Med Ramskov gennem videnskaben: Sådan fik al vores viden et sikkert fundament

Menneskeheden har altid søgt svar på det ukendte og det uforklarede. Det er denne drift, der til alle tider, men på lidt forskellig vis i forskellige kulturer, har givet os ny viden og indsigt og banet vej for kulturelle og teknologiske fremskridt.

For omkring fem hundrede år siden blev tempoet i videngenerering markant øget, da den moderne videnskabelige metode opstod.

Der var taget tilløb hertil noget tidligere. Det er dog af mindre betydning i denne forbindelse, så dén interessante historie må man læse andre steder.

Det afgørende er, at mennesker med den videnskabelige metode har fundet svar på mange af de spørgsmål, som de altid har stillet sig, og fundet nye løsninger på konkrete udfordringer, de har stået over for.

Det er en del af den videnskabelige metode, at man altid bør tvivle om alt, og denne tvivl er drivkraften i at udvikle endnu bedre forklaringer, som kan føre til nye og større fremskridt.

Det er let at mistolke dette, som om at når alt er til diskussion, så er der nok ikke noget, som er mere rigtigt end andet. Det er helt forkert. Den videnskabelige metode har vist, at der noget, som er sikkert og vist, og andet, som er det rene vås og overtro.

Det følgende er en beretning om, hvordan man fik skabt sikker viden om noget af det, som ikke umiddelbart kan sanses eller forklares.

Serien om "Sikkert og vist" kan også lyttes til i denne podcast, hvor Jens Ramskov fortæller om videnskabens historie.

DEL 1: Forandringerne

Hvor tidligere generationer måtte opfinde mere eller mindre fantasifulde skabelsesberetninger, så ved vi nu, at universet er 13,8 milliarder år gammelt, at Solen og Jorden er omkring 4,5 milliarder år gamle, at Solen vil brænde ud om yderligere 5 milliarder år, og at den i slutprocessen vil opsluge planeterne Merkur, Venus og måske endog Jorden.

Alle andre stjerner – nuværende og kommende – vil også dø ud på en eller anden vis. På et tidspunkt er der intet tilbage til at lyse universet op. Det hele ender som en kold, jævn og kedelig suppe af stråling.

At stjernehimlen – og dermed universet – ikke er statisk, opdagede Tycho Brahe, da han 11. november 1572 så en ny stjerne i stjernebilledet Cassiopeia. I dag ved vi, der var tale om en supernovaeksplosion, altså en stjernes sidste kraftige og kortvarige energiudladning, før den dør ud efter at have forbrugt alt sit brændstof.

Tycho gik derefter i gang med en imponerende og uhyre præcis kortlægning af stjernehimlen med brug af meget simple instrumenter. Hans data tillod bl.a. Johannes Kepler at udlede empiriske love for planeternes baner, som Isaac Newton senere kunne forklare og beskrive teoretisk.

En anden afgørende opdagelse kom, da Edwin Hubble i 1929 konstaterede, at andre galakser bevæger sig bort fra vores galakse Mælkevejen med en hastighed proportional med deres afstand fra Mælkevejen.

For knap 100 år siden stod det således lysende klart, at universet var enormt, og at det udvidede sig. Med teleskoper på Jorden og i rummet har vi lært universet at kende, som det ser ud i dag, og hvordan det så ud for milliarder af år siden.

Med det nye James Webb-teleskop vil vi opdage helt nye sider af det tidlige univers, hvor vi stadig har huller i vores viden. Men at det i det hele taget giver mening at tale om et tidligt univers forudsætter, at universet ikke har eksisteret i al evighed, men har en begyndelse. Og at det forholder sig sådan, blev opdaget nærmest ved en tilfældighed.

Da to amerikanske ingeniører i 1965 skulle afprøve et nyt system til radiokommunikation, opfangede deres antenne en underlig og generende form for støj, som de havde svært ved at forklare. Astronomer og fysikere kunne hjælpe, da signalet havde præcist den form og natur, som ville findes overalt i universet som en efterglød fra Big Bang – på et tidspunkt, da alt, vi kan observere, var samlet i et uhyre lille område.

