Dagens lektion (del 1)

Kort om ”Dagens lektion”

”’Dagens lektion’ är en serie lektioner som har som mål att lära, informera och skapa kritik. All fakta och all information är bara källkritiserad av mig och ingen annan. Det ligger i ens eget intresse att ifrågasätta och konstatera det lekmansmässiga värdet i alla påståenden o.d. . Minns det: jag är en lekman, Ingen som helst expert på något som helst område”.

/ P.D.

Dagens lektion handlar om fysik och påbörjar en genomgång om vad tid egentligen är och en del om Einsteins speciella relativitetsteori. Nästa lektion skall behandla en tillämpning av det som nämns nedan. Och stort tack till Knutte för att jag får använda hans ynderbara blogg, jag bör göra dig stolt.

/Dank.

Augustinus huvudbry (första delen)

En sommar för länge sedan åkte jag och min familj till Gotland. Vi befann oss på en strand omgiven av raukar där man kunde hitta spår från en annan tid. I vattenbrynet hittade jag fossil av djur som levat för nästan en halv miljard år sedan. Vi hittade koraller, mossdjur och svampdjur från ett för länge sedan försvunnet hav.

Det som separerar oss från denna glömda värld är tiden. Vad är egentligen tiden? Vad hindrar oss från att resa tillbaka? Var finns framtiden? Och hur skiljer fysiken på då och nu? För cirka 1600 år sedan skrev Augustinus:

Jag vet vad tid är när jag inte tänker på det, men när jag tänker efter vet jag inte längre vad det är.

Årtusenden av filosofiska spekulationer har inte åstadkommit något definitivt svar, även om ämnet aldrig upphört att fascinera. Men frågan hör inte bara filosofin till utan är i själva verket en av de bästa naturvetenskapliga frågor man överhuvudtaget kan ställa. Frågeställningen ligger till grund för några av århundradets vitigaste vetenskapliga framsteg och vi har ännu inte sett slutet av dem. Men för att kunna inleda en story för vad tiden egentligen är för något måste jag inleda storyn med en annan fråga: vad är ljus?

Tidiga men klarsynta filosofer, Empedokles (400-talet f.Kr.) exempelvis, hade den korrekta uppfattningen att ljuset behöver tid för att utbreda sig. Men vi märker inte av det. Ljusets hastighet är så stor att vi inte kan uppfatta det. Den i senare tider uppmätta hastigheten är verkligen enorm, 299 792, 458 km/s (för att lättare minnas denna otroliga hastighet kan man avrunda det till 300 000 km/s eller en miljard km/t). Ljushastigheten (eftersom den uppträder ofta inom fysiken) har utrustats med en standardbeteckning, c.

Men vad är ljus? Under 1800-talet föreföll det sig som om man hade hittat svaret. Genom experiment (ett exempel är fenomenet interferens som jag inte skall berätta mer om här) antog man att ljuset är vågor. Den nya vågteorin blev först ifrågasatt eftersom det betraktades som otänkbart att ifrågasätta Newtons uppfattning att ljuset bestod av partiklar. Men efter fler experiment accepterades det nya tankesättet och det blev en stor vetenskaplig revolution att tänka sig ljus som vågor. Ett skifte, eller paradigmskifte, i sättet att tänka. Som jag skall berätta senare i denna serie om just fysik kom ett nytt skifte i vårt sätt att förstå ljuset i och med kvantmekaniken: dagens fysiker menar nu att ljus är både partikel och våg. Men låt oss fokusera på 1800- och 1900-talet.

En fråga blev då: vågor i vadå? Vågor behöver färdas någonstans. Ljuset behöver ett medium. Och detta något fick namnet etern. Jakten på den mystiska etern tog sin början och under hela den senare halvan av 1800-talet letade man febrilt efter den.

Man trodde att ljusets hastighet alltid måste räknas i jämförelse med etern. Dessa tankesätt fick dock problem och efter flera experiment för att påvisa dessa variationer i ljushastigheten hittade man aldrig några sådana. Hur man än vände och vred blev det alltid samma resultat. Något var grundligt fel. Experimenten och dess resultat stred alltså på ett sätt mot det sunda förnuftet. Fanns där en utväg? Var det en förutfattad mening i våra förväntningar? Albert Einstein kom den rätta lösningen på spåren genom teoretiska resonemang och olika tankelekar. Han funderade över vad som skulle hända om man kunde springa ifatt en ljusstråle och år 1905 kunde Einstein ställa upp ett häpnadsväckande antagande:

Farten hos en ljusstråle är alltid densamma oavsett vem som observerar den.

Med detta som utgångspunkt skulle han förändra vår syn på tid och rum.

Einsteins lyfte fram rörelsernas relativitet till en fundamental grundsats. Han argumenterade för att rörelse bara är meningsfull om den är en sådan jämfört med något. Det är egentligen en ganska självklar iakttagelse som vi alla kan göra dagligen. Om vi sitter på ett tåg är vi ju i allmänhet ovetande om med vilken hastighet vi far fram – om vi inte tittar ut genom fönstret och jämför med vad vi ser. Står vi stilla och ett tåg intill vårt börjar röra sig är det enkelt att dra slutsatsen att vårt eget tåg har startat. Men vi får en hisnande grop i magen när perspektivet förändras och man inser att det nog ändå är det egna tåget som trots allt står still.

