Vi vet mye om elektromagnetismen, men hvis vi beveger oss ut i hjørnene, er det mange ting vi fortsatt ikke forstår, forteller dansk fysiker.
Vi vet mye om elektromagnetismen, men hvis vi beveger oss ut i hjørnene, er det mange ting vi fortsatt ikke forstår, forteller dansk fysiker.

Elektromagnetismen er fortsatt mystisk 200 år etter den ble oppdaget

Her får du alt du ikke vet om elektromagnetismen. Eller i hvert fall en del av det.

Du vet hva elektromagnetisme er. Selvfølgelig gjør du det.

Du vet at det er det fysiske prinsippet som forteller oss at elektrisk strøm og magnetisme vekselvirker.

Du vet kanskje også at det var den danske fysikeren H.C. Ørsted (1777–1851) som i 1820 – for over 200 år siden – oppdaget elektromagnetismen da han sendte en ladning strøm gjennom en platinatråd og kunne se hvordan det rykket i en magnetisk kompassnål.

Kanskje vet du også at den skotske matematikeren og fysikeren James Clerk Maxwell (1831–1879) satte oppdagelsen på matematisk formel i 1865. På samme måte som Isaac Newton gjorde det med tyngdekraften.

Alt i alt har vi altså rimelig god oversikt over elektromagnetismen. Det er et så grunnleggende fenomen at det må være et avsluttet kapittel i vitenskapens historie. Men slik er det ikke helt.

– Det er alltid mange ting i fysikken vi ikke vet, og det gjelder også for elektromagnetismen, mener Mads Toudal Frandsen, som er førsteamanuensis i fysikk ved Syddansk Universitet og forskningssenteret CP3-Origins, der det forskes på partikkelfysikk og kosmologi.

Han suppleres av Ulrik Uggerhøj, som er instituttleder ved Institut for Fysik og Astronomi ved Aarhus Universitet:

– Vi vet mye om elektromagnetismen, men hvis vi beveger oss ut i hjørnene, er det mange ting vi fortsatt ikke forstår. Det er faktisk en del mysterier, legger han til.

I anledning 200 årsjubileum for Ørsteds oppdagelse kaster vi oss over disse mysteriene.

Ultrasterke magnetfelt er et mysterium

Gjennom elektromagnetismen forstår vi hvordan magnetfelt fungerer, hvordan elektriske felt fungerer og hvordan partikler med elektrisk ladning beveger seg i dem. Det er kanskje den mest grunnleggende forklaringen av elektromagnetismen.

Men det er faktisk bare sant til en viss grense, påpeker Ulrik Uggerhøj.

– Hvis de elektromagnetiske feltene blir veldig sterke, er det en del spørsmål vi ikke har svar på, sier han.

Det gjelder blant annet for nøytronstjerner med sterke magnetfelt – såkalte magnetarer, påpeker Uggerhøj.

Magnetarer er for øvrig veldig mystiske. Nylig kom det fram at det var magnetarer som sto bak de korte og kraftige radioglimtene fra verdensrommet som har vært et stort mysterium for forskere i mer enn et tiår.

Magnetfeltet på overflaten av en magnetar kan måle 10 milliarder tesla – måleenheten for styrken til et magnetfelt. Magnetfeltet til en sterk kjøleskapsmagnet er til sammenligning om lag 0,1 tesla på overflaten.

Magnetarer er altså 100 milliarder ganger mer magnetiske. Når magnetismen er så enormt sterk – kan ikke lenger elektromagnetismen brukes til å beskrive hva som skjer.

– Under normale omstendigheter er elektromagnetismen lineær. Men når feltet er sterkt nok, er det ikke lenger det, forteller Uggerhøj.

Grensen går når et magnetfelt er omkring 4 milliarder tesla.

Høy spenning skaper problemer

Og det samme gjelder for elektriske felter, forteller Ulrik Uggerhøj.

Her går grensen ved spenning på 10^16 volt per centimeter – altså 10 000 000 000 000 000 V per centimeter.

Gnister i luften opptrer til sammenligning når spenningen overstiger omkring 30 000 volt per centimeter.

Hvis et elektrisk felt blir sterkere enn 10^16 volt per centimeter, kommer elektromagnetismen igjen til kort.

– Det betyr at vi ikke forstår hvordan naturen virker når disse tingene skjer. Naturen oppfører seg som den gjør, men forståelsen vår halter på dette punktet, sier han.

Superlasere utfordrer elektromagnetismen

Det store, EU-finansierte grunnforskningsprosjekt Extreme Light Infrastructure (ELI) undersøker hvordan ultrasterke lasere virker på for eksempel elektroner.