På grund af universets udvidelse har det område af universet, vi kan observere, en radius på 46 mia. lysår. Alt dette var samlet inden for et område med en radius på omkring 20 cm – sådan cirka størrelsen på en fodbold – 10-35 sekunder efter Big Bang.

Vi har også et rimeligt godt bud på, hvordan det hele vil ende langt ude i fremtiden med et univers, der siges at ville afgå ved varmedøden eller måske rettere kuldedøden, for den samlede temperatur vil gradvist nærme sig det absolutte nulpunkt overalt.

På det tidspunkt vil forandringerne i universet og dermed tiden også ophøre – men ingen vil være tilbage til at observere det.

Jorden

At Jorden ikke altid har eksisteret, men er skabt, er indlysende for alle, uanset om de søger svaret i videnskaben eller religionen.

Ud fra oplysninger i Bibelen kom den irske biskop James Ussher i 1650 frem til, at Jorden blev skabt omkring kl. 18 den 22. oktober 4004 f.v.t. i henhold til den julianske kalender. Troende videnskabsmænd som Isaac Newton, Johannes Kepler m.fl. var overordnet set enige i den konklusion.

Det var nok i 1600-tallet erkendt, at Jorden var anderledes, end da den blev skabt – ikke mindst på grund af Syndfloden – men alderen var ikke til diskussion.

Forsøgene på at passe fossiler og geologiske lag ind i en tidsskala på kun 6.000 år var dog dømt til at fejle, så da verdens første geologiske selskab blev oprettet i London i 1807, var det den generelle videnskabelige overbevisning, at Jorden måtte have en anseelig alder. En af geologiens fædre, Charles Lyell, betragtede i begyndelsen af 1800-tallet ligefrem Jorden som værende uendelig gammel – i hvert fald flere hundrede millioner år.

Det mente en af 1800-tallets mest fremtrædende videnskabsmænd, Lord Kelvin, ikke.

Baseret på, hvor lang tid det ville tage for jordkloden at størkne fra den smeltetilstand, hvor den var dannet, kom han i 1863 frem til, at Jorden nok var omkring 100 mio. år gammel. Senere satte han endog det ned til 20 mio. år.

Med opdagelsen af radioaktivitet i de sidste år i 1800-tallet fik man en ny metode til at bestemme alderen af klipper på Jorden, og det viste, at Kelvin tog grueligt fejl.

I dag ved vi, at Jorden er 4.540 mio. år gammel plus/minus 50 mio. år. Den blev skabt ud af det materiale, som cirkulerede rundt om den nydannede sol, som gradvist samlede sig til større og større objekter.

Overfladetemperaturen nåede over 200 grader celsius, og atmosfæretrykket var enormt på den helt unge jordklode. Det var et sandt varmehelvede, hvorfor denne geologiske tid også er opkaldt efter dødsrigets gud Hades.

Siden har temperaturen på Jorden fluktueret vildt gennem dens lange historie. I perioder har iskapperne ved polerne været væk, til andre tider har hele Jordens overflade været dækket af sne og is. Den nuværende gennemsnitstemperatur på ca. 15 grader rummer mulighed for et vidt diversificeret liv. Den er vel næsten en paradisisk tilstand.

Jorden har eksisteret i mere end en tredjedel af universets levetid, men alt har en ende. Om yderligere 4-5 milliarder år vil Solen brænde ud, og forudsætningerne for liv vil forsvinde lang tid inden da.

Skulle Jorden overleve denne proces – det er noget usikkert – vil den blive til en stenklump, der roterer rundt om den udbrændte rest af Solen i mange, mange milliarder af år. Men selv det vil nok stoppe en dag, da Jorden grundet udsendelse af gravitationsbølger vil falde ind mod den tilbageværende rest af Solen.

Evolution

Menneskeheden har sat sig så tungt på Jorden, at vi måske står over for at skulle definere en ny geologisk periode kaldet Antropocæn.
At det er kommet så vidt, skyldes, at homo sapiens er blevet vinderen i livets store lotteri – evolutionsprocessen.

