Månadens fysiker September 2017

Transkript

1 Heureka! Fysik för gymnasiet presenterar Månadens fysiker September 2017 Edward Witten

2 Edward Witten Född: 1951 Kommer ifrån: USA Verksam i: USA Illustration av Sophie Mauléon. Heureka! Fysik för gymnasiet presenterar Månadens fysiker Känd för: Insatser inom strängteori och M-teori 2

3 Edward Witten Edward Witten Edward Witten är en amerikansk teoretisk fysiker verksam inom strängteori och till den relaterade områden. Hans teorier är oerhört matematiskt avancerade och han är den enda fysiker som har fått en Fields-medalj, vilket är det finaste priset inom matematik. Tidigt intresse för historia, ekonomi och politik Witten föddes 1951 i Baltimore. Även om hans far var teoretisk fysiker specialiserad på allmän relativitets teori skulle det dröja lite innan han själv tog upp samma ämne. Hans universitetsstudier började istället med en examen i historia. Samtidigt ägnade han sig åt politik, där han var en liberal demokrat och kritisk mot Vietnamkriget. Redan som 17-åring publicerade han politiska artiklar och 1972 arbetade han i George McGoverns presidentkampanj. Under den här perioden började han doktorera i ekonomi, men hoppade av studierna redan efter ett halvår. Byte till fysik och matematik Det dröjde dock inte länge innan han tog upp nya doktorandstudier, men nu i tillämpad matematik. Ganska snart bytte han till teoretisk fysik med den senare Nobelpristagaren David Gross som handledare. Gross försökte få Witten att lära sig fysik genom att ge honom problem som krävde långa uträkningar, men Witten lyckades hela tiden hitta väldigt grundläggande anledningar till att lösningen måste vara det den är och på så sätt undvika uträkningarna. Det sägs att många av Wittens doktorandkollegor blev knäckta av att se honom bemästra fysiken så snabbt utan någon tidigare utbildning i ämnet. Bara något år efter doktorsexamen fick han en permanent anställning vid Institute for Advanced Study i Princeton. Wittens teorier är på en väldigt avancerad och abstrakt matematisk nivå. Han arbetade mycket med olika kvantfältteorier under 70- och 80-talet. Resultaten hade dock stora tillämpningar även inom ren matematik. Det ledde till att han 1990, som första och hittills enda >> Heureka! Fysik för gymnasiet presenterar Månadens fysiker 3

4 Bra felaktiga idéer är extremt sällsynta och bra felaktiga idéer som ens avlägset kan mäta sig med strängteorins majestät har aldrig påträffats. Jag tror inte jag har lyckats att förmedla till dig dess otroliga följdriktighet, anmärkningsvärda elegans och skönhet. Edward Witten >> fysiker, tilldelades Fields-medaljen. Fields-medaljen är det finaste priset inom matematik (där det ju inte finns något Nobelpris) och har delats ut sedan Strängteori De två stora fysikteorierna som utvecklades under första halvan av 1900-talet var allmän relativitetsteori och kvantmekanik. Allmän relativitetsteori är otroligt framgångsrik när det gäller att beskriva situationer med stark gravitation och kvantmekanik när det gäller att beskriva fysik på mycket små avstånd. Dock har det visat sig vara väldigt svårt att kombinera de två teorierna och få en teori för det som kallas kvantgravitation. I praktiken spelar det oftast inte så stor roll eftersom situationer där kvantgravitation behövs är sällsynta, även om den behövs för att förstå universum precis efter Big Bang och svarta hål. Det är dock inte filosofiskt tillfredställande att ha två grundläggande teorier som inte går ihop. Det visar sig att om elementarpartiklarna beskrivs som små strängar, istället för att vara punktformiga, kan de två teorierna förenas. När strängarna beskrivs kvantmekaniskt kan de bara anta vissa svängningstillstånd. Olika svängningstillstånd hos strängarna har olika energi vilket ger partiklar med olika massor. Ett av svängningstillstånden för en öppen sträng (sträng med två ändar) motsvarar något som beter sig precis som en foton, medan ett av svängningstillstånden för en sluten sträng (sträng som utan ände som sitter ihop som ett gummiband) ger upphov till något som beter sig precis som en graviton. En graviton är den hypotetiska förmedlarpartikeln för gravitationen om den går att kvantisera. I strängteorin trillar alltså gravitationen ut som en kvantmekanisk effekt! För att de svängningstillstånd som ger upphov till fotonen och gravitonen ska motsvara masslösa partiklar krävs dock att strängarna svänger i 26 rumtidsdimensioner. För att teorin även ska ge upphov till fermioner och inte bara bosoner behövs en supersymmetrisk version kallad supersträngteori. I den krävs det istället tio rumtidsdimensioner. Eftersom det verkar vara uppenbart att vi lever i fyra dimensioner är frågan var de övriga sex blir av. Lösningen från teoretikerna är att de är kompaktifierade, det vill säga ihoprullade med väldigt liten radie (se lektionstipset för vidare förklaring om hur det kan gå till). Heureka! Fysik för gymnasiet presenterar Månadens fysiker 4

