Forskare vid Tekniska högskolan simulerar universum i en droppe helium
av Ragnhild Artimo Forum 1996-09, sida 46-47, 26.09.1996
BRavnhild Avtimo
Professor Matti Krusius (tb) och forskare Ville Ruuta vid TR [G femperaturlaboratorium demonstrerar den roterande kryostaten i vi supraftytande betium återskapat” fenomen so simulerar Big Bang.
KAN FENOMEN HOS SUPRAFLYTANDE HELIUM FÖRKLARA
VARFÖR MATERIEN I UNIVERSUM ÄR OJÄMNT FÖRDELAD begynnelsen var singulariteten. Och all blivande materie var packad till en punkt så liten att den inte hade någon storlek. Det var trångt, och väldigt hett då det kosmiska ägget exploderade, d.v.s. raskt tog i besittning mera utrymme. Det blev svalare och mer svängrum, men stökigt. Allt var en ogenomsynlig soppa som svalnade då den utvidgade sig, och bildade partiklar. När temperaturen var kring 3 000 kelvin tyckte sig några av dem höra ett muttrande: ”varde ljus”. I alla fall blev sikten med ens klar. och universum optiskt genomsynligt då partiklarna organiserat sig till atomer.
”Exakt vad som hände före det har vi bokstavligt talat inte sett”, säger professor Matti Krusius vid Tekniska högskolans (TKK) lågtemperaturlaboratorium. ”Och det är från den epoken världsalltets ickehomogena struktur härstammar”
Världsalltets hemlighetsfulla ungdom
Tidigare antog man att massan i rymden var någorlunda jämnt fördelad i alla riktningar, men det har visat sig att galaxerna är koncentrerade till galaxbälten, medan stora områden mellan dessa är fullständigt tomma, som hål i en jättelik schweizerost. En av astrofysikens utmaningar är bur dessa oregelbundenheter uppkommit.
Det universum vi kan observera -— nu allt bättre med Hubbleteleskopet — var, då det blev optiskt synligt, ungefär lika varmt som Solens yta idag, eller ca 3 000 K (kelvinskalan räknas från den absoluta nollpunkten, -2739C, 1 K är alltså -27290). I takt med universums utvidgning har dess temperatur sjunkit till nuvarande 3 K.
Vad har universums osthål som uppstått i oerhörd hetta att göra med fenomen i supraflytande helium i lågtemperaturlabbet i Otnäs?
Supratillstånd är resultatet av en fastransition
Jo: den fastransition där flytande helium blir supraftytande kan hjälpa oss att förstå fastransitionerna i universum långt förrän de atomer vi är gjorda av ens var påtänkta.
Det är heliumisotopen He som Matti Krusius och hans team ägnar sin energi åt i labbet som har köldvärldsrekord.Teamet har inkluderat professor Grigori Volovik, dr Wen Xu och dr Bernard Plagais samt forskare Ville Ruutu, vars doktorsavhandling NMR Experiments on Topological Defects in ”He superfluids har granskats senaste vecka.
Krusius understryker att de aktuella forskningsrönen har Flera fäder: Tom Kibble vid Imperial College i London och Wojciech Zurek vid Los Alamos National Laboratory har utvecklat teorier om topologiska defekter vid fastransitioner som en förklaring till världsalltets ickehomogena struktur, och TKK-teamet har kontinuerligt samarbetat med bla. Henri Godfrin och Juri Bunkov vid Centre National de la Recherche Scientifique i Grenoble, som också experimenterat med He. Ädelgasen helium, He, det rästlättaste grundämnet Cballonggas"), befinner sig i rumstemperatur i gastillstånd. Isotopen “He (där trean betecknar att atomkärnan har två protoner och en neutron) övergår till vätsketillstånd vid 3 K, och blir supraflytande nära absoluta nollpunkten, under 3 mK (millikelvin, tusendels K).
