"Godhet utan vishet och utan
gränser är bara en annan
form av ondska."
(John Paterson)

"Det är synd att 99% av
journalisterna skall fördärva
förtroendet för en hel yrkeskår"
(Okänd)

"Ormar äro älskliga varelser,
om man råkar tillhöra samma
giftgrupp"
(Artur Lundkvist)

"När försiktigheten finns överallt,
finns modet ingenstans."
(den belgiske kardinalen Mercier)

"Den som gifter sig med
tidsandan blir snabbt änka."
(Goethe)

"Civiliserade är de kulturer
och individer som respekterar
andra."
(Hört på Axesskanalen)

"Det tragiska med vanligt
sunt förnuft är att det
inte är så vanligt."
(Albert Einstein)

"Halv kristendom tolereras
men föraktas.
Hel kristendom respekteras
men förföljs."
(Okänd)

Senast ändrad: 2024 05 15 15:07

Min fysiksida

Läs om min fysikbok — Den moderna fysikens grunder (utgiven på Studentlitteratur)

 

Klassisk tysik

Den klassiska mekaniken sysslar med makroskopiska objekt som rör sig med "normala" hastigheter, dvs hastigheter upp till några tusen km/s. Makroskopiska objekt är föremål, som består av ca 1023 atomer (mycket grovt räknat) eller mer. Massan ligger då från storleksordningen mikrogram och uppåt. Här gäller Newtons lagar och senare modifikationer av dessa. Galilei (början av 1600-talet) och Newton (ungefär 100 år senare) var de som lade grunden till den klassiska mekaniken. Den klassiska elektrodynamiken ingår också i den klassiska fysiken. Grunden för denna är Maxwells ekvationer, formulerade i mitten av 1800-talet. Förutom Maxwell kan i sammanhanget nämnas Faraday, Ampére och Henry (lite förenklat kan man säga att Maxwell byggde vidare på Faradays teorier ungefär på samma sätt som Newton byggde vidare på Galileis teorier). Termodynamiken räknas också till den klassiska fysiken. Egentligen kan denna betraktas som en tillämpning av klassisk mekanik, där man i stället för att studera enstaka partiklar (atomer och molekyler), betraktar ett stort antal sådana (ungefär som att psykologin studerar enskilda individer medan sociologin studerar individers gruppbeteende). Termodynamiska begrepp som temperatur, tryck etc är uttryck för medelvärden av ett stort antal partiklars egenskaper. Ibland används i sammanhanget termen statistisk fysik. Berömda namn inom detta område är Boyle, Clausius, Carnot och Boltzmann.

Lite vetenskapsteori och -historia

 

Speciell relativitetsteori

Den klassiska beskrivningen fungerar allt sämre och sämre då hastigheterna börjar närma sig ljusets (ca 300 000 km/s). Sådana hastigheter förekommer inte på jorden i samband med makroskopiska objekt, men atomära partiklar kan mycket väl röra sig med 99 procent av ljushastigheten. Ute i kosmos förekommer även att stora objekt rör sig med enorma hastigheter. För att beskriva sådana föremål används den speciella relativitetsteorin, vilken både förklarar mekaniska och elektrodynamiska egenskaper hos höghastighetsobjekt. Den speciella relativitetsteorin formulerades av Albert Einstein 1905 och är idag bevisad bortom varje rimligt tvivel.

Speciell relativitetsteori del 1 (utdrag ur boken)
Speciell relativitetsteori del 2 (utdrag ur boken)

 

Kvantmekanik

Objekt av atomära dimensioner (bestående av enstaka eller ett litet antal elementarpartiklar eller atomer) kan inte heller beskrivas av den klassiska fysiken. Man får här helt felaktiga resultat, något som allt fler fysiker blev varse under slutet av 1800-talet. Så småningom, mellan 1920 och 1930, växte kvantmekaniken fram. Några av de mest kända namnen i sammanhanget är Bohr, Heisenberg och Schrödinger. Kvantmekaniken är också bekräftad bortom varje rimligt tvivel. Alla mätningar på och observationer av atomära objekt stämmer med de förutsägelser som denna teori (eller denna teori kombinerad med speciell relativitetsteori) ger.

