump är värre än många små. Jag visste inte vad som var rätt, men tänkte att det kan man nog titta lite närmare på. Jag är absolut ingen expert på området, men använde lite grundläggande fysik och google.

För det första kan vi konstatera att om en “Texas-sized” asteroid träffar oss spelar det ingen som helst roll vad vi gör. Det är do widzenia, auf Wiedersehen, we’ll meet again, i alla fall. En idé om vad som händer kan man läsa här.

Låt oss istället ta en “liten” klump, säg 15 km diameter*. Den träffar jorden i rät vinkel med hastigheten 17 km/s (en medelhastighet för asteroider). Enligt en fiffig kalkyl på Earth Impact Effects Program så ger den klumpen upphov till en krater med en diameter på 180 kilometer. Inom en radie på 1300 km sätter värmestrålningen eld på all vegetation. Det låter som om vi är seriöst kokta. Det var en något mindre asteroid som (troligtvis) tog kål på dinosaurierna...

Men till vår räddning kommer Bruce Willis som med en grupp hjältemodiga oljeborrare ger sina liv för att spränga asteroiden. De lyckas spränga sönder den till kilometerstora bitar, 3375 (15^3) stycken. Delarna sprids ut över ett stort område. Låt oss säga att delarna sprids med en Gaussisk fördelning med en standardavvikelse på 1000 km. 95% av stenarna hamnar då inom 2000 km från mittpunkten. Låt oss säga att Bruce och vänner lyckades spränga asteroiden på 36000 km höjd, dvs ungefär vid geostationär bana. Spridningsvinkeln är då ca 10 grader. För att lyckas med det behöver de en bomb med en sprängkraft på ca 140 000 Megaton TNT, eller ca 6ggr den totala kärnvapenarsenalen. Och det innefattar bara den extra kinetiska energin som krävs för att sprida ut asteroiden**, och alltså inte energin för att bryta isär den. För övrigt kommer de där 140 gigatonnen TNT energi också att deponeras på jorden som en bonus. Det är dock inte medräknat nedan.

Så vad händer. Enligt Earth Impact Effects Program så ger en 1km asteroid en krater på 16 km. "Brännradien" är ca 175 km. Området inom 100km från centralpunkten kommer att träffas av i genomsnitt 17 nedslag, vilket kommer att göra att ungefär 11% av markytan inom hela området kommer att täckas av kratrar. Detsamma gäller ut till ungefär 600km från epicentrum. Det verkar bli seriöst obehagligt att befinna sig här. Men än värre blir det om vi tar antändningsradierna i beräkning. Hela området ut till drygt 2000 km radie kommer att antändas. Samma sak gäller området där tryckvågen kommer att rasera all bebyggelse. Det verkar alltså som om en stor klump är att föredra, om det är rätt ord om en potentiellt civilisationsförgörande händelse.

Om vi lyckas spränga sönder den ursprungliga asteroiden i ännu mindre bitar, säg 500 meter i diameter? För det första får vi då 27000 (30^3) inkommande meteoriter. Varje orsakar en krater med 8,9km diameter och sätter eld på allt inom 80km. Från diagrammen nedan kan vi tydligt se att det vore värre. Inom ett område med en radie på runt 1000km kommer en femtedel av landytan vara krater. Liksom i fallet med större fragment kommer ett område på uppemot 2500km radie att antändas.

På hur stor del av markytan skulle all vegetation antändas på olika avstånd från centralpunkten. Som synes är siffran betydligt högre än 100% på alla avstånd mindre än 2500 km.

Hur stor del av marken är täckt av krater på olika avstånd från centralpunkten.

Till och med om vi skulle lyckas spränga sönder asteroiden till drygt 3,3 miljoner hundrametersfragment skulle vi vara räddade. Hela markytan ut till ca 1000 km skulle vara en stor krater! Beräkningarna för detta kan man hitta i ett excelark här. Nedan några exempel på hur nedslagen kan vara fördelade.