Der er dog ingen garanti for, at vi til evig tid vil stå øverst på sejrsskamlen. På den lange bane kommer vi nok til overgive magten til andre – måske til endnu mere intelligente væsener eller kunstige livsformer eller måske til de sikre overlevere: bakterierne.

Livet på Jorden er nærmest magisk i sine meget forskellige udtryksformer. Antallet af arter er enormt. I runde tal er der kendt og navngivet halvanden million arter, men det reelle antal er større, måske meget større. Man gætter almindeligvis på, at der findes omkring 5-10 millioner arter, men nogle byder ind med flere milliarder eller op til 1.000 milliarder.

Liv er fundet de mest usandsynlige steder på Jorden under helt ekstreme betingelser i form af varme, kulde, tryk, radioaktivitet mv. Det har desuden ændret sig og tilpasset sig enorme klimaforandringer og ændringer i atmosfærens indhold af oxygen.

De første levende organismer opstod kort efter Jordens dannelse for ca. 4,5 mia. år siden. Gradvist og langsomt udviklede de sig til nye arter.

Nogle forsvandt igen – der er mange døde grene på livets træ – men på et tidspunkt for omkring 3,5 mia. år siden i runde tal opstod en lille encellet organisme, vi i dag kalder LUCA for last universal common ancestor eller den sidste fælles forfader. Det er den organisme, hvorfra alt nuværende liv på Jorden nedstammer.

Arter kommer og forsvinder helt naturligt. Den naturlige artsdød er estimeret til at være omkring en pr. million år. Inden for den seneste halve milliard år har Jorden dog fem gange været udsat for masseudryddelser.

Den mest kendte indtraf ved slutningen af kridttiden for 65 mio. år siden, hvor et nedslag af en stor asteroide – og de enorme klimaforandringer, det medførte – var med til at give dødsstødet til dinosaurerne.
Ikke alle dinosaurer forsvandt dog for 65 mio. år siden. Nogle levede videre og blev forfædrene til de nuværende fuglearter, hvoraf der i dag er beskrevet godt 10.000, men også her er vurderingen, at det reelle antal er højere.

De første pattedyr dukkede op for flere hundrede millioner år siden, men først efter dinosaurernes tid blev de dominerende. I dag kendes omkring 5.500 arter; nogle er ganske unge.

Andre arter har endog mange år på bagen. Krokodiller og alligatorer har været på Jorden gennem mere end 250 mio. år, men har kun diversificeret sig til 23 arter.

Evolutionen blev sat på videnskabeligt sikkert grundlag af Charles Darwin og Arthur Russel Wallace i midten af 1800-tallet. Det var ikke en helt ny tanke på dette tidspunkt; andre havde spekuleret over det samme tidligere, men efter Darwin tårnede beviserne sig op.

Den i øvrigt stærkt religiøse genetiker Theodosius Dobzhansky formulerede det i 1973 på denne måde: »Intet i biologien giver mening, hvis det ikke ses i lyset af evolutionen«.

Forandringer og tid

Forandringer sker over tid, men hvad er egentlig tid for en størrelse?

Det har været diskuteret i århundreder – ja, årtusinder – først af filosoffer, siden af gejstlige, naturfilosoffer og fysikere. Om tid skrev Augustin af Hippo for 1.600 år siden:

»Hvis ingen spørger mig herom, ved jeg det. Men hvis jeg vil forklare det for nogen, ved jeg det ikke.«

Sådan har mange det stadig.

Cirka 700 år tidligere havde Aristoteles forklaret, at tid er bundet til forandring og bevægelse og ikke kan tænkes løsrevet fra forandringen.

Så snarere end at sige, at forandringer opstår over tid, er det måske mere korrekt at sige, at forandringer skaber tiden. Hvis eller når universet ender i en kuldedød, vil forandringerne og dermed tiden også ophøre.

I dag flyder tiden i en jævn strøm, men svaret på det banale spørgsmål om, hvor hurtigt tiden går, er det noget intetsigende: ét sekund i sekundet.

