Sandslott og flodbølger av Eirik Grude Flekkøy by Cappelen Damm AS

Sandslott og flodbølger Den fantastiske fysikken omkring oss

Eirik Grude Flekkøy

Utgitt med støtte fra Det faglitterære fond © J.W. Cappelens Forlag AS, 2006 Omslagsdesign ved: Cecilie Mohr Satt med 10,5/13 Sabon hos RenessanseMedia Trykt og innbinding: NØRHAVEN BOOK A/S, 2006 ISBN-13: 978-82-02-25671-5 ISBN-10: 82-02-25671-2 www.cappelen.no Det må ikke kopieres fra denne bok i strid med åndsverkloven eller avtaler om kopiering inngått med KOPINOR, Interesseorgan for rettighetshavere til åndsverk. Kopiering i strid med lover eller avtaler kan medføre erstatningsansvar og inndragning, og kan straffes med bøter eller fengsel.

Til barna våre

Innhold Forord 1. Hvorfor er himmelen blå og solnedgangen rød? – om lys og farger og vår opplevelse av dem Og hvorfor har regnbuen alle mulige farger? Kan det tenkes at himmelen har en annen farge på andre planeter? På månen er himmelen svart og på Mars er den rød. Kan forskjellige blandinger av elementærfarger se like ut, og finnes det dyr som ser farger som er usynlige for oss mennesker?

2. Elefanter, mus og forskjellen på stort og smått – om hvorfor størrelse betyr noe Kunne Gulliver i Gullivers reiser virkelig vært så stor som han er i fortellingen? Hvorfor kan katter overleve fall fra store høyder som tar livet av oss mennesker?

3. Vår vidunderlige kompliserte verden – om fraktaler og lignende naturbeskrivelser Hvordan henger det sammen at alt vi ser rundt oss er så komplisert når naturens grunnleggende lover er så enkle? Finnes det et system i galskapen som lar orden tre frem fra kaos?

4. En verden av sand – sandslott, siloer og snøskred Verken vann eller sand kleber. Hvordan har det seg at man likevel kan bygge sandslott? Siloer fulle av sand, pulver eller korn raser sammen oftere enn noen andre byggverk. Kan vi forstå hvorfor?

5. Bølger overalt – om bevegelse på vandring Lyden fra naboens gressklipper, lyset som møter øyet og signalene til mobiltelefonen din er alle bølger. Hva har havbølgene som vandrer over tusenvis av kilometer, lysbølgene fra fjerne stjerner og TV-signalet ditt til felles?

8–9

10–25

26–41

42–59

60–75

76–93

6. Flo og fjære – månen, solen og tidevannskrefter Hva kommer tidevannet av? Utenfor St. Malo i Frankrike vandrer østersplukkerne ved fjære ut på havbunnen som ligger ti meter under vann ved flo. Hvorfor er det i Oslofjorden bare en halv meters forskjell mellom høy- og lavvann mens det andre steder i verden ikke er tidevann overhodet?

7. Ødeleggelsens fysikk – om jordskjelv, tornadoer, flodbølger og orkaner Hva kommer flodbølger av og hvorfor er de så farlige? Hva skaper jordskjelv, og hvordan oppstår tornadoer? Er det virkelig stille i orkanens øye?

8. Spådommer før og nå – hva kan vi si om fremtiden? Fysikkens ligninger kan brukes til å forutsi fremtiden. Men hvor langt kan man se? Og hva trodde man om dette før i tiden?

9. Naturvitenskapelig innsikt – om kunnskapens kvalitetskrav Kan man si at noe er «vitenskapelig bevist», og hva betyr det egentlig å være vitenskapelig? Hvordan går veien fra gjetning til innsikt?