5 Edward Witten När Witten insåg att strängteorin kunde förena kvantmekanik och gravitation tyckte han att det var en stor upptäckt inte bara för honom själv: Det faktum att tyngdkraften är en följd av strängteorin är en av de största teoretiska insikterna någonsin. Från mitten av 80-talet har han sedan forskat främst inom strängteori. Att Witten omfamnade ämnet gjorde att intresset från andra teoretiker också steg. I en ar tikel i Scientific American från 1991 kallade vetenskaps journalisten John Horgan till och med Witten för The Pied Piper of Superstrings och antydde därmed att många teoretiker blint följde Witten in i strängteorin. M-teori I början av 90-talet var ett av de stora problemen för strängteoretikerna att det verkade finnas fem olika versioner av strängteori. Många, inklusive Witten, var inte nöjda med detta eftersom de menade att universums grundläggande teori bör vara unik och inte finnas i fem olika versioner. Witten sa om denna situation: Om en av fem teorier beskriver vårt universum, vilka lever då i de övriga fyra världarna? med reflektionen: All denna förvirring för att ingen fattade skämtet. Men i ärlighetens namn ska sägas att detta nog var första och enda gången Ed Witten hade skämtat. Men ändå. Strängteori ett omtvistat ämne Kritiker till strängteorin brukar påpeka att strängteorin inte gör någon falsifierbar förutsägelse alls. Strängarna har en längdskala på cirka 20 storleksordningar mindre än en proton. För att direkt påvisa strängarna skulle därför en accelerator större än vårt solsystem behövas. Kritikerna ifrågasätter därför om strängteori alls kan kallas naturvetenskap. Witten har dock en annorlunda syn på den här frågan: Strängteorin har den anmärkningsvärda egenskapen att den förutsäger tyngdkraften. Han erkänner dock att det snarare rör sig om en eftersägelse istället för en förutsägelse, men att det bara beror på den mänskliga historien. Det går att tänka sig att en främmande civilisation först upptäckte strängteorin och med den förutsade att gravitationen måste finnas. Få andra skulle nog köpa detta resonemang. >> På en strängteorikonferens i Los Angeles presen terade Witten något han döpt till M-teori. Det är än idag på inget sätt en färdig teori och matematiken är som vanligt när det gäller Witten på mycket hög nivå. I huvudsak går den ut på att de fem olika strängteorierna är gränsfall av en mer grundläggande teori kallad 11 dimensionell supergravitation. De olika strängteorierna är sammankopplade genom olika dual iteter. I den nya teorin är de grundläggande objekten inte längre strängar utan membran, som ser ut som strängar när de projiceras ned från 11 till 10 rumtidsdimensioner. En ovan skämtare Men vad stod egentligen M:et för? Witten var inte helt klar med det, så det var länge en öppen fråga som det spekulerades i. Membrane, matrix, mystery, magic, murky eller helt enkelt ett upp och nedvänt W för Witten var några av förslagen. I en intervju i sin bok Intrång i Einsteins trädgård från 2014 frågar dock vetenskapsjournalisten Amanda Gefter honom om vad M:et står för och han svarar: Det var inte min avsikt att folk skulle börja grubbla över det. Som jag beskrev teorin när det begav sig stod M:et för magi, mysterium eller membran alltefter behag. Jag trodde att mina kolleger skulle begripa att det egentligen stod för membran. Men tyvärr blev många förvirrade. Gefter avslutar sedan sin text om Witten Edward Witten tar emot Fields medaljen av USA:s dåvarande president George W. Bush. Heureka! Fysik för gymnasiet presenterar Månadens fysiker 5