Det er dog velkendt, at vi ikke altid opfatter det på denne måde. Nogle gange går tiden hurtigt, andre gange langsomt.

Den amerikanske hjerneforsker David Eagleman har udført en lang række eksperimenter, hvor personer bl.a. er blevet udsat for skræmmende oplevelser som et frit fald. Alle forsøgspersoner overvurderede bagefter den tid, faldet rent faktisk tog.

David Eagleman mener, at sanserne under en skræmmende oplevelse arbejder på højtryk, og hjernen lagrer langt flere ting, end den gør under mere normale omstændigheder.

Når man bagefter tænker tilbage på en sindsoprivende situation, så føler man, at der er gået lang tid, fordi der ifølge hjernens opfattelse skete meget.

Den omvendte situation opstår, når man keder sig, eksempelvis under en lang flyrejse. I selve øjeblikket synes tiden at gå langsomt. Når man tænker tilbage, synes flyveturen derimod at have været kortere, end den var – for hjernen var på standby og lagrede ikke mange informationer.

Tid bliver mere mærkværdig, jo mere man tænker over den, men den er i hvert fald uundværlig, som Piet Hein formulerede det for mange år siden i et gruk:
‘Does time exist?
I gravely doubt it.
But gosh what should we do
without it.’

DEL 2: Fysikkens love

Når vi kan beskrive og forklare forandringerne i naturen og tekniske systemer, er det, fordi vi kender de grundlæggende naturlove.

Skal man udvælge et enkelt fysisk eksperiment, der viser vejen ud af oldtidens vildfarelser med en direkte linje til både Newton og Einstein, må det være Galileos eksperiment med to kugler, han efter sigende lod falde fra Det skæve tårn i Pisa.

For godt 2.300 år siden mente Aristoteles, at alle ting havde et naturligt sted, som de søgte hen mod. Derfor gik ild opad, og håndgribelige objekter faldt ned på jorden på sådan en måde, at tunge genstande ville falde hurtigere end lettere.

Omkring 1590 skulle Galileo have sat sig for at tilbagevise denne opfattelse ved at tage en lille kugle og en stor kanonkugle med op i det skæve tårn i Pisa og lade dem falde til jorden, så alle kunne se, at de landede på samme tidspunkt – i direkte modstrid med Aristoteles’ forklaring.

Den historiske dokumentation herfor er i bedste fald noget tvivlsom, men Galileo havde en simpel logisk forklaring på, at dette måtte forholde sig sådan. Han beskrev det nogenlunde på denne måde:

Antag, at du har en let og tung kugle, som falder med forskellig hastighed, og du binder dem sammen med snor. På den ene side vil den lette kugle nu bremse den tunge kugle i sit fald, så de to kugler tilsammen falder langsommere end den tunge kugle alene. På den anden side er de to sammenbundne kugler tungere end den tungeste kugle alene, og derfor burde de falde hurtigere. Det giver jo ingen mening.

Paradokset kan kun løses, hvis antagelsen om den forskellige hastighed opgives.

Trekvart århundrede senere i 1666 tog Newton Galileos forklaring til nye højder med sine tre bevægelseslove, som han i 1687 nedfældede i mesterværket Principia.

Det var ikke mindst Galileo, Isaac Newton havde tænkt på, da han på et tidspunkt forklarede:

»Hvis jeg har kunnet se længere end andre, er det kun, fordi jeg har stået på skuldrene af giganter.«

Newtons anden bevægelseslov – kraft er lig med masse gange acceleration – er den mest fundamentale, da den har den første og den tredje som særtilfælde.
I Newtons egen formulering lyder det sådan:

»Forandringen af bevægelsen er altid proportional med den påtrykte, bevægende kraft og sker i retningen af kraftens påtrykte retning.«

‘Bevægelsen’ betegner vi i dag impuls eller bevægelsesmængde.

Den helt afgørende indsigt ved Newtons anden lov er, at i systemer, som ikke er påvirket af en ydre kraft, er den samlede impuls uændret.

