Dette er venstre ramme i læreverket "Naturfag for alle". Dersom du har kommet hit fra en søkemotor bør du gå til forsiden slik at du kan gå inn i læreverket på riktig måte. Klikk her for å gå til forsiden. Legg merke til kapittelnummeret hvis du vil tilbake hit.

4K Rom og bevegelse

1 Historisk oversikt

For mer enn 2000 år siden og gjennom hele antikken, ga de greske filosofer, med Aristoteles i spissen, uttrykk for sin verdensforståelse. I dette verdensbildet sto sto jorden i ro med solen, månen og planetene i bane omkring oss.

Figur 1. Antikkens geosentriske verdensbilde Nytt vindu

1500 år seinere var Nicholas Kopernikus den første som påpekte at planetenes bevegelser på himmelhvelvingen var lettere å forstå dersom jorden og og planetene går i bane omkring solen. Men denne oppfatningen møtte sterk motstand.

Johannes Kepler tok opp samme tankegang. Han hadde bedre observasjoner å støtte seg til, innsamlet av Tycho Brahe. Kepler viste at planetene, inkludert jorden, beveger seg i elliptiske baner rundt solen. Men hvorfor det var slik, hadde han ingen formening om.

Galileo Galilei var den første som forsto at hastighetsforandring, akselerasjon, av et legeme, krevde en kraft. Han oppfant begrepet kraft og akselerasjon. Han påpekte at hvis et legeme ikke ble påvirket av en kraft, ville det beholde sin bevegelsestilstand, enten det var å være i ro, eller det var å være i jevn, rettlinjet bevegelse. Han var også den første til å fastslå at alle gjenstander vil falle like fort i et gravitasjonsfelt, når luftmotstanden ikke regnes med.

Isaac Newton forsto virkningen av tyngdekraften, gravitasjonen. Ved å sammenfatte denne forståelsen med en videre utvikling av ideene til Galilei, kom han fram til en lære om legemers bevegelse som med stor nøyaktighet kunne forklare planetenes bevegelse i solsystemet, månens bevegelse om jorden og alle gjenstanders bevegelse på jorden. Newtons bevegelseslære dannet et urokkelig grunnlag for all vitenskapelig tenkning i de neste 250 år.

Albert Einstein viste at Newtons bevegelseslover kun er gode tilnærmelser for legemer som beveger seg relativt langsomt i forhold til lyshastigheten, eller som befinner seg i områder av rommet der gravitasjonskraften er relativt svak. Han viste at både tid og rom endrer seg for et legeme i bevegelse: Tiden går fortere og rommet krymper i bevegelsesretningen, sett fra et punkt som ikke er i bevegelse i forhold til legemet.

I løpet av 1900-tallet ble kvantemekanikken utviklet. Den omhandler bevegelsen til partikler i atomstørrelse.

I dag kaller vi mekanikken som er bygget på Keplers og Newtons lover for "klassisk mekanikk", i motsetning til den nye forståelsen av rom og tid som kom med relativitetsteorien og kvantemekanikken.

2 Keplers bevegelseslover

I tusener av år forestilte menneskene seg at jorden var det faste punkt som alle ting beveget seg i forhold til. Men på 1500-tallet, etter årtiers iherdig arbeid, kom Kopernikus fram til at det måtte være solen, og ikke jorden, som var sentrum i solsystemet.

Figur 2. Kopernikus' heliosentriske verdensbilde Nytt vindu

Johannes Kepler bygget videre på Kopernikus' arbeid og ved hjelp av Tycho Brahes nøyaktige observasjoner kom han fram til tre lover for planetenes bevegelse omkring solen:

Figur 3. Keplers lover for planetenes bevegelser Nytt vindu

Av disse lovene skal vi spesielt merke oss den 2. loven. Den gjelder alle himmellegemer i bane, også satellitter i bane omkring jorden. Figur 4 viser en animasjon som sammenligner hastigheten i en sirkelbane og i en elliptisk bane. Sirkelens radius er like lang som ellipsens store halvakse (se figur 3). Dette gir banene lik lengde og lik omløpstid. Dessuten, linjen mellom sentrum/brennpunkt og banelegeme vil hele tiden sveipe over et like stort areal per tidsenhet. For et legeme i elliptisk bane vil det bety at banehastigheten øker når legemet er nær sentrum.

Figur 4. Keplers 2. lov som animasjon Nytt vindu

3 Newtons lover

Isaac Newton ble født samme år som Galileo Galilei døde, i 1642. Newton bygget videre på Galileis tenkning og forsøk om legemers bevegelse. I tillegg forsto han at den kraften som fikk et eple til å falle til jorden var den samme som holdt planetene på plass i sine baner omkring solen. Det var et grunnleggende gjennombrudd, for dermed hadde han også funnet årsaken til at planetene gikk i elliptiske baner omkring solen. Denne tiltrekningskraften mellom legemer med masse kalte han gravitasjon.

I 1687 publiserte han verket "Principa" som inneholdt hans tre lover om bevegelse, samt loven om gravitasjon.

Figur 5. Newtons bevegelseslover Nytt vindu

Figur 6. Newtons gravitasjonslov Nytt vindu

Newtons lover om legemers bevegelse og gravitasjon utgjorde en vitenskapelig revolusjon. For første gang kunne man beregne planet- og kometbaner som stemte med observasjonene. Newton forklarte ikke bare himmellegemenes bevegelse med gravitasjonsloven, men også havvannets veksling mellom flo og fjære.