6 Edward Witten Illustration av en graviton. >> Istället brukar försvarare av strängteorin luta sig mot ett möjligt framtida observationellt stöd från kosmo login, att det är den enda kvantgravitationsteori som fungerar (alla håller inte med, se boktipsen nedan) samt att teorier som är så matematiskt vackra brukar vara sanna. Det sista skälet kan verka irrelevant, men matematisk skönhet är något som brukar värderas högt av teoretiska fysiker. I Horgans intervju från 1991 sade Witten: Bra felaktiga idéer är extremt sällsynta och bra felaktiga idéer som ens avlägset kan mäta sig med strängteorins majestät har aldrig påträffats. Jag tror inte jag har lyckats att förmedla till dig dess otroliga följdriktighet, anmärkningsvärda elegans och skönhet. Kritikerna invänder dock att de grundläggande ek vationerna för strängteorin inte har upptäckts än, så hur kan det då hävdas att teorin är matematiskt vacker? De senaste åren har kritiken mot strängteorin dessutom växt då inga supersymmetriska partiklar upptäckts av LHC vid CERN. För att strängteorin ska kunna beskriva vårt universum behövs supersymme trin och många teoretiker hade stora förhoppningar att den skulle upptäckas när väl LHC var igång, men så har alltså inte skett. Heureka! Fysik för gymnasiet presenterar Månadens fysiker Stränglandskapet Ett koncept som har gett upphov till ännu mer kritik är det som kallas stränglandskapet, framförallt när det kopplas ihop med den antropiska principen. Idén bygger på att det går att kompaktifiera de extra di mensionerna på väldigt många olika sätt, enligt vissa beräkningar så många som sätt. Om varje sätt ger upphov till ett universum med olika värden på naturkonstanterna blir det otroligt många universum. Enligt den antropiska principen lever vi i ett av dessa, som har värden som gör att liv kan uppstå. I de andra kan vi inte finnas. Framför allt har konceptet tillämpats på den kosmologiska konstanten som har ett upp mätt värde som är otroligt mycket mindre än det teo retiskt förväntade, enligt vissa beräkningar en faktor 10120, vilket den också måste ha för att universum inte ska slitas sönder så snabbt att galaxer, stjärnor och liv inte hinner uppstå. Kritiker menar att dessa resonemang innebär att ge upp hela fysikens strävan efter en djupare förståelse av universum. Naturkonstanterna har de värden de har eftersom vi råkar befinna oss i just vårt universum, de skulle kunna ha andra. Även bland strängteoretiker finns starka kritiker mot landskapstolkningen. För 6

