Fråga en forskare - Fysik

Mejla din fråga till fragaenforskare@liu.se 

Forskare inom Fysikalisk teknik och nanoteknologi på Institutionen för teknik och naturvetenskap förbereder tillverkning av metalloxid-nanostrukturer vid låg temperatur (100 °C). Foto: Thor Balkhed

Jag har hört att framtiden enligt fysiker är indeterministisk, det finns bara olika sannolikheter för saker att inträffa. Är detta sant, och vad stöder man sitt resonemang på? / David

Du ställer den kanske djupaste frågan inom fysiken sedan kvantfysikens genombrott för ca 100 år sedan. Den teori som utvecklades då kallas för kvantmekanik och den förklarar alla materiens egenskaper, utom gravitationen, med mycket hög noggrannhet. Den har testats mer än någon annan fysikalisk teori och den har alltid hållit måttet. Men den påstår något mycket egendomligt om naturen, nämligen att en del egenskaper inte existerar förrän vi har mätt dom och att utfallet av mätningarna dessutom är indeterministiskt. En elektron har exempelvis inget bestämt läge innan man mäter läget. Det enda som finns är sannolikheter för att mätningen skall ge vissa resultat. Under åren omkring 1930 diskuterades just denna egendomlighet i en berömd serie debatter mellan fysikerna Niels Bohr och Albert Einstein. Einstein kunde nämligen inte acceptera att naturen är indeterministisk, trots att han var en av kvantfysikens skapare. Gud spelar inte tärning – sa han! Den allmänna uppfattningen, för 90 år sedan och idag, är att Bohr hade rätt och Einstein fel.

Svaret på din fråga är alltså: ja!

Eftersom du ställer just den här frågan till ”Fråga en forskare” gissar jag att du tycker att den moderna fysikens indeterminism är svår att förlika sig med och det har fler än Einstein också ansett under kvantmekanikens snart 100 år. Debatten har därför fortsatt genom åren med alltmer förfinade argument och allt exaktare experiment. Resultaten har emellertid ytterligare stärkt uppfattningen att naturen ytterst är indeterministisk och idag är det ett försvinnande fåtal som fortfarande delar Einsteins syn.

Så till den del av din fråga som är svårast att besvara på ett enkelt och kortfattat sätt: Vad stöder man denna egendomliga slutsats på? Svaret ligger i materiens så kallade dubbelnatur, dvs att många experiment visar att alla partiklar också uppträder som vågor under vissa omständigheter. En enstaka elektron kan exempelvis interferera med sig själv precis som en våg. Problemet är att vågor och partiklar har oförenliga egenskaper. I begreppet partikel ligger att den befinner sig på ett bestämt ställe i rummet. En partikel är absolut inte utsmetad i rummet som en dimma. En våg däremot, måste vara utbredd i rummet. Annars saknar begreppet våglängd mening! Om man utformar ett experiment som mäter elektronens våglängd får man ett entydigt svar – elektronen uppträder som en våg. Om man därefter mäter dess läge får man ett entydigt svar på det istället, då skiftar elektronen natur och uppträder som partikel. Men eftersom vågen man utförde lägesmätningen på inte hade något speciellt läge – en våg är ju utsmetad i rummet – finns det ju ingen anledning att förvänta sig att den skall återfinnas på ett visst bestämt ställe snarare än något annat. Naturens sätt att lösa detta dilemma är att låta resultatet av lägesmätningen vara slumpmässig där sannolikheten för ett visst utfall bestäms av vågens amplitud i den punkten. Detta argument går att förfina mycket och att generalisera till andra egenskaper än lägesmätningar men exemplet fångar ändå det väsentliga i de mer sofistikerade resonemangen.

