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.

Jubileumsdag för Darwin

Att 2009 är ett jubileumsår för Charles Darwin har väl de flesta redan läst om, men jag tänkte uppmärksamma att det faktiskt är idag som är den stora jubileumsdagen. Det var nämligen den 24 november 1859 som hans berömda verk "Om arternas uppkomst" gavs ut.

tecknad film om Darwin

Som en del av firandet av att det i år är 150 år sedan av Charles Darwins bok "Om arternas uppkomst" publicerades samt 200 år sedan han föddes finns nu också en tecknad film om Darwin. Den heter "Darwin on the evolution trail" och finns på engelska, tyska eller franska. Jag tittade på den nu på morgonen och tycker att den var riktigt bra så jag rekommenderar andra att se den. Tillsammans med 2 andra korta filmer om evolution finns den på www.evolution-of-life.com. 

Darwins födelsedag

Idag är det 200 år sedan Charles Darwin föddes i den engelska staden Shrewsbury. Jag vill ge en eloge till Svenska dagbladet som har uppmärksammat Darwins födelsedag ordentligt med både en understeckare, ett blogginlägg och en "testa dig själv" med fem frågor om Darwin. Jag har inte så mycket tid att skriva nu men lovar att jag kommer att skriva mer om Darwin under 2009.

Jubileum för Darwin

I år är det 150-årsjubileum för Charles Darwins bok "Om arternas uppkomst", "On the origin of species by means of natural selection" på engelska. Den kom alltså ut 1859 och jag skulle säga att det är en av de allra mest betydelsefulla vetenskapliga böckerna. Jag läste den för ett par år sedan och blev otroligt imponerad av Darwins förmåga att beskriva naturen. Detta jubileum kommer att uppmärksammas på många sätt under 2009 och läsning på svenska finns just nu i form av en artikelserie i DN. För den som vill läsa någon av Darwins skrifter på engelska så kan jag rekommendera websidan Darwin online. Den innehåller samtliga böcker och en hel del annat material skrivet av Darwin, både som text och som inscannade bilder. Där finns dessutom t. ex. Darwins liv i bilder som är en samling fotografier av bland annat hus Darwin bott i och skolor han gått i.

Voyager och solvinden

I förra veckans Nature publicerades samtidigt sex stycken artiklar om solvindens yttre delar. Närmare bestämt om termineringschocken. Anledningen till denna artikelanstormning kommer vi till nedan, men först en kortkort introduktion till solsystemets geografi. Solvinden är en ström av laddade partiklar som ständigt strömmar ut från solen. Solvinden består till största delen av elektroner och protoner som skickas ut med en hastighet av ungefär 400 km/s. Den här plasmavinden blåser upp en bubbla i det interstellära mediet, som är den mycket tunna gas som finns mellan stjärnorna. Den här bubblan kallas för heliosfären. Inne i heliosfären rör sig partiklarna från solvinden ganska obehindrat, men vid det som kallas termineringschocken träffar de på det interstellära mediet och bromsas kraftigt. De når där subsonisk hastighet (dvs de rör sig långsammare än vågutbredningshastigheten i mediet). Detta sker ganska abrupt, men solvinden fortsätter att dominera rymden ytterligare en bit ut, till heliopausen. Där utanför är det det interstellära mediet som dominerar. Exakt vad de här fronterna ligger beror på solvindens styrka och lokala magnetfält och mycket annat.

Den första direktkontakten med termineringschocken fick vi för fyra år sedan när Voyager I passerade genom den på 94 AU avstånd från solen (1 AU = medelavståndet mellan solen och jorden ≈ 150 miljoner km). För ett år sedan anlände även Voyager II till chocken 84 AU från solen. Voyager II lyckade med konststycket att passera den mycket dynamiska chockfronten, som rör sig ut och in, minst fem gånger varav tre under tiden när instrumenten var igång. Med sin ännu fungerande plasmaanalysator har den skickat tillbaka ovärderlig data om hur solen påverkar sin omgivning. Man vet nu att chockfronten inte är symmetrisk utan "intryckt" på ena sidan. Detta kan tänkas bero på ett interstellärt magnetfält. Man har även mätt ett komplicerat samspel mellan solvinden och atomer från det interstellära mediet som joniserats.

