tirsdag 18. mars 2014

Strøtanker fra en evig feilende søker av naturens Sannhet

Funderinger over fysikkens forhold til usikkerhet

«Naturens bok er skrevet i matematikkens språk», sa Galileo. Og matematikken er så ren og fin, nesten jomfruelig i sin uskyld overfor alt som har å gjøre med usikkerhet. Men Usikkerhet, dette uglesette avkommet av Moder Jord og Fader Vitenskap, av teori og praksis, som vi helst skulle satt ut til ulvene en sen vinternatt, er og blir sentral i all vitenskap. I fysikken har usikkerhet en ekstra spesiell rolle: Fysikk har nemlig alltid vært opptatt av jakten på sikkerhet – på naturens Sannhet.

Fysikk handler om å bryte ned naturen til mindre og mindre bestanddeler, og forstå disse delene og forholdet mellom dem på alle nivåer fra de minste elementærpartiklene til de største galaksene. Der humaniora kan tenkes å foreta litterære analyser av naturens Bok på et mye høyere plan, der religionsvitenskapen prøver å finne ut hvem Forfatteren egentlig er (og hvorfor så mange mennesker er så opptatt av dette) og metafysikken undres over hvorfor Boken i det hele tatt eksisterer – der går fysikken i dybden, finner frem lupen og gjør analyser av grammatikk og setningsoppbygging. Hvorfor står bokstavene i akkurat denne rekkefølgen? Hva er egentlig bokstavene laget av? Og hva skjer hvis vi leser boken baklengs?

Gjennom tallrike og sinnrike eksperimenter ønsker fysikere å tallfeste universets lover og regler. Aller helst skal alle sammenhenger kunne beskrives rent matematisk, med den ønskelige parameteren på venstre side av likhetstegnet og noe fint og løsbart på den andre siden. Når dette er oppfylt, som det så ofte er i teorien, da er usikkerheten fullstendig eliminert. Slike analytiske løsninger av naturens gåter gir oss verdifull innsikt i hvordan den henger sammen. Ved å ta en kikk under naturens panser åpner vi «den sorte boksen» – vi skjønner hvorfor vi skyter fart når vi trykker på gasspedalen, at dette går gjennom en komplisert prosess med ventiler, tennplugger og tannhjul, og vi kan beskrive hvert steg på prosessen med disse magiske likhetstegnene. Vi finner ut at et legeme i fritt fall beveger seg i en parabel, og ut ifra dette kan vi rent matematisk utlede oss frem til et utall andre sider i naturens bok – til et utall andre Sannheter.

I praksis er dessverre ikke Sannheten like ren. Kaster du ball med Moder Jord, så beveger ikke ballen seg slik formelen skulle tilsi. Kompliserende elementer som luftmotstand kommer i veien, og selv om man kan gå tilbake til tegnebrettet og innarbeide disse festbremsene viser det seg at ligningen ikke lenger er entydig løsbar med matematikkens edle redskaper. Den opprinnelige Sannheten er fremdeles like sann, i seg selv – men alene er den ikke spesielt nyttig når teori møter praksis. Systemet er ikke lenger avhengig av de ulike komponentene hver for seg – de ulike komponentene er også avhengig av hverandre, slik for eksempel luftmotstand er avhengig av farten, og dette såkalte ikke-lineære systemet kan nå kun tilnærmes med hodebry og regnekraft.

På sidelinjen står Usikkerhet og smiler lurt. Ingenting kan måles eksakt – selv med perfekte metoder og utstyr kan vi aldri lage en perfekt modell av hvordan universet er akkurat nå, og derfor vet vi heller aldri nøyaktig hvordan det vil være i fremtiden. Grunnen til dette er kvantemekanikkens mørke hemmelighet: Dypest sett kan du ikke vite eksakt både hvor en partikkel befinner seg og hvordan den beveger seg. Det prinsippet er ikke noe man har målt seg fram til – det er utledet rent teoretisk, og er en Sannhet både i teori og praksis så lenge kvantemekanikken består. I sin jakt på naturens Sannheter har fysikken ironisk nok avdekket det evig Ukjennelige.

Naturens språk er i seg selv eksakt, men språkbruken skaper tvetydigheter og rom for tolkning. I sin jakt på den naturlige Sannhet er fysikken likevel uløselig knyttet til både det ukjente og til det evig Ukjennelige. Det er dette samspillet mellom eksakt matematikk og både praktisk og teoretisk usikkerhet som gjør fysikk så spesielt i sitt forhold til usikkerhet.