Avslutningsvis är det viktigt att påpeka att indeterminismen visserligen är mycket påtaglig på mikroskopisk nivå, dvs för elementarpartiklar och enskilda atomer, men den saknar helt praktisk betydelse för föremål av någon storlek. Stolen bakom din rygg har ett väldigt välbestämt läge även om du inte kollar att den är där hela tiden. Så även pingisbollar, pollen och dammkorn. / Mattias Severin, docent i teoretisk fysik

I ett kärnkraftverk så klyver du atomer vilket frigör energi som värmer vatten och bildar ånga som driver en generator. Men, med vad klyver du atomen? Partiklar såklart, men vilken och var finner vi denna partikel? Finns den bara? Och: Varför kan man ej stoppa en kedjereaktion? Eller hur gör man för att stoppa en sådan? T.ex vid en härdsmälta. Eller skulle det teoretiskt kunna gå att stoppa en atombomb i själva explosionsögonblicket och i så fall hur? / Johan

Neutroner är normalt bundna i atomkärnor och finns inte fria särskilt länge i naturen. En obunden neutron har en halveringstid på endast ca. 10 minuter. Ett frisläppande av en neutron från kärnan kräver att bindningsenergin (7-9 MeV) för neutronen överskrids. Neutronkällor kan generera fria neutroner från en mängd olika kärnreaktioner inklusive kärnklyvning (spjälkning) av tunga atomkärnor såsom specifika isotoper av uran, torium eller plutonium, samt kärnfusion (sammanslagning) av lätta atomkärnor som väte. Oavsett vilken källan till neutronerna är så släpps de fria med energier av flera MeV vilket betraktas som snabba neutroner.

Var kommer då den första neutronen ifrån för att starta kedjereaktionen? För detta använder man ibland konventionella neutronkällor, i reaktorer s.k. startup neutronkällor som avger neutroner spontant i ett radioaktivt sönderfall. Fria neutroner kan också alstras och ledas ut i ”strålrör” för att användas i experiment från en (kärn-)reaktor såsom Institut Laue-Langevin (ILL) i Grenoble eller i en s.k. spallations-källa såsom i European Spallation Source (ESS) i Lund. För tunga grundämnen inträffar även s.k. spontan fission som en typ av neutronkälla för ”den första neutronen” i kedjereaktionen. Fission kan alltså uppstå spontant eller framkallas genom bombardemang av neutroner från en yttre neutronkälla. För naturligt förekommande torium, uran-235, och uran-238 sker dock spontan fission relativt sällan. Alfa och betasönderfall är vanligare i de allra flesta radioaktiva sönderfall.

För att få kontroll på, styra och stoppa kedjereaktionen i ett kärnkraftverk använder man en neutron-absorbator av t.ex. bor, kadmium eller hafnium i s.k. styrstavar. Neutronernas förmåga att klyva atomkärnor beror på dess hastighet (rörelseenergi). I kärnkraftverk används s.k. termiska neutroner med låg energi för att klyva bränslets atomkärnor. De neutroner som avges vid fissionsprocessen är dock mycket snabbare (med energier i MeV området) än termiska neutroner och måste bromsas in genom att krocka med andra atomer i ett moderator-material där de ger ifrån sig en stor del av rörelseenergin. Som moderatorer används atomer med kärnor som har liknande storlek som en neutron t.ex. väte, deuterium eller kol.

I en termisk kärnreaktor absorberar kärnan i ett tungt bränsleelement såsom uran en långsamgående fri neutron och blir instabil, och delar upp sig (fissionerar) i två mindre atomer (klyvningsprodukter). Fissionsprocessen för U-235 kärnor ger då de två klyvningsprodukterna, 2-3 snabbrörliga fria neutroner, samt en mängd energi främst rörelseenergi hos klyvningsprodukterna. Eftersom fler fria neutroner frigörs från en uranklyvning än de termiska neutroner som krävs för att initiera händelsen, kan reaktionen bli självgående - en kedjereaktion - under kontrollerade förhållanden, vilket frigör en enorm mängd energi. Vanligen använda moderatorer i kärnkraftverk är vanligt (lätt) vatten (75% av världens kärnreaktorer), fast grafit (20%) och tungt vatten (5%).

I ett kärnkraftverk utnyttjar man att det frigörs mycket energi i form av värme i kärnsönderfallen. Värmebildningen används för att värma vatten till ånga som driver ångturbiner som är ihopkopplade med generatorer som alstrar elektricitet. Utan kontroll med styrstavar skulle fissions-processen bli okontrollerbar i kedjereaktionen (en lavin-effekt) där alltfler fria neutroner skapar nya sönderfall. En ”enkel” fissionsbomb är konstruerad av två halvor eller en ihålig sfär av U-235 som sprängs ihop till en kritisk massa med hjälp av konventionella sprängmedel. Med denna konstruktion går inte kedjereaktionen att hejda så snart en kritisk massa uppstått. Modernare tändanordningar med olika sensorer och datorstyrning kan avbryta tändningen men inte hejda själva kedjereaktionen. Att hejda en kedjereaktion i en kritisk massa skulle kräva mycket snabba och effektiva moderatorer, konstruktioner som inte normalt är inbyggda i bomber.

