Kategorier dette opslag er registreret under:
Arbejde  .  Videnskab  .  Naturvidenskab  .  Fysik
Begreber
DatoOpdatering
Indhold
Diskussionsforum
Send
Sidst ajourført: 23/10 2003
Læst af: 62.812
: :
Fysik

Fysik (af græsk: naturlære). Kan defineres som videnskaben om de fundamentale love for den døde naturs udvikling og bevægelse. Den beskæftiger sig i første række med spørgsmål om partiklers og legemers bevægelse under påvirkning af kræfter og med disse kræfters oprindelse, natur og egenskaber. Udviklingen af fysikken er imidlertid foregået således, at det ikke er let til enhver tid at give en fornuftig og entydig definition.

I oldtidens Grækenland var fysikken nærmest identisk med filosofi, og den blev drevet på rent spekulativ basis, hvilket dog ikke forhindrede udviklingen af delvist skarpsindige hypoteser om materiens opbygning. Demokrit (ca. 460-370 f.Kr.) hævdede f.eks., at alle stoffer var opbygget af udelelige partikler, atomer, der havde forskellig form og størrelse. En opfattelse der har meget tilfælles med vore dages atomfysik, bortset fra at atomerne i dag ikke længere regnes som udelelige.

Den materielle, produktionsmæssige baggrund for en udvikling af fysikken var imidlertid ikke til stede i det græske slavesamfund. Først da de første spirer af kapitalisme slog sprækker i det feudale mørke i middelalderen, kunne fysikken udvikles på et videnskabeligt grundlag. Denne udviklings starttidspunkt regnes normalt fra Galileo Galilei (1564-1642), som introducerede den eksperimentelle metode i fysikken. Alligevel var det Isaac Newton (1642-1727), der kom til at stå som grundlæggeren af den klassiske fysik. Newtons bevægelseslove er stadig udgangspunkt for mekanikken. Sammen med gravitationsloven der siger at alle legemer i universet tiltrækker hinanden, gjorde bevægelseslovene det muligt at forklare planeternes bevægelse. Det verdensbillede der udspringer af den klassiske fysik, er stadig et verdensbillede som fornuften kan acceptere uden for store anstrengelser. Hovedtrækkene kan siges at være følgende:

a) Ting bevæges af ydre kræfter. Intet er selvbevægeligt. b) Når et legemes begyndelsestilstand (hastighed og position) er bestemt, vil enhver senere tilstand være entydig og bestemt. c) Tid og rum er uafhængige, absolutte størrelser, der er givet en gang for alle, således at genstande - partikler - tænkes at bevæge sig i rummet, fylde rummet, omtrent som når et almindeligt rum er fyldt med møbler og andre genstande.

Dette verdensbillede passer åbenbart godt til et religiøst syn, med Gud som den første bevægelse, materiens skaber og eksisterende i tid og rum før materien. På den anden side gav den klassiske mekanik også anledning til en mekanisk, deterministisk materialisme. Verden blev her nærmest betragtet som et gigantisk urværk, hvis gang det principielt om end ikke praktisk var muligt at forudsige i mindste detalje, og hvor religiøse begreber som fri vilje, synd og straf blev fuldstændig meningsløse.

Relativitetsteori

Udviklingen af fysikken i det 19. århundrede syntes at skabe et næsten perfekt, enhedsorienteret videnskabeligt system. Imidlertid fandtes der enkelte fænomener og eksperimenter, der ikke umiddelbart lod sig indpasse. I 1881 fandt Michelson og Morley, at det ikke var forskel på lysets hastighed, uanset om lyset gik langs jordens rotationsretning eller vinkelret på denne. Dette var et ret uforståeligt resultat for den klassiske fysik, og dannede udgangspunkt for Albert Einstein (1879-1955) for hans relativitetsteori fra 1905. Senere kaldt den specielle relativitetsteori. Lysets hastighed bliver her antaget konstant og uafhængig af observatørens bevægelse. Uanset om man bevæger sig med eller mod en lysstråle, bliver dens hastighed i forhold til observatøren den samme, ca. 300 000 km pr. sekund. Intet legeme kan nå lysets hastighed, selv om det teoretisk kan komme ret nær. Når lyshastigheden imidlertid gøres absolut - uafhængig af observatørens bevægelse - bliver tid og rum relative størrelser, afhængig af observatørens bevægelse. To begivenheder der for en iagttager foregår samtidig, vil for en anden iagttager som bevæger sig i forhold til den første, ikke være samtidige og afstanden mellem begivenhederne vil også være forskellig. En anden konsekvens af lyshastighedens uafhængighed er, at et legemes masse (stofmængde) bliver afhængig af hastigheden, og deraf følger endvidere, at massen bliver en form for energi. Dette er udtrykt i Einsteins berømte ligning, E = mc2, hvor E er energien, m er massen og c er lyshastigheden. Ligningen viser hvilke enorme energimængder der frigøres, når masse «forsvinder». Sammenhængen mellem rum, tid og masse blev yderligere udviklet i Einsteins generelle relativitetsteori fra 1915. Mens rum og tid i Newtons fysik var uafhængig af de legemer der fylder det ud, bliver afhængigheden nu væsentlig. Dette på en sådan måde at hvor der ikke findes materie, findes der hverken rum eller tid. I stedet for det klassiske «flade» rum, hvor Euklids geometri gælder, indføres et krumt rum med en ikke-euklidsk geometri. Rummets egenskaber, dets krumning, bestemmer fordelingen af masse og bevægelsesmængde i universet. For gravitationen betyder dette, at når Newtons gravitationslov siger, at to legemer bevæger sig i en krum bane, fordi der eksisterer en gensidig tiltrækning mellem masserne, forklarer Einsteins gravitationslov dette som en egenskab ved rummet.

