Det kan virke fantastisk, at vi med øjnene kan “tælle så hurtigt” som et 14-cifret antal svingninger per sekund og se forskel på rødt og gult lys. Årsagen er, at vi ikke tæller svingningerne, men har lysfølsomme “stave” i øjnene, der er følsomme over for de forskellige farver, og vi har da også i en almindelig husholdning helt simple optiske komponenter, der kan adskille forskellige farver. Tænk for eksempel på et glas vand, som spreder de forskellige farver i Solens lys ud i en lille regnbue i en vindueskarm – et fænomen, der skyldes, at sollysets forskellige farvekomponenter følger forskellige retninger gennem glasmaterialet. Det samme sker i vanddråber, og regnbuen på himlen opstår på grund af opspaltningen af Solens mangefarvede lys, så de forskellige farver i Solens stråler bøjes i forskellige retninger. Derfor skal vi kigge i forskellige retninger for at se det røde, det gule og det blå lys, der inde i regndråberne er afbøjet fra deres oprindelige retning fra Solen.
Den tyske fysiker Wilhelm Conrad Röntgen fik verdens første Nobelpris i fysik i 1901 for opdagelsen af det, han kaldte X-stråler. På dansk kender vi dem i dag som røntgenstråler, mens man på engelsk har fastholdt betegnelsen X-rays. Røntgenstråling er også svingende elektriske og magnetiske felter, men med endnu højere frekvenser end det synlige lys.
ILLUSTRATION 4. ELEKTROMAGNETISK SPEKTRUM
Kemi og atomfysik
Ordet “atom” kommer fra græsk og betyder udeleligt, og stoffets opbygning ved udelelige byggesten var en af flere teorier, som græske naturfilosoffer havde tænkt sig frem til i antikken. Der florerede teorier om, at alt stof var opbygget af ganske få grundelementer, men disse teorier var i højere grad bygget på æstetiske og filosofiske argumenter end på en egentlig undersøgelse af materialers fysiske egenskaber. Senere observationer vedrørende gassers tryk og temperatur pegede på, at de ikke var “bløde skyer”, men bedst kunne forstås som sværme af mikroskopiske enkelte partikler: atomer og molekyler. I 1803 foreslog englænderen John Dalton, at en opfattelse af stof som sammensat af endelige byggestene kunne forklare kemikeres, alkymisters og mange øvrige håndværksfags erfaringer med blandingsforholdene af forskellige stoffer i fysiske og kemiske processer. Den russiske kemiker Mendelejev arrangerede i 1869 alle kendte stoffer i tabelform i sit “periodiske system” ud fra observationer af, hvilke stoffer der reagerer kemisk med hinanden.
I stedet for at løse Newtons bevægelsesligning for alle atomer og molekyler i en gas kan man benytte statistiske argumenter og forene dagligdagsfænomener som tryk og temperatur med den underliggende opfattelse af et enormt antal mikroskopiske atomer og molekyler, og da man både kan veje en større stofmængde og samtidigt sætte tal på, hvor mange atomer der er til stede, kan man også komme frem til de uhyrligt små dimensioner, der beskriver det enkelte atom, eller de uhyrligt store tal, der beskriver, hvor mange atomer der er i bare et gram stof. Et gram brint består således af 6-1023 atomer, det såkaldte Avogadros tal.
Striber i lyset
Et af 1800-tallets helt store fremskridt, som ville få afgørende betydning for forståelsen af atomernes verden og kvantemekanikken, var opdagelsen af de karakteristiske farvespektre af det lys, som forskellige stoffer absorberer eller udsender. Vi opfatter Solens lys som gult eller hvidt, men det består i virkeligheden af lys af alle farver, ligesom man på teatre og til koncerter kan se forskelligt farvede lamper benyttet til at lave “naturligt” lys. I 1802 havde den engelske fysiker William Hyde Wollaston imidlertid observeret, at der manglede bestemte farver i Solens lys, og i 1814 udviklede den tyske spektroskopiker Joseph von Fraunhofer en ny spektrograf. Med den kunne han helt præcist bestemme bølgelængderne svarende til de mørke striber, der opstod, når man splittede lyset op i regnbuens farver. De mørke striber skulle senere vise sig at skyldes en kombination af absorption i Solens øvre atmosfære, så de farver var svækkede i Solens lys, og absorption af lyset i vanddamp i Jordens egen atmosfære. Der sker ikke bare en generel svækkelse af intensiteten under lysets passage gennem en gas, men en meget selektiv fravælgelse af bestemte frekvenskomponenter.