1-kilometers asteroider. De blå prickarna är nedslagspunkterna och motsvarar ungefär kraterradien. De röda cirklarna är området där vetetation antänds.

500-meters asteroider. De blå prickarna är nedslagspunkterna och motsvarar ungefär kraterradien. De röda cirklarna är området där vetetation antänds. Obs att skalan ändrats.

Nedslagskartan över en-kilometers asteroider överlagda över Europa.

Jag antog i alla fallen ovan att bitarna var utspridda över ett område med standardavvikelsen 1000 km. Om vi skulle sprida ut dem mer? Då skulle det bli ännu värre, upp till den punkten att vi spred ut delarna så mycket att en stor del av fragmenten missar jorden. Anledning är att en stor sten ger en massiv overkill nära nedslagspunkten, men att förödelsen avtar med kvadraten på avståndet. Dvs ganska fort blir förhållandena bättre. Många "små" stenar ger var och en total förödelse nära nedslagspunkten men den utspridda effekten ger sammanlagt större effekt. Det är samma anledning till att man på 60-talet slutade att utveckla större och större kärnvapen. Ett flertal mindre ger en betydligt större effekt. Med Daniels liknelse handlar det inte om en stor sten eller sand mot ett fönster. Det handlar om ett ton tegel eller 3000 tegelstenar mot samma glasvägg.

Av det här kan jag dra slutsatsen att de som säger att många små fragment är värre än en stor sten har rätt. Och ju mindre fragment desto värre. Undantaget är om en relativt liten sten, säg 100m, som i sig kan orsaka betydlig förödelse kan smulas ner till fragment i 10-meters-klassen som är relativt ofarliga. Om en monsterasteroid skulle vara på väg åt vårt håll har vi egentligen tre alternativ. Antingen tar vi hand om hotet så tidigt att vi kan knuffa den ur kollissionskurs, eller så försöker vi spränga den så långt bort att en stor del av fragmenten missar jorden. Jag tror inte på den modellen. Inte minst för att folk underskattar energin som behövs för att förstöra en stor himlakropp. Det tredje alternativet, om vi inte upptäcker asteroiden tidigt nog, är att inte göra något alls. Att låta den träffa intakt och försöka minska skadeverkningarna. Att göra något åt ett inkommande asteroid kräver tid. Därför är program som Arthur C. Clarks tänkta Spaceguard absolut nödvändiga.

* För att det var den största storleken som gick att skriva in i en annan nedslagskalkylator.
** Att flyga 36000 km i 17 km/s tar ca 2100s. Om spridningen skall ha en fördelning med σ² = 1000km krävs en hastighetsfördelning med σ² = 1000km/2100s = 475m/s i riktningen ortogonalt mot den ursprungliga flygriktningen. Väntevärdet av hastigheten i kvadrat är 222784 m²/s² vilket ger en kinetisk energi hos fragmenten på 6×10²⁰J. Detta motsvarar ca 140 Gton TNT.

Svart, svartare, nanorör

En svartkroppsstrålare är ett tänkt föremål som absorberar 100% av allt infallande ljus - den är helt svart. Men, som namnet antyder sänder den även ut ljus. Färgen på det utsända ljuset är helt och hållet bestämd av föremålets temperatur, och beskriver en kurva med ett emissionsmaximum som går mot längre våglängder med lägre temperatur. Kurvan, emissionsspektrumet, beskrivs av Plancks berömda formel:

Teorin för svartkroppsstrålning var ett av de fundamentala brotten med den klassiska fysiken och ett steg i utvecklingen av kvantfysiken. För att få fram rätt uttryck krävs nämligen att man antar att energin hos ljuset är kvantiserad.

Matta av nanorör. Bild från [2].

