ysikaktuellt NR 4 • DECEMBER 2003

Innehåll

Samfundet 2

Ledare 3

Nobelpriset 5

Hisorieskrivning 9

Fysiktävlingen 12

Kosmos 12

Manusstopp för nästa nummer:

15 januari 2004

ISSN 0283-9148

Fysikaktuellt finns nu också på: http://www.fy.chalmers.se/fysikaktuellt/

Abrikosovgitter, Tom H. Johansen

Nobelpris

2 NR 4 • DECEMBER 2003 | FYSIKAKTUELLT |

SVENSKA FYSIKERSAMFUNDET

Svenska Fysikersamfundet har till uppgift att främja undervisning och forsk-ning inom fysiken och dess tillämpningar, att föra fysikens talan i kontaktermed myndigheter och utbildningsansvariga instanser, att vara kontaktorganmellan fysiker å ena sidan och näringsliv, massmedia och samhälle å andrasidan, samt att främja internationell samverkan inom fysiken.

Ordförande: Björn Jonson, Chalmers • bjn@fy.chalmers.se Skattmästare: K-G Rensfelt, Manne Siegbahnlaboratoriet,

Stockholms universitet, • rensfelt@msi.se Sekreterare: Håkan Danared, Manne Siegbahnlaboratoriet

Stockholms universitet, • danared@msi.se

Adress: Svenska Fysikersamfundet Manne Siegbahnlaboratoriet Stockholms universitet Frescativägen 24, 104 05 Stockholm

Postgiro: 2683-1 Elektronisk post: kansliet@fysikersamfundet.se WWW: www.fysikersamfundet.se

Samfundet har för närvarande ca 950 medlemmar och ett antal stödjandemedlemmar (företag, organisationer). Årsavgiften för medlemskap är 250 kr.Studerande (under 30 år) och pensionärer 150 kr. Samtliga SFS-medlemmarär även medlemmar i European Physical Society (EPS) och erhåller dess tid-skrift Europhysics News (EPN). Man kan därutöver som tidigare vara Individ-ual Ordinary Member (IOM) i EPS. Den sammanlagda årsavgiften är 590 kr.

Inom samfundet finns ett antal sektioner som bl.a. anordnar konferenseroch möten inom respektive områden:

Atom- och molekylfysik Leif Karlsson • leif@fysik.uu.se Biologisk fysik Peter Apell • apell@fy.chalmers.se Gravitation Kjell Rosqvist • kr@physto.se Kondenserade materiens fysik William R Salaneck • bisal@ifm.liu.se Kvinnor i fysik Elisabeth Rachlew-Källne • rachlew@atom.kth.seKärnfysik Ramon Wyss • wyss@nuclear.kth.se Matematisk fysik Imre Pázsit • imre@nephy.chalmers.se Partikelfysik Richard Brenner • brenner@tsl.uu.se Plasmafysik Michael Tendler • tendler@fusion.kth.se Undervisning Mona Engberg • mona.engberg@telia.com

FysikaktuelltFysikaktuellt ger aktuell information om Svenska Fysikersamfundet ochnyheter inom fysiken. Den distribueras till alla medlemmar, gymnasieskolor och fysikinstitutioner 4 gånger per år.Ansvarig utgivare är Björn Jonson, bjn@fy.chalmers.se. Redaktör är Ann-Marie Pendrill, Atomfysik, Fysik och Teknisk Fysik,GU och Chalmers, 412 96 Göteborg.Använd i första hand elektronisk post (Ann-Marie.Pendrill@fy.chalmers.se) för bidrag till Fysikaktuellt. Annons-kontakt: Sara Bagge, saba@fy.chalmers.se. Reklamation av uteblivna eller felaktiga nummer sker till sekretariatet.

Kosmos Samfundet utger en tidskrift ”Kosmos”. Ny redaktör fr o m årgång 2004 ärLeif Karlsson. Fysiska Instittionen, Uppsala Universitet, Box 530, 751 21 Uppsala. Leif.Karlsson@fysik.uu.se.

MedlemskapInformation om medlemskap finns påhttp://www.fysikersamfundet.se/medlemskap.html

Omslagsbilden:Bilden på omslaget visar ett så kallat Abrikosovgitter av virvlar i elektron-vätskan i en supraledare typ II. Det är genom virvlarna som magnetfältetgår. Bilden är 30 mikrometer x 30 mikrometer. Läs mer på http://www.fys.uio.no/super/results/sv/.

Svenska Fysikersamfundet

Stödjande medlemmarSamfundet har för närvarande följande stödjande medlemmar:■ ALEGA Skolmateriel AB, Vasagatan 4, 532 32 Skara

http://www.alega.se/

■ AlbaNova, Stockholms Centrum för Fysik, Astronomi ochBioteknik, 106 91 Stockholmhttp://www.scfab.se/

■ BFI Optilas AB, Gamma Optronik Division, Box 1335, 751 43 Uppsala http://www.gamma.se

■ Bokförlaget Natur och Kultur, Box 27323, 102 54 Stockholmhttp://www.nok.se

■ Gammadata Burklint AB, Box 151 20, 750 15 Uppsalahttp://www.gammadata.se

■ Gleerups Utbildning AB, Box 367, 201 23 Malmöhttp://www.gleerups.se

■ Liber AB, 113 98 Stockholmhttp://www.liber.se

■ Melles Griot AB, Box 7071, 187 12 Täbyhttp://www.mellesgriot.com

■ Studentlitteratur AB, Box 141, 221 00 Lundhttp://www.studentlitteratur.se

■ VWR Undervisning, 163 96 Stockholmhttp://vwr.com (f.d.KEBOLAB)

■ Zenit AB Läromedel, Box 54, 450 43 Smögenhttp://www.zenitlaromedel.se

Aktuellt

■ Tid och plat5s för samfundets vårmöte bestäms av den tillträdande styrelsen.

■ Fysiktävlingens kvalificeringstävling äger rum 5 februari 2004,finalen äger rum 14–15 maj. Fysikolympiaden 2004 äger rum15–23 juli i Pohang, Sydkorea.