Atom- og kernefysik

Mens relativitetsteorien synes at arbejde sig udad i det enorme univers, er andre dele af fysikken optaget af materiens opbygning. Problemet er klassisk: Findes der noget endeligt, grundlæggende som alt er opbygget af, eller er materien uendelig delbar? I det 19. århundrede blev forestillingen om materien som opbygget af udelelige atomer fremherskende. Mod slutningen af århundredet kom imidlertid opdagelsen af elektronen og radioaktiviteten, og det syntes klart, at atomet måtte have en struktur. I 1911 foreslog Lord Rutherford (1871-1937) en atommodel, hvor atomet nærmest så ud som et planetsystem, med en tung kerne i midten og de meget lettere elektroner svævende i relativt stor afstand fra kernen. I hovedtrækkene er denne model blevet bekræftet af den senere forskning. Atomet tænkes opbygget af tre partikler, nemlig elektronen, protonen og neutronen. Elektronen er negativt elektrisk ladet, protonen har positiv ladning og neutronen er elektrisk neutral. Protonen og neutronen har omtrent samme masse, næsten 2.000 gange elektronens, og disse udgør atomets kerne. Antallet af protoner og elektroner er altid det samme for et elektrisk neutralt atom, mens antallet af neutroner kan variere. Den simpleste opbygning har brint med bare en proton i kernen, og helium med to protoner og to neutroner i kernen. Tungest af de stabile atomer er bly med 82 protoner i kernen og fra 122 til 126 neutroner. Et stof der består af atomer, som alle har samme antal protoner i kernen, kaldes et grundstof. Det findes i alt 82 stabile grundstoffer.

Hvis et atom har mere end 82 protoner i kernen, er det radioaktivt. Det betyder, at atomet udsender stråling, kaldet alfa-, beta-, eller gammastråling. Denne stråling viser sig at være henholdsvis heliumkerner, elektroner og elektromagnetiske bølger, der udsendes fra kernen. Radioaktiviteten ophører ikke, før antallet af protoner i kernen er reduceret til mindst 82. Hidtil er der fundet eller fremstillet et par dusin sådanne radioaktive grundstoffer. Radioaktiviteten indebærer, at atomkernen er ustabil. Med udgangspunkt i vor atommodel er det bemærkelsesværdigt, at der faktisk findes en række stabile atomkerner, hvor protoner er holdt sammen på et meget lille område. Som positivt ladede partikler frastøder protonerne hinanden. En frastødning der bliver uhyre stærk i en atomkerne. Tydeligvis virker meget stærke kræfter af kort rækkevidde i kernen. Vi kan få en ide om styrken af disse kernekræfter, når vi sammenligner målinger af kernens masse med summen af masserne af de protoner og neutroner, som kernen består av. Målingerne viser, at kernens masse er op til 1% mindre end summen af massen af kernens partikler; Der er «forsvundet» masse ved dannelsen af kernen. Skal kernen kunne opløses i protoner og neutroner, må der derfor tilføres masse, og dette kan kun gøres ved at tilføre energi efter Einsteins ligning, E = mc2. Beregnet pr. kernepartikel er den energi der må tilføres størst for de middeltunge kerner og mindst for de helt lette. Det betyder omvendt, at hvis man kan spalte tungere kerner eller forene lettere kerner til middeltunge, vil der kunne frigøres energi, svarende til den massegevinst som derved opnås. Kernespaltning eller fission kan foregå ukontrolleret som ved en atombombeeksplosion, eller kontrolleret som i en atomreaktor (se Atomkraft). Udgangsmaterialet for fission er normalt uran, der findes i meget beskedne mængder på jorden. Sammensmeltningen af lettere kerner, fusion, først og fremmest af brintkerner (protoner), er hidtil kun gennemført ukontrolleret - i brintbomben. Problemerne ved at kontrollere fusion er endnu ikke løste, men når det sker, vil vi i praksis have tilgang til en ubegrænset energikilde. Den samme energikilde som antages at være ansvarlig for solenergien, og den energi som andre stjerner i universet udstråler (se Energi).