Teksten er et lett modifisert utdrag fra avsluttende innlevering i vitenskapsteori.

Noe du vil si?

lørdag 1. mars 2014

Min doktoroppgave på 450 ord

I et av mine første innlegg på bloggen skrev jeg om hva masteroppgaven min handlet om. I det minste oppsummert i én (uforståelig) setning. En mer allment forståelig forklaring hadde vært på sin plass – og nå har jeg jo muligheten, siden mitt doktorgradsstudium slett ikke er så annerledes fra masterstudiet. La meg nå ta igjen det tapte og gi en kort og konsis forklaring av mitt fagfelt og min doktoroppgave.

Romfysikk – mitt fagfelt – er studien av det nære verdensrommet. Dette inkluderer solen og alle solsystemets planeter, samt planetenes magnetfelt og deres øvre atmosfærer. Mye av forskningen er fokusert på samspillet mellom solvinden (partikler som konstant strømmer fra solen), jordens magnetfelt (magnetosfæren) og jordens øvre atmosfære (ionosfæren, fra ca. 80 til ca. 600 km over bakken). Nordlys er sannsynligvis det mest allment kjente fenomenet som oppstår fra denne vekselvirkningen, men den fører også til mengder av andre effekter som har påvirkning på oss. Begrepet «romvær» har blitt stadig mer brukt siden 90-tallet, og ikke uten grunn: Det er en reell fare for at ekstreme solstormer, skulle de treffe jorden, kan slå ut blant annet elektrisitetsnett, satellittnavigasjon og annen satellittkommunikasjon. En del av romfysikken er derfor direkte fokusert på varsling av romvær. Selv andre deler av romfysikken hjelper indirekte på her, ettersom bedre forståelse av fenomener i jordens ionosfære og magnetosfære kan bidra til mer nøyaktig varsling av romvær.

Se gjerne nå de to første minuttene av denne videoen, som forklarer dette og noe av det følgende på en forståelig måte:

Min doktoroppgave handler om såkalte ionosfæriske irregulariteter. Ionosfæren har sitt navn fordi solstrålingen i den øvre atmosfæren (ca. 80–600 km høyde) er så kraftig at den ioniserer molekylene i atmosfæren. Det betyr at elektronene slås løs fra atomene de ellers så villig svirrer rundt, og man ender opp med en gass av negativt ladde elektroner og positivt ladde ioner. Denne elektrisk ladde gassen kalles plasma. De positivt og negativt ladde partiklene i plasmaet blir påvirket av jordens magnetfelt, som har stor innvirkning på hvordan partiklene beveger seg. Videre har disse ladde partiklene innvirkning på radiosignaler som går gjennom dem, for eksempel GPS-signaler.

Ionosfæren har varierende plasmatetthet. For eksempel: På dagsiden av jorden, der hvor solen stråler, er plasmatettheten høy, fordi mye av (den øvre) atmosfæren blir ionisert av solstrålingen. På nattsiden er det derimot ikke solstråling, og plasmatettheten i ionosfæren er mye lavere. Men plasmatettheten kan også variere vesentlig ikke bare mellom dagsiden og nattsiden, men over kortere avstander fra hundrevis av kilometer helt ned til noen meter. Slike hyppige variasjoner i plasmatettheten kalles ionosfæriske irregulariteter, som er hva oppgaven min handler om. Ionosfæriske irregulariteter gir forstyrrelser på f.eks. GPS-signaler som går gjennom ionosfæren. Dette fører til økt unøyaktighet i GPS-posisjonen. Den gode siden av dette er at man kan også bruke spesialbygde GPS-mottakere for å studere ionosfæren ved å se på forstyrrelsene på signalene.

Min oppgave handler om å studere slike ionosfæriske irregulariteter: Hvor forekommer de, og hvordan oppfører de seg? Dette gjør jeg ved å bruke flere ulike typer instrumenter, fra nordlyskameraer til radarer og ikke minst GPS-satellitter. Dette er slett ikke et nytt område (forstyrrelser på radiosignaler var en av de først kjente effektene av romvær, og har vært kjent siden 1946), men det er fremdeles mye vi ikke vet.

Da håper jeg du er litt klokere, og om du nå har flere spørsmål enn du startet med ser jeg på dette som job well done.

Noe du vil si?