■ Åttonde internationella vetenskapsfestivalen i Göteborg ägerrum 7–16 maj. Skolprogrammet startar redan 3 maj. Se http://www.vetenskapsfestival.se

■ Fysikersamfundet har skrivit under avtal med American Physical Society så att svenska medlemmar kan få rabatt påtidskriftsprenumerationer och konferensavgifter. Läs mer på http://www.aps.org/intaff/

■ LMNT, Riksföreningen för Lärarna i Matematik, Naturveten-skap och Teknik fyller 70 år under 2003. Läs mer på http://www.lmnt.org/

■ Matematikbiennal i Malmö, 22-24 januari 2004. Se http://www.lut.mah.se/nms/matematik/BIENNAL2004.htm

■ Konferens om forskarutbildning för framtiden, 4 februari 2004.Se http://www.hsv.se/

■ FND, Svensk Förening får Forskning i NaturvetenskapernasDidaktik, har årsmöte och minisymposium om NV-didaktik-ens roll i lärarutbildningen, 26 mars 9.30–16.30, på lärarhög-skolan i Stockholm. Se http://vvv.fy.chalmers.se/fnd/

■ Kvalitetsgranskning av fysikutbildningar i Sverige äger rumunder 2004, http://www.hsv.se/

■ World Year of Physics, 2005, se http://www.wyp2005.org/

| FYSIKAKTUELLT | NR 4 • DECEMBER 2003 3

Nobelpris Av Ann-Marie Pendrill

LEDARE

I vänds den internationella forskarvärld-ens ögon mot Sverige och mot Nobelprisen till dem som”som under det förlupne året hafva gjort mensklighetenden största nytta”. Både annonseringen av pristagare ioktober och den högtidliga prisutdelningen 10 decemberdrar även våra nationella medias uppmärksamhet motnaturvetenskap och teknik. Årets pris visar hur samman-vävda olika ämnen blivit. En fysiker (Sir Peter Mansfield)och en kemist (Paul Lauterbur) delar medicinpriset förutveckligen av ”Magnetic Resonance Imaging” som nukan hjälpa läkare att få tre-dimensionella bilder. Fysik-priset, som presenteras närmare i detta nummer, går tillteoretikerna Alexei Abrikosov, Vitaly Ginzburg och Anthony Leggett för deras förklaring av supraledningoch suprafluiditet. I sin kommentar över nobelprisen iAPS’ ”What’s new” 10 oktober noterar Bob Park ocksåatt ”A winning strategy should include longevity” och attGinzburg som blivit 87 år, för länge sedan gett upphoppet om ett Nobelpris.

Det finns naturligtvis många forskare som gjort viktiga upptäckter. Många av dem uppfattas som pris-tagare som ännu inte fått priset. Några hoppas varje årpå telefonsamtal från Vetenskapsakademin. För någrablir valet av pristagare ett tydligt tecken på att just desjälva aldrig kommer att få priset. I år publicerades hel-sidesannonser av en forskare som kände sig förfördelad,och tyckte att det varit han som gjort den banbrytandeupptäckten. Forskning hänger ihop, forskare bygger vidare på varandras arbete, vi delar med oss av tankar,data, ideer. Viktiga genombrott bygger på andras. Nobel-kommitteerna måste välja vilka av genombrotten somvarit ”den vigtigaste upptäckt eller uppfinning”. I någrafå fall har bedömningarna ifrågasatts av fler än de närmastberörda. Pia Thörngren Engblom ger i detta nummer ytterligare information om Lise Meitner.

Under de senaste veckorna har många forskare öpp-nat sina kuvert från Vetenskapsrådet och från andra fi-nansiärer. Kanske har de redan fått resultatet från enWWW-sida. Många blir besvikna. Står den totalt nedlag-da arbetstiden för ansökningar i rimlig proportion till ut-delade medel? Andelen projekt som beviljas medel harblivit så låg att många inte längre orkar söka. Vad skahända med svensk forskning, som under det senaste de-cenniet blivit allt mindre citerad? Bo Rothstein har kon-

staterat att hans institution tvingas lägga ned en fram-gångsrik forskarutbildning för att det inte längre finnsmedel till doktorandtjänster. Situationen är likartad inomde flesta ämnesområden. Underskotten lyser inom grund-utbildning, forskarutbildning och forskning, professorervarslas om uppsägning – medan grävskopor och lyft-kranar förädlar fastighetsbeståndet på våra arbetsplatser.

Det finns ju också ljuspunkter i det akademiska livet.Att möta studenter tillhör oftast glädjeämnena liksom möten med experimenterande elever på Liseberg. Att fåmöta entusiastiska kolleger från andra områden och länd-er är alltid lika inspirerande. Den tredje upplagan av Physics on Stage samlade lärare kring tema om ”Physicsand Life”. Sverige fick representeras på scen av ”Alice inQuantumland” som bygger på Robert Gilmores bok medsamma namn, och som under förra läsåret anpassades förscen av fem gymnasister. (Tyvärr hade varken deras fysi-klärare, Lars Fraenkel, eller deras dramalärare, KatarinaHellner möjlighet att följa med. Gunnar Ohlén från Na-tionellt resurscentrum var volontär för att gestalta den”tråkige fysikläraren”.) Den svenska delegationen repre-senterade många fler pedagogiska projekt och vi hoppaskunna återkomma med presentation av några av dem -och gärna andra undervisningsprojekt i nästa nummer avFysikaktuellt. ■

Efter föreställningen av ”Alice in Quantumland” på Physics on Stage 3, ESTEC; 12 november. Fr v. Elin Henriksson, Marie Gustafson, Gunnar Ohleén, Hanna Lunden (sittande), Ann-Narie Pendrill, Anna Johnning, Lisa Lundin.

Ann-Marie.Pendrill@fy.chalmers.se Professor och redaktör för fysikaktuellt

Nobelpriset i Fysik 2003– En ordningsfråga!

| FYSIKAKTUELLT | NR 4 • DECEMBER 2003 5

NOBELPRISET

En ordningsfråga! Det är vad åretsNobelpris i fysik handlar om. Men detrör sig inte om någon ordningsfråga iden värld vi ser omkring oss utan i elek-tronernas och atomernas mikrovärld.Denna styrs av kvantfysikens lagar ochuppvisar många spektakulära effektersom normalt inte förekommer i makro-världen. I vissa fall kan dock en speciellordning bland elektroner och atomergöra att mikrovärldens kvantfenomenförstärks och blir synliga, till och medför blotta ögat. Årets Nobelpris i fysikbelönar tre forskare, Alexei Abrikosov,Vitaly Ginzburg och Anthony Leggett,som bidragit till vår förståelse av sam-bandet mellan ordning och de makro-skopiska kvantfenomen vi kallar supra-ledning och suprafluditet. Både supraled-ning och suprafluiditet är fenomen somuppträder vid mycket låga temperaturer.