Kvantmekanik del 1 (utdrag ur boken)
Kvantmekanik del 2 (utdrag ur boken)

 

Allmän relativitetsteori

I stort sett alla observerade makroskopiska och atomära fenomen kan beskrivas med hjälp av kvantmekanik och speciell relativitetsteori (eller dessa i kombination). Tyvärr inkluderar inte dessa teorier gravitation. Denna kraft kan ofta behandlas med hjälp av den klassiska fysiken (Newtons gravitationslag). Mycket stora och masstäta objekt (kosmologiska objekt som t ex neutronstjärnor och svarta hål) kan emellertid inte förklaras av någon av de ovannämnda teorierna. Mellan 1911 och 1916 utvecklade Einstein den allmänna relativitetsteorin. Denna var först mycket omstridd, men allteftersom nya observationer av kosmos, gjorda med hjälp av allt bättre instrument, gång på gång har bekräftat teorin, så har den mer och mer kommit att accepteras. Nu, allra senast, handlar det om nyligen gjorda obsevationer av gravitationsvågor, vars existens förutsägs av allmänna relativitetsteorin. Något som belönades med nobelpriset i fysik 2017.

Kortfattat om allmän relativitetsteori

 

Partikelfysik

Den moderna partikelfysiken studerar materiens minsta beståndsdelar, de s k elementarpartiklarna, vilka långt ifrån är så elementära och grundläggande som man en gång antog. Idag menar man t ex att de s k hadronerna (neutron, proton plus ett stort antal andra partiklar) är uppbyggda av ännu mer elementära byggstenar, kvarkar, något som bekräftats av en stor mängd observationer. Inom partikelfysiken använder man kvantmekanik och speciell relativitetsteori, var för sig eller i kombination, eftersom de objekt man studerar är både små och snabba. Partikelfysiken utgör således både en tillämpning av och övertygande bekräftelse på dessa två grundläggande teoretiska modeller.

Partikelfysikens s k Standardmodell (utdrag ur boken)
Från min blogg — en lång text om Higgspartikeln

 

Kosmologi

Kosmologin studerar kosmos på ett mer övergripande sätt än astronomin och ligger kanske närmare fysiken än astronomin. Inom kosmologi använder man teorier som allmän relativitetsteori, relativistisk kvantmekanik, partikelfysik, strängteori, kvantgravitationsteorier etc. I kosmogonin, som är en del av kosmologin, studerar man universums uppkomst och utveckling. Kosmogoni är av naturliga skäl därför starkt spekulativ till sin natur och alla sådana teorier måste tas med en stor nypa salt (ganska många vanliga fysiker är skeptiska till kosmogonin, vilket framgår av bilden nedan — som inte är hämtad från en kristen skapelsebok utan från en av de mest prestigefyllda vetenskapliga tidskrifterna, Science — ganska elakt, eller hur?).

Parallella universum — vetenskap eller ideologi?

 

Vad är fysik? — En sammanfattning

För att enkelt sammanfatta fysiken kan man säga att det finns tre grundläggande begrepp; kraft, rörelsemängd (produkten av ett objekts massa och hastighet) och energi. Fysikens drama utspelas i den fyrdimensionella rumtiden och pjäsens grundläggande aktörer är massa och energi (t ex enstaka partiklar eller partiklar i bulk eller fotoner etc), kopplade till varandra genom E=mc2. Hela fysiken kan sammanfattas i:

1. Kraft åstadkommer förändringar i ett system.
2. Rörelsemängd är den egenskap som förändras.
3. Energi bestämmer hur stor förändringen blir.

Punkt slut. Ovanstående gäller för alla de teorier som nämnts ovan (klassisk fysik, kvantmekanik etc). Men, även om den grundläggande principen är enkel, kan det bli nästan hur svårt och komplicerat som helst när man försöker tillämpa dessa tre punkter på verkliga fysiskaliska system.

Vill vi förfina våra resonemang, så att de även blir giltiga på den atomära nivån, så måste vi använda kvantfältteori. Här representeras alla partiklar och objekt (elementarpartiklar, fotoner etc) av kvantfält. Allt som sägs ovan gäller fortfarande i princip, men blir i praktiken betydligt mer komplicerat än om vi ser verkligheten utifrån den klassiska fysikens perspektiv.

