Festforelæsningen ved RUCs årsfest den 21. september, 2001.

 


Fysikkens Æstetik

Jeppe Dyre

 

 
INDLEDNING

 

[Tænder overhead-projektoren og tager ting op og lægger på bordet, mens musikken spiller. Pause]

 

Vi hører 2. sats af Schønbergs klaverkoncert. Det er såkaldt 12-tone musik, noget der aldrig rigtigt slog an. Men for nogle [få] er dette musikstykke sublimt, det smukkeste man kan tænke sig - noget der løfter livet og fremkalder en dyb lykkefølelse.

 

… Personligt foretrækker jeg fysik.

 

[Musikken toner ud.]

 

Søgningen til de såkaldt hårde naturvidenskaber falder i disse år. Der uddannes flere fysikere end før [overhead], men dette tal vil falde fremover. Der er tale om en krise, også her på RUC.

 

"AHA!" siger psykologen, - de elsker kriser - "en krise er en anledning til selvransagelse".

 

Så som "kriseramt" er det oplagt at spørge:

- Hvad er fysik egentlig?

- Hvorfor forskes og undervises der i faget?

- Hvad skal det overhovedet gøre godt for?

 

 

 

UDEFRA OG INDEFRA

 

Set udefra er fysik kedeligt og verdensfjernt [tager skilt på med teksten E=mc2] og nørdet [tager spøg-og-skæmt-briller på med næse og overskæg]. Nyttigt, javel, men fysikeren er nyttig som en slags avanceret cykelmekaniker eller blikkenslager.

 

Set indefra har fysikken omskabt verden – ’i stedet for blot at tale om den’. Fysik danner grundlaget for radio, tv, computere, mobiltelefoner, atombomber. - Naturvidenskabsmandens verdensbillede er følgende: Mennesket er blot ét højtstående pattedyr, jorden blot én planet, og solen blot én stjerne. Verden er stor og der er meget mere end mennesket i verden.

 

Alt dette er rigtigt, men mine personlige grunde til at elske faget fysik er lidt andre. Jeg elsker at se verden beskrevet eksakt ved brug af avanceret matematik [overhead]. Og det gør fysik. Nogle gange når dette sublime højder og frembringer en dyb lykkefølelse. Et eksempel er sammenhængen mellem symmetrier og bevarelseslove. Lad os se lidt nærmere på det.

 

 

SYMMETRIER OG BEVARELSESLOVE

 

En symmetri er en operation som ikke ændrer ved fundamentale forhold. For eksempel har kuglen her [viser kugle] såkaldt rotationssymmetri, fordi den jo ikke ændrer udseende ved at blive roteret. Nørdbrillerne har selvfølgelig ikke denne symmetri.

 

En bevarelseslov er når noget kun kan ændre sig ved udveksling med omgivelserne. Et eksempel er posen her der er fyldt med kugler. Antallet af kugler er bevaret i den forstand at man kun kan ændre antallet ved at fjerne nogle eller lægge flere der ned. Det lyder banalt - og er det også - men bevarelseslove af denne slags er faktisk fundamentale i fysikken.

 

Det har vist sig at der til enhver symmetri hører en bevarelseslov. Dette faktum er helt grundlæggende i fysikken og gennemtrævler alle dens underdiscipliner. Pudsigt nok var det ikke en fysiker, men den geniale kvindelige matematiker Emmy Noether, der først formulerede og beviste sammenhængen generelt.

 

Lad os se på tre berømte eksempler på sammenhængen mellem symmetrier og bevarelseslove.

 

 

 

TID - ENERGI

 

Hvis jeg tager en ting, løfter den og slipper - ja så falder, evt. hopper, den og falder til ro. Hvis jeg gentager forsøget under præcis samme omstændigheder, enten lige efter eller fx et helt år efter, ja så sker der det samme igen. Dette er faktisk en symmetri!

 

Hvad er så den tilhørende bevarelseslov?? Det er såmænd energibevarelse, noget alle har hørt om. Energi kan ikke skabes og kan ikke forsvinde. At megen nyttig energi, fx elektrisk eller mekanisk energi, ender som varme er en anden sag. Energien forsvinder ikke - den omdannes bare - varme er en energiform.

