Eksperimentelt oppsett

Utstyret som trengs for å frembringe ES er vist i det datamaskingenererte bildet nedenfor.

Det ene sentrale elementet i dette oppsettet er glasskolben. Denne fylles med vann som tilføres en liten mengde edelgass. Man kan også blande inn visse andre gasser, men det er enklest å få til ES med en av edelgassene.

Det andre sentrale elementet i eksperimentet er hvordan lyd sendes inn i vann- og gassblandingen i kolben. Dette gjøres ved at et antall tranducere (små “høytalere”) limes til kolben (de to hvite “klossene” på glasskolben i bildet ovenfor).

Transducerne er koblet videre til en tonegenerator (apparatet under kolben). Dette er et apparat som kan lage en tone med en helt bestemt frekvens.

Veiledning i detalj

Det finnes flere veiledninger som i detalj tar for seg hvordan man rent praktisk rigger opp og gjennomfører eksperimentet.

Den mest kjente er artikkelen av S. Putterman som stod i “Amatuer scientist” delen av tidsskriftet Scientific American i februar 1995. Det var denne artikkelen som gjorde ES berømt. Dette er en veldig bra artikkel. Den mangler imidlertid en del praktiske detaljer for at man skal kunne bruke den som en oppskrift på hvordan man selv kan utføre eksperimentet.

En slik finner du imidlertid på dette nettstedet.

Her finner du en svært detaljert veiledning i hvordan man forbereder eksperimentet. Ved hjelp av disse to artiklene burde de fleste interesserte kunne frambringe ES selv. Vi skal derfor ikke her gå videre inn på de praktiske detaljene knyttet til forberedelsene til eksperimentet.

Eksperimentet

Selve eksperimentet består i at man slår på tonegeneratoren slik at denne lager en lyd med en bestemt frekvens og et bestemt volum. Hva skjer så?

Før man setter på lyden vil det være mange bobler med edelgass i vannet i kolben. Når lyden skrus på vil flesteparten av boblene gå i oppløsning - de “slås” ganske enkelt i stykker av lydbølgene i vannet.

Er man heldig vil en boble bli dyttet av lydbølgene til sentrum av kolben. Her møtes lyden fra transducerne. Det vil være mest lydenergi i dette området. Etter hvert vil denne boblen begynne å endre radius. Dette er vist i slow-motion i animasjonen nedenfor.

(Animasjonen startes ved at man klikker på den svarte knappen nederst i venstre hjørne. Den blir satt i en pauseposisjon når man klikker på den svarte knappen igjen.)

Trykkforholdene endrer seg

Animasjonen viser en mekanisk trykkmåler som vi tenker oss er senket ned i glasskolben. Når lyd sendes inn i glasskolben vil trykkforholdene i vannet endre seg i takt med lyden. Trykket i vannet avleses fortløpende på trykkmåleren. Siden kolben er liten, og lyden beveger seg hurtig, vil trykket endre seg tilnærmelsesvis like mye i hele kolben samtidig.

Viseren i trykkmåleren kan pendle mellom lavtrykk (L) og høytrykk (H). Den lyseblå sfæren på venstre side av trykkmåleren er gassboblen.

Legg merke til at måleren står på lavtrykk når animasjonen starter. Legg også merke til at gassboblen da er forholdsvis liten. Etter at animasjonen starter øker trykket og boblen vil ese til den er mange ganger større enn sin opprinnelige størrelse.

Lysglimt når boblen kollapser

Boblen når sin maksimale størrelse når trykket igjen faller til et minimum. Når trykket igjen stiger vil boblen plutselig kollapse og få en svært liten radius. Da vil den utløse et lysglimt. Dette glimtet er etterfulgt av en periode hvor bobleradien oscillerer hurtig. Boblen er da fortsatt liten. Samtidig endrer vanntrykket seg fra lavt til høyt, og så fra høyt til lavt. Når trykket igjen øker vil boblen ese og bli stor, og så videre.