Rörelsemängd, som också kallas momentum (p), definieras som massa (m) gånger hastighet (v), dvs p = mv. Hastighet är en vektor (dvs har både storlek och riktning) medan massa är en skalär (dvs bara har storlek). Rörelsemängd kommer därför att vara en vektor (skalär gånger vektor blir en vektor). Jag betecknar här vektorer med fetstil.

Kraft är helt enkelt lika med (definieras som) tidsderivatan av rörelsemängden (förändringen av rörelsemängden per sekund, i enlighet med punkt 2 ovan). Matematiskt skrivs detta som F=dp/dt.

Om massan är konstant följer att F=dp/dt=d(m⋅v)/dt=m⋅dv/dt=ma.

F=ma är den välkända formel som man lär sig i gymnasiet och möjligen också högstadiet. Denna relation är bara giltig om massan är konstant. Andra likheten i härledningen ovan använder helt enkelt definitionen av rörelsemängd (p=mv). I tredje likheten flyttar vi ut m (massan) utanför deriveringen, vilket vi kan göra eftersom derivering är en linjär operation och massan, enligt de förutsättningar vi angivit, är konstant. Och i den fjärde likheten använder vi att hastighet är förändring (derivatan) av läge (i föreliggande fall angivet av x-koordinaten) per tidsenhet, dvs dv/dt=a

