Kva er lys, eigentleg? Kva seier naturvitskapen, og kva tenkjer elevane?

Lys inngår i mange delar av naturfaget på ulike nivå. Men kva er eigentleg lys i naturfagleg forstand, og kva tenkjer fysikkelevane om lys? I prosjektet ReleKvant utviklar vi læringsressursar og studerer omgrepsutviklinga til elevane i moderne fysikk i programfaget på vidaregåande skule, og vi startar med nettopp lys. Nedanfor fortel vi meir om prosjektet, om utfordringane med den vitskapelege beskrivinga av lys, og om kva elevar tenkjer om saka.

Kva er eigentleg lys? I fysikken stiller vi mange spørsmål, til dømes «Kvifor dett ein stein mot bakken når vi slepp han?» Vi kan svara at det er fordi tyngdekrafta verkar mellom jorda og steinen. Men det fører jo berre til eit nytt spørsmål: Kvifor verkar det tyngdekrefter? Dette er typisk for fysikken, eit fysikkspørsmål fører nesten alltid til eit nytt spørsmål. Vi kan lettare svara på korleis eit fenomen kan beskrivast. Steinen som dett mot bakken kan vi temmeleg presist beskrive med mekanikkens modellar og lover, til dømes at han aukar farten med 9,8 m/s kvart sekund. Vi får likevel ikkje svar på kvifor han dett. På same måte er det ein filosofisk dimensjon over spørsmålet «Kva er lys?» Kva som er lysets inste vesen er eit spørsmål vi kanskje ikkje kan svare på. Men vi kan beskrive korleis lyset oppfører seg, og vi kan laga modellar som gjer oss i stand til å forstå eigenskapar med lyset.

Newton omtala lys som partiklar på slutten av 1600-talet. Ein partikkel er ei eining som kan teljast, og som er avgrensa til eit punkt eller eit lite område i rommet relativt sett. Eit sandkorn kan kallast ein partikkel på makroskopisk skala, det kan også ein planet når heile verdsrommet er arenaen, medan eit elektron er ein partikkel på mikroskopisk skala. På slutten av 1800-talet vart lys beskrive som bølgjer i Maxwells teori om elektromagnetisme. Ei bølgje er ei rørsle som brer seg utover; ho vil alltid ha utstrekning og kan ikkje vera berre på eitt punkt. I 1905 skreiv Einstein at vi best kan forstå lys som eit endeleg tal lyskvantar som er lokalisert i rommet og flytter seg utan å bli delt. Han omtala altså lys på ein partikkel-liknande måte. Lyskvantane fekk seinare namnet foton. Når vi i fysikken skal finne energien til eit foton, brukar vi bølgjelengda til lyset i utrekninga. Kan fotonet vera både bølgje og partikkel – både lokalisert og breidd utover – på ein gong? I dag omtalar vi gjerne lys som eit fenomen som kan vise både bølgje- og partikkeleigenskapar, men som ikkje kan beskrivast fullstendig som verken bølgjer eller partiklar åleine. Vi kallar det bølgje-partikkel-dualisme. Har vi da ein god modell for lys? Sjølv om mange fysikarar har slått seg til ro med bølgje-partikkel-dualismen, er det også mange som tykkjer han er problematisk (sjå artikkelen frå Arnt Inge Vistnes). Korleis fysikarar ser på lysets natur, heng gjerne i hop med ulike tolkingar av kvantefysikken. Kva lys er, eller kva slags modell som best beskriv lys, er altså ikkje eintydig gjeve i fysikken. Korleis bør vi da legge opp undervisninga om lys, og korleis oppfattar fysikkelevar dette fenomenet?

ReleKvant-prosjektet

ReleKvant er eit kombinert forskings- og utviklingsprosjekt om læring og undervisning i fysikk i vidaregåande skule. Prosjektet utviklar nettbaserte læringsressursar i kvantefysikk og relativitetsteori på plattforma www.viten.no. Ressursane byggjer på perspektiv frå fagdidaktisk forsking, og resultat frå utprøvingane bidreg både til å forbetre ressursane og til meir generell kunnskap om god læring i fysikk. I utviklinga samarbeider fysikarar, forskarar i fysikkdidaktikk, lærarar og lektorstudentar. Prosjektet legg mellom anna vekt på å utfordre elevar til å bruke språket munnleg og skriftleg, og på å nytte historiske og filosofiske perspektiv i læringsprosessen. Læreplana i fysikk 2 legg opp til ei kvalitativ tilnærming til den moderne fysikken, der nettopp historiske og filosofiske perspektiv er vektlagt. Fleire gonger blir elevane difor bede om å skrive ned sine svar på konkrete spørsmål. Svara til elevane blir logga gjennom Viten-plattforma slik at både læraren og forskarane har tilgang til dei. Når elevane diskuterer oppgåver dei har fått, tek dei opp samtalen ved hjelp av eigne smarttelefonar. Slik kan forskarane analysere samtalane i etterkant, og lærarane kan bruke dei til å vurdere eller planlegge undervisning.