Bobler vokser når trykket øker

Legg merke til at boblen vokser i omfang når trykket i vannet øker! Dette er underlig. Som en analogi kan vi forestille oss at vi holder en liten soft-ball i hånden. Når vi skviser ballen, altså øker trykket på ballen, vil ballen bli mindre. Det er det omvendte som skjer med gassboblen.

I virkeligheten kollapser en gassboble fra en tilstand med størst radius til en tilstand med minst radius i løpet av 100 picosekunder (ett picosekund er en tusenedels milliardedels sekund). Dette er mye raskere enn hva de fleste kameraer kan registrere. Siden alt skjer svært hurtig vil det se ut som om boblen kontinuerlig sender ut lys.

Det er også interessant å registrere at ES er et svært stabilt fenomen. Det har vært utført eksperimenter hvor en boble har lyst uavbrutt i flere måneder. Ingen vet hvor lenge en boble kan lyse, eller om det i det hele tatt finnes en grense.

Hva skjer?

Det som volder fysikere og ingeniører hodebry, og som er gåten mange forsøker å løse, er hva er det i gassboblen som gjør at den lyser?

ES er knyttet til en gassboble i voldsomme svingninger. Det er nærliggende å tenke seg at boblen lyser fordi gassatomene i boblen kolliderer, og at det blåhvite lyset derfor kan tenkes som en slags “gnist”.

Et nærliggende fenomen kjenner vi fra kjøreledningene over trikker og tog. Av og til, og særlig om vinteren, kan vi se blå- og grønnhvite gnister mellom kjøreledninger og tog. Disse gnistene forårsakes av at toget innfører et sterkt elektrisk felt i lufta mellom kjøreledningen og toget. Feltet får en del av atomene til å endre energitilstander. Noen av elektronene som er knyttet til et atom endrer plutselig “baner”. Deretter “hopper” de tilbake til sine opprinnelige “baner” omkring atomkjernen. I denne prosessen sendes det ut korte lysglimt. Når svært mange atomer gjennomgår denne prosessen i et kort tidsrom vil vi se gnister.

Som gnister fra et tog

Å sammenligne ES med gnister i forbindelse med togdrift er interessant, men når man ser ES i et virkelig eksperiment vil man bli slått av hvor lik den lysende boblen er en stjerne. Kan ES forklares ved de samme prosessene som får sola til å lyse? Sola lyser ved en kombinasjon av flere ulike prosesser. En prosess er den vi brukte til å forstå gnisten fra et tog. En annen er at frie elektroner endrer hastighet og retning (elektronene akselereres). Når dette skjer vil elektronene gi opphav til stråling. En tredje prosess, som er den viktigste, er sammensmelting av atomkjerner - fusjon.

Legg merke til at både lyset fra toget og deler av lyset fra sola frembringes ved at det “flyttes på” elektroner. Når vi gjør målinger av deler av lyset fra sola kan vi få et spektrum som det i figuren under.

Vi ser at spektret over har svarte linjer. Disse kalles absorpsjonslinjer. Disse forårsakes av atomer som absorberer (“spiser opp”) lys med bestemte frekvenser.

De fargede områdene representerer lys som forårsakes av frie elektroner som akselereres, og fusjonsprosesser. Spektret fra en gassboble i et ES-eksperiment likner på spektret fra sola hvor fargene har en annen fordeling. Et slikt spektrum mangler imidlertid de svarte stripene man ser i solspektret. Dette forteller oss at lyset fra en gassboble ikke kan knyttes til at elektronene som er bundet til edelgassatom skifter energinivåer.

Ikke lavere enn 10 000 grader

Temperaturen på overflaten til sola bestemmes utfra solspektret. Siden spektret fra sola likner på spektret i ES-eksperimentet kan man være fristet til å bruke den samme metoden til å tillegge en lysende gassboble en temperatur. Det viser seg da at denne temperaturen ikke kan være særlig lavere enn 10 000 grader. Noen forskere hevder til og med at den kan være så høy som 15 000 000 grader!

Slike temperaturer vil kunne føre til sammensmelting av atomkjerner i gassboblen - fusjon! Det er fusjonsprosesser som har hovedansvaret for energiproduksjonen i sola. En hydrogen-bombe baserer seg også på fusjonsprosesser. Kan det være mulig at hvem som helst kan frembringe slike prosesser med så enkelt utstyr? Mange har, naturlig nok, store vanskeligheter med å ta denne muligheten helt alvorlig.

