Heureka! Fysik för gymnasiet presenterar

Månadens fysiker Januari 2017

Chien-Shiung Wu

Chien-Shiung Wu

Heureka! Fysik för gymnasiet presenterar Månadens fysiker 2

Chien-Shiung Wu

Levnadsår: 1912–1997

Kommer ifrån: Kina

Verksam i: USA

Känd för: Att experimentellt ha visat att den svaga kraften bryter mot paritetssymmetrin.

Chien-Shiung Wu

Illustration av Sophie Mauléon.

Chien-Shiung Wu

Heureka! Fysik för gymnasiet presenterar Månadens fysiker 3

Wus karriärvägKärn- och partikelfysiken var under mitten av 1900- talet ett extremt mansdominerat forskningsom råde, vilket Chien-Shiung Wu fick erfara under sin karriär. Hennes far startade en flickskola, där hon började sin skolgång. I Kina fortsatte hon framgångsrikt sina stu-dier upp till doktorandnivå, innan hon 24 år gammal flyttade till USA där hon hade blivit antagen till Michi-gans universitet. När hon fick höra att kvinnor inte fick gå in genom huvudingången där bytte hon till Ber-keley i Kalifornien istället. Där träffade hon Robert Oppenheimer och Ernest O. Lawrence, som senare involverade henne i Manhattan-projektet under andra världskriget. Efter kriget stannade hon hela sin karriär på Columbia University i New York, där hon utförde alla sina viktigaste experiment.

Chien-Shiung Wu var experimentell kärnfysiker, född i Kina men verksam i USA. Under lång tid var hon en av världens främsta experter på experimentella studier av β-sönderfall. Under andra världskriget arbetade hon inom Manhattan- projektet. Hon är mest känd för ett experiment där hon visade att den svaga kraften bryter mot paritetssymmetrin.

Chien-Shiung Wu

”The Dragon Lady” med stort engagemangChien-Shiung Wu var, enligt hennes medarbetare, väldigt rakt på sak och fokuserad på sin fysik. Hon fick därför smeknamnet ”The Dragon Lady” efter en amerikansk seriefigur med liknande egenskaper. Be-römmelse intresserade henne inte och det krävdes övertalning från hennes man innan hon gick med på att en biografi skulle skrivas över henne. Senare i livet uttalade hon sig mer och mer om annat än fysik, bland annat om fängslade journalister i Taiwan och massakern på Himmelska fridens torg. Framför allt engagerade hon sig dock mot könsdiskriminering inom den naturvet enskapliga forskningen, och hon uppmuntrade kvinnor att satsa på karriärer inom na-turvetenskapen. Om detta han hon sagt ”Jag undrar om de pyttesmå atomerna och atomkärnorna eller >>

Heureka! Fysik för gymnasiet presenterar Månadens fysiker 4

de matematiska symbolerna eller DNA-molekylerna bryr sig om ifall de behandlas av män eller kvinnor?” och ”Det enda som är värre än att komma hem från laboratoriet till en vask full med disk är att inte kom-ma till laboratoriet alls.”.

Lika lön för lika arbete1975 fick hon slutligen lika mycket i lön som sina man liga kollegor. Samma år blev hon också den för-sta kvinnliga ordföranden för American Physical Soc iety. När hon dog 84 år gammal begravdes askan enligt hennes egen önskan på skolgården till hennes fars flickskola.

Paritetssymmetrin och den svaga kraftenEtt mycket viktigt begrepp inom fysiken är symmetri. Ofta utvecklas teorier genom att fysiker undersöker vilka symmetrier universum har. En sådan symmetri är paritetssymmetrin, vilken förkortas P. En paritets- transformation är en rumslig spegling, det vill säga att alla riktningar kastas om. Om de grundläggande naturlagarna uppfyller paritetssymmetrin betyder det alltså att det inte spelar någon roll om partiklar rör sig åt höger eller vänster. Ett brott skulle betyda att höger eller vänster spelar roll.

