Del 5 Modern fysik
FörberedandeFysik
Författare: Göran Tranströmer & Lars-Erik Berg, KTH Fysik
Inledning
Den klassiska mekaniken, utvecklad från Newton, hade med framgång tillämpats på en mängd dynamiska problem inom fysikens många områden, till exempel inom termodynamik, elektromagnetism och astronomi. Detta ledde till att man vid slutet av 1800-talet, tillsammans med stödet av Maxwells ekvationer, trodde sig ha svar på alla tänkbara problem inom fysikens domäner.
En helt ny fysik byggdes upp när atomerna började utforskas i början av 1900-talet. Den har gett oss tillämpningar som laser, kärnkraft, mikroprocessorer, atomur, hologram och supraledare.
Modern fysik är till skillnad från klassisk fysik icke deterministisk. Det finns alltså inslag av oförutsägbarhet. Den moderna fysiken fick sitt stora genombrott med kvantmekaniken. Albert Einstein, som var anhängare av klassisk fysik, kunde inte acceptera tanken på att vissa förlopp i naturen endast kan förutsägas statistiskt och yttrade bland annat att "Gud kastar inte tärning".
En kort historisk bakgrund
Vid slutet av 1800-talet hade den klassiska fysiken nått en sorts heltäckande fulländning. Det gjorde att man i vissa kretsar trodde sig se fysikens fullbordan. Efter Newton hade den klassiska mekaniken finslipats av sådana som Euler och Lagrange. Den hade kompletterats med termodynamiken, läran om värme, temperatur och arbete som Carnot, Clausius, Joule och andra konstruerat.
När sedan också elektromagnetismen blivit färdig genom Faraday och Maxwell, verkade det som man hade fångat in naturens väsentliga kvalitéer och lagbundenheter. Den österrikiske fysikern och vetenskapsfilosofen Ernst Mach gav delvis uttryck för detta när han hävdade att atomer var rent teoretiska begrepp som man inte hade rätt att betrakta som konkret existerande.
Klassisk fysik krävde inga atomer.
Visserligen hade redan greken Demokritos, och senare romaren Lucretius mycket vältaligt hävdat att atomer bygger upp världen, men ingen hade sett dem och klassik fysik verkade inte ha något direkt behov av dem.
Mach kritiserade atombegreppet delvis i polemik mot sin landsman Ludwig Boltzmann, som försökte härleda termodynamiken ur statistisk mekanik för ett stort antal atomer. Maxwell arbetade på samma program, men ingen visste ännu hur stor en atom var och det hela var därför - trots en del formella resultat, lite i det blå.
Allt detta skulle ändra sig radikalt med början vid det förra sekelskiftet 1900. Kärnan i problemet, ur teoretisk synvinkel, var att paradoxer uppstod när man skulle foga ihop elektromagnetismen med klassisk och statistisk mekanik. Planck försökte räkna ut hur elektromagnetisk strålning från en kropp av given temperatur skulle se ut. Han fick inte sina formler att stämma med experiment förrän han antog att strålningen (vågorna) förekom i ett slags minsta energipaket.
Einstein visade sedan att det experimentella fenomen som kallades fotoelektriska effekten bara lät sig förklaras med att ljuset bestod av partikelliknande energipaket vars energi var proportionell mot ljusets frekvens. Därmed var fotonen, ljuspartikeln, född och grunden för det som skulle bli kvantmekanik var lagd.
Ett annat problem hade att göra med utbredningshastigheten hos elektromagnetiska vågor. Ur Maxwells ekvationer kan man enkelt räkna ut hur fort de rör sig. Värdet man fick överensstämde med det kända värdet för ljusets fart. Men, i förhållande till vad rörde sig elektromagnetiska störningar med denna fart?
Rörelse och hastighet är ju relativa, och farten hos ett föremål är bara definierad om man anger vad det är som anses vara i vila. Newton hade postulerat existensen av ett absolut rum, men någon empirisk metod att mäta fart relativt detta hade aldrig kommit fram och man hade förlikat sig med att rörelse relativt så kallade inertialsystem var det som gick att upptäcka. Däremot fanns det ingen möjlighet att skilja inertialsystemen från varandra, utan vilket som användes var en ren konvention. Men hur kunde då Maxwells ekvationer ge en bestämd fart utan någon antydan om i förhållande till vad?