Nedanfor skal vi nytte elevsvar frå ReleKvant, både skriftlege og munnlege, til å illustrere korleis ein del fysikkelevar tenkjer om lys.

Kva tenkjer fysikkelevane om lys?

I den aller første sekvensen gir vi elevane spørsmålet «Kva er lys?», og elevane skal skrive ned det dei tenkjer.

Eit av dei første skjermbileta i ReleKvant-programmet om kvantefysikk ber elevane om å beskrive lys. Eit av dei første skjermbileta i ReleKvant-programmet om kvantefysikk ber elevane om å beskrive lys.

Mange elevar har nok ei viss forståing av at lys kan beskrivast både som partikkel og bølgje. Men kva det eigentleg vil seie er ikkje så klart. Ein elev skriv til dømes følgjande:

Lys kan sees på som bølger og partikler. Slik jeg har forstått det, er lys partikler med bølgeegenskaper. Altså beveger partiklene seg i bølgebevegelser.

I dei to første setningane får eleven fram bølgje-partikkel-dualismen godt. Men i den siste setninga ber det galt av stad. Det er ikkje partiklane sjølve som rører seg som ei bølgje. Dette er ei vanleg misforståing. Ein annan elev gir uttrykk for same oppfatning:

Partiklene beveger seg i «bølgebaner» gjennom rommet.

Noko av det som kompliserer oppfatningane våre om lysets natur, er som nemnt i innleiinga at vi uttrykkjer energien til eit enkelt foton ved hjelp av bølgjelengda til lyset. Når ein elev skriv at lys er både ein partikkel og ei bølgje, og at partiklane som kallast foton har frekvens, bølgjelengd og energi, vil veldig mange fysikarar vera samd i det. Likevel er det ikkje så lett å sjå for seg kva lys eigentleg er basert på ei slik beskriving.

Fysikarar vil ofte seie at nokre fenomen kan beskrivast best med å forstå lys som bølgjer, medan andre fenomen kan forklarast enklast med ein partikkelmodell for lys. Interferens med lys er lettast å forstå om ein tenkjer seg at lysbølgjer frå to ulike kjelder møter kvarandre og forsterkar kvarandre i nokre punkt, medan dei sløkkjer ut kvarandre i andre punkt. Men når vi talar om foton som blir sende ut enkeltvis frå eksiterte atom, brukar vi partikkelmodellen for lys. Ein av elevane sa det slik:

Lyset kan sees som både partikler og som bølger. Forsøk med interferens underbygger at lys er bølger, men samtidig er det jo fotoner/partikler som blir sendt ut fra eksiterte elektroner.

Kan lys vera både bølgjer og partiklar samtidig? Ein del elevsvar kunne tyde på at elevar gjenga «lærebok-frasar» om lys som bølgjer, partiklar og begge delar, utan heilt å ta inn over seg det paradoksale i bølgje-partikkel-dualismen:

– Ja, hva er lys?
– Lys er fotoner ...
– Mhm
– Ehm, det har både bølgenatur og partikkelnatur
– (….)
– Nei. Så hva er synlig lys? Det er på en måte lyspartiklene.
– Ja, lyspartikler, ja.

For å freiste å tvinge fram djupare refleksjon, la vi inn ei ny side i Viten-programmet før den tredje utprøvingsrunden.

Skjermbilete etter endring av ReleKvant-ressursane om lys som bølgjer og partiklar. Skjermbilete etter endring av ReleKvant-ressursane om lys som bølgjer og partiklar.

Etter denne endringa fann vi eksempel i elevdiskusjonane på at nokre elevar hadde gått djupare inn i bølgje-partikkel-dualismen:

– Jeg skrev at lys har bølgenatur og partikkelnatur og lys har ikke masse, men bølgelengde og frekvens.
– Bølgelengde og frekvens? Men hvis de oppfører seg som fotoner som er partiklene så er det vel ikke bølgelengde og frekvens som partikler?
– Nei.
– Nei. Da ville det bare være bølgenatur, da.
– Ja, de har vel ikke bølgenatur heller hvis man ser på det som fotoner. Det er det som problemet da, er det ikke? At det kan oppføre seg fint som begge deler. Og begge deler er gyldig, mens begge deler også motsier seg selv liksom, det er paradoksalt.

