Litt om energi

Dette blir bare et helt kort innlegg, mens jeg egentlig er opptatt med noe annet.

Richard Feynman skriver i boken sin at bevegelsesenergi best forstås med betegnelsen WUMPF. Det er engelsk, men det blir omtrent det samme på norsk, wumpf. Jo mer bevegelsesenergi, dess mer wumpf. Så når man får en fotball i magen, er det ganske mye wumpf. En snøball er litt mindre wumpf, en bil er voldsomt og et tog enormt. En liten ting som flyr fort, er ganske mye vondt, en stor ting som beveger seg sakte, er også ganske mye wumpf, når man får det på seg.

Vannkraft og vindkraft er begge bevegelsesenergi. Du kan tenke deg hva du vil stille deg i veien for, skikkelig kraftig vind, eller en fossende elv. Rennende vann knuser vinden i Wumpf, vinden kan du nesten alltid stå i mot, mens med vann skal det ikke store mengdene og farten til, før det blir wumpf over ende. En kraftig foss med mye vann og langt fall er kolossalt med wump, kolossalt med energi. Selv i orkan er ikke vinden i nærheten.

Og vindturbinene virker ikke når vinden blir for kraftig. Da må de slås av. Det er ingen vei å komme rundt dette problemet. Bevegelesenergien er masse ganger fart, og verken farten eller massen blir noe særlig, når det er luften man henter energien fra. Man trenger helt enorme mengder luft, for å få noe som monner. Og det er derfor vindturbinene blir så gigantiske, og beslaglegger så mye areal. Det er bare å regne på det, vekten på luften, farten i vinden, og så multiplusere det med hverandre, og med farten en gang til (Formelen er: E=mv^2). Man kan teppebombe alle land i Europa med vindturbiner, bare spre dem ut over som om folks liv og naturen ikke spilte noen rolle, det vil aldri bli nok energi til å erstatte den andre energien vi har. Den kan bli et supplement, og det er alt.

Til havs er sjansene litt større, der er det mer plass, og det er ikke så mange som blir plaget. Men problemet med energiproduksjonen blir ikke løst. Det trengs så kolofenomentalt mange turbiner, i så enorme størrelser, for få noe som monner. Mange føler seg bra og gir seg selv premier når de bygger ut og bruker vindkraft, men det vil aldri løse verdens energiutfordring. Det går ikka an å få mer energi ut av luften, enn det som finnes i den.

Fysikere er positivt instilte til kjernekraft. Det er fordi den radioaktive strålingen ikke er farlig, når den blir kontrollert, og at denne kontrollen er en håndterbar ufordring. Det lar seg løse. Kjernekraft utvinner energi fra atomkjerner. De er forferdelig lette, naturligvis, mye lettere enn luften. Men farten, den er lyshastigheten. 299 792 458 m/s. Dette tallet skal du gange med seg selv, og så skal du gange med massen du produserer fra. Det blir fort ganske mye wumpf. Det er energi som monner. Og når anlegget er bygget, så er det en sikker og kontrollerbar produsent av strøm. Du kan sette i gang så mange kjernefysiske prosesser som du trenger, for å produsere den strømmen du skal ha. Utslippene er tilnærmet null, antagelig sånn som med vindkraft, vil jeg tro.

Så det er kjernekraft som er løsningen. Det er det eneste som kan produsere kraften vi trenger, sommer som vinter, i sol og i regn, på vindfulle og vindstille dager. De tar ikke mye plass, og det trengs ikke mange, for energiproduksjonen er så enorm. Men de er veldig dyre og avanserte å bygge, så det er få land som er i stand til det. Og så synes mange folk det er skummelt. Derfor blir de ikke bygget.

Det er synd.

 

 

Partikler raskere enn lyset

Det ble før helgen meldt at det var påvist partikler som beveget seg raskere enn lyset i partikkelakseleratoren i Cern. I Norge fikk jeg høre nyheten presentert på NRK radio, som «Einstein har tatt feil», lyshastigheten er ikke et absolutt maksimum for partikler med masse. Riktignok tok journalistene forbehold etter denne kraftintroduksjonen. De forsikret om at forskerne ved Cern selv hadde undersøkt, igjen og igjen, om de hadde tatt feil, men at de til nå ikke hadde funnet noen feil, og derfor hadde våget seg til å publisere resultatene. Det var også – om jeg husker rett – en forsker fra universitetet i Oslo, som forklarte noen av problemene en sånn oppdagelse ville medføre, men som også åpnet for at resultatet kunne være riktig, og at forskere over hele verden nå skulle bruke tid på å etterprøve eksperimentene og diskutere resultatene.

