Du ved godt, hvad elektromagnetisme er. Selvfølgelig gør du det.
Du ved, at elektromagnetismen er det fysiske princip, der fortæller os, at elektrisk strøm og magnetisme vekselvirker.
Du ved sikkert også, at det var den danske fysiker H. C. Ørsted (1777-1851), der i 1820 - for 200 år siden - opdagede elektromagnetismen, da han sendte en ladning strøm gennem en platintråd og kunne se, hvordan det gibbede i en magnetisk kompasnål.
Måske ved du endda, at den skotske matematiker og fysiker James Clerk Maxwell (1831-1879) satte opdagelsen på matematisk formel i 1865. Ligesom Isaac Newton gjorde det med tyngdekraften.
Alt i alt har vi altså rimelig godt styr på elektromagnetismen. Det er så grundlæggende et fænomen, at det må være et afsluttet kapitel i videnskabens historie. Sådan er det dog ikke helt.
»Der er jo altid mange ting i fysikken, vi ikke ved, og det gælder også for elektromagnetismen,« lyder det fra Mads Toudal Frandsen, der er lektor i fysik på Syddansk Universitet og forskningscentret CP3-Origins, hvor der forskes i partikelfysik og kosmologi.
Han suppleres af Ulrik Uggerhøj, der er institutleder ved Institut for Fysik og Astronomi på Aarhus Universitet:
»Grundlæggende ved vi meget om elektromagnetismen, men hvis vi bevæger os ud i hjørnerne, så er der mange ting, vi stadig ikke forstår i elektromagnetismen. Der er faktisk en del mysterier,« tilføjer han.
De mysterier kaster vi os - i anledning af Ørsteds 200 års-jubilæum for opdagelsen af elektromagnetismen - over i denne artikel, der måske giver flere spørgsmål end svar, så hvis du har det svært med uafsluttede historier, er du advaret.
Ultra-stærke magnetfelter er et mysterium
Gennem elektromagnetismen forstår vi, hvordan magnetfelter fungerer, hvordan elektriske felter fungerer, og hvordan elektrisk ladede partikler bevæger sig i dem. Det er måske den mest grundlæggende forklaring af elektromagnetismen.
Men det er faktisk kun sandt til en vis grænse, påpeger Ulrik Uggerhøj.
»Hvis de elektromagnetiske-felter for eksempel bliver meget stærke, så begynder der at være en del spørgsmål, som vi ikke kan svare på gennem vores forståelse af elektromagnetismen,« siger han.
\ Jubilæumsserie om Ørsted og elektromagnetismen
Videnskab.dk markerer 200 års-jubilæet for Ørsteds opdagelse af elektromagnetismen gennem en række artikler.
Vi går helt tæt på Ørsteds historie, giver alletiders pædagogiske indføring i elektromagnetismen, og undersøger, hvordan opdagelsen påvirker videnskaben i dag.
Temaet er støttet af det landsdækkende formidlingsinitiativ HCØ2020. Videnskab.dk har fuld redaktionel frihed.
Et af de steder, hvor elektromagnetismen kommer til kort, er ved meget højt magnetiserede neutronstjerner - såkaldte magnetarer, påpeger Ulrik Uggerhøj.
Magnetarer er i øvrigt meget mystiske. For nylig kom det frem, at det var magnetarer, som stod bag de korte og kraftige radioglimt fra rummet, der har været et totalt mysterium for forskere i mere end et årti.
Men tilbage til historien: Magnetfeltet på overfladen af en magnetar kan måle 10 milliarder tesla - måleenheden for et magnetfelts styrke. En stærk køleskabsmagnets magnetfelt er til sammenligning cirka 0,1 tesla på overfladen.
Magnetarer er altså 100 milliarder gange mere magnetiske end køleskabsmagneter, og her - når magnetismen er så koloenorm stærk - kan elektromagnetismen altså ikke længere bruges til at beskrive, hvad der sker.
»Under normale omstændigheder er elektromagnetismen lineær. Men når feltet er tilstrækkelig stærkt, som vi ser det på magnetarer, er felterne ikke længere lineære, og så kan elektromagnetismen faktisk ikke længere bruges til at forklare, hvad der sker,« fortæller Ulrik Uggerhøj.
Elektromagnetismen kan ellers bruges til at forklare magnetiske felter, der er meget, meget stærke, men grænsen går, når et magnetfelt er omkring 4 milliarder tesla.
Samme gælder ved stærke elektriske felter
Og det samme gælder for faktisk elektriske felter, fortæller Ulrik Uggerhøj.
Her går grænsen ved høje spændinger på 1016 volt per centimeter (V/cm) - altså 10.000.000.000.000.000 V/cm.
Gnister i luften optræder til sammenligning, når spændingen overstiger omkring 30.000 V/cm.
Hvis et elektrisk felt bliver stærkere end 1016 V/cm, så bryder det sammen, og så kommer elektromagnetismen igen til kort (så meget for den grundlæggende teori, vi kender så godt!).