7 Edward Witten många var förhoppningen från början att strängteorin skulle vara den unika slutgiltiga teorin för vårt universum, som skulle förklara varför naturkonstanterna har de värden de har. Nu finns istället en gigantisk mängd teorier, som kan ge upphov till nästan vilka universum som helst. Wittens handledare Gross manade vid en konferens i Kyoto 2003 till att inte ge upp att hitta en unik version av teorin genom att hänvisa till ett tal av Winston Churchill där han uppmanade till att aldrig, aldrig, aldrig, aldrig, aldrig ge upp. Kända fysiker som Leonard Susskind, Steven Weinberg och Martin Rees har dock tagit till sig landskapstolkningen. Witten har uttalat att han hoppas att den är fel, men att han inte är säker på det: Personligen hoppas jag att landskapstolkningen kommer visa sig vara felaktig, eftersom jag till sist skulle vilja kunna beräkna exempelvis kvoten mellan elektronens och myonens massa från grundläggande principer. Dock skapades inte universum för vår skull. Världens smartaste fysiker? Witten omtalas ofta som världens smartaste fysiker, både bland fysikkollegor och i media. Stundtals har han till och med omnämnts som vår tids Einstein eller Newton. Dock bör påpekas att hans teorier är så svåra att förstå att man kan undra hur många som verkligen kan bedöma hans insats. Den teoretiske fysikern, Nobelpristagaren och strängteorikritikern Sheldon Glashow har varit ärlig och smått sarkastiskt sagt: Jag förstår inte Eds senaste artiklar, så jag kan inte tala om för dig hur briljant han är. Enligt konceptet Stränglandskapet går det att kompaktifiera de extra dimensionerna som ger otroligt många universum och inte bara det universum som vi är vana vid. Tips på webbstudier: Föreläsning av Witten om vad alla fysiker bör förstå om strängteori (obs svårförståelig): youtube.com/watch?v=h0jld0pphty En utvärdering av strängteorins tillstånd av Brian Greene från 2014: watch?v=pbowargpdj4 Föreläsningsserie från Stanford om strängteori med Leonard Susskind: com/watch?v=25haxruzquk&list=plqrxdui9p ds1fm91dmn8x1lo-o_kpzgk8&index=97 Heureka! Fysik för gymnasiet presenterar Månadens fysiker 7

8 Edward Witten Tips för vidare studier En välskriven bok om strängteori med mycket positiv inställning: Ett Utsökt Universum av Brian Greene Mer generellt om sökandet efter den slutgiltiga teorin: Dreams of a Final Theory av Steven Weinberg Två intressanta böcker med en mer negativ inställning till strängteori: Två böcker om andra kvantgravitationsteorier: Not Even Wrong av Peter Woit The Trouble with Physics av Lee Smolin Tre Vägar till Kvantgravitation av Lee Smolin Reality is not What it Seems av Carlo Rovelli 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! Lektionsuppläggethittar du på nok.se/heureka. Heureka! Fysik för gymnasiet presenterar Månadens fysiker 8

9 rune alphonce per gunnvald inger kristiansen roy nilsson Nyttiga övningar och kluriga problem, uppgifter för grafritande räknare, enkla experiment och mer därtill finns i denna bok för gymnasieskolans fysik. Den ingår i serien Heureka! För information om övriga komponenter i serien Heureka! se ISBN Heureka 1 Ovningar och problem Omslag CS4.indd rune alphonce lars bergström per gunnvald jenny ivarsson erik johansson roy nilsson 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 ISBN 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 Heureka BASAR Ovningsbok_Omslag.indd Alla sidor :53 Heureka 3_Ovningar och problem Omslag.indd 1 Heureka BASAR Omslag.indd Alla sidor : :48 ISBN med ledtrådar och lösningar Edward Witten Heureka! Ett gediget läromedel i modern form. ledtrådar och lösningar ledtrådar och lösningar ledtrådar och lösningar fysik 1 fysik 2 fysik 3 övningar och problem övningar och problem övningar och problem fysik 1 fysik 1 fysik 1 fysik 2 fysik 1 och 2 basåret teoribok Heureka! fysik 1 och 2 basåret är ett läromedel anpassat för de naturvetenskapliga och tekniska basåren. fysik 3 fysik 1 och 2 basåret teoribok 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 Led trådar 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