Eftersom p är en vektor har p i det tredimensionella fallet tre komposanter; px, py, pz (rörelsemängdens komposant i x-led, y-led respektive z-led). Vektorn p är vektorsumman av dessa tre komposantar, dvs p = px+py+pz.
I den lite mer avancerade klassiska mekaniken används grundläggande två formalismer (som i grunden bygger på Newtons mekanik). Den första, som utvecklades under slutet av 1700-talet av Joseph-Louis Lagrange, kallas Lagrangeformalismen och beskriver rörelse grundläggande med hjälp av de kinematiska parametrarna; läge (x i det endimensionella fallet, x,y i det tvådimensionella fallet och x,y,z i det tredimensionella fallet) och hastighet (v). Kinematik är läran om objekts rörelse med bortseende från de verkande orsakerna (dvs man studerar rörelsen enbart i parametrar som läge, hastighet och acceleration). Kroppars rörelse behandlas således enbart från ett rent matematisk perspektiv. Lagrangeformalismen ger alltså en kinematisk beskrivning av rörelse. Om man i Lagranges formalism, i det tredimensionella fallet, grafiskt vill representera en kropps rörelsetillstånd (vilket också kan innebära att kroppen är i vila), använder man ett vanligt tredimensionellt koordinatsystem (typ "xyz-system"), där axlarna är x-axeln och y-axeln och z-axeln. Och har man två kroppar (som vi kan kalla 1 och 2) får man ett sexdimensionellt koordinatsystem (x1, y1, z1, x2, y2, z2). I fallet N kroppar blir koordinatsystemet 3n-dimensionellt. Ofta kallar man koordinaterna för qn (q1, q2, q3 etc), eftersom det är vanligt att dessa koordinater inte är lika med de vanliga rumskoordinaterna x, y, z. Detta kallas generaliserade koordinater och genom lämpliga val av sådana koordinater kan i många fall matematiken förenklas avsevärt. Det rum där Lagrangeformalismen utspelar sig kallas konfigurationsrummet (configuration space). Systemets tidsutveckling representeras av en graf, där varje punkt svarar mot en viss tidpunkt, dvs tiden är en implicit parameter i koordinaterna (x=x(t) etc).
William Hamilton vidareutvecklade under första halvan av 1800-talet Lagranges formalism till det vi idag kallar Hamiltonformalismen. Där beskriver man grundläggande rörelse i parametrarna läge (x etc) och rörelsemängd (p). Rörelsemängden innehåller information om de verkande krafterna, eftersom kraft (F) helt enkelt är tidsderivatan av rörelsemängden (F=dp/dt), dvs lika med förändringen av rörelsemängden per tidsenhet (i enkla tillämpningar är F=dp/dt=ma, där a är accelerationen och m massan, dvs det från skolan välkända sambandet mellan kraft och acceleration). En sådan beskrivning kallas dynamisk, eftersom man här inkluderar de verkande orsakerna (krafterna) i grundekvationerna. Hamiltonformalismen ger således en dynamisk beskrivning av rörelse. Om man dynamiskt, i det endimensionella fallet, grafiskt vill representera en kropps (en partikels) rörelsetillstånd, använder man ett vanligt 2-dimensionellt koordinatsystem, där den horisontella axeln är x-axeln (x), som anger partikelns läge (i olika tidpunkter), och den vertikala axeln är rörelsemängdsaxeln (p), som anger partikelns rörelsemängd (i olika tidpunkter). Denna graf beskriver således inte den rörelse hos en kropp som vi direkt iakttar med våra ögon, eftersom grafen inte är kinematisk utan dynamisk. Varje punkt på grafen anger partikelns läge och rörelsemängd i en viss tidpunkt. I Hamiltons formalism arbetar vi inte i det vanliga rummet utan i det s k fasrummet (phase space), där koordinaterna är läge och rörelsemängd. x och p beror givetvis i allmänhet på tiden och tiden finns här med som en implicit parameter, dvs x=x(t) och p=p(t) — uttalas "x är en funktion av tiden och p är en funktion av tiden". I det tredimensionella fallet har vi i fallet en partikel tre lägeskoordinater (x,y,z) och tre rörelsemängdskoordinater (px, py, pz), och måste därför ha ett koordinatsystem med 6 axlar och därmed 6 dimensioner. Ett sådant koordinatsystem kan vi inte rita upp eller ens föreställa oss visuellt, men vi kan lätt handskas med det matematiskt. I ett mångpartikelsystem bestående av n partiklar (eller kroppar) krävs 6 axlar för varje partikel, dvs det koordinatsystem vi arbetar i kommer att vara 6n-dimensionellt (för 3 partiklar blir systemet 18-dimensionellt etc). Fördelen med detta är att tidsutvecklingen för även mycket komplicerade system (t ex en gasmassa) bestående av n enheter (där n kan vara ett oerhört stort tal) representeras av en enkel graf i detta 6n-dimensionella rum. Och varje punkt på denna graf representerar systemets tillstånd vid en viss given tidpunkt. Även i Hamiltonformalismen används generaliserade koordinater (se föregående stycke). Lämpligt valda sådana kan dramatiskt förenkla beräkningarna. Och, som sagt, systemets "rörelse" i konfigurationsrummet (om man använder generaliserade koordinater) eller i fasrummet har ingen likhet med systemets, eller enskilda partiklars, rörelse i det verkliga rummet.
Både Lagrange- och Hamiltonformalismen har visat sig oehört användbara och är bra på olika saker. Hamiltonformalismen har t ex med stor framgång använts inom kvantmekaniken (Schrödingerekvation är helt enkelt Hamiltonformalismens grundekvation, där man ersatt de fysikaliska storheterna med motsvarande operatorer). Lagrangeformalismen, å sin sida, är som klippt och skuren för att användas inom speciella relativitetsteorin.
Lagrangeformalismen leder till lika många andra ordningens differentialekvationer (innehåller andraderivator) som vi har koordinater (3n, där n är antalet partiklar i det system som studeras). Motsvarande system inom Hamiltonformalismen kommer att beskrivas av 6n stycken första ordningens differentialekvationer (som enbart innehåller förstaderivator). Dvs dubbelt så många ekvationer som vid får om vi använder Lagrangeformalismen. Å andra sidan är andra ordningens differentialekvationer mycket svårare att lösa än första ordningens. varför Hamiltonsformalismen ibland kan vara att föredra.
Lagrange- och Hamiltonformalismerna tillför grundläggande inget nytt, eftersom i princip Newtons formalism räcker för att lösa alla praktiska problem. Framför allt så gör dessa modernare formalismer att man kan sammfatta komplicerade teoretiska problem på ett översiktligt sätt så att man kan se de stora linjerna och kan få förståelse på en mycket djupare nivå än tidigare. När man omformulerat till synes helt väsenskilda teorier i Lagrange- eller Hamiltonformalismen, så har man i flera fall upptäckt stora grundläggande likheter mellan dessa teorier. Mekanik uttryckt i Lagranges och Hamiltons formalismer är oerhört vacker och jag minns när jag läste en doktorandkurs i Analytisk Mekanik, vilken stor upplevelse det var att tränga in i dessa "världar". Tyvärr tillåter inte utrymmet att vi går närmare in på detta.