Flöde utan motståndDen holländske fysikern Heike Kamerlingh Onnes gjorde 1911 enmärklig upptäckt. Han intresserade sigsärskilt för ämnens egenskaper vid lågatemperaturer och hade bl.a. lyckatsframställa flytande helium med ytterstlåg temperatur. När Onnes undersökteden elektriska ledningsförmågan hoskvicksilver visade det sig att när metallenkyldes med hjälp av flytande helium tillnågra grader ovanför den absoluta noll-punkten (-273,15°C), försvann dess elek-triska motstånd. Han gav det namnet supraledning. Den ryske fysikern PyotrKapitsa, myntade i slutet på 1930-taletdet analoga uttrycket suprafluiditet för attbeskriva hur helium i vätskeform vidännu något lägre temperaturer flyterfram utan inre friktion eller motstånd.Onnes belönades med 1913 års Nobel-pris i fysik för sina insatser, medan Kapitsas prisbelöning dröjde till 1978.

Från första stund anade man att su-

praledning kunde få vidsträckt betydelsei det moderna industrisamhället. Genomatt linda spolar av supraledande trådartänkte man sig t.ex. kunna tillverka kraft-fulla elektromagneter som inte hade någ-ra energiförluster. Men tyvärr förvand-lades de första supraledarna till vanligametaller redan i svaga magnetfält. Efterhand upptäckte man dock supraledare aven annan typ, som genom att tillåta sam-existens av supraledning och magnetismförblir supraledande även i starka mag-netfält. De supraledande magneter somdärmed kunde tillverkas har fått stor be-tydelse i det moderna samhället och an-vänds t.ex. i högupplösande magnet-kameror för medicinsk diagnostik ochför att bestämma strukturen hos kompli-cerade molekyler genom kärnmagnetiskresonans (NMR). Supraledande magne-ter används också för att få laddade par-tiklar som rör sig med nästan ljusetshastighet att gå i cirkulära banor vid par-tikelfysikernas stora acceleratoranlägg-ningar och som ”magnetiska flaskor” förheta plasmor inom fusionsforskningen.

Supraledare av två typer Det skulle dröja nästan 50 år efter Onnes upptäckt av supraledning innanfysikerna John Bardeen, Leon Cooperoch Robert Schrieffer (Nobelpris i fysik1972) kunde presentera en teori (BCS-teorin, byggt på efternamnens initialer)som förklarade fenomenet. Teorin visaratt en del av de negativt laddade elek-tronerna i en supraledare bildar par, s.k.Cooper-par. Man brukar uppfatta de parade elektronerna som ett kondensat,i likhet med vätskedroppar som bildas ien nedkyld gas, och man säger att elek-tronparen genomgått en Bose-Einstein-kondensation. Till skillnad från en van-lig vätska är den ”elektronvätska” sombildas på detta sätt supraflytande.

Supraledare av den typ som beskrevs

av den ursprungliga BCS-teorin be-nämns ”typ I”. De kännetecknas av”Meissner-effekten”, dvs. av att de i su-praledande tillstånd stöter ut ett magnet-fält, så länge dettas styrka inte överskri-der en viss gräns (fig. 1). Om detomgivande magnetfältet blir för starkt,försvinner den supraledande förmåganabrupt.

Figur 1 Suptraledare av typ I stöter utmagnetfält (Meissnereffekten). Ökar mag-netfältet i styrka förlorar de sin suprale-dande förmåga. Detta gäller inte suprale-dare av typp II, vilka klarar av starkamagnetfält genom att magnetfältet delvissläpps in.

Ganska tidigt upptäckte man dock su-praledare av en annan typ, ofta legering-ar, som saknar eller bara uppvisar enpartiell Meissnereffekt. Genom att tillåtasamexistens av supraledning och magne-tism kan de förbli supraledande även istarka magnetfält. Egenskaperna hosdessa supraledare, som vi nu kallar ”typ II”, kunde inte förklaras av den ur-sprungliga BCS-teorin.

Det var i stället två av årets pristag-are, Vitaly Ginzburg och Alexei Abrikosov, som på ett avgörande sättbidragog till förståelsen av hur supraled-ning och magnetism på detta sätt kansamexistera. Ginzburg formulerade till-sammans med Lev Landau (som fickNobelpris i fysik 1962 för andra arbe-ten, se nedan) i början av 1950-talet en

Av Mats Jonson

➟

6 NR 4 • DECEMBER 2003 | FYSIKAKTUELLT |

teori, som var tänkt att beskriva supra-ledning och kritiska magnetfältstyrkorhos vid den tiden kända supraledare.Ginzburg och Landau införde ett måttpå ordningen bland elektronerna, somde kallade för supraledarens ordnings-parameter, och som kan uppfattas somen vågfunktion för elektronerna i det su-praledande kondensatet. Vägledda av endjup fysikalisk intuition formulerade desedan matematiska ekvationer, vars lös-ning bestämmer ordningen i en supra-ledare. De fann god överensstämmelsemed vad som uppmätts för då kända su-praledare. Det är värt att påpeka att deresonemang som ledde till denna Ginzburg-Landauteori har sådan allmängiltighet att teorin i dag används för attvinna ny kunskap inom många av fysik-ens delområden

Snart gjordes emellertid experimentpå nya supraledande material vars resul-tat avvek från de förväntade. Det blevAlexei Abrikosov som upptäckte denmer komplicerade typ av ordning somförklarade dessa avvikelser. Genom eninsiktsfull analys av Ginzburg-Landausekvationer kunde han visa hur ordnings-parameterns rumsfördelning kan beskri-va virvlar och hur ett magnetfält genomdessa kan tränga in i supraledaren (se omslagsbilden). Virvlarna är väsentli-gen av samma slag som de vi kan se ivattnet då vi tappar ur ett badkar.