 

 

 

RUM - IMPULS

 

En anden grundlæggende symmetri knytter sig til rummet. Hvis jeg laver et forsøg "her" og flytter hele opstillingen og gentager forsøget "der" - så sker der nøjagtigt det samme. Dette kaldes rumlig translations-invarians.

 

Den tilhørende bevarelseslov er impulsbevarelse.  Impulsen af et legeme er massen gange hastigheden.

 

Lad os tage et eksempel: En Mercedes kører frontalt ind i en Fiat 600. SLAM! Begge biler kører 100 km/h. Efter ulykken ligger vraget ikke stille, for Mercedes'en er tungere end Fiat'en. Hvis Mercedes'en vejer 2 ton og Fiat'en 0,5 ton, så ...[tavleregning]. Resultat: vvrag = 60 km/h. Mercedes'en ændrer hastighed 40 km/h, Fiat'en ænder hastighed med hele 160 km/h.

 

Impulsen kan godt ændre sig, men kun ved påvirkning udefra. Ellers kunne man slet ikke gå!: Når man står stille er ens impuls nul. Men når gangen påbegyndes, får man en hastighed og dermed en impuls. Impulsen er ændret pga en ydre påvirkning, nemlig kræften fra underlaget på skoen. - Dette passer jo også med at det er umuligt at gå på superglat is.

 

Impulsbevarelse er en vidunderlig konsekvens af rumlig translations-invarians [selvom passagererne måske nok er ligeglade!]. For at bevise impulsbevarelse skal man bruge avanceret matematik.

 

 

RUMMETS ISOTROPI B IMPULSMOMENT

 

Universet er stort, men ikke uendeligt stort. Mælkevejen består af ca 100 milliarder stjerner ligesom vores sol, 20 for hvert menneske på jorden. Universet består af ca 100 milliarder galakser ligesom vores Mælkevej. Når man kigger ud i verdensrummet er der lige mange galakser alle vegne. Ingen retninger er bedre end andre. Dette kaldes rummets isotropi. Aristoteles og kumpaner mente der var absolutte begreber som Aop@ og Aned@, men vi ved bedre i dag: Alle retninger er lige gode.

 

Den tilhørende bevarede størrelse er impulsmomentet.

 

Hvad er impulsmoment? Det er et udtryk for rotationen af et legeme. Stor masse / hurtig rotation medfører stort impulsmoment. Men der er mere: Når skøjteprinsessen roterer og trækker armene ind til kroppen, ja så roterer hun faktisk hurtigere selvom impulsmomentet er bevaret. Detaljerne følger af overhead=en - for dem der kan forstå den [viser formler på overhead].   

 

Alt dette er ikke kun snak. For at understrege det kommer her beviset for impulsmomentbevarelse, selvom ...[viser det generelle bevis].

 

 

 

AFSLUTNING

 

Der er mange andre bevarelseslove i fysikken. For eksempel er elektrisk ladning bevaret - den kan ikke skabes og ikke forsvinde. Den tilhørende symmetri kaldes gauge-symmetri, men det kan vi slet ikke komme ind på her.

 

Vi skal til at slutte. Jeg har forsøgt at formidle fysikkens æstetik ved et berømt eksempel, symmetrier og bevarelseslove. Men det er svært at formidle den dybe lykkefølelse eksemplet fremkalder i mig. Sagen er [viser overhead med Galilei-billede og citatet 'Naturens store bog er skrevet i matematikkens sprog'] at den gamle kæmpe havde ret - måske endda mere end han selv anede. Disse ting kan - desværre - kun diskuteres ved brug af avanceret matematik. Vi beklager det dybt.

 

[Musikken fra 2. sats af Schønbergs klaverkoncert toner svagt ind.]

 

Måske har fysikkens æstetik noget til fælles med 12-tone musikkens: Svært tilgængelige og derfor kun værdsat af lille mindretal? Jeg er bange for at det er tilfældet. Desværre.

 

Mine damer og herrer: Tak for Deres opmærksomhed!