Poängen med det ovanstående resonemanget är att ingenting ter sig annorlunda i ens närvaro ter sig annorlunda bara för att tåget rör sig. Alla naturlagar är lika och, det viktigaste av allt, inte ens ljusfarten förändras. Ljushastigheten blir genom det resonemanget den enda hastighet som är absolut och oberoende av hur den mäts. Konsekvenserna blir långtgående vad gäller hur vi uppfattar tid och rum.

Newton påstod innan att tid och rum är absoluta. Det fanns ett universellt NU för alla samtidigt. För de flesta människor är detta fortfarande den härskande uppfattningen om tid även om man i likhet med Augustinus har svårt att riktigt veta vad tid är finns det vissa egenskaper vi vill ge tiden och inte ta ifrån den. Samtidsbegreppet är det mest rotade av dessa egenskaper. Vi finner det naturligt att tala om att någonting händer precis NU, både här och på andra sidan jorden eller galaxen. Samtidigt. Einstein visade oss, för ett sekel sedan, att sanningen är en annan. I utgångspunkt med relativiteten och med antaganden om den opåverkbara ljushastigheten kunde han argumentera för att rummet och tiden inte är väsenskilda storheter. Tillsammans i den eviga rumtiden bildar de i stället en enhet där det förflutna och framtiden existerar på samma gång. Vad som är tid och vad som är rum beror på vem man frågar. Och detta gäller också vad man menar med NU.

För oss människor här på jorden hamnar man inte i några problem med samtidsbegreppet. Men genom att promenera i olika riktningar kan det som vi kallar ”här och nu” förändras med tiotals år i en galax några miljarder ljusår härifrån. I en galax på dessa avstånd kan vi tänka oss hur en varelse, just i detta ögonblick, sitter och funderar kring relativitet. Reser jag mig och går mot köket (och galaxen ligger i rätt riktning) är varelsen, enligt mig under denna promenad, död. Men när jag vänder mig om och går tillbaka har varelsen inte fötts. När jag slutligen sätter mig ned, sitter även den, åter igen, precis NU, och funderar över den märkliga relativiteten. Samtidighet är i sanning relativt!

Einstein kunde också med enkla tankeexperiment visa hur tiden måste gå olika fort beroende på hur man rör sig: tidsdilatationen. Jag försöker själv. För att kunna dra slutsatser om tiden måste vi ha en klocka av ett alldeles speciellt slag, en ljusklocka, bestående av två speglar med en ljusstråle som studsar emellan dem. ”Tick” respektive ”tack” låter det när ljusstrålen träffar speglarna. Vet vi hur lång väg det är mellan speglarna och hur snabbt ljuset rör sig vet vi också hur lång tid det tar mellan ”tick” och ”tack” och på så sätt har vi en enkel klocka.

Vi tänker oss nu att klockan är placerad i ett rymdskepp som rusar förbi oss med otroligt hög fart, hur uppfattar vi då klockans gång? Vi tänker oss speglarna placerade ovanför varandra och att rymdskeppet är på väg, säg, höger. Låt oss följa ljusstrålen på dess väg från den nedre till den övre, då det precis låtit ”tick” och det skall strax låta ”tack”. Vägen blir förstås mycket längre nu eftersom ljusstrålen måste försöka hinna ifatt den undflyende spegeln ovan. Men Einsteins första grundsats var ju att ljuset rör till synes rör sig lika fort även om klockan rör sig. Det måste alltså ta längre tid för ljusstrålen att gå den längre vägen mellan speglarna. Med andra ord: längre tid mellan ”tick” och ”tack” och klockan tycks gå långsammare. Så enkelt är det men läs gärna stycket en till gång.

Det finns exempel på detta i naturen. Ett av dem är lösningen på gåtan hur muoner (en krock mellan kosmisk strålning och delar av atmosfären) hinner till jordens yta från atmosfären även fast de bara har en livslängd på någon miljondels sekund. Einsteins teori säger att muonens snabba rörelse medför att tiden går långsammare och tillåter därmed att de kan genomföra resan under sin otroligt korta existens. Som om en åttioårig man skulle kunna genomföra en resa som egentligen tar 800 år.  Ett till exempel är den kosmiska strålningen som består av partiklar som rusat genom vintergatan i kanske 100 000 år men bara 5 minuter för partiklarna själva.

Hur ser världen ut för något som rör sig med en hastighet nära ljusets (endast nära, ty inget kan åka lika snabbt)? Avstånden blir kortare. Från muonens perspektiv har atmosfären tryckts ihop och blivit tio gånger tunnare. Det kallas för längdkontraktion. Otroligt höga hastigheter förändras alltså perspektivet och därmed vad vi menar med tid och rim. Men vad ser man egentligen när något rör sig snabbt förbi? Ser det verkligen kort ut?

Nästa lektion kommer att behandla en intressant tillämpning av den speciella relativitetsteorin (det som jag berättat om) som kan ge er inblicken av hur det är att resa till stjärnorna och om det faktiskt är möjligt. Efter det skall jag behandla den svårare delen, nämligen den allmänna relativitetsteorin.

/P.D.

 Solnas nya miljö plan, att anställa miljö vänliga gräsklippare




Passande nog för gårdagens "the vits of the day"



Härligt! Solna sätts ännu en gång på kartan för sitt exotiska djurliv!

Då ni har det tungt så ta det bara lugnt chilla lite ta några kalla och fundera. Alla har problem det är normalt, att inte ha problem är i sig ett problem så ta det chillt!