I Ginzburg och Landaus teori finnsen storhet κ=λ/ξ som är kvoten mellantvå karakteristiska längder, penetrations-längden för ett magnetfält λ och supra-ledarens så kallade koherenslängd ξ. Redan Ginzburg och Landau fann attderas teori har en brytpunkt då κ antarvärdet ca 0,71 och att det alltså i principfinns två typer av supraledare. Förkvicksilver har κ ett värde på ca 0,16och andra då kända supraledare har vär-den i närheten av detta. Det fanns där-för vid den tiden ingen anledning att be-akta värden ovanför brytpunkten. Detblev i stället Abrikosov, som kunde kny-ta ihop teorin genom att visa att supra-ledare av typ II representerade just såda-na värden. Abrikosov kunde dessutomförutsäga i detalj hur antalet virvlar kanväxa med ökande magnetfält och hurden supraledande förmågan hos ämnetgår förlorad om virvlarnas kärnor över-lappar varandra. Beskrivningen innebar

ett genombrott för studiet av nya supra-ledande material och används allmänt iutvecklandet och analysen av nya supra-ledare och magneter. Uppsatserna frånslutet av 1950-talet har citerats allt flitig-are de senaste tio åren.

Kunskapen om supraledning har letttill revolutionerande tillämpningar (fig. 2). Nya föreningar med suprale-dande egenskaper hittas fortlöpande. Desenaste decennierna har ett stort antals.k. högtemperatursupraledare tagitsfram. De första framställdes av GeorgBednorz och Alex Müller, som belön-ades med 1987 års Nobelpris i fysik.Alla högtemperatursupraledare är av typ II. Kylningen är en kritisk faktor för supraledarens användbarhet. En viktiggräns går vid 77 K (-196°C), kokpunk-ten för flytande kväve, billigare och merlätthanterligt än flytande helium.

Två fascinerande supravätskorDen lättaste ädelgasen helium finns i na-turen i två former, två isotoper. Denvanliga formen betecknas 4He, där siff-ran 4 står för antalet nukleoner i atom-kärnan (två protoner och två neutroner).I den ovanliga formen, 3He, har atom-kärnan bara en neutron och den är alltsålättare. I naturligt förekommande he-lium dominerar den tyngre isotopenöver den lättare med en faktor på cirka10 miljoner. Det är därför först underde senaste 50 åren som man lyckatsframställa större mängder 3He, t.ex. vidkärnkraftverk. Vid normal temperaturskiljer sig de två isotopernas gaseregentligen bara genom sin atomvikt.

Kyler man heliumgas till låga tempe-raturer, cirka 4 grader över absolutanollpunkten övergår gasen i vätskeform,den kondenserar. Detta sker på sammasätt som när vattenånga kondenserar tillvatten. Om inte temperaturen är alltförlåg har de två isotopernas vätskor lik-nande egenskaper. Flytande helium harstor användning som kylvätska, till ex-

empel i supraledande magneter. Då an-vänds förstås naturligt förekommandehelium, det vill säga den mest vanligaoch billigare formen av helium, 4He.

Kyler man nu flytande helium tillännu lägre temperaturer uppstår drama-

tiska skillnader mellan de två isotoper-nas vätskor. Då uppträder nämligenkvantfysikaliska effekter vilka gör attvätskorna bland annat förlorar allt sittmotstånd mot inre rörelse, de blir supra-flytande. Detta inträffar vid helt olikatemperaturer för de två supravätskornaoch de uppvisar en hel rad fascinerandeegenskaper, t.ex. rinner de fritt ut uröppningar i de kärl de förvaras i. Effek-terna kan bara förklaras med hjälp avkvantfysik.

Historiska upptäckter Att 4He blir supraflytande upptäcktes avPyotr Kapitsa redan 1938. Fenomenet,som sker cirka 2 grader över absolutanollpunkten, förklarades nästan omedel-bart av den unge teoretikern Lev Landau, som för detta erhöll Nobelpris i fysik 1962.

För isotopen 3He upptäcktes över-gången till det supraflytande tillståndetförst i början av 1970-talet av DavidLee, Douglas Osheroff och Robert Ri-chardson (Nobelpris i fysik 1996). Enanledning till att upptäckten kom såmycket senare är att övergången skervid mycket lägre temperatur, cirka 1 000gånger lägre än för 4He. Orsaken ligger ien ur kvantfysikalisk synpunkt väsentligskillnad mellan de två isotoperna. Helium-4 tillhör nämligen en klass avpartiklar som kallas bosoner och somdirekt kan ordnas till en supraflytandevätska genom något vi kallar Bose-Einsteinkondensation, en process sompå senare tid också observerats i gaser(jfr Nobelpriset i fysik 2001 till EricCornell, Wolfgang Ketterle och Carl Wieman). Helium-3 är däremot, liksomelektronen, en fermion. Sådana partiklarmåste först bilda par innan de kan nådet supraflytande tillståndet. Genomden mikroskopiska teori för supraled-ning som formulerades på 1950-talet (se ovan) av Bardeen, Cooper och Schrieffer fanns dock en mekanism,bildandet av Cooper-par, som bordekunna efterliknas även i 3He (fig. 3).Upptäckten att 3He kan förekomma i ett

NOBELPRISET

Figur 2 MRI-bild av en människohjärna.Upplösningen i magnetkameran beror bla av magnetfältets styrka. I dag användsstarka supraledande magneter som alla ärav typ II.

| FYSIKAKTUELLT | NR 4 • DECEMBER 2003 7

supraflytande tillstånd var därför intehelt oväntat.

Det visar sig dock att atomerna i envätska av helium-3 bildar par med inrefrihetsgrader, som dels beror på atomer-nas rotation kring varandra, dels på deras magnetiska egenskaper – ellerspinn som fysikerna säger. Följden är attGinzburg-Landaus ordningsparameterhär inte bara har två – som hos supra-ledarna – utan hela arton komponenteroch att supravätskan är anisotrop, denkan ha olika egenskaper i olika riktningar.