Planck-spekter

Spektret man får i et ES-eksperiment, eller fra en fjern stjerne, kan tilpasses et såkalt Planck-spekter. Et slikt spekter avhenger bare av strålekildens temperatur. Uansett kildens temperatur har kurven som beskriver spektret samme form. Dette gjør at det til et gitt Planck-spekter altid kan tillegges en temperatur.

Man gjør slik: Ved hjelp av passende apparatur fremskaffer for eksempel en astronom spektret til en stjerne. Denne kan være milliarder av lysår (ett lysår er strekningen et lysglimt tilbakelegger i løpet av ett år) fra jorda. Hun finner så fra spektret den bølgelengden (som vi kaller L), eller frekvensen, som bærer den største energien, og finner så stjernens temperatur (som vi kaller T) fra formelen

T­b/L

Tallet b er gitt ved b~ 2.8978 * 10^(-3) mK. Denne formelen kalles for Wien’s forskyvningslov. I det virtuelle eksperimentet nedenfor kan du se hvordan Planck-spektret endres når temperaturen på strålekilden endres.

Etter at eksperimentet er lastet ned blir man presentert med et bilde av et koordinatsystem. Den horisontale aksen representerer frekvensene på strålingen som måles. Den vertikale aksen er energien på den målte strålingen slik den fordeler seg på de ulike frekvensene.

Vi tenker oss at temperaturen er null til å begynne med. Derfor ligger det en del grå kuler parallelt med den horisontale aksen. Dette indikerer at det ikke måles noen stråling. Temperaturen heves betydelig når man klikker på knappen med et + tegn øverst til høyre. Derfra kan man så enten senke temperaturen ved å klikke på knappen med - tegnet, eller så kan man heve den ytterligere. De grå kulene beskriver nå et Planck-spektrum. Legg merke til at spektret hele tiden kan sies å ha den samme formen uansett hvilken temperatur vi velger.

Mer energi når temperaturen stiger

Arealet mellom kurven og den gule horisontale aksen er et uttrykk for den totale energien som kilden stråler ut. Når vi hever temperaturen øker dette arealet. Stadig mer energi stråles ut når temperaturen stiger. Spektret har en tydelig topp. Dette betyr at kilden stråler ut mest energi på den tilhørende frekvensen. Frekvensene som ligger tett opp til denne spesielle frekvensen vil derfor karakterisere kildens utseende.

Ser for eksempel kilden rød ut vet vi at toppen på spektret svarer til frekvensen på rødt lys. Rødlig lys har lavere frekvenser enn for eksempel blålig lys. Når vi hever temperaturen ser vi at toppen av spektret i eksperimentet beveger seg mot høyre, mot høyere frekvenser.

Hvis vi tenker oss at eksperimentet starter med spektret til en rødlig kilde vil kilden bli stadig blåere jo høyere temperaturen blir. En blå stjerne er altså varmere enn en rød stjerne.

Frie elektroner inne i gassboblen?

Kan vi forklare lyset i ES-eksperimentet ved at frie elektroner akselereres? Denne muligheten forutsetter at det finnes frie elektroner inne i gassboblen. Finnes slike?

Det spesielle med ES er at man lettest får til eksperimentet når man har å gjøre med edelgassatomer. I det periodiske systemet svarer dette til de atomene som har fulle elektronskall. Disse atomene er det vanskelig å få til å reagere med andre atomer slik at nye forbindelser kan formes.

Elektroner som “sitter fast”

Elektronene “sitter fast” i atomstrukturen. Dette betyr også at det kreves mye energi for å rive løs et elektron fra et edelgassatom. Det er i mange sammenhenger mulig å tenke på et edelgassatom som en hard kule. Hardheten gjør at når to atomer kolliderer så skjer ikke annet enn at de endrer bevegelsesretninger, akkurat som når to billiardkuler treffer hverandre.