Der kan ske en overførsel af impuls mellem objekter. Det er bl.a. det forhold, som er med til drive en raket fremad eller opad. Sender man en lille masse bagud med meget høj fart (rakettens brændstof), vil raketten bevæge sig fremad, så rakettens impulsændring modsvarer brændstoffets impulsændring.

Newton formulerede også loven om den universelle tyngdekraft, som ifølge ham selv kom til ham, da han iagttog et æble falde ned fra et træ.

At det er den samme kraft, der får et æble til at falde til jorden, som holder Månen i dens bane om Jorden, var langtfra indlysende – at tyngdekraften kan påvirke lys endnu mindre. For både den anden lov og gravitationsloven vedrører jo objekter, der har masse og impuls, og lys består af fotoner uden masse.

Selv om Newton mente, at lys var partikler eller korpuskler med en meget lille, negligeabel masse, stod sammenhængen mellem lys og tyngdekraft dog ikke fuldstændigt klart for ham.
Værket ‘Opticks’ fra 1704 afsluttede Newton med en række spørgsmål, hvor det første lød:

»Vil legemer ikke påvirke lys på
afstand og afbøje dets stråler
ved deres handling?«

Den tyske fysiker Johann von Soldner tog det uafklarede spørgsmål op i 1801. Han beregnede, hvordan Newtons lys-korpuskler ville blive afbøjet, når de passerede forbi et tungt objekt som en stjerne. Det interessante var, at resultatet slet ikke afhang af korpusklernes masse, som jo ikke var kendt.

Da den engelske astronom Arthur Eddington i 1919 målte lysets afbøjning omkring Solen under en solformørkelse, fandt han en større afbøjning end beregnet med Soldners formel ud fra Newtons mekanik. Den målte størrelse var derimod forudsagt af Albert Einstein få år tidligere ud fra hans nye generelle relativitetsteori.

For at forstå, hvordan Einstein kom frem til denne teori, skal vi tilbage til det frie fald.

I 1905 havde Albert Einstein formuleret sin teori for elektrodynamikken for legemer i bevægelse, som vi nu kalder den specielle relativitetsteori.

En afgørende ting manglede i denne beskrivelse: tyngdekraften. Det skulle tage Einstein omkring 10 år, før han i efteråret 1915 fik sat punktum for en samlet generel relativitetsteori.
Men undervejs i denne proces, allerede i 1907, havde Einstein fået det, som han selv senere beskrev som den lykkeligste tanke i sit liv.

Hvad nu, hvis Galileo ikke havde droppet kuglerne fra Det skæve tårn, men selv var hoppet ud fra tårnet og dernæst havde droppet kuglerne.

I denne situation, forklarede Einstein, ville kuglerne være i hvile i forhold til Galileo, han ville slet ikke opleve noget tyngdefelt. Måske skal det for god ordens skyld nævnes, at Einstein ikke specifikt nævnte Galileo, men betragtede en vilkårlig observatør i et frit fald.

Dette tankeeksperiment videreudviklede Einstein til at omfatte en person, som befandt sig i en lukket kasse med forskellige fysikinstrumenter, men uden mulighed for at observere, hvad der skete uden for kassen.

Pointen er, at observatøren inde i kassen ikke på nogen måde havde mulighed for at bestemme, om vedkommende befandt sig i hvile på Jorden eller i en raket i det tomme rum med en acceleration med samme værdi som tyngdeaccelerationen på Jorden.

Dette såkaldte ækvivalensprincip har som konsekvens, at lys ikke følger rette baner i accelererede systemer eller i tyngdefelter.

Afbøjningen af lys i Solens tyngdefelt kan beregnes til at være dobbelt så stor, som den Soldner kunne beregne med Newtons love – og det var den, Arthur Eddington observerede.

Energi

Impulsbevarelse er som nævnt en direkte konsekvens af Newtons anden lov. Loven om energibevarelse kom først et par hundrede år senere.

Ordet energi kommer fra græsk energeia. Det blev brugt af Aristoteles som et filosofisk begreb i forbindelse med, at noget kan betragtes som værende en reel ting.

Den første brug af ordet ‘energy’ på engelsk finder vi hos altmulig-videnskabsmanden Thomas Young. Han definerede i 1807 energi som værende produktet af massen af et legeme og kvadratet på dets hastighed.

