Naturens særeste stoff

Hva i alle...? Dette må da være naturens særeste stoff! Eller?

Væsker som flyter i oppoverbakke, eller som kan rulles til en ball i håndflaten. Atomkjerner som er flere kilometer store – og flytende i midten. Til daglig er kanskje ketchup det særeste stoffet du treffer (helt sant, ketchup er sært!), men i naturen finnes det enda mye rarere ting.

Kollokvium forsøker å finne universets særeste stoff – bli med og si din mening.

1) Ketchup vs. maizena og vann

Jakten på sære stoffer starter i kjøkkenskapet. Ketchupflasken står så uskyldig på hyllen og venter på å bli snudd opp ned og klemt på, for da… skjer ingenting. Stoffet i flasken er hardt, og nekter å flyte ned mot tuten. Helt til du gir bunnen av flasken en drabelig dask. Da kommer alt sammen splættende i løpet av et brøkdels sekund. Hva skjedde?

Ketchup er en såkalt ikke-Newtonsk væske. Normalt er væsker like seige uavhengig av trykk, men for ketchup er det annerledes. Et brått slag – eller altså en økning i trykk – gjør hele væsken flytende for en liten stund. Hvorfor dette skjer har med båndene mellom molekylene å gjøre. De er sterke nok til å holde ketchupen samlet når den ligger i ro, men svake nok til å brytes lett når trykket øker. Detaljene er likevel litt uklare enda – som denne artikkelen i Science i 2011 viser.

Tarzan! Hjeeeelp! Den ikke-Newtonske væsken har tatt meg!

Det finnes ikke-Newtonske væsker med motsatt egenskap også – som blir tettere ved trykk i steden for mer flytende – og også dette kan du finne på kjøkkenet. Ta frem boksen med Maizena-jevner, og hell to spiseskjeer i en bolle. Ta så i en spiseskje vann. (Eller så mye du vil egentlig, bare forholdet er ca. to deler maizena til en del vann.) Stoffet vil være ganske så flytende – helt til du heller det i hånden og klemmer til. Da tykner det, og du kan rulle en fin, fast ball i håndflaten – som raskt vil smelte ut til væske igjen når du lar den ligge litt. Her skjer nøyaktig det motsatte. Molekylbåndene blir sterkere når du dytter, men holder seg ikke naturlig sammen uten litt ekstra trykk.

Er man kreativ kan man gjøre helt fantastiske ting med dette stoffet – se f.eks. her!

Denne effekten er forresten nettopp det som gjør det vanskelig å klatre ut av kvikksand…

Er maizena og vann, ketchup, kvikksand og andre ikke-Newtonske væsker naturens særeste stoff?

2) Superfluid helium

En (i prinsippet) evigvarende helium-fontene. Sært nok?

Helium er grunnstoff nummer to i periodesystemet. Et heliumatom består av to elektroner rundt en atomkjerne satt sammen av to protoner og to nøytroner. Relativt enkelt – og likevel så sært og fascinerende.

Ved romtemperatur er helium en gass. Kjøler du det ned til under -270 grader Celsius (ca. fire grader Kelvin, eller fire grader over så kaldt som det går an å bli) så blir det flytende. Kjøles det enda et stykke ned så blir det superflytende. Da kan væsken snike gjennom de minste sprekker, klatre oppover vegger, og lage en evigvarende fontene. Bare se på denne videoen.

Hva betyr det at noe er superflytende? I praksis at væsken flyter uten noen motstand – som en perfekt skøyte mot is, uten friksjon i det hele tatt. Rører du i en superflytende væske – eller får den til å sprute opp av en tut og så tilbake i karet igjen – så vil den fortsette med dette helt til noen tvinger den til å gjøre noe annet (eller den varmes opp slik at den slutter å være superflytende da).

Disse egenskapene kommer av at såkalt helium-4, som er den vanlige typen, er av en partikkeltype som kalles et boson. Når bosoner blir kalde så kan de begynne å bevege seg i flokk, omtrent som fisker i en stim. Dette skjer når de danner et såkalt Bose-Einstein-kondensat – alle atomene havner i samme kvantetilstand, og oppfører seg som om de skulle være ett stort atom. Superfluid helium er altså en kvanteeffekt – vi klarer ikke å forstå denne egenskapen uten kvantemekanikk. Knapt nok med.