Energi kan uppträda i många olika former. Den mest övergripande uppdelningen av energi är i kinetisk (rörelse) energi och potentiell (lagrad) energi. Den potentiella energin kan existera i många former; den kan vara lagrad som kemisk energi i ett batteri, den kan vara lagrad i en hoppressad fjäder, den kan vara lagrad som potentiell gravitationell energi i ett föremål som lyfts upp till en viss höjd etc, etc. De olika energiformerna kan omvandlas till varandra (när en bil bromsar in blir rörelseenergi värmeenergi i bromsarna och när bilen accelererar blir potentiell kemisk energi i bränslet rotationsenergi i motorn, vilken i sin tur blir rörelseenergi hos bilen, genom generatorn i en bil omvandlas mekanisk energi från motorn till elektrisk energi, vilken sedan blir kemisk energi i batteriet som laddas av generatorn). Rörelseenergi (Ek, där k står för "kinetisk") ges i den klassiska fysiken av formeln Ek = mv2/2 (dvs massan gånger hastigheten i kvadrat delat med 2). Hastigheten är en vektor men vektor gånger vektor (vid s k skalärmultiplikation, som det handlar om i detta fall) blir en skalär. Rörelseenergi (och generellt alla former av energi) är således en skalär. Rörelseenergins storlek är proportionell mot hastigheten i kvadrat (tredubblas hastigheten niodubblas rörelseenergin) medan rörelsemängdens storlek är direkt proportionell mot hastigheten (tredubblas hastigheten tredubblas rörelsemängden).

Man kan också skilja mellan fri energi och icke-fri energi i ett system. Den senare utgörs helt enkelt av värme. Vi kommer då in på ett område av fysiken som kallas termodynamik. Den fria energin kan utnyttjas för att driva maskiner etc medan den icke-fria energin (värmen) inte går att utnyttja för att utföra nyttigt arbete (utan att tillföra energi).

Spillvärme från en maskin blandas så småningom med omgivningen (luft, vatten, marken etc) och blir en del av planeten jordens värmesignatur. Det är denna, slutgiltigt utblandade energi, som inte går att utnyttja. Den har maximal entropi (se nästa stycke). Den värme som direkt avges från en maskin på grund av att verkningsgraden aldrig är lika med 100% kan utnyttjas. Den kan t ex användas för uppvärmning av bostäder eller för att skapa ånga som driver ångturbiner etc. Gamla ångmaskiner med en enkel kolv (i fartyg och ånglok) hade väldigt låg verkningsgrad (7-10%). Men genom att använda den heta ångan som kom ut från cylindern kunde man driva en ytterligare cylinder och ökade på så sätt verkningsgraden. Man tog så att säga tillvara på spillvärmen från en cylinder för att driva nästa cylinder. Så småningom kom man på att man kunde ha tre eller ännu fler cylindrar i rad; t ex högtryckscylinder, mellantryckscylinder och lågtryckscylinder (kallas compoundångmaskin). En sådan kan ha en verkningsgrad på upp till 20%, dvs en fördubbling jämfört med en encylindermaskin.