Men er det ikke kun kinetisk energi, og mangler der i øvrigt ikke en faktor ½ i denne definition, vil den begavede læser, der kan huske bare lidt af sin mekanikundervisning, sikkert spørge.

Jo, det er rigtigt nok, men formålet med denne definition – som Thomas Young i øvrigt havde overtaget direkte fra Gottfried Leibniz, der omkring 1689 på helt samme måde havde defineret et begreb, han kaldte vis viva (den levende kraft), er, at man kan bruge den i beregninger som en bevaret størrelse.

Thomas Young viste nemlig, at hvis to perfekt elastiske legemer støder sammen, vil den samlede energi være uændret. Og det er jo rigtigt, uanset om vi medtager en faktor ½ i definitionen eller ej.

Vi skal frem til 1850’erne, før Lord Kelvin og William Rankine definerer energi på samme måde, som vi gør i dag.

Det var Kelvin, som opfandt udtrykket kinetisk energi og definerede det som ½ mv², mens Rankine opfandt udtrykket potentiel energi og beskrev, at den totale energi for et system er bevaret. Den totale energi her forstået som summen af den kinetiske energi og den potentielle energi.

Men det interessante ved energi er jo, at det er meget mere end kinetisk energi og potentiel energi. Det er jo eksempelvis også varme, som bl.a. kan opstå ved gnidning eller friktion.

Både Ludvig August Colding, der var en af H.C. Ørsteds assistenter, tyskeren Julius Robert Mayer og englænderen James Prescott Joule udførte i 1840’erne uafhængigt af hinanden eksperimenter, der fik dem til at formulere den generelle lov om energiens bevarelse.

Energibegrebets styrke er, at det har kunnet udvides til at sammenfatte en lang række tilsyneladende meget forskellige forhold. Det kan være luftmolekylernes bevægelser, der giver os energi fra vind, energi i lyset fra Solen, energi, der kan frigives i forbindelse med kemiske reaktioner, elektrisk og magnetisk energi – ja, selv omdannelse af masse til energi (og omvendt).

Atomhypotesen

»Hvis al videnskabelig viden skulle blive ødelagt ved en eller anden katastrofe, og kun én sætning kunne gå videre til de næste generationer, hvilken ville så indeholde mest information med de færreste ord?«
Dette retoriske spørgsmål stillede en af de mest karismatiske og berømte fysikere i det 20. århundrede, Richard Feynman, i 1960’erne. Han gav selv dette svar:

»Jeg tror, det er atomhypotesen, at alle ting er lavet af atomer – små partikler, der bevæger sig rundt i evig bevægelse og tiltrækker hinanden, når de er lidt adskilt fra hinanden, men afskyr at blive presset ind i hinanden. I denne ene sætning er der en enorm mængde information om verden, hvis bare en lille fantasi og tænkning anvendes.«

Ordet atom stammer fra det græske ord atomos, der betyder udelelig.

Atomhypotesen er gammel. Den blev promoveret af Demokrit i det femte århundrede før vor tidsregning.

Den moderne atomteori opstod med John Dalton i begyndelsen af 1800-tallet. Han gik eksperimentelt og metodisk til værks og bragte atomhypotesen på mere sikker grund.

I 1808 anførte han bl.a., at en lang række eksperimenter med vand viste, at det bestod af små partikler (vi vil sige molekyler), der alle var ens.

Da Henry Cavendish allerede i 1766 havde opdaget og forklaret, at vand bestod af hydrogen og oxygen, måtte enhver partikel (atom) af hydrogen derfor også være identisk med alle andre partikler (atomer) af hydrogen, forklarede Dalton omhyggeligt.

Efter midten af 1800-tallet begyndte kemikerne at sætte de forskellige kendte grundstoffer i system. Det kulminerede i, at den russiske kemiker Dmitrij Mendelejev i 1869 lancerede det periodiske system.
Det var også på denne tid, man fik en præcis skelnen mellem atomer og molekyler.