I ett kärnkraftverk begränsas kedjereaktionen genom att styrstavarna sänks ner olika mycket mellan bränslestavarna (staplade kutsar av uran-dioxid). Läget på styrstavarna beror på hur mycket effekt man vill ta ut ur kraftverket och när man stänger av för t.ex. underhåll så skjuts styrstavarna in helt och hållet. Om allt fungerar som det normalt ska går det alltså bra att stoppa kedjereaktionen men osannolika ”tekniska fel” såsom t.ex. strömavbrott eller ventiler som fastnar kan göra reaktorn kan bli överhettad och vid för högt tryck kan få radioaktiv ånga läcka ut ur säkerhetsventiler. Tekniska fel elimineras genom hög redundans av styrdatorer, regelbundet underhåll med rörbyten och översyn av rörliga delar i ventiler, backup med nödkylning, flera nödströmförsörjningsystem med dieselaggregat mm. De svenska generation II kärnreaktorerna är av typen kokvattenreaktorer byggda av ASEA-Atom i Västerås (Oskarshamn, Forsmark) medan ett par är av typen tryckvattenreaktorer byggda av det amerikanska företaget Westinghouse (Ringhals). Förhoppningen är att framtidens nya generationers reaktorer kommer kunna bränna ut mer av uran-bränslets energi-innehåll och göra avfallet mer kortlivat så att ”slut”-förvar inte behövs. / Martin Magnuson

Om en person åker i en hiss med konstant hastighet uppåt respektive neråt, väger hen olika mycket då? / Olle

Personen väger lika mycket både uppåt och nedåt om hastigheten är konstant. Det ser man om man ställer personen på en våg. När hissen accelererar/bromsar ger dock vågen ett utslag som beror på att kraften på vågen ändrats men massan på personen är densamma. / Martin Magnusson

Finns det något ämne som magneter har extra svårt att fungera igenom? Något som skulle göra att två magneter inte skulle påverka varandra? /Simon

Det effektivaste sättet att skärma av ett statiskt magnetfält är att använda en supraledare mellan magneterna. Ett annat sätt är att använda sig av en så kallad mymetall - en nickel-järnlegering med hög magnetisk permeabilitet som leder bort magnetfältet längs ytan på materialet. Namnet kommer från bokstaven µ (my) som betecknar permeabilitet. Ytterligare en möjlighet kan vara att använda en tredje magnet som slår ut eller dämpar magnetfältet från de andra magneterna. /Martin Magnuson

Jag undrar över det engelska begreppet "drag" och vad det motsvaras av på svenska. Luftmotstånd heter det ju om det är luften som utgör motståndet, men vad kallar man det om det är vatten eller vätska som utgör motståndet, t ex om ett föremål färdas i vatten? /Anna

För vätskor kan man använda termen "vätskemotstånd" och även "viskös kraft". Den nya regeringen har planer på att lägga ner terminologicentrum som bl.a. arbetar med att fastställa en standardiserad svensk terminologi inom teknik och naturvetenskap. Läs mer på länken http://www.tnc.se  /Martin Magnuson

Vid en del atomsönderfall bildas betastrålar och neutriner/antineutriner. Finns det några situationer där neutriner försvinner, eller blir de hela tiden fler? /Thomas

Visst finns ”neutrinoätare” eftersom varje process som skapar neutrinos även kan gå baklänges. Leptontalet måste dock bevaras, d.v.s. om en (elektron-)neutrino "äts upp" så måste en elektron bildas (eller positron förintas). Detta gäller så länge Standardmodellen för svag växelverkan är giltig. Om det visar sig att Grand Unification vid extremt höga energier existerar så skulle neutrinos även kunna omvandlas till kvarkar. En annan välkänd ”neutrinoätar”-process är annihilation med anti-neutrinos. /Martin Magnuson

En man sitter i ett rymdskepp som färdas framåt. Han tittar framåt mot en vägg där det sitter en lampa som tänds. Det tar en viss tid innan ljuset når honom. För en betraktare tar det kortare tid för ljuset att nå mannen eftersom han färdas framåt - vilket borde innebära att tiden för betraktaren går fortare i skeppet. Är detta en "bugg" i relativitetsteorin? /Per-Åke

