Månadens fysiker Januari 2017

Transkript

1 Heureka! Fysik för gymnasiet presenterar Månadens fysiker Januari 2017 Chien-Shiung Wu

2 Chien-Shiung Wu Chien-Shiung Wu Levnadsår: Kommer ifrån: Kina Verksam i: USA Känd för: Att experimentellt ha visat att den svaga kraften bryter mot paritetssymmetrin. Illustration av Sophie Mauléon. Heureka! Fysik för gymnasiet presenterar Månadens fysiker 2

3 Chien-Shiung Wu Chien-Shiung Wu Chien-Shiung Wu var experimentell kärnfysiker, född i Kina men verksam i USA. Under lång tid var hon en av världens främsta experter på experimentella studier av β-sönderfall. Under andra världskriget arbetade hon inom Manhattanprojektet. Hon är mest känd för ett experiment där hon visade att den svaga kraften bryter mot paritetssymmetrin. Wus karriärväg Kärn- och partikelfysiken var under mitten av talet ett extremt mansdominerat forskningsom råde, vilket Chien-Shiung Wu fick erfara under sin karriär. Hennes far startade en flickskola, där hon började sin skolgång. I Kina fortsatte hon framgångsrikt sina studier upp till doktorandnivå, innan hon 24 år gammal flyttade till USA där hon hade blivit antagen till Michigans universitet. När hon fick höra att kvinnor inte fick gå in genom huvudingången där bytte hon till Berkeley i Kalifornien istället. Där träffade hon Robert Oppenheimer och Ernest O. Lawrence, som senare involverade henne i Manhattan-projektet under andra världskriget. Efter kriget stannade hon hela sin karriär på Columbia University i New York, där hon utförde alla sina viktigaste experiment. The Dragon Lady med stort engagemang Chien-Shiung Wu var, enligt hennes medarbetare, väldigt rakt på sak och fokuserad på sin fysik. Hon fick därför smeknamnet The Dragon Lady efter en amerikansk seriefigur med liknande egenskaper. Berömmelse intresserade henne inte och det krävdes övertalning från hennes man innan hon gick med på att en biografi skulle skrivas över henne. Senare i livet uttalade hon sig mer och mer om annat än fysik, bland annat om fängslade journalister i Taiwan och massakern på Himmelska fridens torg. Framför allt engagerade hon sig dock mot könsdiskriminering inom den naturvet enskapliga forskningen, och hon uppmuntrade kvinnor att satsa på karriärer inom naturvetenskapen. Om detta han hon sagt Jag undrar om de pyttesmå atomerna och atomkärnorna eller >> Heureka! Fysik för gymnasiet presenterar Månadens fysiker 3

