Naturvidenskab
Læsetid: 8 min.

Når alt koges ned, findes der fire fundamentale naturkræfter. Fire!

Det er dem, der har ansvaret for al vekselvirkning i universet. De er årsagen til, at solen varmer dit ansigt, at vi har en atmosfære og et klima, og at du ikke, hvis du laver et lille hop, fortsætter ud i universet. Vi præsenterer naturens superkræfter én for en
Det er dem, der har ansvaret for al vekselvirkning i universet. De er årsagen til, at solen varmer dit ansigt, at vi har en atmosfære og et klima, og at du ikke, hvis du laver et lille hop, fortsætter ud i universet. Vi præsenterer naturens superkræfter én for en

Jesse Jacob

Moderne Tider
13. februar 2021

Tryk play, hvis du vil have artiklen oplæst.

I en verden, som indeholder alt fra jordbær til tattoveringer, plystæpper, asfalt, firserparykker, mælkeskum og hundefrisører er det mærkeligt at tænke på, at det hele, når alt kommer til alt, er underlagt de samme fire fundamentale naturkræfter. Og at de måske endda alle fire er udtryk for én og samme urkraft. Det sidste er en teori, der bliver spekuleret over i et forsøgsanlæg på grænsen mellem Frankrig og Schweiz, og som langt fra er bekræftet. Så indtil videre opererer vi stadig med disse fire kræfter, der også er nok til at tage pusten fra de fleste.

Tyngdekraften

Hvad er det? Du ved det måske ikke, men som du sidder der lige nu, måske ved morgenbordet, er du både fanget af tyngdekraften og selv en anelse tiltrækkende. Med din krop hiver du en lille smule i alt omkring dig, stolen og koppen med kaffe og den halvspiste mysli, og de hiver også en lillebitte smule i dig.

Eller faktisk vil den kvikke læser af naturvidenskabsserien vide, at det ikke er helt rigtigt: I sidste uge beskrev vi, hvordan Einstein fandt ud af, at tyngdekraften ikke trækker i ting, men at den er et resultat af rumtiden, der krummer omkring tunge legemer. Men selv om det er hundrede år siden, at Einstein udtænkte det, er det stadig nemmest at forstå tyngdekraften som en tiltrækning, så lad os fortsætte i det spor: Alle legemer hiver i hinanden med tyngdekraften – hvor meget afhænger af, hvor tunge de er. Og samtidig bliver de hevet ind mod jordens centrum. Hele tiden.

Hvad kendetegner den? Rejs dig op, lav et hop, og du eksperimenterer med tyngdekraften. Det er den, der gør, at du ikke fortsætter ud i rummet. Det er jo simpelt nok. Men faktisk er tyngdekraften den mærkeligste af de fire fundamentale naturkræfter. Alle de andre kræfter kan neutraliseres, men det gælder ikke tyngdekraften: Der findes, så vidt vi ved, ikke negativ masse. Det ville ellers være en effektiv slankekur.

Hvor styrer den? Tyngdekraften er kongen af universet. Det til trods for, at tyngdekraften af de fire kræfter er den absolut svageste. Faktisk er den nærmest uforståeligt svag. Du kan modsætte dig tyngdekraften fra hele Jorden, når du rækker ud og løfter din kaffekop. Og samtidig er den så kraftfuld, at den kan holde Jorden og planeterne i deres baner omkring solen, fordi den akkumulerer og akkumulerer og rækker uendeligt langt.

Hvad kommer den mig ved? Det er den, der giver dig jordforbindelsen. Men hvis du alligevel insisterer på at komme op i højden, for eksempel ved at bestige et bjerg, oplever du, at jo højere du når, des tyndere bliver luften. Det skyldes tyngdekraften: Der er flere luftmolekyler tæt på Jorden end højere oppe i atmosfæren. Og det er tyngdekraften, der gør, at vi overhovedet har en atmosfære – at vi har et klima. Ellers ville molekylerne bare fortsætte ud i rummet. Tyngdekraften er grundlæggende for vores liv her på Jorden.