Superfluiditet og andre Bose-Einstein-kondensat-effekter er passe sært. Er dette naturens særeste stoff?

3) Nøytronstjerner

Sulten? Forsk på nøytronstjerner. Her er pastaplater, spaghetti og mer til. Advarsel: Retter laget av nøytronstjernepasta kan ligge litt tungt i magen.

Stjerner er store baller av hydrogengass. Varmen kommer når hydrogenet fusjonerer til helium (se her for mer om det), fordi det er så høyt trykk inne i midten av en stjerne. Men hva skjer hvis tykket blir enda høyere, som det kan bli for eksempel når en stjerne dør i en gigantoman supernova-eksplosjon?

Et nøytron, som er den type partikkel vi finner i atomkjerner, er ikke stabilt hvis det blir liggende for seg selv. Det blir etter hvert til et elektron og et proton – den andre typen partikkel atomkjerner består av. (Og et nøytrino, men det er ikke så viktig her.) Er trykket høyt nok kan det motsatte også skje. Elektronene inne i stjernen kan bli trykket så hardt inn på protonene der at man til slutt bare sitter igjen med nøytroner. Veldig, veldig tettpakkede nøytroner.

Nøytroner er, i motsetning til helium-bosonene vi snakket om over, såkalte fermioner. De nekter å være i samme kvantetilstand, så en nøytronstjerne blir på et vis det motsatte av et Bose-Einstein-kondensat. Siden den er en giga-ball bestående av bare nøytroner kan vi si at den egentlig er en eneste stor atomkjerne. Der normale atomkjerner er ca. en milliontedels millardtedels meter (0.000000000000001 meter) i diameter, kan nøytronstjerneatomkjernen gjerne være opp til 20 kilometer bred. Og TUNG. En sukkerbit-størrelse klump av nøytronstjerne kan godt veie noen hundre milliarder tonn.

Vi har aldri hatt en nøytronstjerne å studere på nært hold, så vi vet ikke helt hvordan den vil oppføre seg inni. Mange stilige teorier finnes, og mistenkelig mange av dem har navn etter italienske matretter:  «Drops like orzo, rods like spaghetti, slabs like lasagna.» (Herfra  – les denne artikkelen for masse god info om innsiden av nøytronstjerner.) Det hevdes at etter hvert som kan kommer innover vil selv nøytronene trykkes i stykker og bli til et såkalt kvark-gluon-plasma – en suppe av fri kvarker, de partiklene protoner og nøytroner selv består av. Ingen vet hvordan vi skal få testet dette, men om vi fikk det til så vil forståelsen vår av den enda ganske mystiske sterke kjernekraften gjøre et kosmos-sprang.

Er innsiden av giga-atomkjernene-nøytron-stjerner naturens særeste stoff?

4) Sammenfiltrede partikler

Et stoff bestående av to partikler på hver sin ende av universet? Ja da, naturen ER så sær...

Tenk deg at to bittesmå partikler blir dannet samtidig, og så flyr hver sin vei. Det spesielle med akkurat disse partiklene er at de enten kan være røde eller blå, og at de dannes på en sånn måte at det alltid er en rød og en blå.

OK, det var ikke så sært. De flyr fra hverandre – la oss si med lyshastigheten – og havner etter ganske lang tid på hver sin ende av universet, alt for langt unna hverandre til å kunne snakke sammen. Hvilken er rød og hvilken er blå? I en fornuftig verden ville man tro at det var avgjort når de ble dannet, og at hvis vi så etter på den ene så hadde ikke det noe å si for den andre.

Slik er det ikke i en verden styrt av kvantemekanikk. To partikler dannet på denne måten kan være såkalt sammenfiltrede. Så lenge vi ikke har sett etter, sier kvantemekanikken, har hver partikkel begge farger på en gang. Først når vi sjekker hvilken farge den ene har blir det bestemt, og akkurat da bestemmes fargen på den andre partikkelen også – selv om den altså er på andre enden av universet og ikke har mulighet til å snakke med den første.

Vi må rett og slett se de to partiklene sammen som en bit av samme stoff, helt til vi måler på den ene.