4 Jag undrar om de pyttesmå atomerna och atomkärnorna eller de matematiska symbolerna eller DNA-molekylerna bryr sig om ifall de behandlas av män eller kvinnor? Chien-Shiung Wu >> de matematiska symbolerna eller DNA-molekylerna bryr sig om ifall de behandlas av män eller kvinnor? och Det enda som är värre än att komma hem från laboratoriet till en vask full med disk är att inte komma till laboratoriet alls.. civilisation om vad som är höger och vänster enbart genom att titta på naturlagarna. Den svaga kraften bryter mot paritetssymmetrin Det finns fyra fundamentala krafter i universum: Lika lön för lika arbete 1975 fick hon slutligen lika mycket i lön som sina man liga kollegor. Samma år blev hon också den första kvinnliga ordföranden för American Physical Soc iety. När hon dog 84 år gammal begravdes askan enligt hennes egen önskan på skolgården till hennes fars flickskola. gravitation, elektromagnetism, stark och svag kärnkraft. För de tre första visar all data och teori att paritetsymmetrin håller och länge var därför tron bland fysiker att paritetsymmetrin är en självklar egenskap hos universum utarbetade dock Tsung-Dao Lee och Chen Ning Yang en teori där den svaga kraften bryter mot paritetssymmetrin. De började då fundera på om det verkligen gick att utesluta detta från existerande data. Paritetssymmetrin och den svaga kraften Ett mycket viktigt begrepp inom fysiken är symmetri. Ofta utvecklas teorier genom att fysiker undersöker vilka symmetrier universum har. En sådan symmetri är paritetssymmetrin, vilken förkortas P. En paritetstransformation är en rumslig spegling, det vill säga att alla riktningar kastas om. Om de grundläggande naturlagarna uppfyller paritetssymmetrin betyder det alltså att det inte spelar någon roll om partiklar rör sig åt höger eller vänster. Ett brott skulle betyda att höger eller vänster spelar roll. Höger eller vänster Ett sätt att tänka på det är att ställa sig frågan om vi skulle kunna komma överens med en utomjordisk Wus eget experiment Lee var vän med Wu, den tidens främsta expert på experimentella studier av β-sönderfall, vilket förorsakas av den svaga kraften. Han bad därför henne att sätta sig in i frågan. När Wu insåg att det inte gick att avgöra utifrån existerande data, satte hon upp ett eget experiment. Hon använde den radioaktiva isotopen kobolt 60 som sönderfaller genom β-sönderfall. Genom att utföra experimentet i en temperatur nära absoluta nollpunkten och lägga på ett homogent magnetfält lyckades hon få alla kärnspinnen att peka i samma riktning. När hon på detta sätt hade pekat ut en bestämd riktning i rummet kunde hon testa om Heureka! Fysik för gymnasiet presenterar Månadens fysiker 4

5 lika många β-partiklar skickades ut åt alla håll eller om riktningen verkligen spelar roll, vilket skulle innebära att den svaga kraften bryter mot paritetssymmetrin. De flesta fysiker var innan resultaten offentliggjordes övertygade om att paritetssymmetrin skulle hålla. Wolfgang Pauli skrev exempelvis i ett brev Jag tror inte att Vår Herre är svagt vänsterhänt och jag är redo att slå vad om en väldigt stor summa att experimenten kommer att ge symmetriska resultat. Tydliga resultat Wus experiment (och även ett experiment från en annan grupp ledd av Leon Lederman) gav dock tydliga asymmetriska resultat. Den svaga kraften bryter uppenbarligen mot paritetssymmetrin. Redan samma år (1957) fick teoretikerna Lee och Yang Nobelpriset för sin upptäckt, vilket är den kortaste tiden mellan upptäckt och pris någonsin. Experimentatorn Wu utelämnades dock. Fler symmetribrott Det finns två ytterligare symmetrier som hör ihop med P-symmetrin: laddningssymmetrin C, som innebär att laddningar byter tecken, och tidssymmetrin T, som innebär att tiden byter riktning. Det är teoretiskt bevisat att en Lorentz-invariant kvantfältteori (vilket inkluderar i stort sett alla fysikaliska teorier om universums uppbyggnad) måste vara symmetrisk om alla trans formationerna sker samtidigt, det vill säga en CPT- symmetri. När Wu påvisat brottet mot P-symmetrin, började de andra symmetrierna att ifrågasättas. Ganska snart lyckades Wu, i en serie experiment i en saltgruva, visa att den svaga kraften även bryter mot C-symmetrin. Den kombinerade symmetrin CP verkade dock hålla påvisade dock en annan forskargrupp ett svagt brott även mot CP-symmetrin. Detta är intressant av framför allt två skäl. Eftersom CPT-symmetrin inte kan brytas innebär ett CP-brott även att T-symmetrin måste vara bruten för att kompensera. Detta är det enda stället i de grundläggande naturlagarna där en tidsriktning pekas ut. CP-symmetrin är också den sym metri som relaterar partiklar och antipartiklar. Ett CP-brott innebär alltså att fysiken inte är exakt samma för antimateria som materia visade den ryske fysi kern Andrei Sakharov att CP-brott är ett av tre nödvändiga villkor för att det >> Wus experiment Heureka! Fysik för gymnasiet presenterar Månadens fysiker 5

