Sponseret af Lysets år

2015 blev udnævnt som Lysets År af UNESCO, og det fejrede vi med en række artikler om videnskaben bag lys.

Danske forskere beregner lysets bøjning med kvantefysik
Siden 1919 har forskere kunnet observere, at Solen afbøjer lyset fra fjerne stjerner. Afbøjningen sker på grund af Solens tyngdekraft, og nu har danske forskere udviklet en måde at beregne fænomenet med metoder fra kvantefysikken.

Illustrationen viser lysets bøjning. Lyset kommer fra lyskilden til højre og er på vej ned mod Jorden (til venstre). Imellem Jorden og lyskilden er et stort himmelobjekt, som får lyset til at bøje sin rute ned mod Jorden. De orange pile viser, hvor lyskilden tilsyneladende befinder sig (set fra Jorden) mens de hvide pile viser, hvor lyskilden reelt befinder sig. (Illustration: NASA)

Illustrationen viser lysets bøjning. Lyset kommer fra lyskilden til højre og er på vej ned mod Jorden (til venstre). Imellem Jorden og lyskilden er et stort himmelobjekt, som får lyset til at bøje sin rute ned mod Jorden. De orange pile viser, hvor lyskilden tilsyneladende befinder sig (set fra Jorden) mens de hvide pile viser, hvor lyskilden reelt befinder sig. (Illustration: NASA)

Lys farer af sted med en rivende fart på næsten 300.000 kilometer per sekund.

Man skulle måske tro, at lyset altid bevæger sig i en fuldstændig lige linje, men faktisk kan tyngdekraften afbøje lysets stråler.

Siden 1919 har forskere for eksempel kunnet observere, at Solens tyngdekraft sørger for, at lyset fra fjerne stjerner bliver afbøjet, så lysets rute gennem rummet bliver en smule krum.

Igennem mere end 10 år har danske forskere forsøgt at forstå og beregne lysets afbøjning på en ny måde – en måde som tager hensyn til den mystiske gren af fysikken, som kaldes kvantemekanikken.

Nu har resultatet af forskernes mange beregninger båret frugt, og deres studie er blevet publiceret i det højt ansete fysik-tidsskrift Physical Review Letters.

Einstein forudsagde lysets bøjning

For at forstå, hvad den nye artikel går ud på, skal vi lige have styr på lidt af fysikkens historie – og vi skruer tiden tilbage til 1916.

Det år lavede den tyske fysiker Albert Einstein nemlig en ny teori for tyngdekraften – eller sagt mere korrekt; en ny teori for gravitation. Teorien blev verdenskendt som den generelle relativitetsteori, og den anses som et af Einsteins vigtigste bidrag til fysikken.

»Einsteins generelle relativitetsteori kan forudsige lysets bøjning. En af grundene til, at teorien blev så berømt og blev anset for at være rigtig, var, at man rent faktisk kunne måle denne her bøjning af lyset, som teorien forudsiger. Hvis man kigger på lys fra fjerne stjerner, kan man måle, at det bøjer rundt om Solen,« forklarer Emil Bjerrum-Bohr, som er lektor ved Københavns Universitet og en af forskerne bag det nye studie.

I dag viser de mest nøjagtige målinger eksempelvis, at Solen tiltrækker lyset så meget, at det afbøjes med 0.00049 grader rundt om Solen – og det passer fint med forudsigelserne i Einsteins generelle relativitetsteori.

Men så kom kvantemekanikken...

Men siden Einstein fremlagde sin generelle relativitetsteori, er der sket et fundmentalt skifte i vores forståelse af verden, idet en ny og vigtig gren af fysikken er kommet på banen – nemlig kvantemekanikken.

Fakta

Hvorfor bøjer lyset?

Einsteins generelle relativitetsteori beskriver, hvordan tyngdefeltet omkring et legeme – for eksempel en planet - kan ændre selve rummets form. Tyngdefeltet får simpelthen rummet til at blive krumt.

Man kan tænke på fænomenet ved at forestille sig, at Solen er anbragt oven på et stykke udspændt husholdningsfilm - husholdningsfilmen illustrerer selve rummet.

Tyngden fra Solen skaber nu en fordybning i den udspændte husholdningsfilm – altså rummet.

Når lyset skal passere gennem rummet, tvinges lyset derfor til at følge den krummede husholdningsfilm, og vi ser det som en afbøjning af lyset.

Afbøjningen af lyset er størst for lysstråler, der passerer tæt forbi Solen.

I kvantemekanikken har forskerne zoomet helt ind på verdens allermindste bestanddele, og her har de opdaget, at der hersker helt andre fysiske love og regler end dem, vi kender fra vores egen hverdag.

I kvantemekanikkens lilleput-rige er det for eksempel helt normalt, at en partikel kan være to steder på én gang. Selvom det kan lyde helt uforståeligt, er den slags mystiske fænomener for længst blevet hverdag for kvantefysikerne.

De har vænnet sig til, at der er stor forskel på, hvordan verden fungerer, alt efter om man beskriver den med kvantemekanikken eller med ’klassisk fysik’ – den slags fysik, vi lærer om i folkeskolen.