Höger eller vänsterEtt sätt att tänka på det är att ställa sig frågan om vi skulle kunna komma överens med en utomjordisk

Jag undrar om de pyttesmå atomerna och atomkärnorna eller de matematiska sym-bolerna eller DNA-molekylerna bryr sig om ifall de behandlas av män eller kvinnor?”

>> civilisation om vad som är höger och vänster enbart genom att titta på naturlagarna.

Den svaga kraften bryter mot paritetssymmetrinDet finns fyra fundamentala krafter i universum: gravitation, elektromagnetism, stark och svag kärn-kraft. För de tre första visar all data och teori att pa-ritetsymmetrin håller och länge var därför tron bland fysiker att paritetsymmetrin är en självklar egenskap hos universum. 1957 utarbetade dock Tsung-Dao Lee och Chen Ning Yang en teori där den svaga kraften bryter mot paritetssymmetrin. De började då fundera på om det verkligen gick att utesluta detta från exis-terande data.

Wus eget experimentLee var vän med Wu, den tidens främsta expert på experimentella studier av β-sönderfall, vilket förorsa-kas av den svaga kraften. Han bad därför henne att sätta sig in i frågan. När Wu insåg att det inte gick att avgöra utifrån existerande data, satte hon upp ett eget experiment. Hon använde den radioaktiva isoto-pen kobolt 60 som sönderfaller genom β-sönderfall. Genom att utföra experimentet i en temperatur nära absoluta nollpunkten och lägga på ett homogent magnetfält lyckades hon få alla kärnspinnen att peka i samma riktning. När hon på detta sätt hade pekat ut en bestämd riktning i rummet kunde hon testa om

– Chien-Shiung Wu

Heureka! Fysik för gymnasiet presenterar Månadens fysiker 5

lika många β-partiklar skickades ut åt alla håll eller om riktningen verkligen spelar roll, vilket skulle innebära att den svaga kraften bryter mot paritetssymmetrin.

De flesta fysiker var innan resultaten offentliggjordes övertygade om att paritetssymmetrin skulle hålla. Wolfgang Pauli skrev exempelvis i ett brev ”Jag tror inte att Vår Herre är svagt vänsterhänt och jag är redo att slå vad om en väldigt stor summa att experimen-ten kommer att ge symmetriska resultat”.

Tydliga resultatWus experiment (och även ett experiment från en an-nan grupp ledd av Leon Lederman) gav dock tydliga asymmetriska resultat. Den svaga kraften bryter uppenbarligen mot paritetssymmetrin. Redan samma år (1957) fick teoretikerna Lee och Yang Nobelpriset för sin upptäckt, vilket är den kortaste tiden mellan upptäckt och pris någonsin. Experimen-tatorn Wu utelämnades dock.

Fler symmetribrott Det finns två ytterligare symmetrier som hör ihop med P-symmetrin: laddningssymmetrin C, som inne-bär att laddningar byter tecken, och tidssymmetrin T, som innebär att tiden byter riktning. Det är teoretiskt

bevisat att en Lorentz-invariant kvantfältteori (vilket inkluderar i stort sett alla fysikaliska teorier om uni-versums uppbyggnad) måste vara symmetrisk om alla trans formationerna sker samtidigt, det vill säga en CPT- symmetri. När Wu påvisat brottet mot P-symme-trin, började de andra symmetrierna att ifrågasättas. Ganska snart lyckades Wu, i en serie experiment i en saltgruva, visa att den svaga kraften även bryter mot C-symmetrin. Den kombinerade symmetrin CP verka-de dock hålla.

1964 påvisade dock en annan forskargrupp ett svagt brott även mot CP-symmetrin. Detta är intressant av framför allt två skäl. Eftersom CPT-symmetrin inte kan brytas innebär ett CP-brott även att T-symmetrin måste vara bruten för att kompensera. Detta är det enda stället i de grundläggande naturlagarna där en tidsriktning pekas ut.

CP-symmetrin är också den sym metri som relaterar partiklar och antipartiklar. Ett CP-brott innebär alltså att fysiken inte är exakt samma för antimateria som materia.

