1.1 Eðlisfræði: skilgreiningar og notkunarsvið

Lykilhugtök

Hvað er eðlisfræði

Hugsaðu um öll tæknilegu tækin sem þú notar reglulega. Tölvur, þráðlaust internet, snjallsímar, spjaldtölvur, staðsetningarkerfi (GPS), MP3 spilarar og gervihnattaútvarp gætu komið upp í hugann. Hugsaðu næst um mest spennandi nútímatækni sem þú hefur heyrt um í fréttum, svo sem lestir sem svífa yfir teinum sínum, huliðsskikkjur sem beygja ljós í kringum sig og smásæ vélmenni sem berjast gegn sýktum frumum í líkama okkar. Allar þessar byltingarkenndu framfarir byggja á lögmálum eðlisfræðinnar.

Eðlisfræði er grein innan vísinda. Orðið vísindi (e. science) kemur af latnesku orði sem þýðir að hafa þekkingu, og vísar til þekkingar á því hvernig hinn efnislegi heimur virkar, byggt á hlutlægum sönnunum sem ákvarðaðar eru með athugunum og tilraunum. Lykilkrafa til sérhverrar vísindalegrar skýringar á náttúrufyrirbæri er að hún verður að vera prófanleg; maður verður að geta hannað og framkvæmt tilraunarannsókn sem annaðhvort styður eða hrekur skýringuna. Mikilvægt er að hafa í huga að sumar spurningar falla utan sviðs vísinda einmitt vegna þess að þær fjalla um fyrirbæri sem eru ekki vísindalega prófanleg. Þessi þörf fyrir hlutlægar sannanir hjálpar til við að skilgreina rannsóknarferlið sem vísindamenn fylgja, sem lýst verður síðar í þessum kafla.

Eðlisfræði er sú vísindagrein sem miðar að því að lýsa grundvallarþáttum alheimsins okkar. Þetta felur í sér hvaða hlutir eru í honum, hvaða eiginleikar þessara hluta eru merkjanlegir og hvaða ferlum þessir hlutir eða eiginleikar þeirra gangast undir. Á einfaldara máli reynir eðlisfræði að lýsa grunnvirkni þess sem fær alheiminn okkar til að haga sér eins og hann gerir. Tökum sem dæmi snjallsíma (Mynd 1.2). Eðlisfræði lýsir því hvernig rafstraumur hefur áhrif á hinar ýmsu rásir inni í tækinu. Þessi þekking hjálpar verkfræðingum að velja viðeigandi efni og rásaskipan þegar snjallsíminn er smíðaður. Tökum næst GPS sem dæmi. Eðlisfræði lýsir sambandinu milli hraða hlutar, vegalengdarinnar sem hann ferðast og tímans sem það tekur að ferðast þá vegalengd. Þegar þú notar GPS tæki í ökutæki nýtir það þessi eðlisfræðilegu sambönd til að ákvarða ferðatímann frá einum stað til annars.

Eftir því sem tækni okkar þróaðist í gegnum aldirnar stækkaði eðlisfræðin yfir í margar greinar. Fornþjóðir gátu aðeins rannsakað hluti sem þær gátu séð með berum augum eða upplifað á annan hátt án aðstoðar vísindabúnaðar. Þetta innifól rannsóknir á hreyfifræði, sem er rannsókn á hlutum á hreyfingu. Til dæmis rannsakaði fornt fólk oft sýndarhreyfingu fyrirbæra á himninum, svo sem sólar, tungls og stjarna. Þetta er augljóst í byggingu forsögulegra stjörnuathugunarstöðva, eins og Stonehenge á Englandi (sýnt á Mynd 1.3).

Fornmenn rannsökuðu einnig stöðufræði og kraftafræði, sem fjalla um hvernig hlutir fara af stað, stöðvast og breyta hraða og stefnu vegna krafta sem ýta eða toga í þá. Þessi snemmbúni áhugi á hreyfifræði og kraftafræði gerði mönnum kleift að finna upp einfaldar vélar, svo sem vogarstöngina, talíuna, skáborðið og hjólið. Þessar einföldu vélar voru smám saman sameinaðar og samþættar til að búa til flóknari vélar, svo sem vagna og krana. Vélar gerðu mönnum kleift að vinna meira verk smám saman á skilvirkari hátt og á skemmri tíma, sem gerði þeim kleift að reisa stærri og flóknari byggingar og mannvirki, en mörg þeirra standa enn í dag frá fornum tímum.