6 Chien-Shiung Wu Higgspartikeln. >> ska bildas mer materia än anti-materia tidigt i universums historia. Hade det inte gjort det hade allt förintats och bara strålning blivit kvar. Det är alltså tur för oss att denna symmetri är bruten. Annars hade vi inte kunnat existera. Koppling till aktuell fysik En av de senaste årens stora fysikhändelser är 2012 års upptäckt av Higgspartikeln på LHC vid CERN i Geneve. Ett sätt att förstå Higgsmekanismen som ger upphov till denna partikel är att utgå från den svaga kraftens brott mot paritetssymmetrin. Vänster- och högerhänta partiklar Den svaga kraften bryter mot paritetssymmetrin på så sätt att den bara växelverkar med vänsterhänta partiklar och högerhänta anti-partiklar. En partikel är vänsterhänt om spinnet är riktat i motsatt riktning jämfört med dess rörelseriktning och högerhänt om spinnet är i samma riktning. För massiva partiklar är dock inte detta väldefinierat, eftersom rörelseriktningen är beroende på vilket referenssystem vi befinner oss i. Vi kan alltid göra en Lorentz-transformation till ett referenssystem i vilket partikelns rörelseriktning är åt motsatt håll. Lorentztransformationen påverkar inte spinnets riktning, vilket gör att vi på så sätt byter hänthet (kiralitet) på partikeln. För masslösa partiklar är detta inget problem eftersom de rör sig med ljusets hastighet och därför har en väldefinierad rörelseriktning oberoende av referenssystem. För massiva partiklar uppstår här ett stort problem. Om de inte har väldefinierad hänthet, är det alltså inte väldefinierat om de växelverkar svagt eller inte. Men till alla krafter hör en laddning, som är en bevarad storhet. I fallet med den svaga kraften heter laddningen svagt isospinn. Problemet är att om det inte är väldefinierat om en partikel växelverkar svagt eller inte, innebär det att det inte är väldefinierat om partikeln har svagt isospinn eller inte. Det går inte ihop med att svagt isospinn är en bevarad storhet, eftersom det innebär att svagt isospinn bara kan försvinna. Teoretiskt sett skulle alltså massiva svagt växelverkande partiklar inte kunna finnas. Uppenbarligen finns de. Det måste alltså finnas en lösning och det är här Higgsmekanismen kommer in. Heureka! Fysik för gymnasiet presenterar Månadens fysiker 6

7 Chien-Shiung Wu Higgsfältet Lösningen på problemet visar sig vara att se till att det överallt i vakuum finns masslösa partiklar med svagt isospinn, som de massiva partiklarna kan utbyta isospinn med, och på så sätt se till att det bevaras. Dessa partiklar är excitationer i ett fält, kallat Higgsfältet, vilket inte har värdet noll i vakuum. Ett sådant Higgsfält kan uppstå genom en process som kallas spontant symmetribrott. Fältet beskrivs av en potential som är symmetrisk runt värdet noll på fältet. Det är dock inte givet att potentialen har sitt minsta värde där fältet har värdet noll. Det värde där potentialen har sitt minimum blir fältets värde i vak uum och runt detta behöver inte potentialen vara symmetrisk längre. Detta kallas spontant symmetribrott och visar sig ge upphov till precis de partiklar i vakuum som behövs. Higgsbosonen Teorin för Higgsmekanismen utvecklades på 60-talet och visade sig ge rätt värde på kvoten mellan W- och Z-bosonens massor. De flesta partikelfysiker trodde därför på teorin, men det fanns en saknad pusselbit. Teorin förutsade nämligen att Higgsfältet, genom ytterligare en excitation, också ger upphov till en massiv boson kallad Higgsbosonen. Denna partikel hade inte detekterats. Att hitta denna Higgsboson var en av huvudanledningarna till byggandet av den stora acceleratorn LHC vid CERN där artikeln sedan upptäcktes Tips för vidare studier Den i texten omtalade biografin över Chien-Shiung Wu är: Madame Chien-Shiung Wu The First Lady of Physics Research av Tsai-Chien Chiang Följande biografier ger intressanta beskrivningar av det historiska skeendet kring upptäckten av paritetsbrott: Strange Beauty Murray Gell-Mann and the Revolution in Twentieth Century Physics av George Johnson Genius Richard Feynman and Modern Physics av James Gleick Följande föreläsning av Leonard Susskind är en bra introduktion till Higgsmekanismen: Om Månadens fysiker 2017 Vilka är människorna bakom alla teorier, modeller och experiment? Det vill vi berätta mer om och presenterar därför Månadens fysiker Informationen om fysikerna, och tillhörande lektionsupplägg, är skrivna av Erik Thomé. Erik är gymnasielektor i fysik och har använt sig av Heureka! Fysik i sin undervisning. Han har en doktorsexamen inom ämnet hadronfysik från Uppsala universitet där han disputerade Det utvecklingsarbete han håller på med inom gymnasiefysiken syftar främst till att öka fokus på modern fysik samt att introducera mer av ett idéhistoriskt perspektiv. Om du är intresserad av detta eller har kommentarer, frågor eller tips rörande månadens fysiker eller lektionsupplägg, hör gärna av dig till Erik Thomé på: erik.thome@landskrona.se! Lektionsupplägget hittar du på nok.se/heureka. Heureka! Fysik för gymnasiet presenterar Månadens fysiker 7