Det finns en ytterligare viktig parameter inom termodynamiken, entropi. Denna är ett mått på hur stor del av den totala energin i ett system som kan utnyttjas för nyttigt arbete. När man använder energi har man alltid förluster på grund av att verkningsgraden är lägre än ett (man strävar givetvis efter att ha så stor verkningsgrad som möjligt). Förlusterna blir i slutändan värmeenergi. Denna typ av energi är, när den blandats ut i omgivningen (atmosfären, havet etc), helt kaotisk (vilket innebär att den inte innehåller någon fri energi) och kan inte användas till någonting. Entropin kan också betraktas som ett mått på oordningen i ett system. Ju högre entropi desto mer oordning (dvs kaos). Enligt termodynamikens andra lag går ett system som lämnas åt sig självt alltid mot maximal entropi, dvs mot maximal oordning. Detta innebär att all fri energi försvinner. Om man t ex lämnar en skinande ny bil i skogen och kommer tillbaka efter 100 år, kommer man att finna en rosthög. Det motsatta sker aldrig, eftersom det skulle bryta mot termodynamikens andra lag. Entropi kan hindras att öka genom tillförsel av energi. T ex genom en värmepump, som gör att man kan ta energi från nollgradig luft och värma upp ett hus till 20°C (om inte temperaturskillnaden mellan ute- och innetemperatur är för stor, går detta med vinst, dvs vi får ut mer energi än vi pumpar in via värmepumpen). Så länge en människa tillför energi till sin kropp (genom att äta), hindras entropin att öka nämnvärt. När vi dör, upphör energitillförseln och termodynamikens andra lag börjar verka (dvs vår kropp bryts ner). Entropi är ett mycket viktigt begrepp när man studerar effektiviteten hos maskiner.

Till skillnad från energi så finns inte olika former av rörelsemängd. Det finns således ingen potentiell rörelsemängd som man kan lagra för att sedan ta fram när det behövs (däremot kan givetvis potentiell energi bli rörelsemängd). Rörelsemängd avspeglar endast rörelse och inget annat.

Även om både rörelsemängd och rörelseenergi utgör mått på ett föremåls rörelse, utgör de två helt olika mått. De ger oss kompletterande information om det föremål vars rörelse studeras. Eftersom energin är en skalär innehåller den ingen riktningsinformation, dvs skulle vi lösa mekaniska problem med enbart energin som parameter, får vi ingen information om åt vilket håll systemet rör sig. När det gäller mekaniska problem har man dessutom ofta flera obekanta och behöver därför flera ekvationer för att lösa problemet. Normalt använder man därför samband både för energi och rörelsemängd. Det visar sig att energi är intimt kopplad till begreppet tid medan rörelsemängd är kopplad till rumsbegreppet. Precis som att de tre rumsdimensionerna plus tiden ger upphov till den fyrdimensionella rumtiden (ct, x, y, z) så ger oss rörelsemängdens tre komposanter (enligt ovan) plus energin en fyrdimensionell rörelsemängds-energi-vektor (E/c, px, py, pz). Den senare kallas momentum-energifyrvektorn (momentum-energy 4-vector). Man säger att energin är den tidslika komposanten av denna vektor. Båda dessa fyrvektorer (och flera andra fyrvektorer) är mycket viktiga inom speciella relativitetsteorin.

Observera att vi i dessa två fyrvektorer inte har t och E utan ct respektive E/c (där c är ljushastigheten i vakuum). Orsaken till detta är att vi vill att alla vektorkomposanterna i en vektor skall ha samma enhet. Koordinaterna x, y och z har ju enheten meter (m) medan tiden t har enheten sekunder (s). Genom att multiplicera t med c får vi enheten meter (s⋅m/s=m), dvs samma som för de övriga komposanterna i denna fyrvektor. Motsvarande gäller för momentum-energifyrvektorn.

Här kan läsaren ta del av ett enkelt och mycket illustrerande exempel på en mekanisk beräkning, där vi använder energi och rörelsemängd för att lösa problemet (det krävs endast kunskaper i högstadiematematik för att förstå exemplet).

 

Naturkrafterna

I naturen existerar fyra kända krafter; stark kraft, elektromagnetisk kraft, svag kraft och gravitationskraft. Alla i naturen existerande, rella kraftverkningar är resultatet av en eller flera av dessa fyra naturkrafter. Dessa krafter överförs av s k kraftpartiklar.