1967 visade den ryske fysi kern Andrei Sakharov att CP-brott är ett av tre nödvändiga villkor för att det

Wus experiment 1963.

>>

Chien-Shiung Wu

Heureka! Fysik för gymnasiet presenterar Månadens fysiker 6

ska bildas mer materia än anti-materia tidigt i univer-sums historia. Hade det inte gjort det hade allt förin-tats och bara strålning blivit kvar. Det är alltså tur för oss att denna symmetri är bruten. Annars hade vi inte kunnat existera.

Koppling till aktuell fysikEn av de senaste årens stora fysikhändelser är 2012 års upptäckt av Higgspartikeln på LHC vid CERN i Geneve. Ett sätt att förstå Higgsmekanismen som ger upphov till denna partikel är att utgå från den svaga kraftens brott mot paritetssymmetrin.

Vänster- och högerhänta partiklarDen svaga kraften bryter mot paritetssymmetrin på så sätt att den bara växelverkar med vänsterhänta partiklar och högerhänta anti-partiklar. En partikel är vänsterhänt om spinnet är riktat i motsatt riktning jämfört med dess rörelseriktning och högerhänt om spinnet är i samma riktning. För massiva partiklar är dock inte detta väldefinierat, eftersom rörelserikt-ningen är beroende på vilket referenssystem vi befin-ner oss i. Vi kan alltid göra en Lorentz-transformation till ett referenssystem i vilket partikelns rörelserikt-

ning är åt motsatt håll. Lorentztransformationen på- verkar inte spinnets riktning, vilket gör att vi på så sätt byter ”hänthet” (kiralitet) på partikeln.

För masslösa partiklar är detta inget problem efter-som de rör sig med ljusets hastighet och därför har en väldefinierad rörelseriktning oberoende av refe-renssystem. För massiva partiklar uppstår här ett stort problem. Om de inte har väldefinierad hänthet, är det alltså inte väldefinierat om de växelverkar svagt eller inte. Men till alla krafter hör en laddning, som är en be-varad storhet. I fallet med den svaga kraften heter laddningen svagt isospinn. Problemet är att om det inte är väldefinierat om en partikel växelverkar svagt eller inte, innebär det att det inte är väldefinierat om partikeln har svagt isospinn eller inte. Det går inte ihop med att svagt isospinn är en bevarad storhet, eftersom det innebär att svagt isospinn bara kan försvinna. Teoretiskt sett skulle alltså massiva svagt växelverkande partiklar inte kunna finnas. Uppenbar-ligen finns de. Det måste alltså finnas en lösning och det är här Higgsmekanismen kommer in.

Higgspartikeln.

>>

Chien-Shiung Wu

Heureka! Fysik för gymnasiet presenterar Månadens fysiker 7

HiggsfältetLösningen på problemet visar sig vara att se till att det överallt i vakuum finns masslösa partiklar med svagt isospinn, som de massiva partiklarna kan utbyta isospinn med, och på så sätt se till att det bevaras. Dessa partiklar är excitationer i ett fält, kallat Higgsfältet, vilket inte har värdet noll i vakuum. Ett sådant Higgsfält kan uppstå genom en process som kallas spontant symmetribrott. Fältet beskrivs av en potential som är symmetrisk runt värdet noll på fältet. Det är dock inte gi-vet att potentialen har sitt minsta värde där fältet har värdet noll. Det värde där potentialen har sitt minimum blir fältets värde i vak uum och runt detta behöver inte potentialen vara symmetrisk längre. Detta kallas spontant symmetribrott och visar sig ge upphov till precis de partik-lar i vakuum som behövs. HiggsbosonenTeorin för Higgsmekanismen utveckla-des på 60-talet och visade sig ge rätt värde på kvoten mellan W- och Z-boso-nens massor. De flesta partikelfysiker trodde därför på teorin, men det fanns en saknad pusselbit. Teorin förutsade nämligen att Higgsfältet, genom ytterli-gare en excitation, också ger upphov till en massiv boson kallad Higgsbosonen. Denna partikel hade inte detekterats. Att hitta denna Higgsboson var en av huvudanledningarna till byggandet av den stora acceleratorn LHC vid CERN där artikeln sedan upptäcktes 2012. •

Tips för vidare studier

Vilka är människorna bakom alla teorier, modeller och experi-ment? Det vill vi berätta mer om och presenterar därför Månadens fysiker 2017.