Rundheten til edelgassatomene gjør at det ikke er mulig å sette et slikt atom i rotasjonsbevegelse. Hadde dette vært mulig ville et slikt atom sendt ut spesiell stråling som ville dukke opp i spektret fra en gassboble. Dette skjer øyensynlig ikke. Dette er en mulig indikasjon på at edelgassatomene hele tiden er intakte inne i boblen. Hva om det allikevel er frie elektroner inne i boblen?

Bremsestråling

Akkurat som i sola vil frie elektroner gi opphav til såkalt bremsestråling fordi elektronene ofte vil endre hastigheter og bevegelsesretninger. Detaljerte beregninger indikerer imidlertid at spektret som slike elektroner ville gi opphav til ikke ville likne på det spektret man ser i et ES-eksperiment. Frie elektroner kan med andre ord heller ikke alene forklare det observerte spektret. Gåten knyttet til hva som skjer i en gassboble i et ES-eksperiment synes fortsatt uløst.

Eksotisk fysikk

Det er en egenskap ved spektret fra et ES-eksperiment som har ledet mange forskere til å spekulere i om det er betydelig mer “eksotisk” fysikk involvert når en gassboble lyser enn de mulighetene vi har nevnt så langt. Vi har merket oss at spektret fra en boble i en viss forstand er perfekt siden det mangler absorpsjonslinjer eller andre “defekter”.

Siden spektret har en helt bestemt form kaller vi spektret for et perfekt termisk spektrum. Virkelige systemer som gir opphav til termiske spektra kan tillegges temperatur. I virkeligheten måler man sjelden et perfekt termisk spektrum. Det vil være defekter i spektret slik som for eksempel de svarte stripene i spektret fra sola.

Rekonstruksjon av et spektrum

Defektene forteller oss hvordan systemet er bygget opp (blant annet om hvilke typer atomer det er bygget opp av). Hvis vi for eksempel setter fyr på et leksikon kan vi også måle et termisk spektrum. Rent prinsipielt er det mulig å rekonstruere innholdet (skrift- og bildeinnholdet) i leksikonet utfra den informasjonen som ligger i defektene i spektret. Et perfekt termisk spekter forteller oss at det vi studerer, eller en del av det, har en helt spesiell oppbygging som i en hvis forstand mangler struktur. Et slikt spektrum kan sies å være strukturløst. Hva er det i en gassboble som mangler struktur?

Tomrom

Edelgassatomene har helt klart strukturer som ville gi opphav til defekter i spektret hvis de er involverte. Hva annet finnes det i en gassboble? Det vil også finnes noen andre typer atomer, slik som hydrogen, i små mengder. De fleste vil si at det da ikke er noe mer. Ved litt ettertanke husker vi imidlertid på at det er noe mellom atomene. Dette er tomrom hvor det øyensynlig ikke er noe bortsett fra ren avstand. Dette kan høres trivielt ut, men tomrom er noe av det mest spennende man kan studere i fysikk. La oss se på mulighetene for at slike tomrom kan løse ES-gåten!

Vakuum

Absolutt tomt rom finnes ikke. Tenk deg at du fjerner alt fra et gitt volum. Du fjerner alle gjenstander, du pumper ut all lufta og du skjermer volumet for lys. Vi har da et vakuum inne i volumet. Volumet er allikevel ikke tomt! Tenk deg at vi fører inn en sonde i volumet som kan registrere all slags aktivitet. Man forventer at sonden ikke registrerer noe. Hvis sonden er innstilt slik at tiden mellom hver registrering er relativt stor (et stort tidsintervall) er dette riktig. Men hvis vi lar tidsintervallet bli stadig mindre vil sonden gradvis rapportere om økende aktivitet!

Anta at sonden registrerer lys. Siden vi skjermer volumet for lys vil ikke sonden registrere lysaktivitet når tidsintervallet mellom hver registrering er stort. Dette er det samme som et øye vil registrere. Når intervallet blir tilstrekkelig lite vil sonden imidlertid rapportere om korte lysglimt inne i volumet. Glimtene blir stadig flere og mer intense jo kortere tidsintervallet er.

