Kallare än absoluta nollpunkten eller snabbare än ljuset?


Det är alltid kittlande att pröva gränserna. Vilken fysiklärare har inte fått dylika frågor –  ”Men vad skulle hända om…; teoretisk alltså?” Svaret är i många fall att det är just teorierna som sätter begränsningen. T ex är en av kärnpunkterna i relativitetsteorin att ljusfarten är en hastighetsbegränsning i universum. Och komma under temperaturen noll kelvin, hur skulle det gå då vi lärt oss att atomer rör sig långsammare och långsammare vid allt lägre temperatur – för att sedan avstanna helt vid den definitiva fryspunkten?

Ändå har det rapporterats om just sådana här saker som stämmer överens med rådande teorier. Det här inlägget skrivs inte för att någon ska bli expert på just dessa saker, utan för att peka på exempel på vad populärvetenskaplig media ibland tar upp men som intuitivt motsäger det vi lärt oss i skolan (och som jag själv ägnar mig åt att undervisa).

I skolan får vi lära oss att temperatur är ett mått på atomers rörelseenergi, och absoluta nollpunkten är som sagt när atomerna står stilla (det i sig är omöjligt pga Heisenbergs osäkerhetsprincip, vilket gör att det faktiskt inte går att uppnå denna temperatur med gällande teorier). Men hur kan något, med denna definition, bli kallare än så? Nej, det kan det inte.  Däremot finns temperaturer under noll kelvin definierat. Och det har också uppnåtts.

Temperaturer under noll kelvin innebär dock inte kyla; tvärtom är en sådan omgivning väldigt varm. Orsaken ligger i definitionen av temperatur, som görs med hjälp av energi och entropi. Här, på en site som drivs av American Physical Societ, finns en någorlunda lättillgänglig artikel i ämnet. Och här, på Sveriges Radio, finns en ännu mer lättillgänglig förklaring till begreppet.

Hur är det då med överljusfarten? Även om det finns ett misslyckat experiment vars resultat till en början hävdade överljusfart för neutriner (det resultatet stod sig inte särskilt länge), så finns det ett begrepp som heter brytningsindex som bygger på ljusfarten. Brytningsindex brukar ses som kvoten mellan ljusfarten i  vakuum och ljusfarten i ett medium. För vatten, t ex, är brytningsindex 1,33. Det innebär att ljusfarten i vatten är 1,33 gånger lägre än i vakuum.

Vad skulle då, intuitivt, hända om brytningsindex för ett ämne vore mindre än 1? Jo, ljusfarten i det ämnet skulle vara högre än i vakuum. Eftersom inte det får hända (Einsteins relativitetsteori, som bl a  säger detta, har faktiskt hittills stått sig i över 100 år), så verkar sådana ämnen omöjliga!

Men: Det finns alltså sådana ämnen! Och faktum är att väldigt många ämnen har något ”läge” för det. Kanske har t o m någon vän av populärvetenskap sett att det även  finns material med negativt brytningsindex.

Här finns en förklaring fenomenet med brytningsindex mindre än 1, som har med elektronernas interaktion med fotoner att göra. Det kommer att vara beloppet av ljusets  fashastighet i materialet som blir större än ljusfarten i vakuum, men det är ett interferensfenomen snarare än något som har med informationsöverföring att göra. Det blir ganska så matematiskt. Här finns en bra illustration över hur detta fungerar.

Som vi ofta ser exempel på – t ex i skolan – så förenklas komplexa saker till enklare modeller. Ibland är en större del av sanningen (jag väljer här att inte skriva ”hela sanningen”, ty den är det nog ingen som sitter inner med) då det är ett  helt enkelt för stor för att ta upp i undervisningen. Ibland har någon elev hört talas om något undantag för någon modell, och då kan utökningen bli omfattande (men kanske också spännande och sporrande) att ta till sig. Naturvetenskapen utvecklas hela tiden. De teorier som idag råder kommer med säkerhet att förändras med ökad kunskap. Det är dock sällan som en etablerad teori byts ut över en natt.

Detta inlägg publicerade jag ursprungligen på min mer teknikorienterade sajt, cloudheaven.se.

Kallare än absoluta nollpunkten eller snabbare än ljuset?

Kommentera

Fyll i dina uppgifter nedan eller klicka på en ikon för att logga in:

WordPress.com Logo

Du kommenterar med ditt WordPress.com-konto. Logga ut / Ändra )

Twitter-bild

Du kommenterar med ditt Twitter-konto. Logga ut / Ändra )

Facebook-foto

Du kommenterar med ditt Facebook-konto. Logga ut / Ändra )

Google+ photo

Du kommenterar med ditt Google+-konto. Logga ut / Ändra )

Ansluter till %s