Informationen om fysikerna, och tillhörande lektionsupplägg, är skrivna av Erik Thomé. Erik är gymnasielektor i fysik och har använt sig av Heureka! Fysik i sin undervisning. Han har en dok-

torsexamen inom ämnet hadronfysik från Uppsala universitet där han disputera-de 2012. Det utvecklingsar-bete han håller på med inom gymnasiefysi-

ken syftar främst till att öka fokus

på modern fysik samt att intro-ducera mer av ett idéhistoriskt perspektiv. Om du är intresserad av detta eller har kommentarer, frågor eller tips rörande månadens fysiker eller lektionsupplägg, hör gärna av dig till Erik Thomé på:erik.thome@landskrona.se!

Lektionsupplägget hittar du på nok.se/heureka.

Den i texten omtalade biografin över Chien-Shiung Wu är:

Madame Chien-Shiung Wu – The First Lady of Physics Research av Tsai-Chien Chiang

Följande biografier ger intressan-ta beskrivningar av det historiska skeendet kring upptäckten av paritetsbrott:

Strange Beauty – Murray Gell-Mann and the Revolution in Twentieth Century Physics av George Johnson

Genius – Richard Feynman and Modern Physics av James Gleick

Följande föreläsning av Leonard Susskind är en bra introduktion till Higgsmekanismen: www.youtube.com/watch?v=JqNg819PiZY

Om Månadens fysiker 2017

Heureka! Ett gediget läromedel i modern form.

Heureka! gör fysiken lättillgänglig och intressant. Med text och bild visas fysikens tillämpningar, historiska utveckling och bety delse för individ och samhälle. Övning, repetition och fördjupningLäroböckerna innehåller gott om lösta exempel som visar hur man utreder en frågeställning. Kontrolluppgifter finns efter nya avsnitt och varje kapitel avslutas med en sammanfattning och övningsuppgifter.

LärarhandledningarHär finns variationsrika laborationer att göra i klassrummet eller hemma. De olika undervisningsmomenten beskrivs med kopplingar till ämnesplanens syften och mål.

Extra stöd och utmaningarTill de tre grundböckerna i Heureka-serien finns kompletterande böcker. I boken Led trådar och lösningar ges extra stöd till grundbokens samtliga uppgifter i form av korta ledtrådar och utförliga lösnings förslag. I Övningar och problem finns det totalt 1200 extra övningsuppgifter till de tre grundböckerna. Uppgifterna är av var ierande svårighetsgrad, både för den som vill ha en extra utmaning och för den som vill träna mer.

Natur & Kultur 08 453 86 00 nok.se/heureka

fysik 2

fysik 2 rune alphonce • per gunnvald • inger kristiansen • roy nilsson

ISBN 978-91-27-43369-4

9 7 8 9 1 2 7 4 3 3 6 9 4

Nyttiga övningar och kluriga problem, uppgifter för grafritande räknare, enkla experiment och mer därtill finns i denna bok för gymnasieskolans fysik.Den ingår i serien Heureka!

För information om övriga komponenter i serien Heureka! se www.nok.se/heureka.

fysik 2

övningar och problem

Heureka 2 Ovningar och problem Omslag CS6.indd 1 2014-10-20 15:15

fysik 2

fysik 2

rune alphonce • lars bergström • per gunnvald • erik johansson • roy nilsson

fysik 2

ISBN 978-91-27-43368-7

9 7 8 9 1 2 7 4 3 3 6 8 7

Att lösa övningsuppgifter i fysik kan vara både nyttigt och spännande. Men ibland kör man fast och behöver en ledtråd för att komma vidare. Räcker inte det, kanske man vill se övningens fullständiga lösning.