Desse to elevane går verkeleg i djupna når dei diskuterer lysets natur, og dei får fram det paradoksale i at vi beskriv lys med to ulike modellar. Niels Bohr omtala dette med det han kalla komplementaritetsprinsippet. Komplementaritetsprinsippet tek utgangspunkt i at ei rekkje av eigenskapane til naturen er parvis komplementære. Det vil seie at dei opplysningane vi får ved å undersøkje den eine eigenskapen, utfyller eller komplementerer det vi får veta ved å undersøkje den andre eigenskapen. Båe eigenskapane kan ikkje undersøkjast fullt ut samtidig. Komplementaritetsprinsippet er eit sentralt element i det som blir kalla københavnar-tolkinga av kvantefysikken. Bohr meinte altså at vi treng to komplementære modellar for å «fange» lysets natur og omtale alle fenomen der lys opptrer. Det finst mange fysikarar som tolkar kvantefysikken annleis enn københavnar-tilhengarane. Nokre av desse vil helst unngå å sjå på foton som bølgjer og/eller partiklar, og kallar dei heller ein eigen type kvanteobjekt med gjevne eigenskapar. Slik markerer dei tydeleg at kvantefysikken bryt med den klassiske fysikken, og at klassiske modellar av bølgjer og partiklar ikkje klarar å beskrive kvanteverda fullstendig. Læreplana i fysikk 2 trekkjer nettopp fram at kvantefysikk representerer eit brot med klassisk fysikk.

Elevsamtalen under illustrerer at komplementaritetsprinsippet og bruken av klassiske omgrep kan opplevast som lite tilfredsstillande:

– Går det an å tenke seg at lys både er bølger og partikler?
– Ikke egentlig.
– Hvorfor?
– Det virker jo litt rart da, at en ting skal være to ting.
– (...) Bølger, det har ... det er jo energi. Og sånn sett energi har på en måte ikke en fysisk form, men i forhold til de som tror det er en partikkel så har jo det en fysisk form. Det går ikke an å ha både en fysisk form og ikke en fysisk form.

Vi trur at denne typen diskusjonar kan vera med på å gi fysikk-faget ein dimensjon mange elevar vil sette pris på. Dei får filosofere over fascinerande tema, tenkje og argumentere som fysikarar, og oppnår kanskje betre forståing av fysikkens eigenart. Fysikk er ikkje eit avslutta fagfelt, men snarare tvert imot eit fag i kraftig utvikling. Erfaringar frå ReleKvant tyder på at elevar blir både inspirert og utfordra av at forskarar også i dag kan vera usamde om tolkinga av sentrale fenomen, som til dømes lysets natur. Det er nok mange elevar som tenkjer at fysikk er eit fag der det alltid finst ein fasit, men slik er det ikkje i røynda. Fysikarar arbeider sjeldan med spørsmål dei allereie har svaret på attast i boka. I ReleKvant-prosjektet tek vi opp spørsmål utan klare fasitsvar for å vise dynamikken i fysikkfaget, og ikkje minst for å få fram nokre filosofiske aspekt som vi trur mange elevar – og lærarar – vil ha glede av.

Tittelen på denne artikkelen kan lesast som at vi skulle fortelje kva lys eigentleg er. Det har vi ikkje gjort. Det får vi ikkje til. Kanskje er det ikkje fysikkens oppgåve å finne ut kva lys eigentleg er? Niels Bohr har sagt:

I Fysikken […] belæres vi jo atter og atter om, at vor Opgave ikke er at trænge ind i Tingenes Væsen, hvad vi jo heller slet ikke ved, hvad vilde sige, men blot at udvikle de Begreber, der tillader os paa frugtbar Maade at tale med hverandre om Foreteelserne i Naturen.

Om vi vel å tala om lys som bølgjer eller partiklar eller som eigne «kvanteobjekt», kan det hende vi likevel ikkje har fanga «lysets natur». Men vi kan kanskje vera samde om at det ligg i naturen til mange elevar, lærarar og fysikarar å undre seg over kva lys eigentleg er.

Som da med Niels Bohr og Albert Einstein ... Som da med Niels Bohr og Albert Einstein ... ... så no med Christin Sand Martinsen og Aleksander Olsen Bakke. ... så no med Christin Sand Martinsen og Aleksander Olsen Bakke. Foto: Maria Vetleseter Bøe

Aktuelle kompetansemål i læreplanen

Læreplan i fysikk - programfag i studiespesialiserende utdanningsprogram

  • Fysikk 2
    • Moderne fysikk
      • gjøre rede for Einsteins forklaring av fotoelektrisk effekt, og kvalitativt gjøre rede for hvordan resultater fra forsøk med fotoelektrisk effekt, comptonspredning og partiklers bølgenatur representerer et brudd med klassisk fysikk
    • Den unge forskeren
      • drøfte hvordan ulike fysiske teorier kan eksistere ved siden av hverandre, til tross for at de kan være motstridende
      • gi eksempel på en vitenskapelig strid som ble avklart, og hvordan avklaringen kom, og gi eksempel på en vitenskapelig strid som ennå ikke er avklart, og gjøre rede for hvorfor den ikke er avklart
    • Fysikk og teknologi
      • beskrive fysiske prinsipper bak medisinske undersøkelser som røntgen, ultralydavbildning og magnetisk resonansavbildning