I relativitetsteorin innehåller Lorentz-transformationen för tidskoordinaten två olika effekter, dels "samtidigheten" (t-vx/c²), dels "tidsdilatationen" med Lorentz-faktorn gamma. Frågeställarens resonemang inbegriper den första effekten (samtidigheten), där tidsintervall helt riktigt kan bli kortare mellan två händelser som äger rum på olika platser, i det här fallet resenären och väggen. De båda effekterna finns med i den fullständiga Lorentz-transformationen och det finns ingen bugg i relativitetsteorin. Däremot kan det vara så, att samtidighetseffekten inte är lika välkänd som tidsdilatationen. När man vanligtvis resonerar om att tidsintervall blir längre betraktade av en utomstående observatör (t ex "tvillingparadoxen), avses tidsintervallet mellan händelser som äger rum på samma plats. Normalt mäter vi tid med en klocka fix på ett givet ställe i rummet. Som en konsekvens av tidsdilatationen blir frekvensen dopplerskiftad (blåskift) om lampan (ljuskällan) befinner sig långt bort, t.ex. en avlägsen supernova, i stället för på en vägg inuti rymdskeppet.  /Martin Magnuson

Protonerna i en atomkärna hålls ju ihop av "den starka kärnkraften". Hur håller neutronerna ihop inuti atomkärnan? /Maja

Alla nukleoner, dvs både protoner och neutroner är sammansatta av materiens minsta byggstenar, kvarkarna. Det finns sex olika kvarkar att kombinera (upp, ner, sär, charm, botten och topp). Både protoner och neutroner hålls i atomkärnan samman av den starka kraften. En eller flera kvarkar bygger upp en grupp av partiklar som kallas hadroner i standardmodellen för elementarpartiklar. Protoner och neutroner är de två vanligaste partiklarna och består av en kombination av de två lättaste kvarkarna (u och d) som hålls samman av gluoner. Proton=(u,u,d) och neutron=(u,d,d). Notera att den starka växelverkan mellan kvarkarna förmedlas av gluoner som också växelverkar med sig själva. Den starka kraft som ger växelverkan mellan protoner och neutroner är en effektiv stark nettokraft (ej fundamental) som härstammar från kvarkarnas och gluonernas växelverkan. /Martin Magnuson

Har det någon betydelse för ett hundrameterslopp om det springs med eller mot jordens rotation? /Bo

Betydelsen av jordens rotation beror på hur snabbt och långt man springer samt hur noggrant man mäter. Coriolis-accelerationen är lika med 2v x Omega (2-ggr-v-kryssprodukt-Omega), där v är hastigheten på föremålet och Omega är jordens vinkelhastighet=7.3 10-5 rad/s. Om man uppskattar att löparen springer med en hastighet v=10m/s och att det tar t=10 sekunder att springa 100 meter får man att hastighetsändringen på grund av Coriolis-effekten är i storleksordningen en 100-dels sekund vid slutet av loppet. I jämförelse med andra effekter såsom vind, svikten i underlaget och löparskor är effekten av jordens rotation relativt liten. Riktningen på Coriolis-kraften är dessutom olika på olika platser på jorden som roterar åt öster. Om man springer i östlig riktning på ekvatorn har Coriolis-kraften en vertikal-komponent som pekar mot jordens centrum och man blir tyngre. Om man istället springer åt väster pekar kraften uppåt och man blir lättare vilket kan vara en fördel. På norra halvklotet drar kraften åt höger oavsett om man springer år öster eller väster. På södra halvklotet drar kraften istället år vänster. Vikterna på vertikal och sidokomponenterna av Corioliskraften beror på latituden. Svaret på frågan beror alltså på vilken latitud man springer och med vilken noggrannhet man mäter olika former av påverkan. /Martin Magnuson

Hur fungerar den relativa fuktigheten i luft vid minusgrader? Vad händer med virke som har en fuktkvot på 10% vid -30grader om den relativa fuktigheten är 50-60%? /Jan