Figur 7. Vektløshet Nytt vindu

Oppgaver

4 Einsteins relativitetsteori

Kopernikus fant ut at planetene beveget seg omkring sola (heliosentrisk verdensbilde). Kepler fant ut hvordan de beveget seg (ellipser) og Newton fant ut hvorfor de gjorde det (gravitasjon).

Men hva er gravitasjon og hvordan virker den gjennom tomrommet som skiller legemene?

Den skotske fysikeren James Clerk Maxwell presenterte i 1864 en teori for elektromagnetisk stråling. Ligningene hans viste at slik stråling hadde en helt fast utbredelseshastighet i tomt rom som tilsvarte den hastigheten som ble målt for lys. Han trakk derfor den slutning at lys var en form for elektromagnetisk stråling.

Albert Einstein gikk ut fra at lyshastigheten var en naturgitt, ufravikelig konstant, og gjennom skarpe logiske funderinger kom han fram til en rekke oppsiktsvekkende konklusjoner:

5 Bevegelse i mikrokosmos - kvantemekanikk

I kapittel 4I viste vi at elektromagnetisk stråling er energi som forplanter seg som bølger. I 1905, samtidig med at Einstein la fram første del av relativitetsteorien, viste han, i et annet arbeid, at elektromagnetisk stråling i visse tilfeller skaper effekter som bare kan forklares ved at strålingen består av partikler.

Den tyske fysikeren Max Planck hadde fem år tidligere lagt fram et arbeid der han hevdet at energi måtte bestå av energibiter som han kalte kvanter. Disse ideene ble starten på kvantemekanikken. Kvantemekanikken kan sies å være en "atomteori" for energi, hvor kvantene er det udelelige element. Når en energimengde minker eller øker, skjer det ikke gradvis, men "kvantvis".

Men kvantemekanikken er mer. Det kjente dobbeltspalte-eksperimentet (video) viser helt klart at lys er bølger, til tross for at andre fenomener, som den fotoelektriske effekten, tyder på at lys også er partikler. I 1961 ble dobbeltspalte-eksperimentet for første gang utført med elektroner, altså partikler, i stedet for lys. Og forsøket viste, svært uventet, at også elektroner oppfører seg både som partikler og som bølger!

Figur 8. Dobbeltspalteforsøket Nytt vindu

I de siste årtier er dobbeltspalteforsøket utført med protoner og nøytroner, og endal større partikler som atomer og molekyler. Og opptil en viss størrelse, ca. 100 nanometer, finner man denne "bølge-partikkel-dualiteten".

I den store, makroskopiske verden er det klar forskjell mellom bølger og partikler. Men i mikrokosmos, i "atomverdenen", er altså forskjellen utydelig. Både stoff og energi er dels bølger, dels partikler. Denne dobbelheten har det alltid vært vanskelig å forstå. Utover hele 1900-tallet ble kvantemekanikken heftig diskutert, men også videreutviklet, og etter hvert stadig sterkere bekreftet gjennom tallrike forsøk. Siden partikler også er bølger, må partikkelens plassering i rommet beskrives i form av en såkalt bølgefunksjon. Denne gir et bilde av hvor partikkelen sannsynligvis befinner seg, men sier ikke nøyaktig hvor. Dersom man vil kontrollere hvor partikkelen faktisk er, slik som når det ble plassert et registreringsapparat ved den ene spalten i dobbeltspalteforsøket, kollapser bølgefunksjonen, og dermed partikkelens bølgeegenskap. Hvordan dette skjer er ikke forstått.

I kapittel 4A Hva består stoff av? viste vi atomenes kjernepartikler som kuler i vibrerende bevegelse. Som vi nå forstår er ikke dette et fullverdig bilde. Framstillingen av elektroner, derimot, er mer i samsvar med kvantemekanikk. Det vi der kalte orbitaler eller elektronskyer, er ulike former elektronenes bølgefunksjoner kan ta.

En lang rekke forskere har bidratt til utviklingen av kvantemekanikken. I dag danner kvantemekanikken fundamentet for den delen av fysikken som omhandler materiens minste bestanddeler.

Oppgaver

6 Sammendrag

7 Kontrollspørsmål

Svartabell. Klikk på riktige svar. Grønt betyr riktig, rødt betyr feil.

Når du er ferdig, skal 10 ruter være grønne. Greier du å unngå de røde?

  1. Antikkens verdensbilde var ...
  2. Han var den første vi kjenner til som lanserte ideen om et heliosentrisk verdensbilde.
  3. Johannes Kepler fant tre lover for planetenes bevegelser ved hjelp av ...
  4. I følge Keplers 2. lov vil en satellitt i en elliptisk bane omkring jorden bevege seg ...
  5. Hvilke av Newtons tre bevegelseslover er dette:
    «Et legeme som påvirkes av kraft, vil få en akselerasjon som er proporsjonal med kraften, og omvendt proporsjonal med massen»?
  6. Newtons gravitasjonslov sier at gravitasjonskraften som mellom to masser ...
  7. Einsteins relativitetsteori sier at to personer som beveger seg med stor fart i forhold til hverandre vil se at ...
  8. Dobbeltspalteforsøket viser at ...
  9. Kvantemekanikk ble utviklet i løpet av ...

Toppen