Månadens fysiker Februari 2017

Transkript

1 Heureka! Fysik för gymnasiet presenterar Månadens fysiker Februari 2017

2 f Född: 1942 Kommer ifrån: England Verksam i: England Känd för: Teorin om att svarta hål strålar. Illustration av Sophie Mauléon. Heureka! Fysik för gymnasiet presenterar Månadens fysiker FE B R U A R I M T O 2 T F

3 F Stephen Hawking är en engelsk teoretisk fysiker, som främst har forskat inom kosmologi och om svarta hål. Han är förmodligen den idag levande fysiker som är mest känd för allmänheten. I fysikerkretsar anses hans största bidrag vara teorin om att svarta hål strålar, så kallad Hawkingstrålning. Hawkings livshistoria föddes 8 januari 1942, vilket han själv påpekat är exakt 300 år efter att Galileo dog. Som 17-åring började Hawking att studera på Oxford. Hans beskrivning av de tre åren där präglas av en kultur där det förväntades att alla skulle förstå allt utan att anstränga sig. Att behöva arbeta för att lära sig saker ansågs inte fint. Hawking erkänner att han tog till sig detta, vilket innebar att han levde ett ganska lättjefullt liv under denna tid. Trots detta lyckades Hawking bli antagen till doktorandstudier inom kosmologi i Cambridge. I slutet av Oxfordtiden började han känna sig mer och mer klumpig. Till exempel trillade han omkull några gågner, helt utan anledning. Jag kände mig en smula tragisk. Jag började lyssna på Wagner, men det som skrevs i tidningarna att jag söp är en överdrift. Ett sjukdomsbesked 1988 gav Hawking ut boken A brief History of Time (Kosmos en kort historik på svenska). Det är den mest framgångsrika populärvetenskapliga boken någonsin. Den har sålt över 10 miljoner exemplar och är översatt till 35 språk. Under arbetet med boken >> När han gick till läkare fick han diagnosen ALS och beskedet att han antagligen bara hade ett par år kvar att leva. Diagnosen ledde till en kortare depression, vilken han själv kommenterat: L Heureka! Fysik för gymnasiet presenterar Månadens fysiker S Sjukdomsförloppet saktade dock in och när Hawking upptäckte att han skulle leva längre än läkarna först hade förutspått började han arbeta hårdare med sina doktorandstudier, vilka då gick bättre och bättre. Vid den här tiden träffade han sin blivande fru. Hawking är idag 75 år. Han har haft en lång karriär som framstående forskare och är far till tre barn. A brief History of Time 3