Den mångformiga supravätskanDen teoretiker som först på ett avgör-ande sätt lyckades förklara den nya supravätskans egenskaper var AnthonyLeggett, som under 1970-talet arbetadevid universitetet i Sussex i England.Hans teori hjälpte experimentalisternaatt tolka sina mätresultat och gav ett

ramverk för ett systematiskt klarlägg-ande. Leggetts teori, som först formu-lerades för supraflytande 3He, har ocksåkommit till användning inom andra om-råden, t.ex. partikelfysik och kosmologi.

Genom att supraflytande 3He bestårav par med inre frihetsgrader blir dessegenskaper mycket mer kompliceradeän för supravätskan 4He. Speciellt harsupravätskans atompar ett ändligt mag-netiskt moment eller spinn, liksom dehar ett ändligt rörelsemängdsmoment.Med kvantfysikens terminologi sägerman att paren befinner sig i ett triplett-tillstånd (S=1) med avseende på spinnoch i ett p-tillstånd (L=1) med avseenderotationen kring en gemensam axel.Leggett kunde visa hur olika typer avordning mellan de olika parens magnet-iska moment och parens rörelsemängds-moment motsvarar olika faser i den supraledande vätskan (fig 4). Experi-mentellt har tre olika faser påvisats. Dehar olika egenskaper och vilken fas somuppträder är beroende av temperatur,tryck och yttre magnetfält (fig. 5). Supraflytande 3He utgör ett redskap som forskarna kan använda i labora-toriet även för att studera andra feno-men. Speciellt har virvelbildningar i supravätskan nyligen använts för att studera hur ordning kan övergå i kaos(fig. 6). Den forskningen kan leda tillökad förståelse av hur turbulens uppstår– ett av den klassiska fysikens sistaolösta problem.

Länkar till ytterligare läsning finns påhttp://www.nobel.se/physics/

laureates/2003/phyreading.html ■

Mats Jonson är professor i Kondenserade materiens fysik vid Chalmers tekniska högskola

och ordförande i Nobelkommitten för fysik

MATS JONSON

Figur 3 Den parbildning som sker i supra-flytande 3He skiljer sig från den som skermellan elektronerna i en supraledare(Cooper-par). Heliumatomernas magnet-iska egenskaper (spinn) samverkar, medanelektronernas tar ut varandra.

Figur 6 Det har nyligen visats att om envirvel skapas i en roterande behållare supraflytande 3He (a) kan resultatet kri-tiskt bero av temperaturen. Över en kritisk temperatur lägger sig virveln längs rota-tionsaxeln (b). Under den kritiska tempe-raturen uppstår ett virrvarr av virvlar (c).

Figur 4. Möjliga ordningstillstånd I en tvådimensionell modellvätska beståendeav partiklar med två inre frihetsgrader:spinn (heldragna pilar) och rörelse-mängdsmoment (streckade pilar). (a)Oordnat tilstånd. Systemet är isotropisktoch invariant med avseende på rotation avbåda momenten var för sig. (b)–(e) Till-stånd med olika typer av ordning svarandemot all möjliga ”brutna symmetrier” där(d) illustrerar den typ av ordning som finnsi den så kallade A-fasen av supraflytande3He, medan (e) illustrerar ordningen i B-fasen. Leggett introducerade begreppetspontant bruten spin-bansymmetri fördessa slag av bruten (reducerad) symmetri.

Figur 5 Fig. 6. Supraflytande 3He kan existera i tre faser benämnda A, A1 och B. Typen av fas avgörs av tryck, temperaturoch magnetfält enligt figurens s.k. fas-diagram.

| FYSIKAKTUELLT | NR 4 • DECEMBER 2003 9

Martinsson och Lindau uppger i sitt svaratt Lise Meitner, Otto Robert Frisch ochFritz Strassmann, för sina insatser i sam-band med upptäckten av fission, mycketväl förtjänade det nobelpris som OttoHahn ensam tilldelades 1944. Så långttorde alla vara överens. De vidhållerdock att det var Otto Hahn och FritzStrassmann som gjorde själva upptäck-ten. Att förbigå Meitner, och att hävdaatt hon visserligen hade gjort sig förtjäntav ett nobelpris, men att hon inte hadedel i själva upptäckten, är att definieraupptäckt i forskningen på ett mycketsnävt sätt. Det faktum som skiljer hennefrån upptäckten enligt detta resone-mang, är att hon inte var fysiskt närva-rande vid de avslutande försöken på enfyra år lång experimentserie, som honsjälv hade tagit initiativ till och varit dri-vande kraft i. Dessutom visar senare tidshistorieforskning, (se t.ex. biografin skri-ven av Ruth Lewin Sime [1]), att honstod i kontinuerlig kontakt med Hahnoch Strassmann, och fortfarande, trotssin landsflykt, var deras intellektuelle le-dare också under slutskedet av de avgö-rande experimenten. Den sorgliga anled-ningen till att hon inte befann sig påplats, var att hon hade att välja mellanlandsflykt och nazisternas judeförföl-

jelse. Hon valde, eller tvingades väljalandsflykt i Sverige.

Vad kan vi lära oss av denna hän-delse i fysikens historia? Speciellt förSveriges del inbjuder skeendet till efter-tanke om vilken roll utomvetenskapligaförhållanden spelar för forskningen ochdess utövare. Förutom att vara en be-rättelse om en i Sverige orättvist be-handlad forskare, i sig en nog så viktighistoria, handlar det om vilket infly-tande t.ex. politiskt betingade övervä-ganden spelar för den vetenskapliga be-dömningen.

Lise MeitnerFör de av Fysikaktuellts läsare som inteär väl förtrogna med Lise Meitner ochinte har tillgång till Simes bok, följer hären kort sammanfattning (i huvudsak ba-serad på ref. 1) av händelserna somledde fram till upptäckten av kärnklyv-ning:

År 1919 blev Lise Meitner utnämndtill Professor på Kaiser Wilhelm Institut(KWI), en enastående prestation medtanke på de arbetsvillkor som rådde förkvinnliga akademiker vid den här tiden.Då hon 1907 först anlände till Berlin be-hövde kvinnor t.ex. ha särskilt tillståndför att ens få närvara vid föreläsningar.

