Jorda og månen i romtiden, slik en illustratør ser det.

Er det mulig å forstå ideene bak den mest avanserte fysikk i løpet 109 små boksider?

I Syv korte leksjoner i fysikk skriver Carlo Rovelli om de store endringene som revolusjonerte fysikken på 1900-tallet. Kan fysikk være så enkelt? Vi har testet om studieopplegget funker.

1.10 2016 04:00

Først en innrømmelse: Jeg har nesten ikke lest fysikk siden første året på videregående en gang i forrige årtusen. Ungdomsskolebøkene som dukket opp på barnas lekseplaner for noen år tilbake, viste tydelig at her var det hull. Sorte og dype. Et eneste stort og bunnløst tomrom.

Carlo Rovelli er professor i fysikk ved Aix-Marseille Université i Frankrike. (Foto: Basso Cannara)

Nå har jeg flørtet litt med faget i løpet av det siste året. En formel her og en formel der som jeg har prøvd å forstå, NRKs podkastserie om Einstein, men mest av alt bare et intenst ønske om å skjønne mer av hvordan verden henger sammen.

Så kommer den italienske fysikeren Carlo Rovelli seilende. Hans Sette brevi lezioni di fisica, som startet livet i søndagsbilaget til avisen Sole 24 Ore, har gått sin seiersgang verden over. Mer enn 40 språk og enda flere strålende anmeldelser. Og nå også på norsk.

– Jeg hadde ingen store ambisjoner, sier Rovelli i en e-post til forskning.no.

– Meningen er å gi en veldig kompakt fremstilling av ideene og hvordan de angår oss, sier han.

Studieplanen

Syv korte leksjoner i fysikk heter den, og siden jeg ikke er i nærheten av å vurdere det faglige innholdet, har jeg prøvd å bruke den som nettopp det: sju korte leksjoner.

Han skriver så fint, Rovelli, at det ikke er noe problem å komme seg gjennom de drøyt 100 sidene. Spørsmålet er om jeg har forstått noe som helst når jeg er ferdig. Om ord som relativitet, romtid, kvanter, fotoner, felter og krefter sier meg noe mer etter enn før.

Jeg har forsøkt å skrive ned det jeg tror jeg har lært. Så sendte jeg det nervøst til Rovelli for å få hans dom. Som ekstern sensor inviterte jeg professor Øystein Elgarøy fra Universitetet i Oslo.

Her er resultatet:

1. Einstein og relativitetsteorien

Første leksjon er viet Albert Einstein og hans mesterverk, den generelle relativitetsteorien. Den som blant annet forklarer hvorfor to tvillinger ikke vil være like gamle hvis den ene bor hele livet på Mount Everest og den andre holder seg i lavlandet. Som forklarer ting som kom etter Einstein, som sorte hull og universets ekspansjon.

Carlo Rovelli

Født i 1956.

Italiensk teoretisk fysiker og forfatter som har jobbet ved universiteter i Italia og USA og for tiden ved Aix-Marseille-universitetet i Frankrike.

Rovelli arbeider hovedsakelig med kvantegravitasjon, hvor han er blant grunnleggerne av teorien om sløyfekvantegravitasjon.

(Kilde: Wikipedia)

STUDENTEN: Første bud i fysikken: Ikke ta hensyn til det intuitive, det du «ser». Så jeg kniper igjen øynene. Jeg må kvitte meg med tanken på at en stein faller til jorda fordi tyngdekraften trekker i den. Jeg må ikke tenke at noe faller. Jeg må tvinge bort oppfatningen av rommet som en tom boks der gjenstander beveger seg i rette linjer helt til de blir påvirket av andre gjenstander. Jeg prøver å se for meg en geleklump som bølger, bøyer seg og vrir seg. Som krummer seg rundt en gjenstand. Dette er rommet. Dette er tyngdefeltet. Jorda trekkes ikke mot sola. Den beveger seg rett fram i motstandsløs gele som former seg etter sola. Om steinen faller ned eller om jorda beveger seg opp er irrelevant. I hvert fall for steinen.

ROVELLI: Vær forsiktig: Ideen om at tyngdekraften trekker, er ikke en naturlig intuisjon. Det er noe du har lært på skolen. Beviset på det er at ingen noensinne tenkte at «tyngdekraften trekker» før Newton introduserte ideen. Karakter: Bra, 7 av 10 poeng.