Eftir því sem tækninni fleygði fram urðu greinar eðlisfræðinnar enn fjölbreyttari. Þar má nefna greinar eins og hljóðfræði, rannsóknir á hljóði, og ljósfræði, rannsóknir á ljósi. Árið 1608 leiddi uppfinning þýska gleraugnasmiðsins Hans Lippershey á sjónaukanum til mikilla framfara í stjörnufræði — rannsóknum á fyrirbærum í geimnum. Ári síðar, árið 1609, hóf Galileo Galilei fyrstu rannsóknirnar á sólkerfinu og alheiminum með sjónauka. Á endurreisnartímanum notaði Isaac Newton athuganir Galileos til að setja fram hreyfilögmálin sín þrjú. Þessi lögmál voru staðallinn fyrir rannsóknir á hreyfifræði og kraftafræði og eru það enn í dag.

Önnur stór grein eðlisfræðinnar er varmafræði, sem felur í sér rannsóknir á varmaorku og varmaflutningi. James Prescott Joule, enskur eðlisfræðingur, rannsakaði eðli varma og tengsl hans við vinnu. Verk Joules hjálpuðu til við að leggja grunninn að fyrsta lögmáli varmafræðinnar af þremur, sem lýsa því hvernig orka í alheiminum flyst frá einum hlut til annars eða breytist úr einu formi í annað. Rannsóknir í varmafræði voru drifnar áfram af þörfinni fyrir að gera vélar skilvirkari, vernda fólk gegn veðri og vindum og geyma matvæli.

Á 18. og 19. öld urðu einnig miklar framfarir í rannsóknum á rafmagni og segulmagni. Rafmagn felur í sér rannsóknir á rafhleðslum og hreyfingum þeirra. Segulmagn hafði lengi verið þekkt sem aðdráttarkraftur milli segulmagnaðs hlutar og málms eins og járns, eða milli gagnstæðra skauta (norður og suður) tveggja segulmagnaðra hluta. Árið 1820 sýndi danski eðlisfræðingurinn Hans Christian Ørsted fram á að rafstraumar mynda segulsvið. Árið 1831 sýndi enski uppfinningamaðurinn Michael Faraday fram á að með því að hreyfa vír í gegnum segulsvið mætti framkalla rafstraum. Þessar rannsóknir leiddu til uppfinningar rafmótorsins og rafalsins, sem gjörbyltu lífi manna með því að koma rafmagni og segulmagni inn í vélar okkar.

Undir lok 19. aldar uppgötvuðu vísindamennirnir Marie og Pierre Curie geislavirk efni. Kjarneðlisfræði felur í sér rannsóknir á kjörnum atóma, uppsprettu kjarnageislunar. Á 20. öld leiddu rannsóknir í kjarneðlisfræði að lokum til getunnar til að kljúfa kjarna atóms, ferli sem kallast kjarnaklofnun. Þetta ferli er grundvöllur kjarnorkuvera og kjarnorkuvopna. Einnig náðust miklar framfarir á sviði skammtafræði, sem fjallar um aflfræði atóma og sameinda, á 20. öld eftir því sem skilningur okkar á atómum og öreindum jókst (sjá hér að neðan).

Snemma á 20. öld gjörbylti Albert Einstein nokkrum greinum eðlisfræðinnar, sérstaklega afstæðiskenningunni. Afstæðiskenningin gjörbylti skilningi okkar á hreyfingu og alheiminum almennt eins og lýst er nánar í þessum kafla. Nú, á 21. öld, halda eðlisfræðingar áfram að rannsaka þessar og margar aðrar greinar eðlisfræðinnar.

Með því að rannsaka mikilvægustu viðfangsefni eðlisfræðinnar muntu öðlast greiningarhæfni sem gerir þér kleift að beita eðlisfræðinni langt út fyrir það sem rúmast í einni bók. Þessi greiningarhæfni mun hjálpa þér að ná framúrskarandi árangri í námi og hún mun einnig hjálpa þér að hugsa á gagnrýninn hátt á hvaða starfsvettvangi sem þú velur þér.

Eðlisfræði: Fortíð og nútíð

Talið er að orðið eðlisfræði komi af gríska orðinu physis, sem þýðir náttúra. Rannsókn náttúrunnar var síðar kölluð náttúruspeki. Frá fornu fari og fram á endurreisnartímann náði náttúruspeki yfir mörg svið, þar á meðal stjörnufræði, líffræði, efnafræði, stærðfræði og læknisfræði. Á undanförnum öldum hefur vöxtur vísindalegrar þekkingar leitt til síaukinnar sérhæfingar og skiptingar náttúruspeki í aðskilin svið, þar sem eðlisfræðin fjallar áfram um grundvallarþættina. Eðlisfræði, eins og hún þróaðist frá endurreisnartímanum til loka 19. aldar, kallast sígild eðlisfræði. Byltingarkenndar uppgötvanir í byrjun 20. aldar breyttu eðlisfræðinni úr sígildri eðlisfræði í nútímaeðlisfræði.