Hennes 30 åriga kollaboration med ke-misten Otto Hahn blev mycket produk-tiv. Deras första stora framgång kom1918 med upptäckten av element nr 91,protactinium, vilket ledde till att de blevledare för varsin forskningsavdelning påKWI, i fysik respektive kemi. Värt attnotera i sammanhanget är att, trots attHahn under tiden för dessa experimentvar soldat i den tyska armén (Meitnertjänstgjorde en tid som röntgensköter-ska), och det alltså var Meitner som ut-förde större delen av det laborativa ar-betet som ledde fram till deras resultat,fanns det ingenting som hindrade attHahn stod som första författare på de-ras artiklar. Som kronan på verket fickhan 1919 ensam motta Emil FischerMedaljen från Verein Deutscher Chemi-ker för deras forskningsresultat, därotvivelaktigt upptäckten av protactiniumvägde tyngst.

Efter första världskriget kom Meit-ners arbete alltmer att handla om vad viidag uppfattar som kärnfysikalisk grund-forskning. Fermis experimentella resul-tat från 1934, för vilka han delvis fickNobelpriset 1938, sporrade dåtidens fy-siker att ge sig i kast med problemetmed transuranerna, dvs. ämnen med hö-gre atomnummer än uran, vilket manhade trott representerade slutpunkten idet periodiska systemet. Meitner initie-rade en serie experiment med neutron-bestrålning av uran. Hon fick Hahn in-tresserad och ytterligare en kemistinvolverades i arbetet, Fritz Strassmann.Dessa två utförde, med hjälp av en långrad olika tekniker, de komplicerade ke-miska analyserna och separationerna avde skapade radioaktiva ämnena, Meitnerplanerade arbetet och försökte konstrue-

Fysikoch svensk historieskrivning

Av Pia Thörngren Engblom

PIA THÖRNGREN ENGBLOM

➟

I Fysikaktuellt 2002 nr 4, publicerades en artikel av Indrek Martinsson och Ingolf Lindau, med rubriken “Fusk och Fysik”.Där omnämndes i förbigående Otto Hahn och Fritz Strassmannsom kärnklyvningens upptäckare, vilket föranledde en kortkommentar från Pia Thörngren Engblom (införd 2003 nr 1) attLise Meitner borde tagits med som delaktig i upptäckten av fission, och att hon var den som tillsammans med Robert OttoFrisch först tolkade resultaten korrekt. Martinssons och Lindaussvar återfinns i nr 2 av Fysikaktuellt, 2003.

10 NR 4 • DECEMBER 2003 | FYSIKAKTUELLT |

ra sönderfallskedjor av de motsägelse-fulla resultaten, men transuranerna upp-visade inte förväntade egenskaper.

Förbryllad krävde Meitner upprepadegånger att de krävande analyserna ochmätningarna gjordes om. Martinssonoch Lindau hävdar att samarbetet dememellan upphörde i och med Meitnerslandsflykt. Ruth Lewin Sime (och tidi-gare Fritz Krafft) har i sin forskning vi-sat att verkligheten såg annorlunda ut.Trots att det hade varit en professionelloch personlig katastrof för Hahn omdet kom till nazisternas kännedom,brevväxlade han med Meitner helahösten 1938. De möttes också i Köpen-hamn den 13 november. Vid denna tid-punkt trodde Hahn och Strassmann attradium producerades vid deras kolli-sionsförsök med neutroner och uran,via dubbelt alfa sönderfall, teoretiskt settett mycket osannolikt resultat. Curie ochSavatch hade också funnit att reaktionenhade ett större tvärsnitt med långsammaneutroner, vilket var ännu mer förbryll-lande i sammanhanget. Hahn återvändetill Berlin och återupptog de mätningarsom skulle leda till upptäckten av fis-sion. De arbetade i ett mycket ogynn-samt klimat, Strassmann var öppet anti-nazistisk och Hahn var inte medlem avpartiet, som så många andra av deraskolleger var. Dessutom ledde deras experimentella undersökningar, viktigaför deras överlevnad vid institutet, tillminst sagt motsägelsefulla resultat. I ettbrev till Meitner den 19 december be-skriver Hahn svårigheterna med de kemiska separationerna. Det de troddevar radium verkade i själva verket varabarium:

”…But we are coming steadily closer to

the frightful conclusion: our Ra isotopes do

not act like Ra but like Ba...All other ele-

ments, transuranes, U, Th, Ac, Pa, Pb, Bi,

Po are out of the question. I have agreed with

Strassmann that for now we shall tell only

you. Perhaps you can come up with some sort

of fantastic explanation. We know ourselves

that it can’t actually burst apart into Ba.”

Hahn avslutade sitt brev:”So please think about whether there is

any possibility-perhaps a Ba-isotope with

much higher atomic weight than 137? If

there is anything you can propose that you

could publish, then it would still in a way be

work by the three of us!” [2] Meitner svarade omedelbart att, trots

att det verkade mycket svårt att förståhur en kärnklyvning skulle ha gått till,det inte var omöjligt. Hahn och Strass-mann skickade in sitt manuskript [3]innan de fick Meitners brev. Formule-ringen av upptäckten var vag, de experi-mentella resultaten med barium om-nämnda kortfattat i slutet av artikeln.Inte förrän efter att han mottagit Meit-ners svar, lade han till ett stycke om atttransuranerna kanske i själva verket varlättare element. Han baserade felaktigtsitt resonemang på masstalet istället föratomnumret.

Lise Meitner åkte till Kungälv för attfira jul med sin väninna, Eva von Bahr-Bergius och hennes familj. Otto RobertFrisch var också ditbjuden. Frisch har isina memoarer beskrivit hur de underen skidfärd resonerade sig fram till in-sikten att urankärnan kunde klyvasunder frigörande av stora mängder ener-gi. De använde sig av Bohrs vätske-droppsmodell, de fann att den elektro-statiska repulsion som protonerna gavupphov till var tillräckligt stor för attgöra urankärnan så pass instabil att yt-spänningen kunde övervinnas, och vidminsta störning (som t.ex. en inkomm-mande neutron) skicka iväg reaktions-produkterna åt var sitt håll med storenergi. Den frigjorda energin motsva-rande den minskning av massan somskedde vid klyvningen av urankärnan tilltvå fragment.