Det var dessa frågor som klarades upp av den speciella relativitetsteorin som Einstein lade fram 1905.
De fyra krafterna
I tidigare kapitel har vi sett att det finns en mängd olika krafter; spännkrafter, magnetiska krafter, fjäderkrafter, elektriska krafter, normalkrafter, gravitation med mera. I kapitel 4 såg vi att magnetism och elektricitet egentligen är samma sak - det är samma kraft som tar sig olika uttryck. Faktum är att alla nyss nämnda krafter förutom gravitation beror på elektromagnetisk växelverkan.
Fysiker har genom tiderna funderat på hur många olika sorters växelverkan det egentligen finns. Inom modern fysik skiljer man mellan fyra olika slags växelverkan. Dessa är gravitation, elektromagnetisk växelverkan, stark växelverkan och svag växelverkan.
Stark växelverkan är en kraft som håller samman nukleonerna i atomkärnan. Skulle inte denna kraft finnas skulle en atomkärna inte kunna hålla ihop eftersom den elektriska repulsionen skulle få protonerna att skjuta iväg åt olika håll. Den starka växelverkan är som namnet antyder väldigt stark, men den verkar på ofattbart små avstånd, av storleksordningen femtometer (1 fm = 10−15 m). Detta kan jämföras med storleksordningen på atomen som är cirka 10−10 m.
Svag växelverkan verkar vid omvandlingar i atomkärnor, exempelvis vid β-sönderfall som du kan läsa mer om i kapitel 5.5. Även denna kraft verkar på mycket små avstånd, precis som stark växelverkan. Svag växelverkan är viktig då man studerar partikelfysik, som du kommer läsa om i kapitel 5.6.
Det är dock bara den elektromagnetiska kraften och gravitationen som vi kan känna av i vår vardag, och den enda gravitation som påverkar oss nämnvärt är den från jorden. Det innebär att allt du ser och hör och känner och luktar är tack vare elektromagnetisk växelverkan. När du känner efter med handen mot bordet och det tar stopp så är det för att elektronlagren i handen agerar repulsivt mot elektronlagren i bordet. Alla normalkrafter går att förklara på detta sätt. Friktionskrafter beror framförallt på att det uppstår temporära bindningar mellan material och även dessa beror på elektromagnetism. Nedan jämförs de olika krafternas styrka och avståndsberoende.
| Kraft | Relativ styrka | Avståndsberoende |
|---|---|---|
| Stark | 1 | ~1 fm |
| Elektromagnetisk | ~\displaystyle 10^{-2} | Avtar som \displaystyle 1/r^2 |
| Svag | ~\displaystyle 10^{-6} | ~\displaystyle 10^{-3} fm |
| Gravitation | ∼\displaystyle 10^{−39} | Avtar som \displaystyle 1/r^2 |
Med modern fysik breddar vi våra ramar
Två saker har hänt i historien, dels har man börjat titta på fenomen med hastigheter som närmar sig ljuset, dels har man börjat titta på partiklar och fenomen nära eller till och med under atomens diameter. I båda fallen har man funnit att den klassiska fysikens lagar och metoder inte längre fungerar. Bilden nedan gör ett försök att illustrera detta.
Tre nya fall inträder, ren partikelfysik, partikelfysik med relativistiska effekter och rena relativistiska effekter. Vi inser från illustrationen att vi inte alltid behöver ta hänsyn till relativistiska effekter, likaså kan vi ibland räkna utan hänsyn till partikelfysikens speciella egenskaper. Gränserna mellan dem är grovt angivna ovan. Detta kapitel ska försöka klargöra först och främst hur man behandlar problem inom respektive fall men också en del om varför fysiken ser ut som den gör och hur man kom fram till det.
Bilden nedan visar det område som tillhör den moderna fysiken.
Kapitlets upplägg
I denna kurs har vi valt att dela in Modern fysik i sex olika avsnitt:
- Relativitet
- Relativistiska storheter
- Vågor och partiklar
- Atomen
- Kärnan
- Partiklar
(c) Copyright 2017, KTH Matematik