Sígild eðlisfræði er ekki nákvæm lýsing á alheiminum, en hún er framúrskarandi nálgun við eftirfarandi skilyrði: (1) efni verður að hreyfast á hraða sem er minni en um 1 prósent af ljóshraða, (2) hlutirnir sem fjallað er um verða að vera nógu stórir til að sjást með berum augum, og (3) aðeins veikur þyngdarkraftur, eins og sá sem Jörðin myndar, má koma við sögu. Mjög smáa hluti, eins og atóm og sameindir, er ekki hægt að útskýra með fullnægjandi hætti með sígildri eðlisfræði. Þessi þrjú skilyrði eiga við um nánast alla hversdagslega reynslu. Þar af leiðandi ættu flestir þættir sígildrar eðlisfræði að vera skiljanlegir út frá innsæi.

Mörgum lögmálum sígildrar eðlisfræði hefur verið breytt á 20. öldinni, sem hefur leitt til byltingarkenndra breytinga í tækni, samfélagi og sýn okkar á alheiminn. Þar af leiðandi geta margir þættir nútímaeðlisfræði, sem eiga sér stað utan sviðs hversdagslegrar reynslu okkar, virkað furðulegir eða ótrúlegir. Hvers vegna er þá mestum hluta þessarar kennslubókar varið í sígilda eðlisfræði? Það eru tvær meginástæður fyrir því. Sú fyrri er að þekking á sígildri eðlisfræði er nauðsynleg til að skilja nútímaeðlisfræði. Seinni ástæðan er sú að sígild eðlisfræði gefur enn nákvæma lýsingu á alheiminum við margvíslegar hversdagslegar aðstæður.

Nútímaeðlisfræði felur í sér tvær byltingarkenndar kenningar: afstæðiskenninguna og skammtafræði. Þessar kenningar fjalla um hið mjög hraða og hið mjög smáa, í þessari röð. Afstæðiskenningin var þróuð af Albert Einstein árið 1905. Með því að skoða hvernig tveir athugendur sem hreyfast miðað við hvorn annan myndu sjá sömu fyrirbæri, setti Einstein fram róttækar nýjar hugmyndir um tíma og rúm. Hann komst að þeirri óvæntu niðurstöðu að mæld lengd hlutar sem ferðast á miklum hraða (meiri en um eitt prósent af ljóshraða) er styttri en sami hlutur mældur í kyrrstöðu. Kannski enn furðulegri er sú hugmynd að tíminn sem sama ferli tekur er mismunandi eftir hreyfingu athugandans. Tíminn líður hægar fyrir hlut sem ferðast á miklum hraða. Ferð til næsta stjörnukerfis, Alpha Centauri, gæti tekið geimfara 4,5 jarðarár ef skipið ferðast nálægt ljóshraða. Hins vegar, vegna þess að tíminn hægist á meiri hraða, myndi geimfarinn aðeins eldast um 0,5 ár í ferðinni. Hugmyndir Einsteins um afstæði voru samþykktar eftir að þær voru staðfestar með fjölmörgum tilraunum.

Þyngdarafl, krafturinn sem heldur okkur við jörðina, getur einnig haft áhrif á tíma og rúm. Til dæmis líður tíminn hægar á yfirborði jarðar en fyrir hluti sem eru lengra frá yfirborðinu, eins og gervihnött á braut um jörðu. Hinar mjög nákvæmu klukkur í GPS-gervihnöttum þurfa að leiðrétta fyrir þessu. Þær ganga smám saman fram úr klukkum á yfirborði jarðar. Þetta er kallað tímalenging (e. time dilation) og gerist vegna þess að þyngdarafl hægir í raun á tímanum.

Stórir hlutir, eins og jörðin, hafa nógu sterkt þyngdarafl til að bjaga rúmið. Til að sjá þessa hugmynd fyrir sér má hugsa um keilukúlu sem sett er á trampólín. Keilukúlan þrýstir niður eða beygir yfirborð trampólínsins. Ef þú myndir rúlla glerkúlu yfir trampólínið myndi hún fylgja yfirborði trampólínsins, rúlla ofan í dældina sem keilukúlan olli og rekast í kúluna. Á svipaðan hátt beygir jörðin rúmið í kringum sig í laginu eins og trekt. Þessar beygjur í rúminu vegna jarðarinnar valda því að hlutir dragast að jörðinni (þ.e. þyngdarafl).