En slik verden var det mange som ikke kunne godta når den ble foreslått på 1920- og 1930-tallet. Blant dem var Albert Einstein, som lenge prøvde å motbevise at det kunne være slik. Les om sammenfiltrede fotoner og det såkalte Einstein-Podolsky-Rosen-paradokset her.

Poenget er at eksperimenter senere har vist at jo da, kvantemekanikken har rett, og verden er faktisk så sær. Et sammenfiltret partikkelpar må sees som ett og samme stoff, helt til noen sjekker hvilken farge en av dem har (eller polarisering, som det gjerne egentlig er).

Dette har konsekvenser vi kan bruke i moderne teknologi. Sammenfiltring er for eksempel brukt til å gjøre 100% sikre overføringer av informasjon mellom banker, og antas å være en nøkkel til å lage kvantedatamaskiner (som vi snart vil få høre mer om her på kollokvium).

Er sammenfiltrede partikler naturens særeste stoff?

5) Noe helt annet?

Naturen huser mye rart, og med litt flaks har vi mennesker bare begynt på oppdagelsesferden vår gjennom universets rariteter. Om lag all kunnskapen i denne artikkelen er fra de siste hundre årene… Det er neppe gøy i lengden å leve evig, men tenk å få våkne opp igjen sånn en gang i blant for å få høre litt om nyoppdagede kuriosa? Uansett: Naturen FTW!

Forslagene i denne artikkelen har vært fysikk-tunge. Kollokvium har mange kunnskapsrike lesere fra andre felt – hva mener du er naturens aller særeste stoff?

6 comments

  1. Fredrik Meyer (@FredrikMeyer) · februar 3, 2012

    Først må jeg bare si takk for denne bloggen!

    Så et spørsmål. Mange av mine bekjente er skeptiske til kvanteteori, og tror fysikerne må ha gjort noe feil på veien for å ende opp med en slik «paradoksal» teori. Hovedmotargumentet mitt er at vi har vokst opp i en makroskopisk verden, og kan ikke forvente at ting oppfører seg på samme måte når vi zoomer inn. De påstår at nettopp dette eksemplet med sammenfiltrede fotoner bryter all logikk. «En ting kan ikke være og ikke være på samme tid», sier de. Har du noen tanker om «slike» mennesker?

    • Martin Svendsen · februar 5, 2012

      Dimethyltryptamine er ganske sært, kan du skrive litt om det? 🙂

    • Bjørn H. Samset · februar 13, 2012

      Hei Fredrik,

      fikk visst ikke mail om denne kommentaren – så den ikke før nå.

      Jeg er helt enig i motargumentet. Naturen har rett – at vi ikke er vant til hvordan den oppfører seg får vi ta på vår kappe. (Se forresten solnedgang-innlegget jeg la akkurat nå – nevner noe av det samme der et sted.) At sammenfiltrede fotoner bryter logikk er vel de fleste enige i, men igjen så beviser eksperimenter at det er vi som tar feil. Vår logikk må endres. Vi kan jo til og med bruke det i teknologi i dag (kryptering bl.a.), så resultatet er ikke til å komme unna. Man kan jo bare svare at for ikke lenge siden var allmen visdom at «mange tonn med metall kan ikke fly». Si det til Airbus A380… Og det er jo nettopp sånt som gjør fysikk (og annen forskning) så gøy – vi kan fortsatt få hva som helst slengt i fjeset av naturen.

      • Stein Vidar Hagfors Haugan · juni 13, 2013

        Det er jo andre (makroskopiske) ting som virker kontraintuitive og rare også – ikke bare kvantemekaniske fenomener. Ikke at jeg kan komme på noe eksempel i farta 😉

  2. eilray · februar 22, 2012

    Reblogged this on Eileen Raymond.

  3. Tilbaketråkk: Superfast helium er dødt – lenge leve mysteriene | Kollokvium

Legg igjen en kommentar

Fyll inn i feltene under, eller klikk på et ikon for å logge inn:

WordPress.com-logo

Du kommenterer med bruk av din WordPress.com konto. Logg ut / Endre )

Twitter picture

Du kommenterer med bruk av din Twitter konto. Logg ut / Endre )

Facebookbilde

Du kommenterer med bruk av din Facebook konto. Logg ut / Endre )

Google+ photo

Du kommenterer med bruk av din Google+ konto. Logg ut / Endre )

Kobler til %s