Frisch återvände till Köpenhamn pånyårsdagen och informerade då Bohrom deras teorier. Bohr uppmanade dematt publicera så fort som möjligt och lo-vade att vänta med att sprida dessa nyaideer, som var en dödsstöt åt transura-nerna för vilka Fermi hade fått nobelpri-set 1938, tills Meitner och Frisch hadeskickat in sitt manuskript. Bohr lämnadeKöpenhamn med båt till New York den7 januari 1939, och diskuterade då ingå-ende kärnklyvning med Léon Rosenfeldsom också var ombord. Den senarespred den sensationella nyheten till ame-rikanska fysiker som genast satte igångmed försök för att verifiera upptäckten.Under tiden utförde Frisch i Köpen-

hamn försök där han mätte fissionsfrag-menten med en proportionalräknare,hela tiden diskuterade han experimentetoch problemen med bakgrund medMeitner. Frisch, helt ovetande om hurbråttom det var, skickade in två manu-skript den 16 januari, deras gemen-samma not publicerades den 11 februarioch Frischs beskrivning av det försökhan hade gjort för att verifiera fissionen,kom den 18 februari.

I ett brev från Hahn till Meitner den7 januari framgår det att Hahn fortfar-ande inte riktigt förstått sina resultat, hanskriver: ”…Therefore it seems almost certain

that the transuranes stay, and the sum of

atomic weights was a coincidence.” [4]. Han avser här sin ide om att masur-

ium skulle bildats tillsammans med barium, p.g.a. att summan av derasmasstal kan summeras till 239. Meitneroch Frisch förklarar i sitt letter [5] fissionsförloppet och anger den totalafrigjorda energin till ca 200 MeV. Defortsätter: ”After division, the high neu-

tron/proton ratio of uranium will tend to re-

adjust itself by beta decay to the lower value

suitable for lighter elements. Probably each

part will thus give rise to a chain of disinte-

grations. If one of the parts is an isotope of

barium, the other will be krypton (Z=92-

56), which might decay through rubidium,

strontium and yttrium to zirconium. Perhaps

one of the supposed barium-lanthanum-

cerium chains are then actually strontium-

yttrium-zirconium chains.”

Härmed hade ett nytt fysikaliskt fe-nomen beskrivits och förklarats.

Omvärldens syn För en ingående och mycket intressantskildring av nobelprisens historia bakomkulisserna, se Robert Marc Friedmansbok, ”The Politics of Excellence – Be-hind the Nobel Prize in Science” [6].Här återfinns bakgrunden med de olikanomineringar som föregick beslutet atttilldela Hahn ensam priset i kemi. Ennominering till delat fysikpris för Meit-ner och Hahn kom t.ex. 1940 från Nobelpristagare Arthur Compton: ”As I understand the matter, Professor

Hahn and Meitner should be included in the

award for their work respectively in identify-

ing the fission process and in showing the

FYSIK OCH SVENSK HISTORIESKRIVNING

| FYSIKAKTUELLT | NR 4 • DECEMBER 2003 11

tremendous energy liberated when fission

occurs.” [7]. Compton var på det klaramed Hahns och Meitners roll men varmer tveksam till om deras samarbets-partners Strassmann och Frisch skulleinkluderas för priset. Stöd för delat pris i fysik kom från andra håll, t.ex. frånNobelpristagare James Franck, som något år senare nominerade Hahn ochMeitner: ”I do not need to emphasize the

importance of this discovery which is

certainly the greatest in physics in the last ten

years, but I would like to explain why I

think that Hahn and Meitner should be

honoured together” [8]. Franck förklarar atteftersom hon hade tvingats lämna Tysk-land: ”she was not co-working on the paper

which Hahn published with Strassmann,

which actually contained the solution, but

Hahn himself did not draw the consequence.

Lise Meitner did it in collaboration with

Frisch, and she was first to see the whole

importance of the result and drew the conse-

quences that the fission products should fly

from another with tremendous energy. She

and Frisch were also the first to observe this

fact experimentally.”

Franck återkom de närmaste årenmed nomineringar. Oscar Klein och Niels Bohr hoppades att Hahn ochStrassmann skulle få dela priset i kemi,och Meitner och Frisch det i fysik. Ensådan uppdelning framstår också i efter-hand som den mest rättvisa. Bland andra som agerade för Meitner befannsig Max von Laue och den norske teo-retikern Egil Hylleraas.

Enligt fysikkommittén var fission enfråga för kemisterna. Nomineringar omett gemensamt pris inkom dock även förkemi. The Svedberg var den som gjorde

utvärderingen. Han gav en mycket nega-tiv bild av Meitners roll, och det varhans version som blev den förhärskandei det svenska etablissemanget. På senaretid har en omvärdering av Lise Meitnersroll gjorts, t.ex. av Fritz Krafft och Ruth Lewin Sime. Lise Meitner återupp-rättades under sin livstid, bl.a. tilldeladeshon tillsammans med Hahn och Strass-mann1966 års Enrico Fermi pris.

Tidskriften Forskning och Framstegpublicerade 1997 en översättning av denartikel författad av Elisabeth Crawford,Ruth Lewin Sime och Mark Walker, ur-sprungligen publicerad i Nature, somMartinsson och Lindau nämner. Häråterfinns också en faktaruta av professorAnders Bárány, nuvarande sekreterare iNobelkommittén, om en av de med-lemmar i Vetenskapsakademien som gavuttryck för ett starkt stöd för ett ensam-pris till Hahn, Göran Liljenstrand, pro-fessor i fysiologi vid Karolinska Institu-tet. Detta var tydligen en man medstarka principer, och att Lise Meitnerinte fysiskt varit närvarande vid upp-täckten av fission skulle definitivt ha varit avgörande för hans ståndpunkt attMeitner inte skulle få ett pris. Denna definition av upptäckt, om än nästan komisk i sin inskränkthet, verkar fort-farande hänga kvar i det svenska all-männa medvetandet då det gäller LiseMeitners insatser.