På jagt efter 'Teorien om alting'

Siden kvantemekanikken for alvor kom på banen i 1930’erne er det imidlertid lykkedes forskerne at forene masser af fænomener fra den klassiske fysik med kvantemekanikkens love. Men de mangler stadig et vigtigt punkt: At kunne forstå og forene tyngdekraften med kvantemekanikken.

»Det er stadig ikke lykkedes at få den generelle relativitetsteori og kvanteteorierne til at passe sammen. Derfor er tyngdekraften indtil nu blevet beskrevet med klassisk fysik, mens vi beskriver en masse andet – for eksempel atomer og stoffer - med kvantefysikken,« forklarer Emil Bjerrum-Bohr.

Derfor har forskerne i flere årtier været på jagt efter en ny teori, som kan forene Einsteins generelle relativitetsteori – og dermed også tyngdekraften - med kvantemekanikkens teorier. En sådan sammenfattende teori er også blevet kaldt for ’Teorien Om Alting’.

»Indtil nu har det ikke været muligt at formulere en kvanteteori for gravitationskraft. De fleste af de ideer, som er blevet afprøvet løber ind i paradokser og problemer,« forklarer Emil Bjerrum-Bohr.

Skridt på vejen mod sammenfattende teori

Men det er netop her, Emil Bjerrum-Bohrs nye forskning kommer ind i billedet.

Hans nye forskningsartikel har ikke fuldstændigt forenet gravitationskraften og relativitetsteorien med kvantemekanikken, men i artiklen har forskerne taget et skridt på vejen: De har beregnet lysets bøjning – som jo netop er en effekt af gravitationskraften - med metoder fra kvantemekanikken.

»Vi har fundet en ramme, hvor vi kan bruge kvantefysikken til at forudsige lysets afbøjning. Vi får det samme, som Einstein forudsagde i 1916, men her 100 år senere har vi nu også fået den eksakte kvantekorrektion,« siger Emil Bjerrum Bohr, som i øvrigt er oldebarn til en af kvantemekanikkens grundlæggere; Niels Bohr.

Forsker: Interessant resultat

Fakta

Den generelle relativitetsteori er en teori om gravitation - tyngdekraft - lavet af den tyske fysiker Albert Einstein i 1916.

Kvantemekanikken (eller kvantefysikken) er en gren af fysikken, som oprindelig blev udviklet til at beskrive lys og atomer.

Fysikere har i årevis været på jagt efter en teori, som kan forene kvantemekanikken med den generelle relativitetsteori. En sådan sammenfattende teori er også blevet kaldt for 'Teorien om Alting'.

Einstein var selv på jagt efter 'Teorien om Alting' men fandt den aldrig - og det er stadig ikke lykkedes for fysikerne.

Kilde: Lundbeck-fonden

Emil Bjerrum-Bohr forklarer at de nye beregninger har været mulige at foretage på grund af »de beregningsfremskidt, som er sket de sidste par år, og nogle særlige tricks« som forskerne har brugt i deres beregninger. (Til nørderne: Forskerne har beskrevet gravitationskraften med en effektiv felt-teori)

På Syddansk Universitet mener den teoretiske fysiker McCullen Sandora, at den nye artikel er interessant.

»Vi ved stadig ikke, hvordan Einsteins relativitetsteori og kvantemekanikken passer sammen. Men det interessante ved denne artikel er, at uanset hvordan vi en dag finder ud af at forene dem, så vil den samlede teori uden tvivl forudsige det samme, som de beregner i artiklen.«

»Det er lykkedes dem at beregne en effekt af gravitationen, som ikke er afhængig af, hvordan relativitetsteorien og kvantemekanikken passer sammen,« siger McCullen Sandora, som er postdoc ved forskningsenheden CP3 Origins.

Han har ikke været en del af den nye undersøgelse, men har forsket inden for samme område i blandt andet USA.

Lysets bøjning afslører fjerne galakser

Selvom forskerne er overbeviste om, at beregningerne i den nye artikel er korrekte, er det ikke til at måle eksperimentelt – kvanteeffekten på lysets afbøjning er for lille til at måle i eksperimenter, forklarer McCullen Sandora.

»Effekten er meget lille – den er så lille, at det ikke er sandsynligt, at den er til at observere. Men det er alligevel interessant,« siger McCullen Sandora.

At lyset kan bøjes er i øvrigt en ekstremt vigtig egenskab for forskere, som studerer fjerne galakser.

Uden lysets afbøjning ville forskerne ikke kunne se lyset fra de allerfjerneste galakser, fordi lyset fra mere nærliggende galakser ville ’skygge’ for dem.

Men fordi lyset afbøjes, kan astronomerne alligevel få informationer om fjerne galakser og andre lysende fænomener. Og nu kan man altså også regne på lysets afbøjning inden for kvantemekanikkens rammer.
 

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.

Danske corona-tal

Videnskab.dk går i dybden med den seneste corona-forskning. Læs vores artikler i temaet her.

Hver dag opdaterer vi også de seneste tal.

Dyk ned i grafer om udviklingen i antal smittede, indlagte og døde i Danmark og alle andre lande.

Ny video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab, klima og sundhed henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's Center for Faglig Formidling med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.


Ugens videnskabsbillede

Se flere forskningsfotos på Instagram, og læs her om påfugleedderkoppen, der er opkaldt efter fisken Nemo.