ELGARØY: At vi bør være skeptiske til intuisjonen, særlig om vi bruker den i situasjoner som er langt fra våre hverdagslige erfaringer, er en viktig lærdom fra fysikken. Men at vi ikke skal ta hensyn til det vi «ser» i det hele tatt, er kanskje å gå litt for langt. Du har fremdeles lov til å tenke at steinen faller, men du kan ikke hevde det i en absolutt forstand. Steinen faller relativt til deg. Det er et vanlig, men litt misvisende bilde at gravitasjon skyldes at rommet krummer seg rundt en masse som jorda. I de fleste tilfeller er det bare lys som rekker å bevege seg langt nok til å merke krumningen av rommet. Masse og energi påvirker også hvor raskt klokker tikker, og i tilfellet med steinen som faller mot jorda og jorda som beveger seg rundt sola, er det denne effekten som dominerer.

«…så snart man forstår hvordan [relativitetsteorien] fungerer, er teorien så enkel at den tar pusten fra deg.»

Carlo Rovelli i «Syv korte leksjoner i fysikk»

2. Planck, Bohr og kvantene

Glem denne! Modell av hydrogenatom slik vi husker fra lærebøkene på grunnskolen. (Illustrasjon: Colourbox)

I andre leksjon tar Niels Bohr og Werner Heisenberg stafettpinnen videre. Kvantemekanikken beregner hvordan elektronene oppfører seg. Rovelli forteller også om Einsteins skepsis overfor arvtagernes teorier, men også hvor viktig den var for å perfeksjoner og finpusse dem.

STUDENTEN: Jeg holder øynene lukket og zoomer inn på et lite, ufattelig lite, atom. Jeg visker ut lærebøkenes tegninger av elektroner i ryddige baner rundt atomkjernen. Elektronene er ikke der. Ikke der. Og ikke der, heller. Vi vet bare hvor de er når de gir fra seg eller sluker en lyspartikkel, et foton. Disse bitte bitte små – og samtidig veldig veldig store – hoppene, når elektronene skifter energinivå, er kvantesprangene. Bare da kan vi vite med sikkerhet hvor elektronene er. Ellers kan vi bare beregne sannsynligheten av hvor de befinner seg i abstrakte matematiske ligninger. Og disse ligningene forklarer hele verden.

ROVELLI: Veldig bra, 9 av 10.

ELGARØY: Du vet nok ikke hvor elektronet er når det skifter energinivå. Du vet bare hvilken kvantetilstand det var i rett før og rett etter hoppet. Skal du vite posisjonen, må du gjøre en måling som er konstruert spesielt for å måle hvor elektronet er. Heisenbergs uskarphetsprinsipp sier at det innebærer å gi elektronet et så kraftig spark at det mest sannsynlig vil bli revet løs fra atomet.

«[Kvantemekanikken] beskriver ikke det som skjer i et fysisk system, bare hvordan ett fysisk system blir oppfattet av et annet fysisk system.»

Carlo Rovelli i «Syv korte leksjoner i fysikk»

3. Universet og de visjonære

Tredje leksjon flyr ut i universet. En uendelighet av stjerner og planeter vet vi nå. Men slik har det ikke alltid vært. Og kanskje vil det ikke alltid være slik.

En skjematisk fremstilling av av universets historie fra det oppsto i en liten, svært varm og tettpakket sky. (Illustrasjon: «Syv korte leksjoner i fysikk»)

STUDENTEN: Lett! Hver endring i verdensbildet vårt er drevet fram av folk med visjoner. Først gikk menneskene på jorda med en himmel over seg. Så fikk jorda himmel på alle kanter. Så ble den rund. Så fikk den planeter og en sol rundt seg. Så ble den bare en av mange planeter som sirkler rundt sola. Så ble solsystemet en liten bit av en galakse. Så ble galaksen en av mange milliarder galakser i et univers som hele tiden vokser. Så krummet rommet seg og gjorde universet bølgende. Som havet.

ROVELLI: Veldig bra, 9 av 10.

