Tag Archives: fysikk

Rayleigh-Taylor_instability

To streker under usikre svar

Til tross for at matematikk reklameres som dødelig nøyaktig,  så nøyer vi oss ofte med usikre svar.

Innenfor fagfelt som for eksempel værfysikk som brukes for å lage værmeldingen, eller molekyl- og atomfysikk som jeg arbeider med om dagen, så brukes matematiske metoder som baserer seg på usikkerheter og tilfeldigheter. Analogt med at man aldri vil finne to identiske snøkrystaller, så gjør disse tilfeldighetene slik at man aldri vil få samme svar to ganger på rad.

Noen ganger vil forskjellen mellom to beregninger være liten, og andre ganger vil den være stor,

alt avhengig av hva enn det er som beregnes. Enten det er vindstyrke, temperaturen i morgen, eller antall partikler som skytes ut av en atomkjerne per sekund, så kommer vi ikke unna en liten feil som gjør at vi ikke direkte kan sette to streker under svaret.

En snøkrystall er en snøkrystall

Selv om det ikke finnes to identiske snøkrystaller, så betyr det ikke at utseende på snøkrystaller er helt tilfeldig. Vann har nemlig en spesiell struktur som fører til at alle snøkrystaller har seks grener ut fra sentrum. Vær og vind fører derimot til at ingen snøkrystaller blir helt like: Litt høy temperatur her, et lavtrykk her, et vindkast der, og så videre, fører til smelting og frysing av grenene til krystallen litt om hverandre. Sannsynligheten for at to snøfnugg opplever nøyaktig samme forhold på vei ned til bakken er forsvinnende liten, så liten at det ikke finnes nok snøfnugg i universets levealder til å observere det. Men uansett hvor unike de er, så kan de klassifiseres som snøkrystaller uten problemer.

Endelig regnekraft

Det er ingenting i veien for å beregne nøyaktig hvordan alle snøkrystaller og temperaturer på hele kloden er til enhver tid. Det eneste vi trenger er all informasjon om alt som skjer til enhver tid overalt, og uendelig mye regnekraft. De kraftigste datamaskinene i verden kan gjøre billioner av operasjoner per sekund, så er dette praktisk umulig.

Vitenskaplige modeller

Heldigvis for oss så er det mulig å beskrive denne uendelige mengden informasjon på en måte som lar oss få et fornuftig svar allikevel. Det første som gjøres er å bygge en forenklet modell av virkeligheten, og ta med de effektene man har tro på er viktigst, og droppe de som er uviktige. Ofte tester man med og uten forskjellige effekter, for så å sammenligne svarene man får. Regner man for eksempel på atomer og molekyler, så kan man med god samvittighet droppe gravitasjon, siden de elektriske tiltrekningskreftene mellom partiklene på denne skalaen er veldig mye større. Om man derimot regner på planetbaner, så er det stikk motsatt.

Et kaos av sommerfugler

For enkle isolerte systemer slik som planetbanene, er det greit å velge ut hvilke deler av virkeligheten som må med i modellen for å få et tilfredsstillende resultat. Det som er problematisk er systemene hvor enhver mikroskopisk endring i betingelsene, som for eksempel en sommerfugl som flakser med vingene og endrer trykket, kan ha dramatiske endringer for det endelige svaret. Dette kalles for sommerfugleffekten, og er et problem i såkalte kaotiske systemer, slik som vær og vind.

En måte å inkludere sommerfugleffekter i beregninger er å beskrive de som tilfeldige prosesser. I beregningen vår sier vi nå at vi ikke lenger trenger nøyaktig informasjon over hver enkelt sommerfugl, men heller hvor hyppig og hvor kraftige sommerfuglenes påvirkning av betingelsene våre er: En statistisk beskrivelse av sommerfuglenes effekt på systemet vårt. På den måten kan vi legge inn en sannsynlighet for at noe endrer seg i modellen, istedenfor å vite nøyaktig når alt skjer til en hver tid. Prisen er at vi aldri vil få samme svar to ganger.

Kasinoer og vitenskap

Forestill deg at du kaster darts på en pub et eller annet sted i verden. Treffer du blink én gang, så betyr det ikke at du treffer hver gang. Et bedre mål på treffsikkerheten din vil være spredningen i treff etter tusenvis av pilkast. Gjennomsnittet vil kanskje fortsatt være i midten uavhengig av ferdigheter, men forskjeller mellom Robin Hood og Ole Normann vil være åpenbar i spredningen.

På samme måte kan vi gjøre tusenvis av beregninger i modellen vår, for så å oppgi spredningen i svaret sammen med svaret selv. Denne bruken av sannsynlighet, tilfeldige tall og gjentatte beregninger kalles for «Monte Carlo-beregninger», og er oppkalt etter et kasino i Monaco, hvor mye av det samme forekommer.

To streker under et usikkert svar

På for eksempel yr.no sitt langtidsvarsel er det oppgitt gråsoner rundt hvor det er 50% og 30% sannsynlig at svaret havner isteden. Dette er en oversiktlig og praktisk bruk av usikkerhetsmålingene, som gjør det mulig for oss å stole på et usikkert resultat. På samme måte i vitenskapen generelt er et usikkert resultat kun pålitelig om det er oppgitt sammen med spredningen, og da, og kun da, er svaret verdig to streker og en stjerne i boka.

admin-ajax

Hipsteranarkisme på høyt (akademisk) nivå

Fra ungdommelig sprell og svartmetall til doktorgrad i fysikk. Som stipendiat ved Universitetet i Oslo irriterer jeg meg blant annet over hvorfor krystaller ikke følger trafikkreglene.