Fuktkvot är ett begrepp som används vid förvaring av trä och mäts oftast med en elektrisk fuktskvotsmätare vars elektroder slås in längs fiberriktningen. Nysågat och blött virke som legat ute torkas för att undvika svampangrepp, röta, blånad och mögel. Inomhus bör fuktkvoten för golvbrädor vara högst 8% i uppvärmda utrymmen medan det för lister och reglar räcker med högst 12% fuktkvot. För utvändiga träpaneler kan fuktkvoten i medeltal vara högre, högst 16%. Om fuktkvoten är 10% i virket händer inget speciellt även om den relativa fuktigheten i luften är hög men det kan bildas rimfrost eller is på utsidan. /Martin Magnuson

Alla pingisspelare "vet" att bollen studsar högre på bordet om golvet är hårdare. Men jag tycker att det är konstigt om golvet skulle påverka märkbart. Kanske man luras av att ljudet blir starkare om det t ex är betonggolv? /Michael

Om pingisbollen studsar på ett hårdare golv blir det mindre energiförlust vid stöten (mer elastiskt) vilket ger högre studs än om golvet vore mjukt. Med utgångspunkt från att frågan gäller en pingisboll som studsar på bordet blir studseffekten som fortplantas från golvet mindre märkbar genom ett tungt bord för en lätt pingisboll på 2.8g. Men även om bollen är lätt är dess kinetiska energi och rörelsemängd stor om man smashar. Pingisspelare är väldigt precisionskänsliga så möjligen kan de märka denna relativt lilla effekt.

En alternativ förklaring är att det är en illusion p.g.a. ljudet och kanske även beror på att pingisspelaren rör sig annorlunda på ett hårt golv än på ett mjukt. Pingisspelaren reagerar alltså på bollens läge relativt ögonen och golvet, snarare än läget relativt bordet. /Martin Magnuson

Schrödingers katt: vem är utlösaren av vågfunktionens kollaps? Experimentatorn? Hans chef som får rapporten om kattens tillstånd en vecka senare eller katten själv? /Eskild

Frågan sätter fingret på att vi än idag inte fullständigt kan tolka alla aspekter av kvantmekaniken. Problemet ligger i var skiljelinjen går mellan den "mikroskopiska" och "makroskopiska" världen. Man brukar säga att vågfunktionen kollapsar när den mikroskopiska världen påverkas av den makroskopiska via någon mätapparatur. Någon erkänd teori som beskriver i detalj hur denna process går till finns dock inte även om det finns ett stort antal olika förslag.

J.S. Bell formulerade en liknande fråga så här: "Was the wavefunction of the world waiting to jump for thousands of years until a single-cell living creature appeared? Or did it have to wait a little longer, for some better qualified system...with a PhD?"

Rekommenderas att läsa t.ex. Jim Baggotts "The meaning of quantum theory" som är bra om man har vissa förkunskaper såsom en fysik-kurs på högskolan. Samma författare har även skrivit mer populärvetenskapliga böcker där dessa frågor diskuteras. /Martin Magnuson

Vår klass kollade på en dokumentär där David Allen Lapoint presenterar en teori som han kallar "The Primer Fields". Han har flera drastiska teorier som att mörk materia, mörk energi mm inte existerar. Vi saknar kunskapen för att bedöma om teorin överhuvudtaget är möjlig. /TEINF12a, Fria läroverken Norrköping

Frågeställarna sätter fingret på en kärnpunkt när de skriver att ”vi saknar kunskapen för att bedöma om teorin överhuvudtaget är möjlig”. Primer Fields teorins anhängare [1] är, i likhet med andra teorier som t.ex. hävdar att de kan lösa alla mänsklighetens energiproblem, varken villiga att besvara kritiska frågor, eller att ge tillräckligt mycket detaljer om sina experiment och teorier så att andra kan bedöma dess eventuella trovärdighet [2]. Detta gäller särskilt när det finns patentansökningar inblandade. Det finns dock en del likheter mellan Primer Fields teorin och 'Plasma-kosmologi' [3], som är av historiskt intresse eftersom det hänförs till de svenska forskarna Hannes Alfvén och Oskar Klein. Plasma-kosmologi är en vetenskaplig teori som ger testbara förutsägelser, men idag är de flesta kosmologer överens om att förutsägelserna inte stämmer med astronomiska observationer. Om Primer Fields anhängarna lyckas formulera sina 'Primer Fields' som en sund vetenskaplig teori återstår att se och tills dess gör frågeställarna klokt i att vara skeptiska.  /Martin Magnuson