Svar på spørsmål

Forslag til videre lesning

Opphavskreditering

94–101

102–121

122–129

130–139 140–143 144 145–148

Forord

Den kjente norske filosofen og fjellklatreren Arne Næss ble en gang spurt om når han begynte å klatre. Han svarte «Det er ikke jeg som har begynt å klatre, men du som har sluttet!» Alle barn klatrer, det er noe av det mest naturlige i verden. På tilsvarende vis vil alle barn spørre og grave om hvordan ting henger sammen. Får de et svar er det neste «hvorfor det da?» like om hjørnet. Det er ikke annet enn rimelig, for barn forsøker å orientere seg i den verden de er en del av, og som de ser med friske øyne. Det er den som slutter å spørre som gjør en kursendring, på samme vis som den som slutter å klatre. Denne boken er for dem som fortsatt spør. Den knytter seg til hverdagserfaringer og forsøker å formidle en innsikt i hvordan våre naturlige omgivelser henger sammen og hvordan de virker. Hvorfor kan fluer, men ikke hunder, gå i taket? Hvorfor er tidevannsforskjellene større i Tromsø enn i Bergen? Finnes det flere farger enn dem vi ser i regnbuen? Hva er det som gjør at et sandslott henger sammen? Vi håper at mange av de spørsmålene som stilles og diskuteres i denne boken gjenkjennes av leseren selv. Vi utelater mer eksotiske temaer som krumme rom, kvantekryptering og nøytrinoer. Disse emnene, interessante som de er for dem som allerede har begynt å orientere seg i naturvitenskapen, er allerede beskrevet i en hel del god populærlitteratur- i det minste på engelsk. Om de nære tings fysikk er det skrevet mindre, og denne boka er ment som et bidrag til å rette på den situasjonen. Den har blitt til ut fra et ønske om å gjøre naturvitenskapen mer relevant, også for dem som minnes eller opplever skolefysikken med en viss reservasjon. Den beveger seg over stokk og stein i fysikkens rike, og i noen grad utenfor. Grunnideen er at selv ganske enfoldig undring fort kan lede til interessant innsikt, som ikke bør være forbeholdt spesialister. Når svaret på et spørsmål er funnet melder det seg nye, og med svarene på dem, atter nye. Det er slik forskning blir til. Bak hver horisont finnes det alltid en ny, og derfor er det vanskelig å tenke seg at naturvitenskapen noen gang vil avsluttes. Men man belønnes med innsikter underveis! I denne boken har vi forsøkt å nå

noen av disse innsiktene så direkte og enkelt som mulig. Vi har derfor helt unngått ligninger og matematiske beskrivelser med den overbevisning at selv i fysikk går det stort sett an å nå en formelfri forståelse av grunntrekkene i de fenomenene som omgir oss til daglig. Av forutsetninger hos leseren er interessen for våre omgivelser og en vilje til å tenke over dem, den viktigste. Tekstboksene i hvert kapittel inneholder argumenter eller historier som hører til kapittelet, men som står på egne ben. De er fargekodet etter stigende vanskelighetsgrad med fargene grønt, blått og rødt. Her og der finnes spørsmål som leseren kan bruke til å anvende og utdype sin forståelse underveis. Forståelse er en følelsessak. Akkurat på hvilket punkt man opplever at «dette forstår jeg» varierer sterkt fra person til person. Noen setter strek og er fornøyd ganske fort, andre vil alltid plages av rastløshet og aldri føle at de kommer til bunns i saken. Hos dem vil spørsmålene fortsette å komme. I denne boka følger vi spørsmålene et stykke på vei, noen ganger stanser forklaringen der ingen kjenner svaret, andre ganger der den ellers ville blitt for matematisk eller grensene for vår innsikt er nådd. Norges Forskningsråd og Norsk faglitterær forfatter- og oversetterforening har bidratt økonomisk og takkes for det. Vi er også takknemlig for innspill og gode råd fra mange hold blant våre kolleger. Blant disse vil vi nevne Steinar A. Gundersen spesielt. Forlagets Gerd Johnsen og Fysisk Institutts Magnhild Segrov og Bjørn H. Samseth fortjener takk for sin hjelp med illustrasjonene. En særskilt takk rettes til Lene Grude Flekkøy, som på en utmerket måte har spilt rollen som kritisk legmann, og fortløpende bidratt med kvalitetskontroll. Oslo, mai 2006

Eirik Grude Flekkøy

På månen er himmelen svart også om dagen.