Den här boken ingår i serien Heureka! och innehåller led-trådar och lösningar till de övningsuppgifter som avslutar varje kapitel i läroboken för kurs 2.

För information om övriga komponenter i serien Heureka! se www.nok.se/heureka.

ledtrådar och lösningar

Heureka 2 Ledtrådar och lösningar Omslag.indd 1 2014-04-10 15:41

fysik 3 rune alphonce • per gunnvald • roy nilsson

ISBN 978-91-27-43556-8

9 7 8 9 1 2 7 4 3 5 5 6 8

Den här boken ingår i serien Heureka! och innehålleren stor samling övningsuppgifter till läroboken för kurs 3.Den innehåller också ett antal exempeluppgifter medtydliga lösningar.

Förutom uppgifter som ger färdighetsträning finns detöppna uppgifter och flervalsuppgifter. Uppgifterna varierari svårighetsgrad och passar därför både den som vill ha extra utmaning och den som vill träna mer på grundläggande nivå.

För information om övriga komponenter i serien Heureka!se www.nok.se/heureka

övningar och problem

fysik 3

fysik 3

Heureka 3_Ovningar och problem Omslag.indd 1 2015-11-26 16:09fysik 1 och 2 basåret

teoribok

fysik 1 och 2 basåret teoribok

ISBN 978-91-27-44710-3

9 7 8 9 1 2 7 4 4 7 1 0 3

rune alphonce • lars bergström • per gunnvald • jenny ivarsson • erik johansson • roy nilsson

fysik 1 och 2 basåret teoribok

Heureka! fysik 1 och 2 basåret är ett läromedel anpassat för de naturvetenskapliga och tekniska basåren. Det innehåller material som motsvarar gymnasieskolans kurser Fysik 1 och Fysik 2 enligt Gy2011, men även för-djupande material som ger ytterligare förberedelse inför högre studier i fysik. Läromedlet består av en teoribok och en övningsbok.

I läromedelsserien Heureka! ingår:

• läroböckerna Heureka! Fysik 1, 2 och 3

• teoriboken och övningsboken Heureka! Fysik 1 och 2 Basåret

• lärarhandledningar

• ledtrådar och lösningar till övningsuppgifterna i läroböckerna

• övningsmaterial för ytterligare problemlösning.

Heureka! finns även som digitalt läromedel.För mer information om Heureka! se www.nok.se/heureka

Heureka BASAR Omslag.indd Alla sidor 2016-07-16 18:48

ISBN 978-91-27-44711-0

9 7 8 9 1 2 7 4 4 7 1 1 0

fysik 1 och 2 basåret övningsbok

fysik 1 och 2 basåretövningsbok

med ledtrådar och lösningar

rune alphonce • lars bergström • per gunnvald • erik johansson • roy nilsson

fysik 1 och 2 basåret övningsbok

Heureka! fysik 1 och 2 basåret är ett läromedel anpassat för de naturvetenskapliga och tekniska basåren. Det innehåller material som motsvarar gymnasieskolans kurser Fysik 1 och Fysik 2 enligt Gy2011, men även för-djupande material som ger ytterligare förberedelse inför högre studier i fysik. Läromedlet består av en teoribok och en övningsbok.

I läromedelsserien Heureka! ingår:

• läroböckerna Heureka! Fysik 1, 2 och 3

• teoriboken och övningsboken Heureka! Fysik 1 och 2 Basåret

• lärarhandledningar

• ledtrådar och lösningar till övningsuppgifterna i läroböckerna

• övningsmaterial för ytterligare problemlösning.

Heureka! finns även som digitalt läromedel.För mer information om Heureka! se www.nok.se/heureka

Heureka BASAR Ovningsbok_Omslag.indd Alla sidor 2016-07-16 18:53

Läxhjälp på FacebookHar du kört fast eller behöver du få något förklarat igen? Våra läxhjälpare på Facebook är fysiklärare och hjälper dig gärna med dina frågor ur Heureka! Facebook.com/heurekalaxhjalp