Supraftytande är ett tillstånd icke olikt supraledande. Båda till Men den kosmologiska schweizerosten formades redan förrän universum blev en ogenomtränglig fotonsoppa: en hypotes är att expansionshastigheten och temperaturerna fluktuerat och gett upphov till strukturella oregelbundenheter. Detta kallas inflationsteorin. En annan hypotes är att oregelbundenheterna uppstod genom en serie fastransitioner (tillståndsförändringar).
”Man vet väldigt litet om fastransitionerna i universums tidigaste utveckling, genom att teorierna om materiens och energins beteende i tillstånd av extrem täthet ännu är skissartade”, säger Krusius. ”Men paralleller kan dras till ett vardagligt fenomen: vatten som fryser till is. Om man har en värmeisolerad vattenfylld ballong och blåser upp den, svalnar vattnet då ballongen utvidgas, och fryser slutligen till is som inte är homogen, utan beroende på utvidgningshastigheten uppvisar oregelbundenheter hos iskristallerna absorption
Neutron- Hetzo stånden förutsätter en nedkylning av mediet till extremt låg temperatur. (Supra liksom super betyder över, längre än.) Ett supraledande ämne leder elektricitet utan motstånd. Då en vätska är supraflytande, elimineras all friktion iden. Rör man om i ett kärl med suprafluid fortsätter virveln (vortex) som uppstår att rotera i oändlighet, om den inte kolliderar med en annan virvel eller provkärlets vägg.
”Vårt experimentarbete har inriktats på studier av s.k. topologiska defekter i supraflytande “He vid absorption av termiska, långsamma” neutroner”
Babykosmos i kryostat
Heliumet är inneslutet i ett litet cylinderformat kärl, som i kryostaten nedkyls och bringas att rotera. Då en heliumkärna absorberar en neutron från neutronkällan inträffar en kärnreaktion, vid vilken frigörs energi sor joniserar he8 liumatomerna. Därefter rekombineras
Uppkomst av vortexringar
FORUM NR 9/9 elektronerna och ”He-jonerna tillbaka till ”Heatomer, varvid den omgivande supravätskan uppvärms.Resultatet är en cigarrformad ca 0,1 mm lång hetzon (se ritning!), inom vilken den supraflytande vätskan uppvärms till normaltillstånd. Då hetzonen svalnar, bildas en slumpmässig ”vortexspagetti”. De öglor i denna spagetti som är tillräckligt stora vid rådande rotationshastighet, börjar expandera. Då de vidrör provkärlets väggar, rätar de ut sig till raka vortexlinjer i rotationsaxelns riktning och dras mot kärlets mitt.
Kärnreaktionerna i det supraflyrande heliumet är mini-Big Bang-explosioner, och de topologiska avvikelser som uppstår under supratillståndet, vortexlinjerna, motsvarar rymdens kosmiska strängar: endimensionella jättetrådar av rymd-id nedfrysta efter fastransitioner i det tidiga universum. Dessa antas innehålla enorma mängder energi och skulle då ha stor gravitationseffekt och påverka bildandet och fördelningen av materie. Existensen av sådana strängar kunde förklara galaxers och galaxklusters ojimna spridning.
”Såhär kan man simulera Stora Smällen i mikroskala, och i extremt låga temperaturer studera processer som ägt rum i extremt höga temperaturer”, säger Ville Ruutu.
Alla vetenskapliga publikationers moder Nature publicerade dessa rön 25.7. The Economist 27.7 och Science 2.8
Analogier som vägvisare
Matti Krusius gör reflektionen att det inom fysiken finns få problem med exakta lösningar. Allt baserar sig på fenomen som man förstår och sedan tillämpas som analogier på de mest varierande problem. He är ett slags modellsystem, verktyg, i fysiken och kan användas att förklara ett brett spektrum olika fysikaliska fenomen.