1. Hvorfor er himmelen blå og solnedgangen rød? Om lys og farger og vår opplevelse av dem

et laget av luft som omgir jorden vår og gir oss noe å puste i, kalles atmosfæren. I forhold til størrelsen på jorden er ikke atmosfæren tykkere enn skallet på et eple er i forhold til eplet. Når du flyr i vanlig marsjhøyde for et passasjerfly, ca.10 000 meter over havet, har du 80 % av luften i atmosfæren under deg, og himmelen er blå når du ser opp. Om du reiser litt høyere, si du blir med en ballong til 20–30 000 meter over havet, er himmelen i ferd med å bli svart, og etterhvert kan du se stjernene akkurat som om natten. Fortsatt står solen på himmelen, men luften som du må se igjennom fra bakken, er i denne høyden nesten borte. Så dersom du kikker opp og skjermer så du ikke blir blendet av solen, vil himmelen se ut som nattehimmelen. På månen er det ingen atmosfære og himmelen er derfor alltid svart.

Det blå lyset spres i alle retninger, mens det røde lyset i større grad fortsetter rett frem.

Hvordan har det seg at himmelen er blå på jorden? Hvorfor er ikke himmelen gul eller turkis, eller altså svart slik den er på månen? Grunnen til det er luftens virkning på lyset: Når lyset treffer luftens molekyler, endrer noe av lyset sin kurs, og dette lyset sendes ut i alle retninger. Denne prosessen, som kalles spredning, kan sammenlignes med det du ser om du blander ut noen dråper melk i et vannglass og lyser gjennom det med en lommelykt. Da ser vi lys fra alle deler av vannet som treffes av lyset fra lommelykten. På samme måte er det med lyset som møter øyet vårt når vi ser opp mot himmelen, det er lys som har skiftet retning. Illustrasjonen viser hvordan dette skjer. Sollyset, som vi oppfatter som hvitt, er i virkeligheten en blanding av alle synlige farger, og når himmelen er blå henger det sammen med at det er lyset i den blålige enden av fargeskalaen som i størst grad skifter retning når det passerer igjennom luften. Luften er med andre ord blå. Det kan man også observere når man skuer ut over de «fjerne blåner». På noen kilometers avstand vil skog og fjell alltid få et blåskjær, og dette har samme årsak som at himmelen selv er blå. Det blå lyset spres altså mest, og derfor ser vi himmelen som blå. Men dette betyr samtidig at lyset som beveger seg ned gjennom atmosfæren stadig mister mer av sin blå bestanddel. Mens lyset i den røde enden av fargeskalaen i større grad fortsetter rett frem, blir det blå lyset stadig spredt ut av sin bane og svekket. Derfor er solnedgangen rød. Når solen står lavt på himmelen, må lyset passere gjennom mer luft før det når øyet vårt. Derfor blir også skyene gule og røde ved solnedgang. Fotografer liker den tiden da solen står lavt siden lyset da gir en varm glød. I Norge hvor solen om kvelden nærmer seg horisonten langsomt, varer denne perioden mye lenger enn i sydligere land. Dersom atmosfæren vår hadde vært betydelig tykkere, ville himmelen vært rød hele dagen. Kanskje er det tilfellet et stykke ned i Jupiters atmosfære, som er mer enn tusen ganger tykkere enn jordens. På bildet sees en soloppgang på Mars der atmosfæren er mye tynnerer enn på jorden. Der er det altså mindre gass som kan spre lyset, og soloppgangen er mer blålig enn på jorden.

Soloppgang på Mars.

Hvorfor spres det blå lyset mer enn det røde? Lys er elektromagnetiske bølger, akkurat som radiobølger. Den eneste forskjellen er at lyset har mye kortere bølgelengde. Lysets bølgelengder er altså litt under en tusendels millimeter, mens radiobølger kan ha bølgelengder på rundt en meter. Lyset som kommer fra solen, består av lysbølger med forskjellige bølgelengder, og til hver bølgelengde hører en farge. Det fiolette og blå lyset har kortest bølgelengde og det oransje og røde lyset lengst bølgelengde. Det røde lyset har en bølgelengde på 700 nanometer. En nanometer er en milliontedels millimeter. Bølgelengden til det røde lyset er altså 0,7 tusendels millimeter. Det er omtrent en tusendel av lengden på det vi enkelt kan se med det blotte øyet, og tusen ganger lengden av ett enkelt molekyl.