De bruker laserne som har en effekt på opptil 10 petawatt per sekund. Til sammenligning har mennesker på jorden et energiforbruk som er 1000 ganger mindre.

– Laserne består av lys, og derfor er det et elektromagnetisk fenomen. Men hvordan så sterke elektriske lasere virker med materie, vet man ikke mye om, forklarer Ulrik Uggerhøj.

Hvis man tar et elektron og plasserer i en slik laserstråle, vil den vibrere så kraftig at den sender ut en stråling som virker tilbake på elektronet selv. Det kaller man for strålingstilbakevirkning.

Dessuten har klassiske teorier vist at når man skrur av laseren, begynner elektronet å akselerere.

– Det oppstår noen merkelige paradokslignende situasjoner som vi ikke kan regne ut gjennom den klassiske elektromagnetismen, selv om det er et elektromagnetisk fenomen, forteller Uggerhøj.

«Fungerer» bare i 5 prosent av universet

Helt opp til 1970-tallet mente forskerne at elektromagnetismen kunne brukes til å beskrive det meste av universet.

Lys og stråling her på jorden skapes av elektromagnetiske bølger, og alt fra vindmøller til høyttalere og induksjonskomfyrer beskrives av teorien.

Men så – i løpet av 1960- og 1970-tallet – gikk det opp for en rekke vitenskapsmenn at det meste av universet består av mørk materie, en samling av subatomære partikler som ikke reagerer på elektromagnetismen:

– Vi trodde elektromagnetisme vekselvirket med nesten alt, men det har vist seg at det meste av universet ikke gjør det, forteller partikkelfysiker Mads Toudal Frandsen.

Faktisk ser det ut til at opptil 95 prosent av universet består av stoff og energi som elektromagnetismen ikke «fungerer» for:

  • Om lag 25 prosent av universet består av mørk materie, som vi fortsatt vet veldig lite om. Vi vet at det ikke består av noen av de kjente elementærpartiklene.
  • Mens omkring 70 prosent av universet består av mørk energi, en mystisk energiform som driver universets utvidelse.
  • Det er altså bare i 5 prosent av universet elektromagnetismen faktisk «fungerer».

Alt annet kalles «mørkt» fordi det verken sender ut eller påvirkes av lys, som er elektromagnetiske bølger.

– Vi vet fortsatt ikke hva mørk materie er, og dermed heller ikke hvorfor elektromagnetismen ikke vekselvirker med det. Men det er noe fysikere over hele verden forsker på, forteller Frandsen.

Elektromagnetismen «forsvinner» ved høye energier

Man kan føle seg veldig liten og ubetydelig i universet når man finner ut at noe så grunnleggende som elektromagnetismen bare «fungerer» i en liten del av universet.

Men alt henger sammen.

Årsaken til at elektromagnetismen ikke vekselvirker med mørk materie, kan nemlig være at elektromagnetismen er en slags «videreutvikling» av en enda mer grunnleggende kraft.

Det leder oss til enda et av elektromagnetismens mysterier.

Ved veldig høye energier – de aller høyeste vi kan skape her på jorden – eksisterer ikke elektromagnetismen som vi normalt opplever den.

– Når vi skrur opp energien, som ved LHC-eksperimentet (Large Hadron Collider er CERNs største partikkelakselerator, red.), oppdager vi at elektromagnetismen ikke er så fundamental. Ved veldig høye energier opphører elektromagnetismen i en viss forstand med å eksistere. Den blir et fatamorgana, sier Frandsen.

Large Hadron Collider (LHC) er verdens største og mest kraftfulle akselerator. Her blir partikler akselerert opp til enorme hastigheter i en 27 kilometer lang tunnel under jorden.
Large Hadron Collider (LHC) er verdens største og mest kraftfulle akselerator. Her blir partikler akselerert opp til enorme hastigheter i en 27 kilometer lang tunnel under jorden.

… og blir til elektrosvak kraft

I dag vet vi imidlertid at elektromagnetismen forener seg med en annen naturkraft – den svake kjernekraften – ved høye energier.

Når de smelter sammen, blir de til den elektrosvake naturkraften.

– Det viser seg at de to naturkreftene er en manifestasjon av en og samme kraft, at de er to sider av samme sak, selv om vi opplever dem som ulike naturkrefter på jorden, og det er jo vanvittig interessant, forklarer Frandsen.

Som to tvillinger som ble skilt etter fødselen – i dette tilfellet like etter «the big bang» – henger elektromagnetismen og den svake kjernekraften altså uløselig sammen.

Sammensmeltning peker kanskje mot «teorien om alt»

Når de to naturkreftene forenes ved høyere energier, kan det være på grunn av den fysiske hypotesen som er kjent som «teorien om alt» – en teori som kan forklare alle fysiske aspekter ved universet.