Små pakker av lys

Disse glimtene er små pakker av lys, lyskvanter (fotoner), som plutselig skapes i tomrommet. Så snart de er blitt til forsvinner de igjen. Det er ingenting som forårsaker tilblivelsen av et foton, eller at det forsvinner. Vi må si at “det bare er sånn” uten at det er mulig å tillegge disse virkningene noen årsaker. Fotoner som plutselig oppstår og forsvinner kalles virtuelle fotoner. Et annet ord for “virtuell” kan være “uegentlig”.

Et foton er en elementærpartikkel. Et elektron er et eksempel på en annen elementærpartikkel. Hadde vi stilt sonden inn på å rapportere om elektronene inne i det “tomme” volumet ville vi fått rapporter av samme typen som da sonden registrerte fotoner. Slik vil det forholde seg med alle typer elementærpartikler.

Et tomt rom er ikke tomt

La oss se på en annen virkning av at det vi kaller tomt rom ikke er tomt allikevel. Tenk deg at det plasseres to metallplater veldig nær hverandre slik at de er parallelle i volumet. Metallplatene kan for eksempel være tynne folier av gull som er plassert omtrent en tusendels millimeter fra hverandre. Tenk deg videre at de plasseres i det tomme volumet vi diskuterte egenskapene til ovenfor. Vi tenker oss at sonden fortsatt er i volumet, og vi antar at den bare måler egenskapene til de virtuelle fotonene.

Sonden kan plasseres på to forskjellige måter i forhold til gullfoliene. Den kan plasseres mellom platene, eller den kan plasseres utenfor platene. Når sonden plasseres utenfor vil den registrere omtrent den samme foton-aktiviteten som da det ikke var noen plater i volumet. Plasseres derimot sonden mellom platene vil den registrere en annen foton-aktivitet. Påvirker denne forskjellen i foton-aktiviteten gullfoliene? Det vil den.

Det interessante er at forskjellen i foton-aktiviteten uten og mellom foliene fører til at gullfoliene tiltrekker hverandre. For det menneskelige øyet ser det ut som om det er to gullfolier i et tomt rom som tiltrekker hverandre uten at det er mulig å påvise noen forbindelse mellom dem! Det viser seg også at jo nærmere foliene er hverandre desto sterkere vil tiltrekningskraften mellom dem være.

Kinetisk energi

Ser vi bort fra tyngdekraften og friksjon vil foliene etter hvert opparbeide økende hastigheter. Til slutt vil de kollidere. Dette er interessant. Det betyr at vi kan starte med to folier i ro, og ende opp med folier som beveger seg, som har bevegelsesenergi (kinetisk energi).

Vi tolker det slik at platenes kinetisk energier er hentet fra et energireservoar i rommet mellom foliene. Rommet mellom gullfoliene er en energibærer. At foliene øker sin kinetiske energi jo nærmere de kommer hverandre betyr at det da er stadig større mengder energi som kan trekkes ut av rommet. Når avstanden mellom foliene er liten vil energien i vakuumet være stor i forhold til når avstanden er større. Kan dette benyttes til å forstå ES?

Mellom atomene i en gass er det vakuum. Akkurat som egenskapene til vakuumet mellom gullfoliene avhenger av avstanden mellom foliene vil egenskapene til vakuumet mellom atomene i en gassboble avhenge av avstanden mellom atomene.

Endret vakuumenergi

En stor atomtetthet fører til en endret vakuumenergi i forhold til når tettheten er mindre. Når gassboblen har en konstant størrelse vil det hele tiden skapes og tilintetgjøres virtuelle fotoner mellom gassatomene. Det er som om et slikt foton eksisterer en kort stund på lånt energi, men at dette lånet må betales tilbake raskt.

Den eneste måten dette kan gjøres på er at fotonet opphører å eksistere. Når en gassboble begynner å kollapse endres dette bildet. Atomene vil endre egenskapene til vakuumet når de beveger seg mot hverandre. Når et virtuelt foton skapes under slike forhold vil det virtuelle fotonet ikke nødvendigvis måtte bli tilintetgjort. Det kan bli “forfremmet” til et virkelig foton som kan unnslippe gassboblen.