Fargene i forhold til lysets bølgelengde. Bølgelengden er angitt i nanometer.

Akkurat som radiobølger kan lys skapes av antenner. For radiobølgenes del vil antennen være et stykke ståltråd eller noe der en elektrisk strøm kan svinge frem og tilbake. Denne svingningen fører til at det sendes ut radiobølger. Jo kraftigere svingninger, jo kraftigere blir radiobølgene som sendes ut. Akkurat det samme skjer med lys, men for lysets del kan enkeltmolekyler spille rollen som antenner. Når lyset kommer inn i atmosfæren og treffer luftmolekylene setter det molekylene i svingninger og molekylet fungerer da som en antenne. Dette fører til at lys sendes ut igjen. Dette lyset har samme farge som det innfallende lyset, men en annen retning. Dette er lysspredning. Det blå lyset har kortere bølgelengde enn det røde, og derfor skaper det raskere svingninger og mer av det blå lyset spres.

Bølger i eteren Før Einsteins relativitetsteori fikk fotfeste trodde man at lys var bølger i eteren. Eteren var noe man oppfant nettopp for å gi lyset noe å forplante seg i. Dette var en meget naturlig ting siden man visste at lys oppførte seg som bølger og alle bølger man kjente til var bølger i noe. Lyd var bølger i luft, svingninger som forplantet seg på en snor, var bølger på en snor, og bølger i vann, ja, de forplantet seg i vann. Bølger slik man kjente dem var alltid svingninger i et eller annet, og for lysets del tenkte man seg eteren. At man ikke hadde noen direkte obervasjoner av eteren var ikke noen hindring for den tanken. Eteren fantes overalt, trodde man, også der det ellers var tomt, slik som ute i rommet. Det fantastiske med lys, som det naturlig nok var vanskelig å forstå, er at lys er bølger som forplanter seg uten annet medium enn det tomme rommet selv. Riktignok forplanter lys seg også i gjennomsiktige ting. Men det trenger ikke noe stoff å bevege seg igjennom, og fortest beveger det seg i det tomme rommet. Dersom man kaster en stein i en stille, elv vil bølgene man skaper forplante seg langsommere oppstrøms enn medstrøms, simpelthen fordi vannet selv beveger seg med en viss hastighet. Dersom man skal måle lysets hastighet i det tomme rom innser man at tomrommet i seg selv ikke har noen hastighet. Det man måler blir derfor alltid lyshastigheten i forhold til måleapparatet som man måler med, og den hastigheten vil alltid være den samme, uansett hvordan apparatet beveger seg. Den er 300 000 kilometer i sekundet (lyset bruker åtte minutter fra solen til jorden, eller ca. 0,002 sekund fra Oslo til Tromsø). At man måler samme lyshastighet uavhengig av hvordan man beveger seg gjennom det tomme rom er selve grunnlaget for Einsteins spesielle relativitetsteori.

Dobbelt regnbue. Det er bare så vidt man ser sekundær-regnbuen.

Regnbuen Når solen skinner på en regnskur, dannes regnbuen. I hver av de fallende regndråpene brytes det hvite lyset, som dermed spaltes i sine fargede bestanddeler. Når lyset treffer baksiden av en regndråpe, reflekteres det og sendes ut på forsiden av dråpen. Dette fører til at de forskjellige fargene får forskjellig retning, akkurat som i lyset som forlater et prisme. Det røde lyset sendes litt mer nedover enn det blå. En dråpe som sender sitt røde lys mot deg, og som du dermed ser som rød, må altså befinne seg litt høyere på himmelen enn den dråpen du oppfatter som blå. Ofte går det an å se to regnbuer samtidig. Den sterkeste kalles primærregnbuen, den svakeste sekundærregnbuen. Sistnevnte er skapt av lys som reflekteres to ganger inne i dråpen. Av denne grunn er fargeskalaen i den sekundære regnbuen omvendt av fargeskalaen i den primære regnbuen. Mens rødt er øverst i den primære regnbuen er fiolett øverst i den sekundære. Legg merke til at lyset som reflekteres fra regnbuens dråper skifter retning med nesten 180 grader. Derfor ser man regnbuen bare når man har solen i ryggen. Regnbuens plassering på himmelen er bestemt av vinkelen mellom vår synslinje og lyset. Derfor vil det alltid se ut som vi står symmetrisk i forhold til regnbuen med like mye av den til høyre som til venstre for oss. Om man legger i vei for å finne gryten med gull ved regnbuens fot må man derfor belage seg på en lang tur, for regnbuen vil flytte seg i takt med at du går mot den. I en regndråpe eller i et prisme brytes de forskjellige fargene (bølgelengdene) i ulik grad. Det fiolette og blå lyset skifter retning mer enn det røde, både når det