1. Den starka kraften, som alltid är attraktiv, verkar enbart på mycket korta avstånd (ca en protondiameter). Denna kraft, som är den starkaste av alla naturkrafter, verkar endast mellan vissa atomära partiklar, s k hadroner (partiklar uppbyggda av kvarkar, t ex proton och neutron — elektronen påverkas inte, eftersom den inte består av kvarkar och därmed inte är en hadron). Det är den starka kraften som håller ihop atomkärnen. De positiva protonerna vill ju repellera varandra elektriskt (lika elektrisk laddning repellerar) och flyga isär (vilket således motverkas av den starka kraften) och neutronerna är neutrala och varken attraheras eller repelleras elektriskt av vare sig varandra eller av protonerna (men hålls kvar i atomkärnan av den starka kraften). Den starka kraftens enorma styrka är förklaringen till att kärnkraft ger så mycket mer energi än kemiska processer (där enbart elektronskalen, dvs elektriska krafter, är inblandade). Den starka kraften överförs av gluoner.

2. Den elektromagnetiska kraften, som kan vara attraktiv eller repulsiv (olika laddningar attraherar varandra och lika laddningar repellerar varandra), verkar både makroskopiskt (magneter, elmotorer etc) och mikroskopiskt/atomärt (elektronerna hålls på plats av den elektriska kraften etc). Kemiska processer involverar elektronskalen och sker således genom den elektromagnetiska kraften. Magnetism är nära kopplad till elektricitet (det är därför denna kraft kallas elektromagnetisk), eftersom all magnetism orsakas av elektriska laddningar i rörelse (t ex elektrisk ström) men vi går inte närmare in på detta. Den elektromagnetiska kraftens styrka är ca 10-2 (1/100) av den starka kraften och den överförs av virtuella fotoner.

3. Den svaga kraften verkar i likhet med den starka kraften, enbart på mycket korta avstånd. Den är antingen attraktiv eller repulsiv. Den svaga kraften verkar mellan s k fermioner (partiklar med halvtaligt spinn; dvs elektron, proton, neutron etc), ofta i samband med vissa typer av radioaktivt sönderfall (bl a beta-sönderfall) och har styrkan ca 10-13 i förhållande till den starka kraften. Den svaga kraften överförs av vektorbosoner (W- och Z-bosoner).

4. Gravitationskraften, slutligen, verkar mellan alla objekt som innehåller massa/energi (även energi har massa enligt E=mc2) och är alltid attraktiv. Den är oerhört mycket svagare än de övriga krafterna (ca 10-42 i förhållande till den starka kraften) och blir bara märkbar för våra sinnen när minst en av massorna är av planetära dimensioner. I atomernas värld spelar den normalt ingen roll. Överföringspartikeln för gravitationskraften kallas graviton.

Alla kraftpartiklar utom gravitonen är experimentellt bekräftade.

Alla krafter utom den starka avtar med kvadraten på avståndet (fördubblas avståndet blir kraften 1/4 etc). Den starka kraften, som alltid är attraktiv, beter sig helt annorlunde. På avståndet noll är den lika med noll och växer sedan med avståndet. Ungefär som en fjäder, som drar med allt större kraft ju mer den dras ut. Det är därför det är så svårt att få fram fria kvarkar. Ju mer vi drar isär dem, desto starkare blir attraktionen mellan dem. Dvs hur stor kraft vi än har till vårt förfogande så blir den attraktiva kraften mellan kvarkarna till slut så stor att vi ändå inte kan övervinna den.

Den elektromagnetiska kraften "förenar" makro- och mikrokosmos, efterssom den är den enda kraft som har relevans i båda dessa domäner. Den starka och svaga kraften har bara relevans i mikrokosmos (även om konsekvenserna kan bli synbara i makrokosmos — t ex en atombomb). Gravitationen verkar enbart (praktiskt sett) i makrokosmos. Genom att den är så svag blir dess effekter i mikrokosmos inte mätbara annat än i extrema fall (svarta hål och liknande).

Allt som sker i universum är således konsekvenser av dessa 4 naturkrafter (var för sig eller i kombination). Även alla vardagliga händelser (där endast gravitation och elektromagnetisk kraft är inblandade); man drar i ett snöre, man klappar någon på kinden, man lyfter en väska etc, etc. Skulle det finns någon ytterligare naturkraft måste denna i så fall vara oerhört svag och enbart verka i mycket speciella sammanhang (annars borde vi ha observerat den för länge sedan).