Martinsson och Lindau avslutar sinkommentar med ett citat av Aristoteles:

”Platon är mig kär, men ännu kärare är

sanningen”. Dessa ord speglar Aristotelesavvikande åsikter då det gällde Platonsverklighetsbild, att det vi erfar med vårasinnen är blott och bart ett svagt åter-

sken av den verkliga världen. Lite iro-niskt är det i sammanhanget att LiseMeitner var en god representant för fy-sikern som just sanningssökare. Låt ossdå, även i Sverige, ge henne det erkänn-nande hon förtjänar för en upptäcktsom har präglat en stor del av 1900-ta-lets historia, på gott och ont.

Jag vill tacka Professor Nanny Frömanoch Professor Robert Marc Friedmanför givande upplysningar i ämnet. ■

Referenser1. Ruth Lewin Sime, ”Lise Meitner - A Life

in Physics”, University California Press(1996) ISBN 0-520-08906-5, ISBN 0-520-20860-9

2. Citat hämtat ur ref. 1, ursprunglig refe-rens: Meitner Collection, Churchill Colle-ge Archives Centre, Cambridge

3. O. Hahn und F. Strassmann, Naturwiss-senschaften 27 (1938) 11

4. Letter Hahn to Meitner, 7 januari 1939,citat taget ur ref. 1, ursprunglig refe-rens, Krafft, Im Schatten der Sensation,275-276

5. Lise Meitner and O.R. Frisch, Nature 143(1939) 239

6. Robert Marc Friedman, ”The Politics ofExcellence - Behind the Nobel Prize inScience”, Times Books, Henry Holt andCompany, LLC (2001) ISBN 0-7167-3103-7

7. Citat hämtat ur ref. 6, ursprunglig refe-rens: Letter, A.H. Compton to NKF, De-cember 12, 1939, KVA/N, 1940

8. Citat hämtat ur ref. 6, ursprunglig refe-rens: Letter, James Franck to NKF, De-cember13, 1940, KVA/N, 1942

PIA THÖRNGREN ENGBLOM

Information om läromedel för grundskola och gymnasium

På hemsidan för Statens strålskyddsinstitut – www.ssi.se – finns ett kostnadsfritt material om strålning som kan användas vid undervisning i t.ex. miljökunskap, samhällskunskap och fysik. Materialt är uppdelat på fem kunskapsnivåer för elever från 6 år till 19 år och omfattar 120 sidor fördelade på 7 stycken pdf-filer.

Lars Persson, lars.ingeman@telia.com, Fil dr i kärnfysik och f d byråchef vid SSI.

12 NR 4 • DECEMBER 2003 | FYSIKAKTUELLT |

FYSIKTÄVLINGEN

FYSIKTÄVLINGEN arrangeras av Svenska Fysikersam-fundet och stöds ekonomiskt av Chalmers tekniska hög-skola, David Griffin, Göteborgs universitet, Erna ochVictor Hasselblads stiftelse, Kungl.Tekniska Högskolanoch Physica Scripta. Tävlingen riktar sig till elever på naturvetenskapsprogrammet och teknikprogrammet somhar läst kursen Fy A och större delen av kursen Fy B.Anmälan till Fysiktävlingen 2004 sker enligt följande:

1) Skicka anmälan via e-mail till alf@varberg.se

Ange i så fall KONTAKTPERSON (dvs vem som ansvararför att tävlingsmaterialet tas emot och hanteras på rättsätt), SKOLA samt SKOLANS ADRESS.

Om detta alternativ används kommer jag att bekräftaanmälan via e-mail.

2) Skicka informationen per post till:

Alf ÖlmePeder Skrivares skolaEngelbrektsgatan 60432 80 Varberg

3) Faxa informationen till Alf Ölme – 0340-10332

Anmälan bör vara mig tillhanda senast 16 januari 2004(gärna tidigare). Eventuella frågor kan till mig på ovan-stående e-mailadress eller postadress.

Kontaktpersonen på en anmäld skola får några dagarföre tävlingsdatum ett exemplar av tävlingsmaterialet,som skall behandlas konfidentiellt fram till tävlingsdagen.Texten kopieras till de deltagande eleverna på respektiveskola. (Maximalt 15 deltagare från varje skola.) Tävlingstiden är 5 timmar – förslagsvis kl 8.00–13.00. Grafisk räknare och formelsamling är tillåtna hjälpmedel.Tillsammans med tävlingsmaterialet kommer också in-struktioner för tävlingen. Några dagar efter tävlings-datum publiceras lösningarna till problemen på fysik-tävlingens hemsida:http://vvv.fy.chalmers.se/fysikaktuellt/fysiktavling/

Insända tävlingsbidrag skickas tillbaka efter rättningen.

Alf Ölme

P.S. Tävlingen år 2005 går 3 februari. D.S.

Fysiktävlingen5 februari 2004

Kosmos är Svenska Fysikersamfundets årsbok,

innehållande populärt skrivna artiklar om aktuell fysik.

Det senast utgivna numret är Kosmos 2003

som innehåller följande artiklar:

■ Per Carlson: Nobelpriset i fysik 2002

■ Per Olof Hulth, Christian Walck: Neutriner som

budbärare från kosmos

■ Imre Pazsit: Att mäta tomrum med antimateria

och segla på Fermihavet – positronannihilationsspektroskopi

■ Staffan Yngve: Fysiken integrerar invandrare

■ C G Ribbing: Fotonkristall ger ljus i nya banor

■ Gösta Ekspong: Kärnenergins historiska rötter

■ Ane Håkansson, Staffan Jacobsson Svärd, Anders Bäcklin: Vad gammastrålning kan berätta om

kärnbränsle

Som medlem i Svenska Fysikersamfundet får du erbjudande om att köpa Kosmos för ett rabatterat pris,f.n. 160 kr (ordinarie pris 195 kr).

Redaktörer för Kosmos är John-Erik Thun, e-post john-erik.thun@fysik.uu.se, och Leif Karlsson, e-post leif.karlsson@fysik.uu.se.

Kosmos ges ut av och kan beställas från Swedish Science Press:

Swedish Science Press Box 118751 04 Uppsalatel: 018-36 55 66fax: 018-36 52 77e-post: info@ssp.nu

AKTUELLTSvenska FysikersamfundetManne SiegbahnlaboratoretStockholms universitetFrescativägen 24, 104 05 Stockholm

E-post: kansliet@fysikersamfundet.se