Et slikt foton vil man kunne registrere i et ES-eksperiment. Energien fotonet låner når det blir skapt blir betalt tilbake av edelgassatomenes bevegelsesenergi. Beregninger viser at vakuumenergien inne i en boble med edelgassatomer i et ES-eksperiment er stor nok til å redegjøre for strålingsenergien som frigjøres i slike eksperimenter! Siden strålingen kommer fra vakuumet, og vakuumet ikke har noen spesiell struktur slik som et atom, vil spektret også være strukturløst. Det kan vises at spektret må være et Planck-spekter. Løser dette ES-gåten?

Mange forklaringsmodeller

Det spesielle med forsøkene på å gi en forklaring på ES er det store spennet i forklaringsmodeller. Som vi har sett baserer modellene seg på alt fra de mest voldsomme prosessene mennesket kjenner (fusjon) til prosesser i vakuum som er fullstendig hinsides vår erfaringsverden.

Dette teorimangfoldet er et uttrykk for at vitenskapen står uten noen god og allment akseptert forklaring på ES. Det gjør også ES til et svært spennende emne hvor det er mulig å finne ut nye og uventede ting om hvordan naturen fungerer. Stadig flere forskere lar seg fascinere av fenomenet, og forskningen på ES er økende over hele verden.

Teknologisk utnyttelse?

Vi har sett at en gassboble i et ES-eksperiment kan sies å være en maskin som omformer energi i lydbølger til energi i form av lys. Denne maskinen er svært effektiv. En dypere forståelse av ES vil kunne gi svar på hvorfor denne maskinen er så effektiv, og kanskje kan den bli utnyttet i en teknologisk sammenheng.

Voldsomt pulserende gassbobler og deres virkninger ble oppdaget allerede i 1917 av Lord Rayleigh. Han observerte at det omkring hurtig roterende propeller dannes pulserende bobler. Disse slår mot propellbladene slik at de etter hvert blir erodert bort. Dette fenomenet er kjent for mange båteiere. Siden pulserende bobler slår mot omgivelsene brukes slike i stadig økende grad når det er behov for å rense svært sårbar apparatur.

Rensevæske med pulserende bobler brukes til å rense kritiske komponenter i elektronikkindustrien og mye annet som det er vanskelig å rense på andre måter. Det er derfor nærliggende å spekulere i om ES kan brukes i industrien. Hvilken teknologisk nytte vi kan få av ES, om noen, er det imidlertid umulig å si noe konkret om i dag. Kanskje vil ES bare forbli et vakkert og gåtefullt fenomen, eller kanskje vil ES kunne åpne opp dører til ny spennende teknologi.

Mange uløste gåter

Mye arbeid gjenstår før vi forstår ES og før fenomenet kan utnyttes teknologisk. ES har mange egenskaper vi ikke har berørt. Det er for eksempel kjent at ES er følsomt for temperaturen i vannet. Lav temperatur fører til et klarere lys fra boblen. Det er også kjent at boblen er følsom for magnetiske felt, og for trykket i vannet.

De fleste ES-eksperiment benytter seg av en kuleformet kolbe. Det er av interesse å se hvordan man skal sette opp transducerne slik at man får ES også i andre typer beholdere. Det er også eksperiment som tyder på at størrelsen på boblen i ES-eksperiment har betydning for spektret. Tilstrekkelig store bobler synes å gi opphav til spekter som har absorpsjonslinjer (se for eksempel dette nettstedet ).

Vil du vite mer?

Det finnes flere nettsteder hvor man kan finne mer informasjon om ES. Søker man for eksempel i Altavista med søkerordet “sonoluminescence” finner man mange muligheter.

Dette nettstedet er særlig interessant. Nettstedet inneholder mye generell informasjon om ES og mange fine illustrasjoner. Det er en fordel med noe matematikkkunnskap for å forstå deler av innholdet.

Puttermans egne sider er informative og har noen svært fine bilder.

Det kommer nye resultater om ES med jevne mellomrom. Den fremste kilden for slik informasjon finner du her.