Men perfekta svartkroppar finns inga. Stjärnor är nästan svartkroppsstrålare, men de har spektrallinjer - de berömda Fraunhoferlinjerna, där atomer i stjärnas ytterlager absorberar strålning. Andra exempel på material med extremt låg reflektion (=hög absorbtion) är t.ex. nanofraktalt guld och super black, en speciellt etsad nickel-fosforlegering. För några år sedan upptäcktes att mattor av vertikala kolnanorör (VACNTs) har extremt låg reflektion. I Nano Letters publicerade Ajayans grupp en artikel¹ där de mätte reflektionen i synligt ljus från sådana nanorör och konstaterade att det var det "svartaste" föremålet någonsin tillverkat. Reflektionen var under 0,05%. Som jämförelse kan nämnas att matt svart färg reflekterar ca 1,5% av det inkommande ljuset. Strax efter lyckades Hata, känd från "superväxt" av nanorör, och hans kollegor mäta² att liknande mattor av enkelväggiga nanorör beter sig som nästan perfekta svartkroppar från UV (200nm) till långt ut i det infraröda området (200µm). De har en nästa våglängdsoberoende absorption på över 98% genom hela det området och är därmed de mest svartkroppslika föremål som tillverkats.

I en artikel som skall publiceras i Nano Letters³ har forskare från NIST utnyttjat den här egenskapen hos nanorörmattor för att skapa en supersvart ytbeläggning för en IR-detektor. En IR-detektor fungerar så att den absorberar infrarött ljus, vilket omvandlas till värme. Sedan mäter man hur mycket detektorn värms upp för att på så sätt bestämma ljusintensiteten. Det är därför väldigt viktigt att detektorn inte reflekterar något ljus. Det var för detta ändamål det ovan nämnda super black utvecklades. Forskarna från NIST visar att nanotubsbeläggningen är mindre reflekterande än andra beläggningar, och därtill har de högre värmeledningsförmåga, vilket är ytterligare ett plus.

Det verkar alltså som om nanorör kanske har en mörk framtid, vilket i alla fall i detektorvärlden är en positiv egenskap.

Referenser (bakom betalväggar):
1.    Z.-P. Yang, et al., Experimental Observation of an Extremely Dark Material Made By a Low-Density Nanotube Array. Nano Lett., 2008. 8(2): p. 446-451.
2.    K. Mizuno, et al., A black body absorber from vertically aligned single-walled carbon nanotubes. Proc. Nat. Acad. Sci., 2009. 106(15): p. 6044-6047.
3.    J. Lehman, et al., Very Black Infrared Detector from Vertically Aligned Carbon Nanotubes and Electric-Field Poling of Lithium Tantalate. Nano Lett., 2010. In Press. doi: 10.1021/nl100582j

Mikroskop för mobilen

En grupp forskare vid UCLA har nyligen skapat ett mikroskop där detektorn utgörs av kameran i en mobiltelefon. Forskarna publicerade sin uppfinning i Lab on a Chip*. Mikroskopet som bara väger 38g inklusive batteri, är utan linser, utan fungerar med hjälp av holografi. Enkelt sagt kan man säga att hologrammet skapas av en superposition mellan en ljusstråle som belyser objektet och en referensstråle. Normalt sett kräver det här koherent ljus, t.ex. från en laser. Men i det här fallet använder man ljuset från en  liten LED, som allstå inte är koherent. Tricket ligger i att när man bara avbildar väldigt små objekt kan objektet själv fungera som en koherent ljuskälla. Mobilkameran avbildar hologrammet, och med hjälp av den kan man återskapa bilden med hjälp av en dator. Fast, nu för tiden är ju alla mobiler utrustade med en hyfsat kraftfull processor, så bildbehandlingen kan göras i princip i realtid. Mycket av arbetet verkar ha legat i att kompensera för bland annat att mobilkameror är utrustade med ett Bayerfilter för att ta färgbilder, vilket stör när ljuskällan som i det här fallet är monokrom. Mikroskopets upplösning är beroende på vilken upplösning mobilens detektor har, men ligger runt 2µm.