4 Den syntetiska rösten från datorn har blivit ett av hans främsta kännetecken. Datorrösten har dock amerikanskt uttal, en konstighet han själv har påpekat. >> drabbades han vid ett besök på CERN av svår lunginflammation. Tillståndet var kritiskt, men han överlevde tack vare en trakeostomi (ett ingrepp som innebär att man gör en öppning på halsens framsida för att skapa fri luftväg). Ingreppet innebar dock att han slutgiltigt förlorade talförmågan och behövde ständig tillsyn av sjukvårdare. Strax efteråt utvecklades det talprogram som han fortfarande använder. ständighet och Brexit. Projekt han är uttalat positiv till är kärnvapennedrustning, arbete för att motverka klimatförändringen, stamcellsforskning och allmän hälso- och sjukvård. Han är medlem av brittiska Labour och stödde Al Gores presidentkampanj i USA. I religiösa frågor är han uttalad ateist. Kosmologiska tankar Hawking började sin forskarkarriär som kosmolog Amerikansk röst Hawking har en talande dator monterad på sin rullstol. Med hjälp av handen slår han om en strömbrytare för att välja ord eller fraser som dyker upp på datorskärmen. Han klarar på detta sätt att producera ungefär 15 ord i minuten. Den syntetiska rösten från datorn har blivit ett av hans främsta kännetecken. Datorrösten har dock amerikanskt uttal, en konstighet han själv har påpekat. med att undersöka vad den allmänna relativitetsteorin säger om Big Bang. Han härledde då ett viktigt teorem som visar att teorin leder till att universum måste ha börjat med en singularitet, d.v.s. ett tillstånd av oändlig densitet där fysikens lagar bryter samman. Han menade då att det innebar att vi inte kan ha något hopp om att förstå universums uppkomst med hjälp av fysik. Mest kända fysikern Hawkings fascinerande livshistoria i kombination med hans populärvetenskapliga gärning har gjort honom till den för allmänheten mest kända fysikern idag. Han har dykt upp i komediserier som The Simpsons och The Big Bang Theory. Det finns också många vittnesmål om hans eget något märkliga sinne för humor. Exempelvis har han vid ett flertal tillfällen kört sin rullstol i hög fart rakt mot ett stup och sedan stannat i sista sekund för att skrämma andra närvarande anordnade han en fest, inklusive mat och ballonger, men för att visa på att tidsresor bakåt i tiden är omöjliga skickade han inte ut inbjudningar förrän efter festen hade varit. Efteråt kommenterade han Jag satt där en lång stund, ingen kom. Imaginär tid Senare bytte han dock åsikt. För att förstå universums början behövs inte bara allmän relativitetsteori utan också kvantmekanik. Att förena dessa två teorier är oerhört svårt och har varit de senaste hundra årens största problem inom teoretisk fysik. Det Hawking gjorde i början av 80-talet var att försöka använda Feynmans vägintegralformulering av kvantmekaniken för att beskriva universums början. Den går ut på att alla möjliga historier måste summeras på ett speciellt vis. När Hawking gjorde det insåg han att han bara fick rimliga svar om han introducerade begreppet imaginär tid. Det gör att tidsdimensionen liknar en rumsdimension. Istället för en singularitet vid tidens början liknar istället universums rumtid ett flerdimensionellt klot, där ingen punkt kan betraktas som universums gräns. Starka åsikter Hawking har också uttalat sig om många frågor utanför fysiken. Han har kritiserat Vietnamkriget, Irakkriget, Israels behandling av palestinier, skotsk själv- Alltså är en ändlig rumtid utan gräns, på samma sätt som jordens yta är ändlig utan gräns. Denna mycket krångliga teori avslutar A Brief History of Time. Det sägs ibland att många köper A Brief History of Time Heureka! Fysik för gymnasiet presenterar Månadens fysiker 4

5 för att den ser bra ut att ha i bokhyllan, men att de sedan inte orkar läsa hela boken. Om det är sant är anledningen nog till stor del den här mycket svårförståeliga avslutningen. Uppifrån och ner På senare år har Hawking varit förespråkare för något han kallar uppifrån och ner -kosmologi. Istället för att som vanligt utgå från en specifik början av universum och sedan följa universums historia framåt hävdar han att vi istället måste utgå från där vi är nu. Med utgångspunkt i kvantmekaniken tänker han sig återigen att vi måste ta hänsyn till universums alla möjliga historier. Den som leder till där vi är idag är den enda som har realiserats och det skulle enligt Hawking förklara varför naturkonstanterna verkar fininställda för liv. Han ansluter sig alltså här till en antropisk förklaringsmodell till varför universum är som det är, d.v.s. att anledningen till att vi observerar ett universum med naturlagar som tillåter uppkomsten av liv är att annars hade vi inte kunnat finnas och göra observationen. Inget kan fly ett svart hål Ett svart hål är definierat som ett område inom vilket det finns så mycket massa att gravitationen blir så stark att ingenting kan fly det, inte ens ljus. Gränsen innanför vilken ingenting som har kommit in någonsin kan komma ut igen kallas händelsehorisonten. Det verkar rimligt att svarta hål bara kan bli större; saker kan falla in i dem, men ingenting kan lämna dem. Hawkings stora upptäckt är dock att om händelsehorisonten beskrivs kvantmekaniskt visar det sig förvånansvärt nog att det svarta hålet kan stråla ut energi, bli mindre och till sist avdunsta. Vart tar entropin vägen? En bra utgångspunkt för resonemanget är att tänka på vad som händer om entropi försvinner in i ett svart hål. Termodynamikens andra huvudsats säger ju att den totala entropin hos ett slutet system inte minskar, så någonstans måste entropin ta vägen. Fysikern Jacob Bekenstein funderade över detta och kom 1972 fram till att svarta hål bör ha entropi som är proportionell mot arean av dess händelsehorisont. När något med entropi faller in i ett svart hål växer det och ökar därmed sin entropi, vilket löser problemet med att den totala entropin inte får minska. Att de har entropi innebär dock att de bör ha en temperatur och därmed sända ut strålning. Hawkingstrålning 1974 gjorde Hawking den beräkning som är hans mest uppskattade bland fysiker. Där visade han hur kvantfluktuationer precis utanför händelsehorisonten ger upphov till precis den förväntade strålningen, idag Hawkingstrålning. Det bör påpekas att Hawkingstrålningen från ett svart hål är väldigt svag. För ett svart hål som bildas när en stjärna dör motsvarar strålningen en temperatur som ligger långt under den kosmiska bakgrundsstrålningen, vilket innebär att de idag alltid växer. Hawking har beklagat faktumet att vi inte ens i teorin kan hoppas detektera denna strålning eftersom det innebär att han aldrig >> på Gonville & Caius College, Cambridge. Foto: Lwp Kommunikáció/Creactive Commons Heureka! Fysik för gymnasiet presenterar Månadens fysiker 5