ELGARØY: Sammenliknet med kvantefysikk og relativitetsteori kan universets arkitektur virke enkel å forstå. Men det betyr ikke at det har vært enkelt å komme fram til en. En riktig forståelse av solsystemet krevde ikke bare Kopernikus´ tankesprang, men også møysommelig arbeid for å komme fram til en ny bevegelseslære. Å finne solsystemets plass i kosmos krevde teknikker for å bestemme avstander i universet. Det var og er ikke enkelt.

«Den vitenskapelige tenkningen henter sin næring i evnen til å «se» ting på nye måter.»

Carlo Rovelli i «Syv korte leksjoner i fysikk»

 

4. Partikler, mer kvantemekanikk og Standardmodellen

Leksjon fire: Da Higgs-bosonet ble påvist i partikkelakseleratoren i Cern i 2012, var det den foreløpig siste brikken i puslespillet av elementærpartikler. Disse minste byggeklossene som finnes overalt, også der det ikke er atomer.

STUDENTEN: Tanken på universet gjør meg liten. Elementærpartiklene gjør meg i tillegg skjelvende ustabil. Elektroner og kvarker, fotoner og gluoner og enda noen til. De forsvinner. De dukker opp igjen. Jeg – og alt rundt meg – er bare en serie med hendelser. Ting er ikke ting, de er bevegelser. Kvantemekanikken beskriver disse bevegelsene, og sammen med elementærpartiklene utgjør den det som kalles Standardmodellen for partikkelfysikk. Et lappeteppe av en teori, men den er det beste vi har, er de fleste forskere enige om. Men ikke perfekt, sier de like samstemt. Ingen har klart å legge overbevisende alternativer på bordet.

ROVELLI: Veldig bra, 9 av 10.

ELGARØY: Jeg vet ikke helt om jeg forstår hva som menes med «ting er ikke ting, de er bevegelser». Partiklene som bygger opp atomene i kroppene våre, er heldigvis ganske stabile størrelser.

«Slik selv det mest blikkstille hav duver svakt når du ser det på nært hold, dirrer de forsvinnende små feltene som universet er bygget opp av.»

Carlo Rovelli i «Syv korte leksjoner i fysikk»

5. På gyngende grunn – fysikkens utfordring i dag

I femte leksjon forteller Rovelli hvorfor dagens teoretiske fysikere ikke er arbeidsløse. Tross revolusjonerende gjennombrudd de siste drøye 100 årene, er det ikke alt som går i hop. Men hva skal til for å gjøre spekulasjoner om til en pålitelig teori?

Big Bounce: Kan universet være født av omslaget fra en annen tidligere tilstand? (Illustrasjon: «Syv korte leksjoner i fysikk»)

STUDENTEN: Vi har et problem! Relativitetsteorien og kvantemekanikken motsier hverandre. Den ene forteller om et krumt rom der alt henger sammen. Den andre er flat og full av hoppende energikvanter. Begge kan ikke være riktige i sin nåværende form. Det gir dagens fysikere en gyllen mulighet for til å skrive seg inn i historiebøkene som den som forente de to. Newton kombinerte Galileo og Kepler. Maxwell slo sammen teoriene om elektrisitet og magnetisme. Einstein løste konflikten mellom elektromagnetismen og mekanikken. Og se hva som skjedde med dem. Et forsøk er såkalt sløyfe-kvantegravitasjon som antar at rommet er formet av kornete romatomer, og som kanskje erstatter Big Bang med flere Big Bounce der universet spretter av gårde. Foreløpig har ingen eksperimenter bekreftet verken sløyfene eller andre forslag.

ROVELLI: Veldig bra, 9 av 10.

ELGARØY: Kvantegravitasjon er uten tvil det største uløste problemet i teoretisk fysikk. Sløyfekvantegravitasjon er et forsøk på en slik teori. Det meste omtalte forsøket er strengteori, der man går enda lenger og setter opp en kvanteteori for alle de fire kreftene. Begge forslagene har sine problemer. Det største problemet har de felles: De er svært, svært vanskelige å teste i den virkelige verden.

«[Sløyfeteorien] forkaster også ideen om en elementær, primitiv «tid» som eksisterer uavhengig av tingene.»