Forskarna säger att deras mikroskop kan användas för exempelvis medicinsk analys i områden där det inte finns tillgång till labb. Via mobilen kan man ta bilder på t.ex. ett blodprov, och även skicka den direkt vidare till ett labb någon annanstans i världen. Visst, det är väl en nobel tanke. Själv tyckte jag istället - cooolt, när kommer den till Android. Perfekt leksak för oss lite nördiga.

* Lensfree microscopy on a cellphone, D. Tseng et al., Lab Chip, 2010, DOI: 10.1039/c003477k

Andra bloggar om vetenskap, mikroskop, forskning, mobilkamera.

"A great day to be a physicist"

Så var det då äntligen igång. Starten på LHC research programme, på CERN! Strax efter klockan 13.00 kolliderade två protonstrålar, med den högsta kollisionsenergin någonsin: 7 TeV. Alla domedagsprofetior till trots så tycks det som om att världen fortfarande existerar.

TeV=Teraelektronvolt. För att ge perspektiv så motsvarar rumstemperatur ungefär 0.026 elektronvolt, eller så kan man säga att 7TeV motsvarar ca 81000000000000000 grader. Ganska hyfsade energier med andra ord.

Överljudsstrålar i köket

I en mycket läsbar, och gratis tillgänglig (pdf), artikel i PRL [1] visar att man enkelt kan skapa luftstrålar där luften rör sig med överljudshastighet hemma i köket. När ett fast föremål släpps ner i vätska bildas en kavitet i vätskan som fylls av luft som strömmar in. Efter några millisekunder börjar kaviteten att kollapsa av trycket från den omkringliggande vätskan. Luften pressas då ut ur hålrummet med allt högre fart ju smalare halsen på hålrummet blir. Detta är känt sedan länge, och är det som ger upphov till den vattenstråle som sticker rakt upp, ibland ganska högt, när man släpper något i vatten.

Det nya i den här artikeln är att författarna lyckats mäta hastigheten på luftflödet med hjälp av en höghastighetskamera och små rökpartiklar (en film finns här) när kaviteten fortfarande är ganska stor. Genom att koppla de mätningarna med datorsimuleringar kommer man fram till att när halsen har en radie på någon millimeter, strax innan den kollapsar når luftströmmen verkligen överljudshastighet. Det var nytt att trots att tryckskillnaden i kaviteten och utsidan är ganska lite kan man ändå få en så snabb luftström.

Om det finns någon praktisk nytta med det här är kanske tveksamt, men det är rätt coolt i alla fall.


Andra bloggar om: vetenskap. forskning, fysik, fluiddynamik, vardagsfysik.

[1] Gekle, S.; Peters, I. R.; Gordillo, J. M.; van der Meer, D.; Lohse, D., Supersonic Air Flow due to Solid-Liquid Impact. Phys. Rev. Lett. 2010, 104, (2), 024501.

Om Gud och maskinen

Ett av mina favoritprogram på radio, P1:s Godmorgon, Världen!, hade i söndags ett riktigt dåligt reportage om de stundande experimenten vid LHC i CERN. Gång på gång upprepade reportern Sara Stenholm att man skall iscensätta Big Bang under experimenten, likaså gjorde Olle Hägg i påannonseringen. För det första borde det ju vara självklart att man inte skall återskapa universums födelse. Universum finns - och inget vi gör kommer att få det att ofinnas vilket borde vara en förutsättning för att återskapa det. Förutom den invändningen så har jag tidigare i den här bloggen påpekat att energierna i LHC skiljer sig dramatiskt från de som gällde vid tiden strax efter universums skapelse. Skiljer sig med åtminstone 19 storleksordningar. Det tycker jag att Ulf Danielsson borde ha påpekat (kanske gjorde han det, men det var i alla fall inte med i reportaget) men han talade hellre om de teologiska implikationerna av experimenten.