Voyagerprogrammet, med de två proberna I och II, måste beskrivas som en makalös succé. Voyager II skickades upp i Augusti och Voyager I i september 1977. Huvudsyftet med proberna var att studera jasjättarna Jupiter och Saturnus, men de har även gjort många mätningar av Uranus och Neptunus och deras månar. Voyager I, som skickades på en snabbare bana än II, är nu det mest avlägsna mänskliga föremålet. Den befinner sig på ett avstånd på drygt 100 AU, eller nästan 15 ljustimmar, och avlägsnar sig frånsolen med en hastighet av 17 km/s.

Proberna får energi från radioisotopsgeneratorer där värmen som bildas när, i det här fallet plutionium, sönderfaller generar elektricitet i ett termoelement. Generatorn förlorar effektivitet när allteftersom bränslet förbrukas och för att behålla någon funktion hos Voyager-probern stängs instrumenten ner, ett efter ett tills bara de viktigaste är kvar. Man hoppas på att proberna skall kunna fortsätta sända data fram till 2025. Förhoppningen är att när de inom tio år eller så passerar heliopausen (som man inte riktigt vet hur långt bort den är) skall de ge den första smaken av det interstellära mediet.

Av alla tusentals fantastiska bilder från Voyager-probernas 0.64 megapixelkameror, som skickas hem med 160 bit/s, av Saturnus ringar, Ios vulkaner, Neptunus mörka fläck och många fler så är det kanske ändå den svaga blå fläcken som står ut.

Andra bloggar om: vetenskap, astronomi, Voyager, rymden, solsystemet, astrofysik.

Re: Milstolpar

En av de mest ansedda tidskrifterna inom fysik är utan tvekan Physical Review Letters eller PRL som den vanligen omnämns. Det är en av de mest citerade tidskrifterna inom fysikområdet, och en publicering där är garanterad att väcka en del uppmärksamhet.

PRL ges ut av The American Physical Society, och var en avknoppning av Physical Review. I PRL publiceras bara korta artiklar, letters, begränsade till 4 sidor. Ett PRL är därför snarare en kort presentation av de viktigaste resultaten och inte en exposé över metod och likande. Det gör tyvärr att även mycket intressanta papper kan vara mer eller mindre oläsbara för den som inte redan är insatt i forskningsområdet. Men PRL tillhör ändå en av de viktigaste och mest läsvärda tidskrifterna och många är de viktiga upptäckter som först publicerats i PRL.

I år, när man firar 50-årsjubileum så presenterar man varje vecka utvalda milstolpar ur PRLs historia. Man började med letters från 1958 i första numret för året och avser arbeta sig fram mot år 2000 vid årets slut. Artiklarna ges en kort presentation på en egen sida. Bland de papper som lyfts fram hittills finns Peter Higgs ursprungliga papper om det som numera kallas Higgs-partikeln [1]; Glaubers introduktion till kvantoptik (NP2005) [2]; den första halvledarlasern [3] m.fl. Det hela skulle dock blivit mycket bättre om själva artiklarna inte fortfarande var gömda bakom betalväggen! Men det är väl värt att koll in i alla fall.

Ref:
[1] Peter W. Higgs, "Broken Symmetries and the Masses of Gauge Bosons", Phys. Rev. Lett. 13, 508 (1964).
[2] Roy J. Glauber, "Photon Correlations", Phys. Rev. Lett. 10, 84 (1963).
[3] R. N. Hall, G. E. Fenner, J. D. Kingsley, T. J. Soltys, och R. O. Carlson, "Coherent Light Emission from GaAs Junctions", Phys. Rev. Lett. 9, 366 (1962).

Sputnik 50 år!

Idag är det 50 år sedan Sputnik slog världen med häpnad. En liten pipande kula i omloppsbana startade en rymdkapplöpning som lett till ofattbara framgångar. Om det är någonting vi kan tacka det kalla kriget för så är det hur tävlingen mellan supermakterna accelererade utvecklingen. Som Kennedy uttryckte det vid Rice University:

We choose to go to the moon in this decade and do the other things, not only because they are easy, but because they are hard, because that goal will serve to organize and measure the best of our energies and skills, because that challenge is one that we are willing to accept, one we are unwilling to postpone, and one which we intend to win, and the others, too.

Det tog bara en månad innan hunden Laika blev första jordvarelse att skjutas ut i, och dö i, rymden. Sedan följde råttor, möss och apor innan Jurij Gagarin 1961 blev förste människa i rymden. Därefter har vi sett på män på månen och prober till många av solsystemets kroppar. Rymdprogrammet har lett till makalösa kunskaper inom astronomi och fysik, men även många spin-off-teknologier som kommit folk i gemen till nytta.