Elektromagnetisme

Hvad er det? Alting består af atomer – af bittesmå, tætpakkede atomkerner af protoner og neutroner, og rundt om atomkernen cirkulerer elektroner i forskellige baner, lidt som planeter om Solen. Sådan kan vi forestille os det, selv om billedet er snotforkert – det kan du læse om i næste uge, hvor det skal handle om kvantefysikken. Men hvor det er tyngdekraften, der holder planeten på plads i sin bane omkring Solen, er det elektromagnetismen, der holder elektronen på plads omkring atomkernen. Protonerne er nemlig positive, og elektronerne negative, og eftersom plus og minus tiltrækker hinanden, forsvinder elektronen ikke væk fra kernen.

Mellem kernen og elektronen er der en masse tomrum. Altså virkelig meget. Forestil dig, at Kongens Nytorv er en atomkerne – så skal du til Paris for at finde elektronen.

Hvad kendetegner den? Elektromagnetismens effekt kan ophæves og er det stort set altid, når vi møder den. Der er en enorm ladning i hver eneste ting, du omgiver dig med – og i dig selv – men den er neutraliseret, fordi der i stabile atomer er lige meget positiv og negativ ladning. Hvilket er godt. Ellers ville der i princippet være dødelige kræfter overalt omkring dig.

Hvor styrer den? I atomer og mellem atomer. Det er faktisk på grund af elektromagnetisme, at du ikke går igennem gulvet, og nu bliver det flippet: Det, du ser som et gulv, er faktisk en samling af atomer. I og imellem atomerne er der som sagt masser af tomrum. Grunden til, at du ikke går igennem alt det tomrum, skyldes, at der mellem elektronerne i gulvets atomer og de elektroner, der fiser rundt om atomkernerne i dine fodsåler, er elektromagnetisk spænding. De frastøder hinanden. Nok til, at du bliver, hvor du er. Faktisk står du ikke – du svæver en lillebitte smule over gulvet på grund af elektronernes frastødning. Lidt ligesom de japanske højhastighedstog, der svæver over skinnerne, fordi de udnytter netop elektromagnetismen.

Hvad kommer den mig ved? For det første holder den dig svævende. For det andet skyldes helt utroligt meget omkring dig elektromagnetisme. Lys er elektromagnetiske bølger. Varme er. Lyset fra Solen er elektromagnetisk stråling, der rammer din hud og skaber energi i form af varme. Kemiske bindinger – alle molekyler – er bundet sammen af elektromagnetiske kræfter. Og så har vi slet ikke talt om, hvordan teknologien har udnyttet vores viden om elektromagnetisme til at skabe strøm og glødepærer og solcelleanlæg og vindmøller og alt muligt andet.

Den stærke kernekraft

Hvad er det? Nu skal vi i dybden. Helt ind i atomkernen. Atomkernen består af de positivt ladede protoner, men også af den type partikler, som hedder neutroner. De er elektromagnetisk neutrale – altså hverken positive eller negative. Helt tæt pakket ligger disse protoner og neutroner, og det er jo mærkeligt. Plus og plus burde frastøde hinanden. Det ville umuligt kunne være stabilt. Medmindre der er en anden kraft på spil inde i atomkernen, og det er der: den stærke kernekraft.

Hvad kendetegner den? Den stærke kernekraft er en tiltrækkende kraft inde i kernen. Den tiltrækker protoner og neutroner og holder dem tæt pakket i atomkernen. Det gør den igennem en ny type ladning. Altså hvor elektromagnetismen baserer sig på de elektriske ladninger plus og minus, baserer den stærke kernekraft sig på en helt anden type ladning, som vi kalder ’farve’. Det skyldes, at protonerne og neutronerne består af endnu mindre partikler, som vi kalder kvarker. Og nu kan vi altså ikke komme dybere ind.

Det er den stærke kernekraft, der holder disse kvarker sammen inden for den enkelte proton eller neutron, men også den kraft, som holder alle protonerne og neutronerne knyttet sammen i atomkernen, selv om elektromagnetismen forsøger at splitte dem ad.

Hvor styrer den? Inden for atomkernen, men også kun lige dér. Den stærke kernekraft er enormt stærk. Men den rækker kun lige præcis så langt, som en atomkerne er stor – og den er næsten ufatteligt lille. Faktisk er grundstoffer med store atomkerner, som er fyldt med masser af protoner og neutroner, ustabile af netop den grund: De er ved at være for store til, at den stærke kernekraft kan holde sammen på det hele.