Carlo Rovelli i «Syv korte leksjoner i fysikk»

6. Varme og sannsynlighet

Uten varme er fortiden lik fremtiden, skriver Rovelli i sjette leksjon. Friksjonen som stopper pendelen på bestefarsklokka, produserer varme og pendelen mister energi. Men hvordan overføres varme?

STUDENTEN: Skjeen som langsomt rører rundt i koppen med espresso, blir varm. Hver gang. Som en lovmessighet. Men fysikken har ingen lov som forklarer hvorfor. Heldigvis har den beregninger som sier at det er veldig, veldig, veldig sannsynlig. Det som kjennetegner varme molekyler, er nemlig at de beveger seg raskere enn kalde, og de har dermed mye større sjanse for å kollidere inn i kalde molekyler enn omvendt. I slike kollisjoner har varmen en tendens til å fordele seg utover. Men et sted der i møtet mellom skjeen og den varme kaffen finnes et mikroskopisk snev av noe tilfeldig. Det går kaldt nedover ryggen.

Professor Øystein Elgarøy. (Foto: Universitetet i Oslo)

ROVELLI: Veldig bra, 10 av 10.

ELGARØY: At skjeen som rører i kaffen blir varm, er et eksempel på termodynamikkens andre hovedsetning. Ofte formuleres den som at den såkalte entropien i et isolert system øker. I dette tilfellet er det skjeen og kaffen som utgjør systemet. Entropi er et mål på hvor ordnet dette systemet er. Lav entropi betyr høy grad av orden. Universets entropi øker fremdeles – altså blir det mer og mer uorden. Spoler vi tilbake i tid, må den ha vært svært, svært lav til å begynne med. Å forklare hvordan universet startet med ekstremt lav entropi, og altså ekstremt ordnet, er et av de store, uløste problemene i kosmologien.

«Det er ikke umulig at et varmt legeme kan bli enda varmere når det kommer i kontakt med et kaldt legeme – bare fryktelig usannsynlig.»

Carlo Rovelli: «Syv korte leksjoner i fysikk»

7. Hva med oss?

Sjuende leksjon er mer menneskelig, i bokstavelig forstand. Føyer vår adferd seg bare deterministisk etter gitte naturlover? Alt følger naturens lover. Det er i hvert fall ikke funnet noe som ikke gjør det. Men betyr det at vi ikke har fri vilje. Når vi kan føle at det er varmt, hva er det som skiller oss fra en termostat som gjør det samme?

STUDENTEN: Står vi i fare for å miste oss selv i vår jakt på mer detaljerte forklaringer? Er jeg bare en ansamling av elementære partikler som påvirker hverandre i en eller annen retning i tråd med fysiske lover? Spørsmålene er retoriske. Ja, alt som skjer i hjernen, følger fysikkens lover. Det jeg ser, det jeg føler, drømmene mine. Men det er fortsatt meg. Det jeget som ser, føler og drømmer, er det samme jeget som er skapt i hjernen min. Min tanke og vilje er fri på grunn av, ikke til tross for, naturlovene. Når er viljen ufri? Når andre mennesker begrenser den.

ROVELLI: Fremragende, 10 av 10.

ELGARØY: Det høres jo ganske trist ut å «bare» være en ansamling av elementærpartikler. Dette «bare» er det imidlertid vi som eventuelt legger til. Vi kan like godt si at mennesker er noe av det mest fantastiske elementærpartikler kan få til i fellesskap.  

«Det spesifikt menneskelige utgjør ikke et brudd med naturen, det er vår natur.»

Carlo Rovelli i «Syv korte leksjoner i fysikk»

Sluttvurdering

«Syv korte leksjoner i fysikk» slik den ser ut i norsk utgave fra Spartacus forlag.

Læreren gir 63 av 70 poeng, et snitt på 9.

– Bestått, ifølge Carlo Rovelli.

Jeg har ikke lært meg en eneste formel og kan ikke beregne verken planetenes bane eller hvor et elektron sannsynligvis skal dukke opp. Så det er ikke overraskende at den eksterne sensoren har en litt strengere vurdering.

– Jeg vil gi dine punkter en 7-er, svarer professor Elgarøy.

Det er høyere enn forventet. Men spørsmålet står der fortsatt: Har jeg forstått noe som helst? Sier ord som relativitet, romtid, kvanter, fotoner, felter og krefter meg noe mer nå enn før?