I sensasjonelle oppdagelser som dette kan ikke forbeholdene bli sterke nok. Høyst sannsynlig er det en feil et eller annet sted, den vil til og med mest sannsynlig være plassert der bevisst. For banebrytende resultater er så fristende for middelmådige forskere, at de gjerne vil kunne jukse litt for å kunne sole seg litt i glansen av å være geni. Historien er fullere av eksempler på dette, enn på at virkelige genier kommer med virkelig banebrytende forskning. Av kaliberet det ville være å bryte lyshastigheten, er det oppe i divisjonen til selveste Newton og Einstein. Det vil radikalt måtte endre hele den moderne fysikken. Fundamentet til moderne fysikk hviler nettopp på at lyshastigheten er konstant, og at ingenting med masse kan bryte den.

Det var ganske riktig Albert Einstein som først slo dette fast som prinsipp. Til da hadde måten lyset beveget seg på vært et ganske stort problem. Man hadde kommet frem til at lys ganske sikkert var bølger, men hva var det som bølget og i hva? Et annet geni, James Clerk Maxwell, hadde funnet at det som bølget var elektromagnetiske felt. Og man slo seg til ro med at det fantes et stoff, kalt eteren, som det bølget i.

Men det var et par problemer. Lyset går raskt, og man allerede på slutten av 1800-tallet i gang med å finne farten ned til noen desimalers nøyaktighet. Det var bare det, at om lyset trengte en eter å bevege seg i, så ville det ha betydning hvilken retning det relativt beveget seg i. Ingen slik effekt var påvist. Alle målinger i alle system og på alle måter gav samme fart. Det var Einstein som løste problemet ved å gjøre det til et første prinsipp. Lysfarten er konstant og uforanderlig, i alle referansesystem og samme hvordan man måler. Alle andre formler må forandre seg etter det.

Det er dette som har noen konsekvenser vår fornuft har vanskelig for å fatte. Det betyr at når noe beveger seg opp mot lysets hastighet, må tiden gå saktere. Det velkjente eksempelet er en lysstråle som går opp i et speil og ned igjen i en togvogn som farer forbi i nesten lysets hastighet. Skal den som er inne i toget oppfatte lyset i dets riktige hastighet, så går det rett opp og ned innen en viss tid. For den som står utenfor vil det se ut som lyset går opp fra et sted, det treffer speilet litt lenger borte og komme ned igjen enda lenger borte. Det er ikke rett opp og rett ned igjen, det danner skrålinjene i en trekant, og lyset har altså beveget seg lenger enn for den som var i vognen. Skal lysfarten være konstant – og det skal den, det er prinsippet – så må man gjøre kompromiss annet sted for at den gamle veiformelen skal gjelde, strekning er lik vei ganger tid.

På lignende måte kan man argumentere for at lange gjenstander vil klumpe seg sammen, de vil se kortere ut, og med en litt annen argumentasjon vil man se at massen vil øke. Den må det, skal bevegelsesmengden være kostant, og energien være bevart. Fortsetter man å fore systemet med energi, vil energien ikke gå med til å øke farten, men til å øke massen.

Alle disse tingene er påvist teoretisk, og gjennom mange, mange eksperiment i partikkelakseleratorer rundt om i verden. Det vil virkelig ryste formlene om noe skulle bevege seg raskere enn lyset allikevel. Det er med enkel og sunn fornuft mye mer sannsynlig at det er noe feil i målingene. Det er små marginer, kan man trygt si. Partiklene skal ha kommet seg fra Sveits til Italia 60 nanosekunder raskere enn en lyspartikkel ville gjort det. Når lyset kommer seg syv og en halv gang rundt jorden på et sekund, er det klart det trengs nøyaktig måleutstyr for å få forskjellen riktig. Og nanosekund er tusendel av milliontedels sekund. Man skal med andre ord vite svært, svært nøyaktig når partikkelen oppstår i Sveits, farer av gårde, og treffer måleren i Italia. Selv om hypermoderne teknologi har oppnådd fantastiske resultater, er kanskje akkurat dette resultatet mer fantastisk enn riktig.

Eksamen i PHYS625

Med Beethovens store sonate nummer 29 for hammerklavier på øret, den tragiske og enorme andresatsen, er det på Kristi himmelfartsdag tid for en liten oppsummering.