6 Ett svart hål. Foto: Shutterstock >> kommer få Nobelpriset. Strålningen tilltar dock med minskande massa hos det svarta hålet, så om väldigt små svarta hål skulle bildas hade de avdunstat nästan direkt. Otroligt långt i framtiden när universum har blivit tillräckligt svalt kommer även de stora svarta hålen avdunsta i extremt långsam takt. Koppling till aktuell fysik En långdragen vetenskaplig strid har pågått de senaste decennierna om vad som händer med information som faller in i ett svart hål. Hawking menade att strålningen inte kan innehålla någon information. Eftersom horisontarean är det svarta hålets entropi måste strålningen det sänder ut vara termisk och slumpmässig. Två andra fysiker, Leonard Susskind och Gerard t Hooft, protesterade högljutt mot detta och hänvisade till att en grundläggande egenskap hos kvantmekanik är att information inte kan gå förlorad. För att visa att Hawking hade fel hänvisade de till många nya teoretiska resultat som utvecklades under åren. Flera av dessa är spektakulära, bland annat den holografiska principen som säger att all information hos en volym av rummet som omsluts av en händelsehorisont finns på dess yta. Den mest hisnande följden av det skulle vara att hela universum kan ses som ett hologram vilket ligger på den kosmologiska händelsehorisonten som omsluter det. Ett specialfall av den holografiska principen som utarbetats i detalj är AdS/CFT-dualiteten, vilken introducerades av Juan Maldacena Den säger att en teori för gravitation i ett rum kan beskrivas av en kvantfältteori på dess rand. Svarta hål skulle då kunna relateras till mer vanlig kvantmekanik där det är bevisat att information inte kan försvinna. Susskind menade att striden var avgjord, men det dröjde innan Hawking accepterade det. Susskind har skrivit om hur frustrerad han var över att Hawking vägrade ge med sig. Han beskriver en mardröm där han sitter tillsammans med Hawking i rullstolen och kämpar för att komma loss. På sin 70-årsdag medgav Hawking till sist att han haft fel om att information som faller in i ett svart hål är förlorad för evigt. Han kallade det sin karriärs största misstag. Heureka! Fysik för gymnasiet presenterar Månadens fysiker 6

7 Tips för vidare studier Hawkings klassiker: A Brief History of Time (Kosmos - En kort historik) Hawkings senaste bok: The Grand Design av Stephen Hawking och Leonard Mlodinow Hawkings tankar om uppifrån och ner-kosmologi beskrivs bra i denna överlag mycket intressanta bok: Intrång i Einsteins Trädgård av Amanda Gefter Hawkings självbiografi: My Brief History (Min Historia) En ganska nyutkommen svensk bok om svarta hål, med en rolig anekdot om Hawking i de svenska fjällen: Svarta Hål av Bengt Gustafsson En välskriven och intressant bok om striden om vad som händer med information i svarta hål: The Black Hole War My Battle With to Make the World Safe for Quantum Mechanics av Leonard Susskind En trevlig film om Hawkings liv, där Hawking och hans fru spelas av Eddie Redmayne och Felicity Jones. (Det lite kul att dra sig till minnes vad Hawking skrev 1988 Min agent har föreslagit att jag borde tillåta att det görs en film om mitt liv. Men varken jag eller min familj skulle ha någon självaktning kvar om vi lät oss porträtteras av skådespelare ): The Theory of Everything 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