Som PhD-student i fysikk får jeg reist mye rundt på konferanser og kurs, jeg får lekt med flere hundre års gamle regler for å pushe grensene for hva som er mulig, og jeg legger ikke skjul på at jeg liker at det har en viss «wow-faktor». En globetrottende hipsteranarkist er derfor en veldig god beskrivelse av meg for tiden, og ser du bort ifra at jeg er elendig bereist i verden, så er det ikke en dårlig beskrivelse av meg generelt heller.

Ikke helt som alle andre

Det første minnet jeg har av hipsteranarkismen min er første skoledag på barneskolen, hvor alle skulle trekke i en fallskjerm for å holde den stramt over bakken. Unntatt meg. Jeg skulle stikke hodet opp av hullet i midten med det største smørgliset noensinne, for å mette et uendelig stort behov for oppmerksomhet. Videre ble jeg vokalist i svartmetallband på ungdomsskolen og på videregående søkte jeg opptak til musikklinja, hvor jeg etter tidenes verste opptaksprøve ikke fikk plass.

Jeg endte dermed uinteressert opp på allmennfag. Men rebell var jeg aldri. Og slem var jeg sjelden. Jeg gjorde alltid leksene mine, tok realfag som valgfag, og skulket aldri. Jeg syntes matte var vanskelig, og så ikke helt verdien av det. Men jeg var ikke passiv. Jeg gjorde leksene mine.

På ville veier

Jeg kommer aldri til å glemme dagen da parameterfremstillinger og derivasjon plutselig ga mening. Matte var gøy nå – jeg var over kneika, jeg mestret det. Norsk og andre «skrivefag» var fortsatt vanskelig. Jeg søkte meg derfor videre på realfaglige linjer etter videregående. Aller helst ville jeg bli bygningsingeniør, men NTNU var ikke enige i det, så da havnet jeg i Oslo, hvor jeg fortsatt er den dag i dag.

Jeg er altså her fordi jeg har blitt avvist fra de veiene jeg egentlig ville gå. Og jeg er sjeleglad for det, for før jeg kom hit visste jeg ikke noe om programmering. Tanken på ikke å jobbe med programmering er deprimerende. Det er rart hvordan man ender opp der man gjør. Hvem hadde vel trodd at han som stakk hodet opp av fallskjermen og brukte fritiden sin på svartmetall skulle ende opp som PhD-student i fysikk?

En krystall av… gips! Det jeg er interessert i er å se på overflaten av krystallen mens den gror til å bli så fin og kubisk som den er!

En hverdag full av anarkistkrystaller

Men ende opp her gjorde jeg. Ikke så «mind blowing» som folk skal ha det til, men en spennende, utfordrende og morsom stilling. Det jeg liker aller best er at jeg står relativt fri til å finne veien til løsningene selv; jeg får brukt kreativiteten min. Jeg sier «relativt fri» fordi man alltid er bundet av et prosjekt, enten man har definert det selv eller ikke.

Mitt prosjekt går ut på å bruke metoder som beskriver verdenen til enkeltatomer til å modellere og simulere vekst av krystaller som er så store at de kan sees uten mikroskop om du har falkeblikk. Grunnen til at jeg utsetter meg for marerittet å gå fra atomskala og oppover, er at krystaller ikke følger trafikkreglene for krystallvekst når de gror under høyt trykk; de er skikkelige hipsteranarkistkrystaller. Når jeg arbeider fra atomskala og opp, slipper jeg derimot å anta noen regler om trafikken til krystaller når de gror, og jeg kan forhåpentligvis hjelpe til med å forstå prosessene som driver disse anarkistene bedre og kanskje til og med få de til å bli lydige borgere. Dette er en supervanskelig prosess med lag på lag med kryptiske ligninger som ser like ut enten du står på hodet eller nettopp har våknet fra narkose. Men jeg skal klare det.

Oppstandelsen fra mattegrava

Ligninger har aldri skremt meg. Ligninger er stygge fordi man ikke kjenner dem. Skjønnheten kommer fra innsiden, heter det visst. Tror det var den sveitsiske matematikeren og fysikeren Leonhard Euler som sa det, men kan hende jeg tar feil. Digresjon-alarm, tilbake til saken: Som nevnt tidligere synes jeg norsk er vanskelig. Matte er prinsipielt enklere. Nå har jeg gravd meg ned i matte lenge nok, og det er på tide med en forandring. Som lyn ut av klar himmel dukket det opp et kurs i forskningsformidling når jeg manglet et kurs i graden min. Perfekt. På tide.

Forskningsformidler under utvikling

Jeg har valgt å ta  dette kurset i forskningsformidling fordi jeg mener det er utrolig viktig å lære å formidle faget sitt før det er for sent. Jeg nekter å bli en av disse menneskene som ikke er en «særlig god underviser og bør få slippe» eller en «særlig god formidler og bør få slippe». Om du ikke er særlig god er det fordi du aldri ble særlig god. Vi forskere har et ansvar overfor samfunnet å formidle kunnskapen vår til andre enn kollegaene våre. Jeg vil bli særlig god til dette. Denne bloggen er min arena for å øve på dette.

Velkommen til Jørgen gjør ting han ikke kan.