Vegna þess hvernig þyngdarafl hefur áhrif á rúm og tíma, lýsti Einstein því yfir að þyngdarafl hefði áhrif á tímarúmið, eins og sýnt er á Mynd 1.4. Þetta er ástæðan fyrir því að tíminn líður hægar á yfirborði jarðar en á braut um hana. Í svartholum, þar sem þyngdaraflið er hundruðum sinnum meira en jarðar, líður tíminn svo hægt að fyrir fjarlægum athuganda myndi virðast sem hann hefði stöðvast!

Í stuttu máli segir afstæðiskenningin að þegar alheiminum er lýst sé mikilvægt að gera sér grein fyrir því að tími, rúm og hraði eru ekki algild. Þess í stað geta þau virst mismunandi fyrir mismunandi athugendur. Hæfileiki Einsteins til að leiða út afstæðiskenninguna er enn magnaðri vegna þess að við getum ekki séð áhrif afstæðis í daglegu lífi okkar.

Skammtafræði er hin stóra kenningin í nútímaeðlisfræði. Skammtafræði fjallar um hið mjög smáa, nefnilega öreindirnar sem mynda atóm. Atóm (Mynd 1.5) eru minnstu einingar frumefna. Hins vegar eru atóm sjálf samsett úr enn smærri öreindum, svo sem róteindum, nifteindum og rafeindum. Skammtafræði leitast við að lýsa eiginleikum og hegðun þessara og annarra öreinda. Oft hegða þessar eindir sér ekki á þann hátt sem sígild eðlisfræði gerir ráð fyrir.

Í eindahraðlum (Mynd 1.6), eins og Stóra sterkeindahraðlinum (LHC) á landamærum Frakklands og Sviss, geta eðlisfræðingar látið öreindir ferðast á mjög miklum hraða innan 27 kílómetra (17 mílna) langra ofurleiðandi ganga. Þeir geta síðan rannsakað eiginleika eindanna á miklum hraða, sem og látið þær rekast hverja á aðra til að sjá hvernig þær skiptast á orku. Þetta hefur leitt til margra forvitnilegra uppgötvana eins og á Higgs-bóseindinni, sem gefur efni eiginleikann massa, og andefni, sem veldur gífurlegri orkulosun þegar það kemst í snertingu við efni.

Eðlisfræðingar reyna nú að sameina hinar tvær kenningar nútímaeðlisfræði, afstæðiskenninguna og skammtafræðina, í eina heildstæða kenningu sem kallast afstæðileg skammtafræði. Að tengja hegðun öreinda við þyngdarafl, tíma og rúm mun gera okkur kleift að útskýra hvernig alheimurinn virkar á mun ítarlegri hátt.

Hagnýting eðlisfræðinnar

Þú þarft ekki að vera vísindamaður til að nota eðlisfræði. Þvert á móti er þekking á eðlisfræði gagnleg í daglegum aðstæðum sem og í störfum utan vísinda. Til dæmis getur eðlisfræði hjálpað þér að skilja hvers vegna þú ættir ekki að setja málm í örbylgjuofn (Mynd 1.7), hvers vegna svartur vatnskassi hjálpar til við að fjarlægja varma frá bílvél og hvers vegna hvítt þak hjálpar til við að halda húsi svalu að innan. Virkni kveikjukerfis bíls, sem og flutningur rafboða í gegnum taugakerfi okkar, er mun auðveldara að skilja þegar þú hugsar um þau út frá grunnlögmálum rafmagnsfræðinnar.

Eðlisfræði er grundvöllur margra mikilvægra vísindagreina. Til dæmis fjallar efnafræði um víxlverkun atóma og sameinda. Það kemur ekki á óvart að efnafræði á rætur sínar að rekja til atóm- og sameindaeðlisfræði. Flestar greinar verkfræði eru einnig hagnýtt eðlisfræði. Í arkitektúr er eðlisfræði kjarninn í því að ákvarða stöðugleika mannvirkja, hljóðvist, upphitun, lýsingu og kælingu fyrir byggingar. Hlutar jarðfræði, rannsóknar á lífvana hlutum jarðar, treysta mjög á eðlisfræði; þar á meðal aldursgreiningu með geislavirkum efnum, jarðskjálftagreiningu og varmaflutning yfir yfirborð jarðar. Reyndar eru sumar fræðigreinar, eins og lífeðlisfræði og jarðeðlisfræði, blanda af eðlisfræði og öðrum greinum.