»Det betyder grundlæggende, at vi ikke forstår, hvordan naturen virker, når de her ting finder sted. Naturen opfører sig, som den gør, men vores forståelse halter på det her punkt,« siger han.
\ Super-lasere udfordrer elektromagnetismen
Det store, EU-finansierede grundforskningsprojekt, Extreme Light Infrastructure (ELI), undersøger, hvordan ultra-stærke lasere virker på eksempelvis elektroner.
Her undersøger de lasere, der har en effekt på op til 10 peta watt per sekund. Til sammenligning har mennesker på Jorden et energiforbrug, der er 1000 gange mindre.
»Laserne består af lys, og derfor er det et elektromagnetisk fænomen. Men hvordan så stærke elektriske lasere virker med stof, ved man ikke meget om,« forklarer Ulrik Uggerhøj.
Hvis man tager en elektron og placerer i sådan en laserstråle, vil den vibrere så kraftigt, at den udsender en stråling, der virker tilbage på elektronen selv. Det kalder man for strålings-tilbagevirkning.
Desuden har klassiske teorier vist, at når man slukker for laseren, så begynder elektronen at accelerere, og det bliver den ved med.
»Der opstår nogle mærkelige paradoks-lignende situationer, som vi ikke kan regne ud gennem den klassiske elektromagnetisme, selvom det er et elektromagnetisk fænomen,« fortæller Ulrik Uggerhøj.
Elektromagnetismen ‘fungerer’ kun i fem procent af Universet
Helt op til 1970’erne havde vi ellers en overbevisning om, at elektromagnetismen - som den anden grundlæggende naturkraft af i alt fire - kunne bruges til at beskrive det meste af Universet.
Lys og stråling her på Jorden skabes af elektromagnetiske bølger, og alt fra vindmøller til højtalere og induktionskomfurer virker altså på baggrund af vores viden om elektromagnetismen.
Men så - i løbet af 1960’erne og -70’erne - gik det op for en række videnskabsmænd, at det meste af Universet består af mørkt stof, en samling af subatomare partikler, der slet ikke reagerer på elektromagnetismen:
»Vi havde en klar idé om, at elektromagnetisme vekselvirker med - i hvert fald næsten - alt stof, men nu har det vist sig, at langt det meste af Universet er karakteriseret ved ikke at virke med elektromagnetismen,« fortæller partikelfysiker Mads Toudal Frandsen.
Faktisk ser det ud til, at op til 95 procent af hele Universet består af den stof og energi, hvor elektromagnetismen slet ikke 'fungerer':
- Cirka 25 procent af Universets masse består af mørkt stof, som vi stadig ved meget lidt om. Vi ved, det ikke består af nogle af de kendte elementarpartikler
- Mens omkring 70 procent Universet består af mørk energi, en energiform der driver universets udvidelse, som vi ikke ved, hvad er.
- Det er altså kun i fem procent af Universet, som vi kender det, at elektromagnetismen faktisk 'fungerer'.
Alle de resterende 95 procent af subatomare partikler og energi, som Universet består af, kaldes for 'mørkt', fordi det ikke udsender eller påvirkes af lys, der som bekendt skabes af elektromagnetiske bølger.
»Vi ved stadig ikke, hvad mørkt stof er, og i den forstand heller ikke hvorfor elektromagnetismen ikke vekselvirker. Men det er noget, der forskes i blandt fysikere i hele verden,« fortæller Mads Toudal Frandsen.
\ Læs mere
Elektromagnetismen 'forsvinder' ved høje energier
Man kan føle sig meget lille og ubetydelig i Universet, når man finder ud af, at noget så grundlæggende som elektromagnetismen kun 'fungerer' i en lille del af Universets stof.
Men det hele hænger sammen.
Årsagen til, at elektromagnetismen ikke vekselvirker med mørkt stof, kan nemlig være, at elektromagnetismen er en slags 'videreudvikling' af en endnu mere grundlæggende kraft i Universet.
Det leder os til endnu et af elektromagnetismens mysterier.
Ved meget høje energier - de allerhøjeste energier vi kan skabe her på Jorden - eksisterer elektromagnetismen nemlig ikke, som vi normalt oplever den.
»Når vi skruer energien op, som ved LHC eksperimentet (Large Hadron Collider er CERN's største partikelaccelerator, red.) på CERN, opdager vi, at elektromagnetismen ikke er så fundamental. Ved meget høje energier ophører elektromagnetismen i en vis forstand med at eksistere. Den bliver et fatamorgana,« lyder det fra Mads Toudal Frandsen.
… og bliver til elektrosvag kraft
I dag ved vi dog, at elektromagnetismen forener sig med en anden naturkraft - den svage kernekraft - ved høje energier.
Når de smelter sammen, bliver de til den elektrosvage naturkraft.
»Det viser sig, at de to naturkræfter er en manifestation af en og samme kraft, at de er to sider af samme sag, selvom vi oplever dem som forskellige naturkræfter på Jorden, og det er jo vanvittig interessant, hvis man interesserer sig for Universets opbygning,« forklarer Mads Toudal Frandsen.