Lysbrytning i et prisme. Det fiolette og blå lyset brytes mest, det røde minst.

Lys som faller inn mot en vanndråpe, brytes og reflekteres fra dråpens bakside før det passerer dråpeflaten igjen. Hver gang lyset passerer dråpens overflate endrer det blå lyset sin retning mer enn det røde.

beveger seg inn i og ut av prismet. Men hvorfor skifter lyset retning overhodet, og hvorfor er det forskjell på de forskjellige fargene? Svaret på dette begynner med at lyset er bølger og at de forskjellige fargene har forskjellige bølgelengder. I kapittel 5 forklares det hvorfor en bølge endrer sin bevegelsesretning når den endrer sin hastighet. For en bølge på vann kan dette skje når den treffer en grunne, for lys skjer det når det beveger seg fra ett stoff til et annet. Jo større hastighetsforandringen, er jo større blir retningsforandringen. Når fiolett lys brytes mer enn rødt i en regndråpe, skyldes det at fiolett lys reduserer sin hastighet mer når det beveger seg over i vann. Dette har igjen å gjøre med hvordan lyset og molekylene virker på hverandre. Molekylenes elektriske ladning settes altså i svingninger av lysbølgen. Generelt kan vi si at lyset forplanter seg langsommere jo større slike svingninger det skaper. Om lyset ikke hadde vekselvirket med det materialet som det gikk igjennom, ville det også beholdt sin hastighet. I det tomme rom beveger alt lys seg like fort. Svingningene lyset skaper i stoffets molekyler kan sammenlignes med de svingningene du skaper i en huske dersom du trekker den langsomt frem og tilbake. Da blir utslagene små fordi du beveger deg langsommere enn husken ville svinge på egen hånd. Dersom du så øker tempoet vil utslagene øke litt selv om du ikke dytter og trekker noe hardere. Til slutt, når du dytter akkurat i takt med huskens egen svingetakt, vil du få store utslag selv om kraften er ganske liten. Slik er det med lys og molekyler også. Molekylene spiller rollen som husken som blir dyttet av lyset. Når lyset er rødt skjer påvirkningen langsomt, når det er fiolett, svinges ladningen fortere både fordi lysbølgen selv svinger fortere, og fordi svingeutslaget blir større ettersom frekvensen til lyset kommer nærmere molekylenes egen svingefrekvens. Fiolett lys skaper altså større svingninger enn rødt lys, enda det fiolette lyset godt kan være svakere enn det røde. Da går lyset langsommere og det brytes mer, slik som du ser i bildet av prismet. Regnbuens fargespill og himmelens blåfarge kan forresten forstås ut fra den samme matematiske naturbeskrivelsen. Det skal vi ikke gå nærmere inn på her, men bare nevne det oppsiktsvekkende i at de to fenomenene lar seg forstå på samme måte. Himmelens farge kommer av lysspredning, regnbuens farger av lysbrytning. Begge fenomenene kommer av molekylenes antennelignende virkning. Når molekylenes elektriske ladninger settes i svingninger, påvirker de lyset som skaper svingningene slik at det både brytes og spres. I luft beveger lyset seg langsommere enn i vakuum, i vann langsommere enn i luft og i glass langsommere enn i vann. I diamant beveger lyset seg langsommere enn i alle andre gjennomsiktige medier. Det er derfor fargespillet i en slipt diamant er sterkere enn i glass.