James Clerk Maxwell forklarede ved en forelæsning i 1873:

»Et atom er noget, som ikke kan deles i to. Et molekyle er den mindste mulige størrelse af et bestemt stof.«

Den atomare doktrin, som Maxwell erklærede sig som tilhænger af, var dog på ingen måde accepteret af alle på dette tidspunkt.

Den østrigske fysiker Ernst Mach havde således så sent som i 1897 udtalt med stor overbevisning: »Jeg tror ikke på, at atomer eksisterer.«

En af Machs studerende forklarede i 1924, at Mach nok de sidste år af sit liv – han døde i 1916 – accepterede, at atomer var en god arbejdshypotese, men i bund og grund accepterede han ikke deres eksistens.

Men erkendelsen af, at alt består af atomer, er både rigtig og nyttig. Den er grundlaget for computerteknologi, kemisk industri, moderne lægemidler og meget, meget mere.

Hvordan atomer var opbygget, tænkte de færreste over i sidste halvdel af 1800-tallet. De var jo udelelige størrelser, så spørgsmålet gav jo næsten ingen mening.

Hvordan atomerne bandt sig sammen i molekyler var langt mere interessant. Men uden at kende atomets opbygning kan man ikke finde det rigtige svar på dét spørgsmål.

Det bedste bud på kemiske bindinger mellem to atomer i slutningen af 1800-tallet og begyndelsen af 1900-tallet var stadig en gammel tanke, som i dag forekommer helt latterlig, om, at atomer nok var udstyret med kroge og øjer, så de mekanisk kunne hæfte sig sammen.

I dag ved vi, at elektroner spiller en afgørende rolle i kemiske bindinger, men elektronen blev først opdaget i 1897 – som den første subatomare partikel, i øvrigt.

Dens opdager, J.J Thomson, var i 1904 også den første til at pege på, at elektroner kunne have betydning for kemiske bindinger, men først da Niels Bohr i 1913 formulerede sin atommodel, fik man grundlaget for at kunne forklare kemiske bindinger.

Uden atomer er der altså intet. Men hvor kommer atomerne egentlig fra? Det ved vi også i dag.

Inden for det første sekund efter Big Bang blev protoner og neutroner dannet ud af den subatomare ursuppe, som opstod ved selve Big Bang.

Efter tre-fire minutters forløb var betingelserne sådan, at nogle af de frie neutroner kunne binde sig til protoner og danne de mest simple atomkerner som deuterium, helium og tritium og en smule beryllium.
Efter et kvarters tid sluttede denne proces, og der blev ikke dannet flere eller tungere atomkerner.

Først omkring 380.000 år senere var de negative elektroner kommet så langt ned i hastighed og energi, at de ikke kunne undslippe den elektriske tiltrækningskraft fra de positive kerner. De første neutrale atomer opstod.

De tungere atomer er sidenhen dannet ved fusionsprocesser i stjerner, supernovaeksplosioner og ved sammenstød mellem neutronstjerner. De allertungeste atomer er kun dannet på kunstig vis i meget begrænset antal i laboratorieeksperimenter.

DEL 3: Komplekse systemer

Vi ved i dag, hvordan atomer og molekyler er opbygget, og hvordan de kan vekselvirke med hinanden.

Men skal man holde styr på alle detaljer som position og hastighed for hvert enkelt molekyle, bliver det helt umuligt at forklare, hvordan eksempelvis en dampmaskine virker, endsige at forklare, hvordan man skal optimere en sådan – som var en stor teknologisk udfordring i 1800-tallet.

Heldigvis behøver vi ikke at kere os om de enkelte molekylers præcise positioner og bevægelser i en gas for at udvikle eller forbedre en dampmaskine. Man kan nøjes med nogle få parametre som tryk og temperatur, der ikke giver nogen mening for de enkelte molekyler, men kun for en større samling.

Hvis man tænker bare en smule over det, er det ikke umiddelbart givet på forhånd, at verden på makroniveau kan beskrives med en række størrelser, som ingen mening har på mikroniveau, men som tilsyneladende dukker op ud af den blå luft, når få bliver til mange.