8 fysik 1 och 2 basåret övningsbok rune alphonce lars bergström per gunnvald erik johansson roy nilsson Heureka! fysik 1 och 2 basåret är ett läromedel anpassat för de naturvetenskapliga och tekniska basåren. Det innehåller material som motsvarar gymnasieskolans kurser Fysik 1 och Fysik 2 enligt Gy2011, men även fördjupande material som ger ytterligare förberedelse inför högre studier i fysik. Läromedlet består av en teoribok och en övningsbok. I läromedelsserien Heureka! ingår: läroböckerna Heureka! Fysik 1, 2 och 3 teoriboken och övningsboken Heureka! Fysik 1 och 2 Basåret lärarhandledningar ledtrådar och lösningar till övningsuppgifterna i läroböckerna övningsmaterial för ytterligare problemlösning. Heureka! finns även som digitalt läromedel. För mer information om Heureka! se med ledtrådar och lösningar Heureka BASAR Ovningsbok_Omslag.indd Alla sidor :53 Heureka! Ett gediget läromedel i modern form. ledtrådar och lösningar fysik 2 övningar och problem övningar och problem fysik 2 fysik 3 fysik 1 och 2 basåret teoribok fysik 1 och 2 basåret övningsbok fysik 1 och 2 basåret övningsbok Heureka! gör fysiken lättillgänglig och intressant. Med text och bild visas fysikens tillämpningar, historiska utveckling och bety delse för individ och samhälle. Övning, repetition och fördjupning Läroböckerna innehåller gott om lösta exempel som visar hur man utreder en frågeställning. Kontrolluppgifter finns efter nya avsnitt och varje kapitel avslutas med en sammanfattning och övningsuppgifter. Lärarhandledningar Här finns variationsrika laborationer att göra i klassrummet eller hemma. De olika undervisningsmomenten beskrivs med kopplingar till ämnesplanens syften och mål. Extra stöd och utmaningar Till de tre grundböckerna i Heureka-serien finns kompletterande böcker. I boken Ledtrådar och lösningar ges extra stöd till grundbokens samtliga uppgifter i form av korta ledtrådar och utförliga lösnings förslag. I Övningar och problem finns det totalt 1200 extra övningsuppgifter till de tre grundböckerna. Uppgifterna är av var ierande svårighetsgrad, både för den som vill ha en extra utmaning och för den som vill träna mer. Läxhjälp på Facebook Har du kört fast eller behöver du få något förklarat igen? Våra läxhjälpare på Facebook är fysiklärare och hjälper dig gärna med dina frågor ur Heureka! Facebook.com/heurekalaxhjalp Natur & Kultur nok.se/heureka