– Det kan tyde på at de er en rest av en enda mer forent kraft som vil manifestere seg ved mye høyere energier. Det har fått fysikere til å lure på om alle naturkrefter kan være forent i én naturkraft og, sammen med all materie, forent i en samlet teori som til syvende og sist kan forklare alt i universet, sier Frandsen.

– «Teorien om alt» er en jakt på den enklest mulige forklaringen på universets spilleregler. Det er et håp om at det er en større orden i alt sammen, og på den måten er det naturvitenskapens svar på Feng Shui, utdyper han.

Hvis man ser naturkreftene som et stamtre, er det altså ideen om at alle naturkreftene – ved veldig høyere energier – stammer fra den samme urmoren, men ved lavere energier deler seg til mer «spesialiserte» naturkrefter.

Det Ørsted oppdaget, var den gang den ytterste forgreningen av elektromagnetisme til elektrisitet og magnetisme.

– «Teorien om alt» er fortsatt bare en teori, og i all ydmykhet vil jeg si at vi er langt fra å bevise den, hvis det i det hele tatt er mulig. Det er gode teorier, men vi kan ikke teste dem fordi vi ikke kan nå opp i de høye energiene det krever, forklarer Frandsen.

Elektrosvak kraft kan kanskje forklare mørk materie

Til gjengjeld vet vi at den elektrosvake naturkraften deler seg i elektromagnetismen og den svake kjernekraften på et tidspunkt, når vi skrur ned energien i universet eller i et eksperiment ved LHC igjen.

Det skjer ved en energi på 125–126 gigaelektronvolt (GeV), som kjennetegner Higgs-partikkelen, som ble oppdaget ved CERN i 2012.

Men – når alt kommer til alt – vet vi fortsatt ikke om det bare er Higgs-partikkelen som forklarer hvorfor elektromagnetismen forener seg med den svake kjernekraften og blir til den elektrosvake naturkraften.

Og nettopp Higgs-partikkelen kan kanskje være nøkkelen til å forstå hvordan all den mystiske mørke materien i universet har oppstått, sier Frandsen:

– Når vi spør hvordan mørk materie oppsto, viser det seg at når den elektrosvake kraften bryter, så kan man skape den rette mengden av mørk materie. Jeg sitter og arbeider med noen modeller som sannsynliggjør dette, forklarer han.

– Det er et punkt der teori og eksperiment møter hverandre i fysikken for tiden. Det er et brennaktuelt spørsmål.

Den kosmiske tidslinjen. Forskerne har fortsatt ikke klart å identifisere hva mørk materie faktisk består av, men de antar at det var eksotiske partikler som ble skapt da universet var en brøkdel av et sekund gammelt.
Den kosmiske tidslinjen. Forskerne har fortsatt ikke klart å identifisere hva mørk materie faktisk består av, men de antar at det var eksotiske partikler som ble skapt da universet var en brøkdel av et sekund gammelt.

Vi vil aldri forstå elektromagnetismen fullt ut

Og tenk at den lille oppdagelsen Ørsted gjorde med en kompassnål og en platinatråd, skulle vekke så mange spørsmål i dag. Spørsmål som vi nok aldri vil forstå fullt ut.

– Vi vil aldri forstå elektromagnetismen fullt ut, mener Ulrik Uggerhøj:

– Men erfaring viser at forskningen er akkurat som et puslespill: Hver gang vi legger en brikke, ser vi at det mangler tre til, legger han til.

Men at vi ikke forstår noe, betyr ikke at de ikke har verdi. Som den britiske fysikeren Michael Faraday (1791–1867) svarte William Gladstone, det britiske medlemmet av parlamentet og senere statsminister, da han spurte hva elektrisitet egentlig er verdt:

– En dag, min herre, kan du beskatte det, svarte Faraday.

– Og det fikk han jo rett i, påpeker Uggerhøj.

Elektromagnetismen ga oss lyset

Den skotske matematikeren og fysikeren James Clerk Maxwell fant senere ut at lys er en elektromagnetisk bølge.

– Hvis du flytter en lader partikkel, sendes ut det en ørliten bølge av et magnetfelt og et elektrisk felt. Dette er elektromagnetisk stråling, forklarer Søren Pape Møller.

Denne elektromagnetiske strålingen er et annet ord for lys – både det lyset vi kan se med det blotte øye, men også det «lyset» eller den strålingen som vi kjenner som ultrafiolett lys, gammastråling, radiobølger og så videre. Alt dette oppstår når ladde partikler beveger seg veldig raskt.

© Videnskab.dk. Oversatt av Lars Nygaard for forskning.no. Les originalsaken på videnskab.dk her.

Powered by Labrador CMS