Daniel Bernoulli var i 1738 den første til at forklare, at gasser består af molekyler, der bevæger sig i alle retninger, og at gassens tryk opstår, når molekylerne rammer overfladerne, samt at den gennemsnitlige kinetiske energi bestemmer gassens temperatur.

De mere præcise termodynamiske love blev formuleret godt 100 år senere.

Den første termodynamiske lov er blot et andet udtryk for, at energien er konstant.

Den anden vedrører, hvordan et system vil udvikle sig over tid – hvor det populært sagt går fra orden til uorden beskrevet med en størrelse kaldet entropi.

Hvis Einsteins formel E = mc² er den mest kendte formel i fysik, så burde S = k logW være den næstmest kendte. Her er S entropien, og W er antallet af mikrotilstande, som en given makrotilstand kan dække over.

Makrotilstanden er givet ved tryk, temperatur, energi og lignende, mens en mikrotilstand beskriver hver enkelt partikels position og hastighed – den er altså meget mere kompliceret og detaljeret.

Samme makrotilstand kan dække over flere forskellige mikrotilstande. Hvis der er mange mikrotilstande for samme makrotilstand, har systemet en høj entropi, mens en makrotilstand, der kun dækker over få mikrotilstande, har lav entropi. Formlen S = k logW beskriver den præcise sammenhæng.

Termodynamikkens anden lov siger, at i et lukket system – som altså ikke tilføres energi – kan entropien aldrig falde. Det er det forhold, som giver tiden en retning.

Hælder vi mælk i en kop kaffe, vil mælk og kaffe med tiden blande sig, så vi får en jævn fordeling. Vi går fra en tilstand med lav entropi til en tilstand med høj entropi, hvor mælk og kaffe er blandet sammen og er i termisk ligevægt – vi vil aldrig se mælk og kaffe adskille sig af sig selv i en kaffekop.

Alt dødt materiale vil generelt søge hen mod at være i termisk ligevægt med sine omgivelser, hvor der ikke sker en nettovarmetransport til omgivelserne.

Liv er derimod karakteriseret ved at være systemer, der ikke er i termisk ligevægt med sine omgivelser. Det er ordnede systemer, som opretholder en lav entropi. Termodynamikken fortæller os, at levende organismer hele tiden skal tilføres energi for, at det er muligt.

Jordkloden modtager energi fra Solen. Når Jorden ikke bliver varmere og varmere, er det, fordi den samme energimængde genudstråles til universet – bortset fra en mikroskopisk lille del, som i disse år giver global opvarmning.

I forhold til resten af universet er Jorden karakteriseret ved lav entropi. Når vi kan opretholde denne lave entropi, er det, fordi Jorden modtager få energirige fotoner fra Solen (med lav bølgelængde) – en situation, der svarer til lav entropi – og udsender mange energisvage fotoner (med høj bølgelængde) til universet – en situation, der svarer til høj entropi.

Ud over at entropi er et nyttig termodynamisk begreb i tekniske beregninger, er det bogstaveligt talt også livsvigtigt.

Afrunding

En af menneskehedens største bedrifter er, at vi kan forstå fænomener langt ud over det, som direkte kan sanses og observeres – som universets begyndelse og udvikling og atomernes opbygning.

Et af de store problemer er, at i takt med en øget videnskabelig forståelse og teknologisk udvikling synes pseudovidenskab også at vinde frem. Men det er måske slet ikke nyt.

Den amerikanske humorist fra 1800-tallet Josh Billings er bl.a. kendt for følgende citat:

»The trouble with most folks isn’t so much their ignorance. It’s knowing
so many things that ain’t so.«

Den videnskabelige metode baseret på dataindsamling gennem eksperimenter og observationer, opstilling af hypoteser, afprøvning af deres rigtighed med hensyn til forudsigelser på nye eksperimenter og observationer og som konsekvens heraf udvikling af nye, bedre beskrivelser har vist sig uovertruffen til at skelne viden fra vås.

Derfor kan vi om en lang række løse, fantasifulde påstande med sikkerhed sige: It ain’t so – og om andet konstatere: Det er sikkert og vist!