Ola Sigurdsson, professor i tros- och livsåskådningsvetenskap, var inkallad för att försvara religionen mot de Big Bangande forskarna. Han talade sig var för de skiljda katedrarna - tanken att vetenskap och religion kan samexistera för att de handlar om olika frågor. Kunskap om hur universum skapades var enligt honom inte ett bekymmer för religionen; den senare handlar istället om ögonblicket innan - vem och varför. Visst, så kan man väl tycka, men ger inte kristendomen tarvliga svar på den frågan. Gud skapade universum av kärlek enligt Sigurdsson. Vad betyder det? Vad har man som talar för det? Det är väl bara ett annat sätt att inte våga säga att vi inte vet. I själva verket ger vetenskapen mindre och mindre utrymme för religionen - kyrkan tvingas ständigt på reträtt och hävdar inte längre att bibeln skall tolkas bokstavligt, utan att det är en form av symbolik. Vi kan ju hoppas att med mer kunskaper och mer spridning av kunskaper och upplysning så kommer fler och fler att ifrågasätta religionens inflytande. Om nu den viktigaste delen i bibeln - den som talar om hur vi blev till bara är symbolik, varför skall vi då tro på något som står där.

Jag tycker att LHC-experimenten är oerhört spännande, men att överdriva deras betydelse leder inte bara till att knäppskallar tror att de kan förstöra jorden utan också till att vi riskerar att bli oerhört besvikna när de inte leder till svaret på allt.

Andra bloggar om: vetenskap, fysik, religion, LHC, CERN.

Slutspillt!

Via the physics arXiv blog fann jag en artikel [1] från Lydéric Bocquets grupp i Lyon där de en gång för alla löser ett av mänsklighetens stora dilemman: att stoppa droppet när man häller te ur en kanna. Bocquet gör mycket intressant forskning om vätskor och ytor och publicerar i tidskrifter som PRL och Nature om saker som fysiken bakom att kasta smörgås. I det här fallet knyter det också samman med det jag sysslade med i Frankrike - superhydrofoba ytor och elektrovätning.

Anledningen till att te (eller andra drycker) gärna rinner ner längs kanten på kannan istället för rakt ner i muggen/glaset har sysselsatt forskare länge. Redan1957 publicerade matematikern Joseph Keller en teori om vad som ligger bakom, och fler försök har gjorts sedan dess. Bocquet menar att det är "hydrokapillära effekter" som ligger bakom droppet. Sedan tidigare är det visat att tjockleken på pipen och ytan vätningsförmåga inverkar på hällförmågan, speciellt vid läga hällhastiheter. Dessa komponenter bestämmer tillsammans hur stark den hydrokapillära effekten är och Bocquet och hans medarbetere undersöker även lägsta möjliga hällhastighet för olika ytor med olika tjocklek. Sedan konstruerar de en tekanna med en superhydrofob yta som stöter bort vattnet och häller perfekt rakt i koppen vid alla hällhastigheter.

Det coolaste är dock att de även visade att med hjälp av elektrovätning kan man genom att lägga på en spänning mellan vätskan och ytan ändra vätningsförmågan och på så sätt sätta på eller stänga av droppandet som man vill. Något för att frustrera ovetande tegäster?

Nu väntar vi bara på en droppfri whiskyflaska. Och då alkohol och vatten har olika vätningsförmåga kanske vi måste vänta ytterligare några decennier...

[1] C. Duez, C. Ybert, C. Clanet, L. Bocquet, Beating the teapot effect. arXiv:0910.3306v1 [cond-mat.soft]
[2] J.B. Keller, Teapot effect. J. Appl. Phys. 28, 859 (1957); doi:10.1063/1.1722875


Andra bloggar om: vetenskap, fysik, hydrodynamik, te, tekanneeffekten.