I 1868 identificerede man striber ved frekvenser, man ikke hidtil havde set ved noget jordisk materiale, og konkluderede, at Solen måtte indeholde et ukendt stof. Man kaldte dette ukendte stof helium efter Solen, som hedder ἥλιος, Helios, på græsk. Det er en fantastisk tanke, at heliumatomer, som er så bittesmå, at fysikerne ikke ville kunne se dem på nært hold i selv de bedste mikroskoper, for første gang blev observeret på 150 millioner kilometers afstand! Grundstoffet helium blev siden opdaget på Jorden i 1895. Helium er en meget let luftart, som i gasform bevæger sig så hurtigt, at den undslipper Jordens tyngdekraft og forlader atmosfæren, men den forekommer i undergrunden og udvindes blandt andet ved naturgasproduktion.
ILLUSTRATION 5. SPEKTRE FOR FLERE GASSER
Dygtige spektroskopikere udviklede metoder til at måle lysets komponenter meget præcist for forskellige stoffer både i eksperimenter på Jorden og i observationer af Solen og stjernerne. Solens spektrum udviser 100.000 mørke absorptionslinjer, som alle kan identificeres med forskellige typer af stof, som også findes på Jorden, og bortset fra de lette luftarter brint og helium, som ikke vil forblive i Jordens atmosfære, kan vi se, at Solen har samme stofsammensætning som Jorden. Bemærk, hvordan en sådan iagttagelse helt naturligt førte til teorien om, at alle legemer i Solsystemet blev dannet ud fra den samme stofmængde. Hvor stoffet kom fra, inden det trak sig sammen på grund af tyngdekraften og dannede Solen og planeterne, vil vi vende kort tilbage til i et senere afsnit.
Alle himlens stjerner kan gøres til genstand for spektralanalyse, og man kan ved at undersøge de mørke absorptionslinjer bestemme stofsammensætningen af det lysabsorberende stof i deres atmosfærer. Man kan også se, hvor hurtigt stjernerne bevæger sig, fordi bevægelse får frekvensen til at ændre sig, ligesom ambulancens sirene lyder dybere, når den fjerner sig. Og fordi høje temperaturer er det samme som store relative hastigheder af atomer og molekyler i forhold til hinanden, kan vi med en stjernekikkert og en analyse af lysets farver også “tage temperaturen” på de fjerneste stjerner. Efter en tur gennem et spektrometer er hver eneste lysende prik på nattehimlen kilde til et væld af information.
Som nævnt var det også muligt at opvarme gasser i laboratorier og se deres lysspektre, og med den teknologiske udvikling af eksperimentelt udstyr blev der mod slutningen af 1800-tallet gjort en række andre nyopdagelser vedrørende den mikroskopiske verden. Man opdagede for eksempel, at stråler fra katoderør, forløberen for billedrøret i tv-apparater, i modsætning til lysstråler lod sig afbøje i magnetfelter. Derfor kunne englænderen J.J. Thomson i 1897 identificere dem som meget lette elektrisk ladede partikler, der fik navnet elektroner. Man havde også iagttaget andre former for stråling, for eksempel radioaktivitet fra kernen i atomets indre, som først for alvor skulle blive forklaret teoretisk i 1930’erne. Men strålingen virkede perfekt, også uden teori, og den skulle meget hurtigt vise sig anvendelig både til praktiske formål og til den eksperimentelle udforskning af den mikroskopiske verden.
KAPITEL 3
KVANTETEORIEN OPSTÅR
Hvorfor, hvorfor dit og hvorfor dat?
SPØRGE JØRGEN
Selvom vi kender de naturlove, der styrer for eksempel planeternes bevægelse om Solen, kan man ligesom Spørge Jørgen stille spørgsmål om grunden til, at ting ser ud, præcis som de gør, og måske spørge om, hvorfor der lige er det antal planeter, der er, og ikke tre mere eller mindre. Den slags spørgsmål er, som de fleste af Spørge Jørgens spørgsmål, ikke særlig interessante, da der vitterlig kan være tale om tilfældigheder, men i forbindelse med nogle fænomener og observationer er det alligevel værd at stille spørgsmålet: “Hvorfor er det lige netop sådan?”.
En af det 19. århundredes største