Hvad kommer den mig ved? Uden den stærke kernekraft ville de atomer, som du og resten af verden består af, ikke være dannet i det tidlige univers eller være stabile i dag. Derudover bunder vor tids i princippet mest effektive (men risikofyldte) grønne energiudnyttelse, atomkraft, i vores kendskab til den stærke kernekraft. Splitter man atomkernen ad, falder den fra hinanden og bliver til andre grundstoffer med mindre kerner. Fission, kalder vi det, og den stråling, der udsendes under processen, er radioaktivitet. Det sker hele tiden spontant i naturen, men siden 1940’erne er det også sket ved menneskets spaltning af atomkerner og har ledt til udnyttelse af den energi, man kan høste via atomkraft. Og den destruktion, man opnår med atomvåben.

Den svage kernekraft

Hvad er det? Den svage kernekraft er radikal. Den kan forvandle en proton til en neutron eller omvendt, og det kan jo lyde som en petitesse, men det er omvæltende. Det er nemlig antallet af protoner i en atomkerne, der afgør, hvilket stof der er tale om: Hver gang der tilføres en proton, bliver stoffet til et nyt grundstof. Der er – groft sagt – én protons forskel på, om du har at gøre med jod, som er livsnødvendigt for os mennesker, eller med gassen xenon, som man bruger til at bedøve folk med.

Det er derfor voldsomt, når den svage kernekraft går ind og ændrer en neutron til en proton eller omvendt. Det kan fuldstændig ændre stoffets karakter.

Hvad kendetegner den? Den svage kernekraft er på ingen måder svag. Den er bare svagere end den stærke kernekraft, men stadig langt stærkere end tyngdekraften. Til gengæld er den kortrækkende.

Hvor styrer den? Nu skal vi helt ind til de allermindste byggesten: kvarkerne. Det er den stærke kernekraft, der binder kvarkerne sammen, men en kvark er ikke bare en kvark. Der findes seks forskellige typer med navne, der lyder som noget, du kan købe fra en pusher på dit lokale diskotek: Up-kvark, down-kvark, bottom, top, charm og strange. Det, den svage kernekraft gør, er, at den simpelthen ændrer kvarkernes identitet. Den kan gøre en up-kvark til en down-kvark eller omvendt, og det er dét, der i sidste ende har at gøre med, om vi har en proton eller en neutron.

Hvad kommer den mig ved? Helt utroligt meget. Selv om den svage kernekraft virker i det bittesmå, så er den på sin vis ansvarlig for al energi på Jorden. Inde i Solen, hvor der er så usandsynligt varmt, foregår der en masse processer, hvor de lette hydrogenatomkerner smelter sammen og bliver til grundstoffet helium. Det hedder fusion, og det er den svage kernekraft, der er årsag til det. Hver gang lette atomkerner smelter sammen inde i Solen, skabes der en masse energi, der kommer ud som elektromagnetisk stråling, som rammer Jorden og dit ansigt og alt omkring os og bliver til varme.

Eller sagt med den helt tunge metaforik: Mens vi kan takke tyngdekraften for, at vi har et bål som solen 150 millioner kilometer væk til at varme os, og elektromagnetismen for at føre varmen hertil, så er brændet – i form af atomkernerne – leveret af den stærke kernekraft, og optændingen af den svage.

Bonus

På grænsen mellem Schweiz og Frankrig står en maskine i forsøgsanlægget CERN, der kan skrue energiniveauerne næsten op til Big Bang-niveau. Og når man gør det, viser det sig, at elektromagnetismen og den svage kernekraft smelter sammen til at være én og samme kraft. På en måde minder det om dengang, H.C. Ørsted opdagede, at elektricitet og magnetisme var to udtryk for den samme kraft: elektromagnetismen. Noget tyder på, at det samme også gør sig gældende med den stærke kernekraft, og det har sat jagten i gang på beviser for, at vi slet ikke har fire naturkræfter, men måske i virkeligheden bare én og samme urkraft. Hvis dét lykkes, vil H.C. Ørsted, den gamle naturfilosof, nok klappe i sine skelethænder.

