Aktuellt

Fråga forskaren: Vad har kokande vatten med Big Bang att göra?

När du värmer vatten på spisen verkar till att börja med ingenting speciellt hända. Vattnets temperatur ökar gradvis, och de myriader av H₂O-molekyler som vattnet består av rör sig allt snabbare, men det är lätt att missa om man är upptagen med annan matlagning. Men förr eller senare börjar vattnet att koka. Samma fysik som får bubblor att bildas i din kastrull kan ha format universum under dess tidigaste ögonblick. Hur då? Vi frågade Oscar Henriksson, universitetslektor i fysik vid Åbo Akademi.

Att flytande vatten övergår till ånga vid 100 °C är något de flesta tar för givet. Men vid närmare eftertanke är det märkligt att vattnets beståndsdelar, H₂O-molekylerna, plötsligt börjar bete sig på ett så annorlunda sätt. Vi kan förstå denna övergång som en dragkamp mellan två effekter.

Den första effekten är att vattenmolekyler dras mot varandra genom elektriska krafter, vilket favoriserar tätt packade tillstånd som flytande vatten. Den andra effekten är att naturen tenderar att gynna oordning. Det här handlar om sannolikheter: det finns många fler sätt för ett rum att vara stökigt än välstädat, och därför driver slumpmässiga förändringar rummet mot oordning. Samma sak gäller för molekyler. Den andra effekten favoriserar alltså vattenånga, där molekylerna kan röra sig fritt utan närgångna grannar.

Vilken effekt som vinner bestäms av temperaturen. Vid låga temperaturer dominerar attraktionen och vi får flytande vatten. Vid temperaturer över 100 °C blir oordningen (eller mer korrekt, entropin) i ångan viktigare. Men molekylerna kan inte koordinera med varandra för att minska tätheten överallt på samma gång. I stället sker övergången genom att vattenmolekylerna i en liten del av vätskan genom slumpmässiga rörelser råkar bilda en gasficka, som sedan kan växa. Detta är en bubbla.

Från kastrullen till kosmos

Samma mönster – en dragkamp mellan två tillstånd, och bubblor som fungerar som frön som sätter i gång övergången – dyker upp om och om igen i olika system. Det kan till och med ha spelat en viktig roll i universums barndom.

För cirka 14 miljarder år sedan befann sig vårt universum i ett otroligt hett tillstånd, ett plasma bestående av alla möjliga partiklar. Denna ursoppa svalnade sedan, och bildade till slut galaxer och solsystem, inklusive vårt eget. Precis som vatten kan genomgå fasövergångar när dess temperatur ändras, kan materian under det tidiga universums dramatiska avsvalning ha genomgått en fasövergång, där olika partiklars egenskaper drastiskt förändrades. Och precis som i vatten kunde en sådan övergång ha skett genom att bubblor av den nya fasen bildades och expanderade.

Det finns olika teorier som förutspår dessa fasövergångar. Forskare hoppas i framtiden kunna avgöra om de verkligen har skett genom att leta efter speciella spår som dessa skulle ha lämnat efter sig – så kallade gravitationsvågor. Dessa blir till när extremt kraftfulla händelser, som kollisioner mellan kosmologiska bubblor, sätter själva rumtiden i svängning. Med planerade observatorier för gravitationsvågor har vi för första gången en chans att höra ekot av en kosmologisk fasövergång, och därmed avgöra om någon av teorierna stämmer.

Det är fascinerande att tänka sig att samma fysik som får vatten att koka kan ha bidragit till att forma vårt universum i dess barndom. Den som vill fördjupa sig i berättelsen om bubblor — från vatten till kosmos via champagne — kan hålla utkik efter Oscar Henrikssons bok Bubblor, utgiven av SLS inom serien Värt att veta.