”Supraflytande helium, där man genom nerkylning pressat samman gasatomerna så att de ändrar tillstånd, kan användas som analogi för andra kvantsystem, t.ex. den kvark-gluonplasma som före bildandet av kosmiska strängar fyllde världsalltet.1 dessa förhållanden befann sig materien i extremt hög temperatur och var så tätt packad, att atomkärnorna disintegrerats till sina byggstenar, kvarkar och gluoner — bärarna av den starka växelverkan som ’limmar’ ihop två kvarkar till en proton. Detta kvark-gluonsystem var också resultatet av en fastransition, som gav upphov till topologiska defekter, som i sin tur kan ha gett upphov till de icke-homogena strukturerna i universum Även om skal- och temperaturskillnaderna är enorma, är analogin betydelsefull, säger Krusius. Gemensam nämnare är att man i bägge fallen har ett homogent system, som genererar oregelbundenheter då förändringar i en symmetribrytande fastransition i ”verksamhetsmiljön” inträffar.
Ett nyskapat kosmos i en droppe suprahelium? Ja: en mycket förenklad version, Krusius väntar sig inte att se mikrogalaxer bildas i provkärlet. Det här är en fastransition under luppen. Det finns flera att undersöka. 9
FORUM NR 9/96
SPRÅKRÖRET
KOMPONENTER OCH GRUNDAMNEN
FORUMS SPRÅKBESSERWISSER TAR SIG AN MÅNADENS SKÖRD AV FRÅGOR
Rune Skogberg
Fråga: Hur definieras termen komponent? Är det så, att man bara kan tala om komponenter inom området elektronik - KL.. studerande Svar: Komponent definieras enligt Tekniska nomenklaturcentralen i Sverige helt enkelt som “del av system”. Komponenten kan vara stor eller liten, abstrakt eller konkret, enkel eller komplicerad — lite beroende på det system den ingår i.
Termen kan användas inom olika fackområden.
Fråga: Vad har krom, zink och wolfram för genus? - Kemistuderande Svar: Grundämnena är vanligen ett-ord. Men krom och zink en-ord. Formen kromet kan också förekomma.
Fråga: I kommunerna fungerar numera ett system som går ut på att största delen av de kommunala tjänsterna erbjuds på ett och samma ställe. På finska talar man om ybhden Inukun periaate. Fions det ett svenskt ord för det här - Kommunal översättare Svar: Ja. Systemet heter samservice. Den konkreta platsen där tjänsterna erbjuds kallas medborgarkontor (på finska äv. yhteispalvelupiste).
Fråga: Är handbojor och handklovar synonyma? - Eyvor Sandell, Vasa Svar: Ja. Båda betecknar det redskap som sätts kring handlederna på fångar o.dyl.
Fråga: Vad skall ”portsari’ eller ‘portsare’ kallas på svenska? Jag menar alltså de, ofta rätt ståtliga, män som står strax innanför krogdörren och håller utkik över alla oss som kommer och går.
- Handelsresande i H:fors Svar: I allmänsvenskan finns ord som dörr vakt och dörrvaktmästare för den här yrkesgruppen. På finska kan man tala om ovimies eller ovenvartija. Det mer vardagliga ovimikko går också.
Fråga: Kan man tala om balokarboner? Det ordet uppträder ett flertal gånger i en artikel som jag just har läst - Klans Svar: Det som avses i artikeln är helt uppenbart balogenerade kolföreningar ”Halokarbon” tycks användas i engelskan men går inte att använda i svenskan, eftersom karbon är en term som används inom geologin och har en helt annan betydelse.
Fråga: Säger man förste eller första vice ordförande när man talar om en kvinna? - Vid protokollet N.N. Svar: Förste. Böjningsformen hänger ihop med titeln. Det är bara om yrkesbeteckningen är ett entydigt feminint substantiv som man använder a-form: Bodil fick en tjänst som första servitris.
Här följer en kort repetition av reglerna för adjektivböjningen i svenskan, i fråga om personer.
Vid ett-ord får adjektivet alltid a-form: det italienska företaget, förra socialrådet Hilding Rosenström.
Vid en-ord är reglerna kanske inte lika klara. E-formen är i regel maskulin och aformen feminin. Om ett uttryck syftar allmänt på person utan att ange kön, kan man välja mellan a-form och e-form: den sista/siste eleven, den kloka/kloke konsumenten Osv.
När adjektivet står självständigt används e-formen vid syftning på man och oftast vid allmän syftning (ex. den rike har det lätt). €