Som to tvillinger, der blev adskilt kort efter fødslen - i det her tilfælde kort efter ‘the Big Bang’ - hænger elektromagnetismen og den svage kernekraft altså uløseligt sammen.
\ Læs mere
Sammensmeltning peger måske mod ‘teorien om alt’
Når de to naturkræfter forenes ved højere energier, kan det være på grund af den fysiske hypotese, der er kendt som 'teorien om alt' - en teori, der kan forklare alle fysiske aspekter ved Universet.
»Det kunne tyde på, at de er en rest af en endnu mere forenet kraft, der vil manifestere sig ved langt højere energier. Det har fået fysikere til at spekulere i, at alle naturkræfter kan være forenet i én naturkraft og, sammen med alt stof, forenet i en samlet teori, der i sidste ende kan forklare alt i Universet,« siger Mads Toudal Frandsen.
»'Teorien om alt' er i virkeligheden en jagt på den ultimativt simple forklaring af Universets spilleregler. Det er et håb om, at der er en større orden i det hele, og på den måde er det naturvidenskabens svar på Feng Shui,« uddyber han.
Hvis man ser naturkræfterne som et stamtræ, er det altså idéen om, at alle naturkræfterne - ved meget højere energier - stammer fra den samme urmoder, men ved lavere energier deler sig til mere 'specialiserede' naturkræfter.
Det, Ørsted opdagede, var dengang den yderste forgrening af elektromagnetisme til elektricitet og magnetisme.
»'Teorien om alt' er stadig kun en teori, og i al ydmyghed vil jeg sige, at vi er langt fra at bevise den, hvis det overhovedet er muligt. Der er gode teorier, men vi kan ikke teste dem, fordi vi ikke kan nå op på de høje energier, det kræver,« forklarer Mads Toudal Frandsen.
Elektrosvag kraft kan måske forklare mørkt stof
Til gengæld ved vi, at den elektrosvage naturkraft deler sig i elektromagnetismen og den svage kernekraft på et tidspunkt, når vi skruer ned for energien i Universet eller i et eksperiment ved LHC igen.
Det sker ved en energi på 125-126 gigaelektronvolt (GeV), der netop kendetegner Higgs-partiklen, som blev opdaget på CERN i 2012.
Men - når alt kommer til alt - ved vi endnu ikke, om det kun er Higgs-partiklen, der forklarer, hvorfor elektromagnetismen forener sig med den svage kernekraft og bliver til den elektrosvage naturkraft, når vi skruer op for energien, og omvendt når vi skruer ned.
Og netop Higgs-partiklen kan måske være nøglen til at forstå, hvordan alt det mystiske mørke stof i Universet er opstået, siger Mads Toudal Frandsen:
»Når vi spørger, hvordan mørkt stof opstod, så viser det sig, at når den elektrosvage kraft bryder, så kan man skabe den rette mængde af mørkt stof. Vi sidder selv og arbejder med nogle modeller, der sandsynliggør dette,« forklarer han, og tilføjer, at det stadig ikke er bevist:
»Men det er faktisk lige akkurat et punkt, hvor teori og eksperiment møder hinanden i fysikken i øjeblikket. Det er et brandvarmt spørgsmål.«
Vi vil aldrig forstå elektromagnetismen til fulde
Og tænk engang, at den lille opdagelse, som Ørsted gjorde sig med en kompasnål og et lille stykke platintråd, skulle vække så mange spørgsmål i dag. Spørgsmål som vi nok aldrig vil forstå fuldstændig.
»Vi vil aldrig forstå elektromagnetismen til fulde,« lyder vurderingen i al fald fra Ulrik Uggerhøj:
»Men erfaringen viser, at forskningen er ligesom et puslespil: Hver gang vi lægger en brik, så ved vi, at der mangler tre mere,« tilføjer han
Men at vi ikke forstår ting, betyder ikke, at de ikke har værdi. Som den britiske fysiker Michael Faraday (1791-1867) svarede William Gladstone, det britiske medlem af parlamentet og senere premierminister, da han spurgte, hvad elektricitet egentlig er værd:
»En dag, hr., kan De beskatte det,« svarede Michael Faraday.
»Og det fik han jo ret i,« tilføjer Ulrik Uggerhøj.
\ Elektromagnetismen gav os lyset
Den skotske matematiker og fysiker, James Clerk Maxwell, fandt senere ud af, at lys i virkeligheden kan ses som en elektromagnetisk bølge.
»Hvis du flytter en ladet partikel ultra-hurtigt, udsendes der en lillebitte bølge af et magnetfelt og et elektrisk felt. Dette er elektromagnetisk stråling,« forklarer Søren Pape Møller.
Denne elektromagnetiske stråling er et andet ord for lys - både det lys, vi kan se med det blotte øje, men også det ‘lys’ eller den stråling, som vi kender som ultraviolet lys, gammastråling, radiobølger og så videre.
Alle disse ting fremkommer nemlig, når ladede partikler bevæger sig helt vildt hurtigt.