Når atomkernen kan spaltes ved at tilføre den tilstrækkelig energi, er det naturligt at undersøge hvad der sker, når atomkerner bombarderes med stadig mere energirige partikler. I en såkaldt synkrotron bliver protoner eller elektroner accelereret i en cirkelformet bane indtil de får den ønskede energi. Den hidtil største synkrotron er bygget i Batavia, USA, med en baneradius på 1 km. Protoner kan her accelereres til en hastighed så nær lysets, at massen øges omtrent 500 gange. Selv ikke i kollisioner med sådanne hastigheder synes materien at ville give sine inderste hemmeligheder fra sig. Men ved siden af elektronen, protonen og neutronen har man på denne måde alligevel fundet en række andre såkaldte elemetarpartikler. De fleste af disse partikler er ikke stabile, og har så kort levetid, at de ikke ligner det, vi i normal forstand forstår ved en partikel. De bliver heller ikke betragtet som «elementære» i meningen strukturløse og udelelige. Det mest interessante ved elementarpartiklerne er, at de fleste af dem har en antipartikel, sådan at når en partikel og dens antipartikel mødes, forsvinder de fuldstændig, og massen omdannes til energi i form af fotoner (lys i partikelform). Det er utvivlsomt den mest energigivende proces vi i dag kender til, men naturligt nok findes der ikke mange antipartikler eller antimaterie i vor umiddelbare nærhed. Hvorvidt der findes antimaterie andre steder i universet er derimod et åbent spørgsmål.

Kvantemekanik

Selv om eftersøgningen efter ægte «elementarpartikler» har været resultatløs, så er der opdaget andre, helt uventede nedre grænser for fysiske størrelser. I den klassiske fysik kunne en genstands position, hastighed og energi i princippet antage alle mulige værdier fra nul og opad, og måles med ubegrænset præcision. Allerede ved århundredeskiftet blev man imidlertid tvunget til at forlade denne forestilling. Fænomener som den fotoelektriske effekt lod sig kun forklare, hvis det blev antaget, at lyset var kvantiseret. Denne kvantisering betød, at lys af en bestemt bølgelængde ikke kunne antage alle energier, men kun energier der bestod af et helt antal af den mindste mængde energi. Denne mindste mængde eller mindste kvant af energi gav lyset partikelnatur, og fik det til at optræde i små portioner, også kaldet fotoner. Men det viste sig snart, at ikke kun lyset måtte kvantiseres. Atommodellen med elektroner i en bane omkring kernen betød ifølge den klassiske fysik, at elektronerne ville udstråle energi og derved falde ind mod kernen. Niels Bohr (1885-1962) postulerede derfor i 1913, at elektronen kun kunne befinde sig i visse adskilte energiniveauer over en bestemt mindste energi. Så vidt var kvantiseringen nærmest at betragte som en nødvendig, om end uønsket, tilføjelse til den klassiske fysik. I 1920'erne udviklede Schrödinger og Heisenberg imidlertid en ny matematisk-fysisk teori, kvantemekanikken, hvor kvantiseringen fremkommer som et resultat af løsningen af visse matematiske ligninger. Centralt i kvantemekanikken står Plancks virkningskvant, som kan siges at angive, at der i vekselvirkninger mellem partikler findes en mindste virkning. Så længe vi opererer med vekselvirkninger, der er store i forhold til Plancks virkningskvant, vil kvantemekanikken give de samme resultater som Newtons mekanik, men på elementarpartiklernes niveau vil der være store forskelle.

En af de mest kendte konsekvenser af kvantemekanikken er Heisenbergs usikkerhedsrelation, som siger, at en partikels position og hastighed ikke samtidig kan måles med ubegrænset nøjagtighed. Dette betyder, at man allerede i udgangspunktet ophæver den klassiske determinisme, eftersom det i princippet er umuligt helt nøjagtigt at kende en partikels begyndelsestilstand. Heisenbergs usikkerhedsrelation kan anskueliggøres ved et tankeeksperiment, hvor man søger at fastlægge en elektrons position og hastighed. For at vi skal kunne se elektronen, må den belyses, og den mindste mængde lys vi kan sende mod elektronen er en foton, som efter at have truffet elektronen registreres af øjet. Sammenstødet mellem foton og elektron ændrer imidlertid elektronens hastighed. Hvis vi mere præcist skal vide, hvor elektronen er, må vi bruge lys med kortere bølgelængde, men da bliver fotonens energi større og derved ændringen i elektronens hastighed større. Man kan altså vælge mellem usikkerhed i position eller hastighed, men uanset metoden, vil der bevares en fundamental usikkerhed, som synes at udspringe af selve observationsprocessen. Dette skyldes, at enhver observation er en vekselvirkning, og fordi kvantemekanikken opererer med et mindste virkningskvant.

