Fysikkens andre revolusjon

På slutten av 1800-tallet var det ein utbredt oppfatning at alle vesentlige oppdagelser innan fysikken alt var gjort, og at det som gjensto var å fylla ut detaljane. Den berømte fysikeren Michelson sa i 1894 at "fremtidige sannheter vil finnast i sjette desimal". Men bare få år seinere begynte den mest omfattande revolusjonen i fysikkens historie. Ein revolusjon som skulle komma til å endra ikkje bare vår oppfatning av kva materie er og korleis den oppfører seg, men også vår oppfatning av rom og tid. Det første sørga kvantemekanikken for, og det andre var resultatet av Einsteins relativitetstetoriar.

Kvantefysikken

Med kvantefysikkens inntreden smeltar to greiner av fysikkhistorien saman, nemlig historien om atomet og historien om lyset. Studier av sollys og lysstrålinga frå varme legemer førte til at Max Planck gjorde det han først ansåg som ein regnemessig antagelse, nemlig at lyset vart sendt ut i pakkar med energi som var proporsjonal med frekvensen. Men Albert Einstein forsto at disse lyspakkane eller lyskvantane, kunne forklara korleis bestemte metaller sender ut elektroner når det får lys på seg, eit fenomen som kallast den fotoelektriske effekten. Før dette meinte fysikarane at lyset var bølger, men no såg det altså ut til at lyset også kunne betraktast som partiklar, og dermed var ideen om fotonet født. Dansken Niels Bohr tok tanken vidare då han formulerte sin nye atommodell. Ved hjelp av denne kunne han forklara spektrallinjene i hydrogenatomet ved å postulera at elektronets banar rundt atomet var kvantisert. Det betyr at dei bare kunne finnast i bestemte energinivå, og elektrona kunne hoppa ned eller opp eit nivå ved å senda ut eller absorbera eit foton med ein energi som svarte til forskjellen i energinivå.

Med dette var fleire av kvantefysikken revousjonerande prinsipp alleredet introdusert: Lyset framviser både ein partikkel- og ein bølgenatur, og atomets energinivå er kvantisert. Om dette var rart skulle det snart bli endå rarare. I 1923 foreslo Louis deBroglie at også elektronet kunne oppfattast som ei bølge, og eit par år seinare vart dette bekrefta i eksperiment som viste at denne bølga kunne interferera med seg sjølv! Dette forklarer kvifor elektronbanane var kvantisert, ved å samanlikna elektronbølgene med svingningane på ein streng, fordi disse svingningane bare kan ha bestemte bølgelengder. Ein begynte etter kvart å innsjå at alle partiklar var representert ved ei slik materiebølge. Og spørsmåla som meldte seg var då korleis ein kan finna det matematiske uttrykket for bølgen, dvs bølgefunksjonen, og ikkje minst, korleis ein skal tolka denne funksjonen?

Som svar på det første spørsmålet kom først Werner Heisenberg med sin matrisemekanikk, og ikkje lenge etter publiserte Erwin Schrödinger ein artikkel der han gav ei bølgelikning for hydrogenatomet. Disse to formuleringane skulle visa seg å vera likeverdige, og dette var på mange måtar fødselen for bølgemekanikken. Som svar på det andre kom Max Born, som meinte at bølgefunksjonen var å forstå som ein sannsynlighetsfordeling. Det vil sei at den kan fortelja oss noko om kor det er mest sannsynlig å finna elektronet. Vi fekk det som kallast for skymodellen til atomet. Elektronet befinn seg ikkje på ein bestemt plass i ein bestemt bane, men er på ein måte smørt ut i bestemte mønster som er forskjellige for kvart enkelt energinivå.

Ein ny merkelig ting med kvantefysikken kom slik til syne: Elektroner og andre partiklar er ikkje lokalisert. Dei kan ikkje seiast å ha ein bestemt posisjon. Så når kvantefysikarar snakkar om partiklar er det heilt andre objekt enn den klassiske punktpartiklane dei meiner. Kvantefysikkens partiklar er representert ved ein bølgepakke, som medfører ein ubestemthet i "partikkelens" posisjon. Heisenberg forsto at graden av ubestemthet har samanheng med andre størrelsar. For bølgenens natur er slik at jo smalare denne pakken blir, dvs. jo mindre usikkerhet der er i posisjonen, desto større blir ubestemtheten i bevegelsesmengde. (masse*fart) Vi har med andre ord ein omvendt samanheng mellom usikkerheten i posisjon og bevegelsesmengde. Kjenner vi det eine med stor sikkerhet, så blir den andre destor meir ubestemt, Dette er det som har fått navnet Heissenbergs uskarphetsrelasjon, og er et av kvantefysikkens viktigaste prinsipp.