– Skal man virkelig lære fysikk, kan man ikke unngå matematikk, sier Elgarøy.

– Det er flere temaer, spesielt innenfor kvantefysikk og relativitetsteori, der språk, figurer og analogier ikke er presise nok.

Men han understreker at det beste ikke må bli det godes fiende.

– For de aller, aller fleste er det forståelig nok uaktuelt å bruke tid og krefter på å lære seg å løse differensialligninger og håndtere tensorer. Da kan populærvitenskapelige fremstillinger gi mye kunnskap om fysikk, om hva fysikere er interesserte i og hvorfor de er det, sier Elgarøy.

Veldig mange tusen lesere har latt seg lokke til å prøve Syv korte leksjoner i fysikk.  

Rovelli forteller til forskning.no at han er både overrasket og lykkelig over suksessen boka hans har gjort.

– Jeg får utallige kommentarer og e-poster fra lesere. Det er veldig hyggelig. Men livet mitt er det samme som før: Jeg prøver å bedrive teoretisk fysikk.

«Skal man virkelig lære fysikk, kan man ikke unngå matematikk.»

Professor Øystein Elgarøy

Rovellis sløyfeteori har et trinn til der selve tiden forsvinner. Her kan du se hvordan han forklarer det selv i et foredrag for 5×15:

Bildet på forsiden viser Carlo Rovelli forklare avansert fysikk for seerne i tv-programmet «Sunday Brunch» på Channel 4 i desember i fjor. (Foto: Steve Meddle, REX Shutterstock/NTB Scanpix)

forskning.no ønsker en åpen og saklig debatt. Vi forbeholder oss retten til å fjerne innlegg. Du må bruke ditt fulle navn. Vis regler

Regler for leserkommentarer på forskning.no:

  1. Diskuter sak, ikke person. Det er ikke tillatt å trakassere navngitte personer eller andre debattanter.
  2. Rasistiske og andre diskriminerende innlegg vil bli fjernet.
  3. Vi anbefaler at du skriver kort.
  4. forskning.no har redaktøraransvar for alt som publiseres, men den enkelte kommentator er også personlig ansvarlig for innholdet i innlegget.
  5. Publisering av opphavsrettsbeskyttet materiale er ikke tillatt. Du kan sitere korte utdrag av andre tekster eller artikler, men husk kildehenvisning.
  6. Alle innlegg blir kontrollert etter at de er lagt inn.
  7. Du kan selv melde inn innlegg som du mener er upassende.
  8. Du må bruke fullt navn. Anonyme innlegg vil bli slettet.

Saker fra våre eiere

Høgskolen i Oslo og Akershus

Lærere og bibliotekarer må samarbeide om å skape leseglede, mener forskere.

Høgskolen i Oslo og Akershus
Podcast:

Norsk forsker forklarer hvorfor Marine Le Pen har blitt så populær blant det franske folk.

Nasjonal kompetansetjeneste for aldring og helse

– De trenger å vite at de fremdeles er elsket og regnet med, også slik de er nå, sier forsker.

Saker fra våre eiere

Nasjonal kompetansetjeneste for kvinnehelse

Etter overgangsalderen lever kvinner som skiller seg et sunnere liv enn de som blir i ekteskapet sitt.

Norges forskningsråd

Kinas økonomiske vekst har utelukkende vært til fordel for Norge, hevder flere eksperter på området. Nå viser en ny studie at lavt utdannede arbeidere taper på handel med Kina. 

NTNU

En nesten tusen år gammel lekebåt dukket opp i en brønn under en arkeologisk utgravning ved Trondheim i fjor. Bli med på en tidsreise tilbake til vikingtiden.

En tanke er en tanke. Den gjenspeiler ikke virkeligheten. Å lære seg å gruble mindre, har stor effekt for pasienter med depressive symptomer, viser ny forskning

Forskeren forteller:

Det som lever inne i tarmen din kan påvirke alt fra fedme og irritabel tarmsyndrom til kronisk utmattelse.

På sikt kan disse småfeilene brukes til vår fordel. 

For første gang vet vi hva slags landskap vi har i Norge. Det håper forskere at skal sette en stopper for kranglingen om hva som er et spesielt landskap. Men Naturvernforbundet varsler fortsatt kamp.