I går var det eksamen i fysikk, kurskode PHYS625, spesiallaget for oss som tok det, men det vil nok bli tilbudt også for vanlige studenter fremover. Det var et kurs i astronomi. Det er en gren av fysikken som virkelig har forandret seg siden jeg selv gikk på Sandnes videregående skole og leste litt fysikk både i skoletiden og på fritiden, helst på fritiden, for den fysikken var kjekkere. Det var om astronomi, og jeg leste det som var å få lånt på Sandnes bibliotek om galaksene og universet, om the Big Bang, om hvordan tyngre grunnstoff ble dannet i supernovaer, hva supernovaer er for noe, alt som populærvitenskapen hadde å tilby.

Siden den gang har fysikken gjort betydelige fremskritt. Fremskrittet i astronomien og kosmologien de siste 20 årene kan sammenlignes med det aller største, det var nå det skjedde, det meste av universet er blitt kartlagt og man vet forbløffende mye om hvert eneste synlige og usynlige himmellegeme. Samtidig er det også her de største spørsmålene fremdeles gjenstår, hvor det fremdeles er nok å ta tak i for fremtidens fysikere, det er kanskje naturlig at man må få en opplæring i emnet på Norges nest største universitet.

Man har også det faktum at emnet er temmelig underholdende. Det er fascinerende tall og sammenhenger som kommer ut, og det er vel nesten en naturlig undring hva stjernehimmelen over oss er for noe, mange skulle vel ha en naturlig nysgjerrighet for å finne ut mer om den.

Det har vært et travelt halvår for meg, så jeg kom sent i gang med studiene for fullt. De siste ukene har det derfor vært temmelig intenst. Fysisk institutt ved Bergen har denne vanen at de lar studentene ha med 5 sider hjelpeark til prøven, i tillegg til at vi får utdelt alle formlene. Å få utdelt alle formlene i dette kurset var kanskje litt i overkant, da læreboken nummerer hvert eneste ledd i en utledning frem til formelen, i tillegg til forskjellige måter å sette formelen opp på. På toppen nummerer de formelen på ny om den kommer igjen i et annet kapittel. Det var 12 sider formelark. Jeg brukte helt uforholdsmessig mye tid på å gjøre i stand disse hjelpearkene vi skulle ha i tillegg.

Det er ikke eksamen som jeg liker den. La gå at vi får formlene, men disse hjelpearkene gjør det litt tilfeldig om vi har skrevet ned akkurat den teksten vi får spørsmål. For eksempel tenkte jeg samme morgen som eksamen var, at kanskje ville vi få spørsmål om oppvarmings- og avkjølingsmekanismer i forskjellige slags gasskyer i det interstellare rom. Jeg visste det var fire av den ene, tre av den andre, og skrev disse ned på et papir. Jeg skrev det imidlertid ikke ned på hjelpearket, som jeg ikke hadde tatt utskrift av ennå. På eksamen fikk vi akkurat dette spørsmålet, hva er avkjølingsmekanismene, og jeg måtte til å rekonstruere hva jeg hadde skrevet ned på kladdearket mitt om morgenen. Det er en mye bedre måte å sjekke læring på, enn bare å sjekke om studenten har fått skrevet metoden ned på hjelpearket. Det fikk meg også til å tenke og resonnere, det fikk frem fysikken jeg kunne, mens om jeg hadde hatt det på hjelpearket, ville det vært mekanisk avskrift. Det var det ved et annet spørsmål – Hvordan måle avstander i universet? Det hadde jeg en spesiallaget tekstboks for på hjelpearket, et sammendrag av alt som stod i boken, det var bare å skrive rett av en gang til uten å produsere en tanke.

Jeg ser universitetet i Oslo har valgt en annen løsning for å hjelpe studentene. På deres eksamen i astronomi, stod det først en beroligende tekst, for sikkerhetsskyld med engelsk overskrift «Don’t panic!», med forsikringer om at eksamen var lett, selv om den hadde mye tekst. På hver eneste oppgave stod det opp til flere hint for løsningen. Hva er det som skjer med universitetene våre? Ønsker man ikke at studentene skal kunne noe lenger?

Nåvel, eksamen er unnagjort. Og de fire timene hastverksarbeid fra 0900 til 1300 i går gav ikke akkurat noen forløsning i forhold til alt arbeidet som var lagt ned i den. Som jeg sa til noen av medstudentene, jeg skulle gjerne vekslet inn noen av hjelpearkene for litt bedre tid. Vi gikk på Verftet etterpå, det var feiringen for at vi var ferdige med fysikkurset, men jeg var sliten og gikk tidlig hjem. I dag har jeg også vært litt redusert, faktisk.

Men fra i morgen og en uke frem er det fullt kjør på ny. Det er muntlig på torsdag, da i moderne fysikk.