Eðlisfræði lýsir einnig efnaferlunum sem knýja mannslíkamann. Eðlisfræði kemur við sögu í sjúkdómsgreiningum, svo sem röntgenmyndatöku, segulómun (MRI) og blóðflæðismælingum með ómskoðun (Mynd 1.8). Eðlisfræði hefur einnig margvísleg notkunarsvið í líffræði, rannsóknum á lífi. Til dæmis lýsir eðlisfræði því hvernig frumur geta verndað sig með frumuveggjum og frumuhimnum (Mynd 1.9). Læknismeðferð felur stundum beint í sér eðlisfræði, svo sem við notkun röntgengeisla til að greina heilsufarsvandamál. Eðlisfræði getur einnig útskýrt það sem við skynjum með skilningarvitunum, svo sem hvernig eyrun nema hljóð eða augað greinir liti.

Takmarkalaus eðlisfræði

Eðlisfræðin að baki lendingu á halastjörnu

Þann 12. nóvember 2014 varð Rosetta-geimfar Evrópsku geimferðastofnunarinnar (sýnt á Mynd 1.10) það fyrsta til að ná til og fara á braut um halastjörnu. Skömmu síðar lenti könnunarfar Rosettu, Philae, á halastjörnunni, sem var í fyrsta sinn sem menn lentu geimfari á halastjörnu.

Eftir að hafa ferðast 6,4 milljarða kílómetra frá skoti sínu frá jörðu, lenti Rosetta á halastjörnunni 67P/Churyumov-Gerasimenko, sem er aðeins 4 kílómetra breið. Eðlisfræði var nauðsynleg til að reikna út leiðina til að ná til svo lítils, fjarlægs skotmarks sem ferðast hratt. Leið Rosettu að halastjörnunni var ekki bein. Geimfarið þurfti fyrst að ferðast til Mars svo að þyngdarafl Mars gæti aukið hraða þess og beint því í nákvæma átt að halastjörnunni.

Þetta var ekki í fyrsta skipti sem menn notuðu þyngdarafl til að knýja geimför sín. Voyager 2, geimfar sem var skotið á loft árið 1977, notaði þyngdarafl Satúrnusar til að sveifla sér yfir til Úranusar og Neptúnusar (sýnt á Mynd 1.11), og veitti fyrstu myndirnar sem teknar hafa verið af þessum reikistjörnum. Nú, næstum 40 árum eftir geimskotið, er Voyager 2 á ystu mörkum sólkerfis okkar og er um það bil að fara inn í stjarngeiminn. Systurskip þess, Voyager 1 (sýnt á Mynd 1.11), sem einnig var skotið á loft árið 1977, er þegar komið þangað.

Til að hlusta á hljóð stjarngeimsins eða sjá myndir sem hafa verið sendar til baka frá Voyager 1 eða til að læra meira um Voyager-leiðangurinn, heimsæktu vefsíðu Voyager leiðangursins.

Bæði Voyager geimförin eru með rafala sem byggja á hrörnun geislasamsæta. Þessir rafalar hafa þjónað þeim í næstum 40 ár. Rosetta er hins vegar knúin sólarorku. Reyndar varð Rosetta fyrsta geimfarið til að ferðast út fyrir smástirnabeltið með því að treysta eingöngu á sólarrafhlöður til orkuframleiðslu.

Í 800 milljóna kílómetra fjarlægð frá sólinni tekur Rosetta við sólarljósi sem er aðeins 4 prósent af styrk þess á jörðinni. Auk þess er mjög kalt í geimnum. Því lá mikil eðlisfræði að baki þróun sólarrafhlaðna Rosetta sem virka við lágan ljósstyrk og lágt hitastig.

Í þessum skilningi sýnir Rosetta-verkefnið vel hversu vítt svið eðlisfræðin spannar: allt frá því að smíða líkön af hreyfingu risavaxinna reikistjarna yfir ógnarvegalengdir í sólkerfinu okkar, til þess að læra hvernig má framleiða rafmagn úr daufu ljósi. Eðlisfræði er langvíðfeðmasta vísindagreinin.

Í stuttu máli fæst eðlisfræði við marga af grundvallarþáttum vísinda. Þekking á eðlisfræði er því nauðsynleg til að skilja öll önnur vísindi. Þetta er vegna þess að eðlisfræði útskýrir þá grundvallarhætti sem alheimurinn okkar virkar eftir. Það er hins vegar ekki nauðsynlegt að læra formlega um öll notkunarsvið eðlisfræðinnar. Þekking á grundvallarlögmálum eðlisfræðinnar mun nýtast þér best, svo þú getir notað þau til að leysa hversdagsleg vandamál. Þannig getur nám í eðlisfræði bætt hæfni þína til að leysa vandamál.

Athugaðu skilning þinn