En anden konsekvens af kvantemekanikken er, at enhver partikel tilskrives bølgenatur, uden derved at miste sin partikelnatur. Der opstår derved en bølge-partikeldualisme (dobbelthed), der normalt forklares ved, at man siger, at en partikel optræder som bølge i ét bestemt eksperiment og som partikel i et andet. Dualismen og modsigelsen ligger i, at en partikel skal have begrænset udstrækning, mens en bølge kan have en uendelig udstrækning. Bølgenaturen giver derfor anledning til, at partikler vekselvirker, interfererer, som bølger, som om de fyldte et rum væsentligt større end det der svarer til deres partikelnatur. Den kvantemekaniske beskrivelse af et fysisk system skal være fuldstændig i den forstand, at den siger hvad resultatet bliver af enhver måling på systemet. Men i stedet for f.eks. at angive hvilken hastighed og position en elektron vil have i en bane omkring atomkernen, angiver den, med hvilken sandsynlighed elektronen kan påtræffes i et bestemt område, og med hvilken sandsynlighed elektronen har en bestemt hastighed. Forandringen af sandsynlighedsfordelingen med tiden er imidlertid entydig bestemt, så selv om den klassiske mekaniks determinisme er ophævet, genfindes determinismen i udviklingen af sandsynlighederne (se Determinisme).

Den moderne fysiks verdensbillede

Udviklingen af den moderne fysik førte til et generelt brud med den klassiske fysiks verdensbillede. Det er i stigende grad blevet klart, at de begreber og forestillinger der udspringer af vor omgang med fysiske genstande af vor egen størrelsesorden, ikke uden videre kan bruges, når vi behandler forsvindende små størrelser eller fænomener langt ude i verdensrummet. Det er typisk for vor tid, at specielt kvantemekanikken af mange blev tolket som støtte for en subjektiv idealisme (positivisme), hvor subjektet ikke kun bestemte, hvordan den materielle verden var opbygget, men også hvorvidt den overhovedet eksisterede.

En materialistisk tolkning af moderne fysik er imidlertid langt mere interessant og nærliggende. Relativitetsteoriens opfattelse af rum, tid og materie ophæver de gamle forestillinger om verdens skabelse. Noget «før» eller «udenfor» materien er ikke længere mulig, når tid og rum er uløseligt knyttet til materien. At materien kan opstå, og at den kan gå til grunde, er begivenheder der ikke strider mod materialismen. Det væsentlige er, at mennesket hverken kan fungere i eller tænke sig noget udenfor tid og rum, noget uafhængigt af materien. Kvantemekanikken synes på samme måde at uddybe Hegels og Marx' dialektik. I stedet for at opfatte denne som udtryk for menneskets manglende mulighed for at opnå eksakt viden, kan den betragtes som udtryk for de faktiske forhold i verden. Eksistensen af et mindste virkningskvant forstyrrer ikke kun forholdet mellem et subjekt og dets objekt, men vekselvirkninger mellem genstande i det hele taget. Det betyder, at udviklingen aldrig kan bestemmes mere entydigt end på sandsynlighedens niveau, fordi den ganske enkelt ikke mere er entydig. Udviklingen af sandsynlighedsfordelingen er fastlagt ud fra de givne forhold, ud fra det som faktisk sker. Men det der faktisk sker er tilfældigt, det indtræffer med en vis grad af sandsynlighed. Derved opstår en typisk dialektisk vekselvirkning mellem det tilfældige i de faktiske forhold, i det der sker, og det nødvendige i sandsynlighedsfordelingen, i det der er muligt. En sådan marxistisk vurdering gør bevidsthedens rolle ganske anderledes konstruktiv end tilfældet er med den absolutte determinisme eller subjektive idealisme.

I øvrigt er der grund til at forstå hele fysikkens udvikling som en dialektisk proces, hvor gamle teorier ophæves af nye. Ikke således at forstå, at de gamle afskaffes, men således at de går ind som bestanddele i de nye, mere avancerede teorier. Det findes ingen grund til at antage, at denne proces skal slutte. Nye uventede eksperimenter og teorier vil atter kunne forstyrre etablerede opfattelser.

O.-P.M.

Litteratur

A. Einstein: Relativitetsteorien, Oslo 1968.
R. Havemann: Dialektikk uten dogmer, Oslo 1967.