Sputniks 50-årsdag uppmärksammas naturligtvis av många tidningar och media. NY Times har en specialbilaga om rymdåldern som är mycket bra. I Der Spiegel finns en trevlig multimediapresentation och Nature har ett nummer om tillståndet hos rysk vetenskap idag 50 år efter en av dess största triumfer. Även DN kastar in ett par ord.

I en artikel i NY Times skriver John Tierney om klimatdebatten och skillnaden mellan ekonomer och ekologer. Det är en artikel om Björn Lomborg och hans nya bok. Jag tänkte inte kommentera det alls, men istället ta upp en sak som man stötte på i den långa kommentarslistan, och som är ett argument man ofta hör; hur den vetenskapliga konsensusen gång på gång kastats över ända och att man därför inte behöver bry sig om enigheten bland klimatforskarna idag. Exempel som tas upp är t ex:

- The “Germ Theory of Disease” - wasn’t this soundly ridiculed in its day?
- Jet/Rocket Propulsion - “violated conservation of momentum”
-”All that is left to do in physics is to add decimal places to known constants” - heh, until the nuclear age came upon us
- Phlogiston theory
- Plate tectonics
- Heavier-than-air flight. Not only was the concept ridiculed (and “proven” impossible), but actual demonstrations were discounted by Scientific American.
- Geocentrism.
- Kelvin vs. Darwin (Physics vs. Paleobiology) debate on Evolution.

Många av exemplen är rena felaktigheter (raketmotorn, flygetyg tyngre än luft) där det aldrig funnits något ”konsensus” bland forskare. Att fåglar är tyngre än luft och att de kan flyga torde väl ha varit känt sedan urtiden. Andra exempel bygger helt enkelt på okunskap om hur vetenskapen fungerar. För vetenskapen har alltid fel! Det är aldrig så att en teori är komplett, med full förståelse. Med nya mätningar och experiment kommer nya insikter. Den gamla teorin ersätts av en ny, som inte heller den är komplett. Det är på det sättet som vetenskapen går framåt, inte genom att sopa nya teorier under mattan.

När det gäller det sista exemplet bygger det på att William Thompson (senare Lord Kelvin) beräknade jordens ålder, baserat på hur fort en klump flytande sten skulle kylas av till dagens temperatur, till mellan 24 och 400 miljoner år. Detta var dock inte gammalt nog vare sig för Darwin eller samtida geologer.Men det är naturligtvis inte så att fysiker i allmänhet ansåg att alla andra teorier måste vara fel på grund av Kelvins beräkningar. Snarare insåg man att något måste vara fel med beräkningarna, man visste bara inte vad. Kelvin själv argumenterade länge för en ”ung jord”*, ända tills radioaktiviteten upptäcktes som en ”ny” energikälla som bromsar klotets avkylning.

Det tredje exemplet (jag vet inte var citatet skall vara taget från) verkar implicera att alla var glada och nöjda med den klassiska fysiken innan kvantåldern. Det är en helt felaktig inställning. Fysiken kämpade med stora motsägelser under den senare hälften av 1800-talet och kvantteorin kom i början av 1900-talet som en förlösning.

”De har ju haft fel så många gånger förr” är ett argument som kan vara svårt att se igenom, för på sätt och vis är det sant även om det är ett både felaktigt och ohederligt argument.

*Vilket dock inte skall förväxlas med de kristenfundamentalistiska ung-jord-teorierna som ger en ålder på under 10000 år.

Andra bloggar om: Vetenskap

US Airforce upptäckte pulsarerna

För den som är intresserad av fysik och astronomi så hittade jag via Cosmic Variance och Dynamics of Cats en fascinerade bit vetenskapshistoria som visar hur man inom US Airforce upptäckte pulsarerna innan samma upptäckt gjordes av Jocelyn Bell. Upptäckten gav Bells handledare Antony Hewish Nobelpriset 1974, men Bell lämnades som bekant utan pris.

Se gärna videon av Charles Schislers fördrag (i slutet, klicka fram till slide nr 39 och tryck "play from slide") där han berättar om sin aldrig tidigare publicerade upptäckt.

Andra bloggar om: Astronomi, vetenskap, pulsarer, vetenskapshistoria.