Reletivitetsteoriane

Vanlige (dvs. mekaniske) bølger har eit medium å forplanta seg i. Lydbølger kan for eksempel forplanta seg i luft eller vatn eller i et fast stoff. Derfor antok ein at også lyset måtte ha eit medium å forplanta seg i. Dette stoffet fekk navnet eter, og måtte ha ganske spesielle egenskaper som at det var gjennomsiktig og uten motstand mot bevegelse. Likevel var denne eterteorien akseptert. Men som ein skikkelig vitenskapelig teori så var den mulig å motbevisa. For hvis eteren var ein realitet så skulle ein i så fall kunna anta at lyset hadde ein bestemt hastighet gjennom den, og hvis ein reiste gjennom eteren med ein betydelig fart, så skulle ein måla ulik fart på lyset, alt avhengig av kva retning ein drog i. Men i 1887 utførte Albert Abraham Michelson og Edward Williams Morley et berømt eksperiment som til tross for eit negartivt resultat fekk store konsekvenser. Dei fant nemlig ingen forskjell i lyshastighetane!

Albert Einstein innsåg då at heile eterteorien var overflødig. Men ikkje bare det. I ein berømt artikkel frå 1905 tok han konsekvensen av at lyshastigheten er konstant, uansett kva fart du har. Dette har store konsekvenser for korleis vi oppfattar tid og rom, for det betyr at det ikkje fins noko som heiter absolutt ro eller absolutt bevegelse. All bevegelse er bare i forhold til annan bevegelse, med andre ord er den relativ. Men det viser seg at også tida er relativ. To klokker vil vera samstemte hvis dei er i ro i forhold til kvarandre, men ikkje hvis dei er i relativ bevegelse. To hendelsar som ein observatør vil sei er samtidige, vil ikkje vera det sett frå ein observatør som er i bevegelse i forhold til den første.

Fysikarane måtte no motvillig gi opp sine forestillingar om absolutt tid og rom og samtidighet, men fekk på den andre sida sjå samanhengar som ikkje før var kjente. Ein konsekvens av relativitetsteorien er at masse og energi egentlig er det same. Postulatet om at lysets hastighet alltid skulle vera det same for alle medfører at ingenting kan bevega seg fortare enn lyshastigheten. Det som skjer er at energien som blir brukt for å auka hastigheten til ein gjenstand også aukar massen til gjenstanden, noko som gjer den stadig vanskeligare å akselerera. Ekvivalensen mellom masse og energi er oppsummert i Einsteins berømte likning E = mc² som seinare skulle få stor betydning i kjernefysikken då ein forsto korleis energien som massen representerer kan blir frigjort.

Alt dette låg i den spesielle relativitetsteori. Men Einstein hadde meir på lager. Han innsåg at det var ein samanheng også mellom gravitasjon og akselerasjon. Dette førte til hans generelle relativitetsteori som fortel korleis rommet blir påvirka av dei massane som fins i det. Rommet er ikkje flatt, men krumma, og krumningen er større jo større masse som fins i det, og det vi til daglig oppfattar som ei gravitasjonskraft er eit resultat av denne krumninga. Her tok Einstein i bruk abstrakt matematikk utvikla av Bernhard Riemann og andre, og resultatet har ført til forbløffande resultat som Big Bang-teorien og svarte hol.

Motstridande teoriar.

"Quantum mechanics is certainly imposing. But an inner voice tells me that it is not yet the
real thing. The theory says a lot, but does not really bring us closer to the secret of the 'Old
One.' I, at any rate, am convinced that He is not playing at dice." - Albert Einstein

Men sjølv om disse to nye greinene av fysikken kvar for seg opna opp store nye områder for spennande forsking, så viser det seg at kvantefysikken og  relativitetsteorien ikkje er kompatible med kvarandre. Nettopp i begynnelsen av tida, i den første perioden av Big Bang, bryt relativitetsteorien saman, og det same skjer i midten av eit svart hol. Mange fysikarar har forsøkt å laga ein kvanteversjon av relativitetsteorien, men ingen har så langt klart det. Kanskje er ikkje det så rart, for teoriens opphavsmann var heller ikkje særlig kompatibel med kvantefysikken. Albert Einstein var ikkje tiltalt av det tilfeldige og uforutsigbare ved kvantefysikken, som for eksempel at ein aldri kan forutsei akkurat når eit atom skulle komma til å senda ut eit lyskvant, og han kom derfor med stadig fleire innvendingar mot kvantefysikkens fundament. Denne mistrua er uttrykt i hans berømte utsagn Gud spelar ikkje med terningar. (angivelig skal Bohr ha replisert at ein ikkje bør fortelja Gud kva han skal gjera!) På Solvay-konferansen i 1927 pågjekk debatten mellom Bohr og Einstein både dag og natt. Einstein tenkte ut ein utfording  som han la fram for Niels Bohr, og etter denne utfordringa skal Bohr ha hatt ein dårlig kveld, medan Einstein hadde ein tilsvarande god. Men det vart Bohr som tok det siste stikket den gongen, for neste dag hadde han svaret klart. Men diskusjonen skulle komma til å pågå i fleire tiår etterpå, og sjølv om det ofte blir sagt at Bohr vant debatten så  blir det for lettvint. Vi bør vel heller, for å yta disse to framragande vitskapsmennene rettferdighet, sei at det var ein dialog som fekk fram dei filosofiske og logiske problema i kvantefysikken, og som held fram den dag i dag.