Kilder: Mads Toudal Frandsen, Partikelfysiker ved Syddansk Universitet, og Bill Bryson: ’En kort historie om næsten alt’.

 

Serie

Vi fortæller naturvidenskaben forfra

Naturvidenskaben er en nøgle til at forstå vor tids største udfordringer, fra corona- til klimakrisen, og dens historie er fyldt med fortællinger om usandsynlige gennembrud, vilde fejlskud og store erkendelser.

I denne serie ser vi året igennem på verden med videnskabens øjne for at forstå naturens komplicerede sammenhænge, og hvordan de former vores liv.

Hele serien findes også som oplæste artikler – du kan høre dem ved at klikke på afspilleren inde i selve artiklen.

Serien er støttet af Carlsbergfondet.

Seneste artikler

  • Vi ved, at hjernen er en vidunderlig maskine, men vi kan ikke finde manualen

    25. september 2021
    Hjernen er kroppens mest gådefulde organ, der både kan forklares kemisk og elektrisk, som et landkort og som et netværk, som en helhed og som enkeltdele – men vi mangler stadig en samlet forståelse af, hvordan den fungerer. Efter 350 års udforskning gør vi status over et meget stort mysterium
  • Du bliver hele tiden tændt og slukket – det hedder epigenetik, og uden det var du død

    18. september 2021
    Menneskets grundopskrift finder vi i dna’et. Men dna er ikke nok i sig selv – for at livet skal kunne udvikles i al sin variation, kræver det et styresystem. Noget, der sørger for, at de rigtige gener tændes og slukkes på de rigtige tidspunkter. Epigenetik, kalder man det, og da man for omtrent 25 år siden opdagede, hvor komplekst og dynamisk det er, fik forskerne virkelig travlt
  • Sådan ser det ud, når to videnskaber ryger i totterne på hinanden over lidt gammelt dna

    11. september 2021
    For et årti siden begyndte genetikere at trække fortids-dna ud af gamle knogler og komme med bombastiske konklusioner om menneskets forhistorie. Imens stod arkæologerne på sidelinjen og så, hvordan deres kundskab blev verfet til side. To meget forskellige videnskaber var på kollisionskurs
Følg disse emner på mail

Vores abonnenter kalder os kritisk,
seriøs og troværdig.

Få ubegrænset adgang med et digitalt abonnement.
Prøv en måned gratis.

Prøv nu

Er du abonnent? Log ind her

Søren Kristensen

Både instruktivt og morsomt, men grøn risikofyldt atomkraft? Jeg synes vi skal reservere grøn til alt det der ikke forurener, hverken nu eller i fremtiden. Vi taler jo heller ikke om grønt rumskrot, selv om det måske er producerret bæredygtigt, før det blev sluppet ud i rummet.

Jeppe Lindholm

Det kunne jo være smart, hvis mennesket fik fuld kontrol over atomer. En ægte 3D printer baseret på atom niveau og alt kan fremstilles uden at det går ud over de naturlige ressourcer på jorden. En okse filet uden CO2 aftryk f.eks.. Direkte hjemme i husets 3D reblikator med indstillinger til rå, medium eller welldone.

Og affald? Det eksisterer ikke mere. Det opløses bare i atomer.

- Drawbacks med en sådan teknologi? Uha uha, dem tør jeg slet ikke tænke på.

Klaus Brusgaard

Der er vel minimum 24 elementarpartikler plus Higgs o.a. Og er tomrummet ikke bare noget i de 9 + 1 dimension vi (heller) ikke kan måle/forstå?

Anders Sørensen

Der er mange bittesmå ting, der holder verden sammen, hvilket også er, hvorfor konspirationsteoretikere har ret i deres antagelse om, at der blot skal små ting til at få verden til at bryde sammen. En forkert vaccine, fx.

En enkelt vaccine kan få tyngdekraften til at forsvinde, hvis den er kraftfuld nok.

Jeppe Lindholm

Det er vist over 100 år siden fundamentet blev skabt for de fire grundelementer og teorien om, at de danner én fælles urkraft. Og det gør de jo nok, da ALT kommer fra Big Bang. Og intet andet. Så simpel er det.

Nu venter vi så bare et antal milliarder af år før Big Implosion, som øjeblikkelig medfører det næste Big Bang. And so on.