Förutom ovannämnda 4 naturkrafter finns s k pseudokrafter (också kallade tröghetskrafter eller accelerationskrafter). Dessa är resultatet av materiens tröghet och uppstår vid acceleration (fartökning, -minskning, rotation och liknande). När en bil svänger vill passagerarna fortsätta rakt fram i enlighet med tröghetslagen, medan bilen avviker till vänster eller höger. Denna konflikt upplevs som en kraft relativt bilen (passagerarna påverkas av en "kraft" riktad utåt i svängen, kallad centrifugalkraften, vilken således är en pseudokraft) men detta orsakas således inte av någon av de fyra naturkrafterna. Däremot är det någon av de fyra naturkrafterna som får bilen att svänga. (begreppet pseudokrafter diskuteras närmare i min artiklel om hur flygplan svänger — artikeln är lång så sök på ordet "pseudokrafter").

 

Avslutning

Följande figur får illustrera de olika teorier som nämnts ovan (klassisk fysik etc):

Vardagslivets fysikaliska skeenden beskrivs mycket tillfredsställande av den klassiska mekaniken. För objekt som rör sig med mycket hög hastighet (nära ljusets) måste dock den klassiska mekaniken modifieras och sådana objekt beskrivs av den speciella relativitetsteorin. Mycket små föremål (atomära dimensioner) uppträder på ett sätt som delvis skiljer sig avsevärt från vad både den klassiska mekaniken och relativitetsteorin förutsäger. Den teori man då måste använda kallas kvantmekanik. Objekt som både är små och snabba kräver en syntes av kvantmekanik och relativitetsteori. Grunden till denna lades av Paul Dirac och går under namnet kvantfältteori. Både kvantmekanik och relativitetsteori gäller naturligtvis även för stora och långsamma föremål. I detta fall ger dock de två teorierna samma förutsägelser som den klassiska mekaniken, och är därför överflödiga.

Kvantmekanik och speciell relativitetsteori inbegriper inte gravitationell växelverkan. Det är här den allmänna relativitetsteorin kommer in i bilden. Denna teori är helt enkelt en utvidgning av den klassiska fysikens (Newtons) gravitationsteori. Den allmänna relativitetsteorin är en av kosmologins viktigaste verktyg. Gravitationen innehar en särställning bland de fyra naturkrafterna, eftersom den är universell. Alla objekt påverkas av gravitationskraften. Detta gör att den kan "geometriseras bort" genom att den ersätts med en krökning av rum-tiden (dvs materiella objekt förändrar rum-tidens geometri och påverkar därför hur andra objekt rör sig). Ingen av de andra krafterna är universell och kan därför inte geometriseras bort.

I Newtons fysik rör sig jorden i ett tredimenstionellt rum i en ellips runt solen, eftersom den påverkas av en gravitionell kraft från solen. Utan denna kraft skulle jorden röra sig rakt fram och försvinna ut i universum. I Einsteins fysik rör sig jorden i den fyrdeimensionella rum-tiden "rakt fram" (i en geodetisk kurva som innebär kortaste avståndet mellan två punkter) utan att påverkas av några krafter. Projicerar vi ner denna fyrdimensionella kurva till vårt tredimensionella rum, blir den en ellips. Gravitationskraften i det tredimensionella, okrökta rummet har således ersatts med ett krökt fyrdimensionellt rum utan någon verkande kraft.

Man kan visa att stark, elektrisk och svag kraft är kopplade till varande (strax efter bigbang var dessa tre krafter en och samma kraft). Gravitationen intar här en särställning gentemot de tre andra krafterna och man har under många år arbetat på att försöka integrera in denna kraft med de andra tre krafterna (strängteorin är ett sådan försök). Hittills utan framgång. Kanske kommer vi aldrig att lyckas, helt enkelt för att gravitationskraften är av en helt annan natur, i och med att den är universell. Men den som lever får se.

Här finner läsaren ett antal artiklar med anknytning till vetenskap
En introduktion till grundläggande vetenskapsteori
Några intressanta exempel hämtade från modern fysik

© Krister Renard