Vitenskapens verktøy [9] 8290388993, 8290388349 [PDF]

Zitiervorschau

VITENSKAPENS VERDEN

VITENSKAPENS VERKTØY I redaksjonen: Dr. David Blackburn og professor Geoffrey Holister Oversatt og bearbeidet av Erik Tronstad

ILLUSTRERT VITENSKAPS BIBLIOTEK

Innhold Forord

3

Mål og vekt 1 Generelt om måling 2 Måling av tid 3 Veiing 4 Oppmåling og kartlegging 5 Å måle med elektrisitet

5 19 27 33 37

Optisk registrering 6 7 8 9

Mikroskoper Optiske teleskoper Undersøkelser med lyd Å se uten lys

43 53 61 69

Bilde og lyd 10 11 12 13

Fotografering Opptak på bånd og plate Digitale opptak Lasere og holografi

83 87 93 97

Analysemetoder 14 15 16 17

Kjemisk analyse Studier av atomet Datamaskinutstyr Datamaskinprogrammer

Ordliste Register

101 105 111 119 125 126

VITENSKAPENS VERDEN □ «Vitenskapens verktøy» □ Norsk utgave © Norsk Fogtdal A/S 1988 □ Norsk redaksjon: Marte Askeland □ Engelsk originaltittel «Encyclopedia of Modem Technology» □ © Equinox (Oxford) Ltd. 1987 □ I redaksjonen: Dr. David Blackbum og professor Geoffrey Holister □ Forfattere: Keith Attenborough, David Blacbum, Jane Insley, Rhys Lewis, lain Nicolson, Martin Sherwood, Christine Sutton og Graham Weaver □ Sats: Laursen Tønder □ Trykk: Dansk Heatset Rotation 1/S, Odense □ ISBN 82-90388-99-3 (24 bind komplett) □ ISBN 82-90388-34-9 (bind 9 «Vi­ tenskapens verktøy»).

Forord Dette er en bok som i hovedsak beskjeftiger seg med forskjellige sider av moderne teknikk og teknologi. Den tar for seg hvordan ulike teknikker fungerer og hvordan de kan utnyttes i en lang rekke hjelpemidler som brukes både innen handel, vitenskap og i folks hjem. Andre bind i Vitenskapens Verden vil ta for seg de mer fundamentale fysiske og kjemiske prinsipper og prosesser som ligger til grunn for disse teknikkene, og som i dag finner anvendelse på stadig flere felter innen forskning og utvikling. En forutsetning for å få ny viten er at det utføres eksperimenter og observasjoner, og at grunnlagsmate­ riale samles inn, registreres, systematiseres og analyse­ res. De menneskelige sanser alene strekker ikke lenger til for slikt arbeid. Derfor er det opp gjennom historien blitt utviklet stadig bedre hjelpemidler til disse formål, en prosess som fremdeles pågår, i større tempo enn noen sinne før. Resultatet er at dagens forskere har tilgang både til instrumenter som tillater dem å se len­ ger ut i Universet og studere makrokosmos i større detalj enn noen gang før, og til instrumenter som med stor nøyaktighet gjør det mulig å studere materiens minste bestanddeler. Astronomene har i dag til disposisjon optiske tele­ skoper som gjør det mulig for dem å observere objek­ ter milliarder av lysår borte. Dermed kan de også stu­ dere prosesser som foregikk for milliarder av år siden, i Universets ungdom. Fordi det menneskelige øye bare er følsomt for stråling fra en svært liten del av det elektromagnetiske spektrum, har vitenskapelige obser­ vasjoner generelt, og astronomiske i særdeleshet, tradi­ sjonelt vært begrenset til den synlige delen av spekte­ ret. Først med de spede eksperimentene med radiobøl­ ger i forrige århundre, åpnet man døren på gløtt til andre deler av spekteret. Denne døren er senere slått opp på vidt gap. I dag gjøres det observasjoner av både gamma- og røntgen­ stråling, ultrafiolett og infrarød stråling, samt selvføl­ gelig av synlig lys og radiostråling. Fra hvert av disse spektralområdene fås informasjoner om mange ulike prosesser i naturen, informasjoner som ofte er unike for vedkommende spektralområde. Boken gir derfor en bred omtale av ulike anvendelser av slike teknikker. At astronomene, som studerer de største strukturene vi kjenner i Universet og Universet selv, har måttet bygge stadig større instrumenter og observatorier, vir­ ker naturlig. Merkeligere er det at elementærpartikkelfysikerne, som studerer naturens minste bestanddeler, har vært nødt til å gjøre det samme. Mens ulike mikro­

skoper kan brukes for å studere strukturer ned til ato­ mets størrelse, trengs helt andre hjelpemidler for å kunne trenge inn i atomkjernen og undersøke partikle­ ne den består av. Til dette formål er det bygd partikkelakseleratorer med mange kilometers omkrets. Der akselereres partikler opp til lyshastigheten, før de på forskjellige måter «knuses» for at fysikerne skal kunne studere deres bestanddeler. Takket være slike maski­ ner har våre forestillinger om mikrokosmos gjennom­ gått flere betydelige revisjoner opp gjennom det tyvende århundre. For å kunne utføre og sammenligne målinger, kre­ ves både at man har måleinstrumenter, målemetoder og et system av måleenheter. Derfor er det nokså na­ turlig å starte en bok om vitenskapens verktøy med en omtale av disse. Dersom observasjoner og målinger skal ha nytte og verdi utover øyeblikket de gjøres i, må de kunne regi­ streres for ettertiden og analyseres. Til å begynne med skjedde registreringer primært i form av skriftlige ned­ tegnelser. Senere er det utviklet en rekke mer avanser­ te metoder som gjør det mulig å ta vare på de enorme datamengdene som daglig samles inn av forskere ver­ den over. De er så kolossale at det simpelthen ville vært umulig å registrere dem for hånd. Derfor er mo­ derne hjelpemidler som fotografier, magnetbånd og kompaktplater uunnværlige for dagens forskere. Ikke bare er slike datamengder så store at de er umulig å registrere manuelt; de kan heller ikke bear­ beides og analyseres bare ved bruk av den menneske­ lige hjerne. Datamaskiner er følgelig blitt et helt nød­ vendig hjelpemiddel til å holde rede på og analysere disse voldsomme datamengdene. Selv om hjelpemidlene som er omtalt i denne boken til å begynne med kun var tilgjengelige i forskningsla­ boratorier, møter vi stadig flere av dem i vår hverdag. 1 de fleste norske hjem vil vi for eksempel finne en eller annen vekt, kikkert, kamera, og i mange etter hvert også videospillere og kompaktplatespillere, mens for eksempel laserteknologi nå finner veien inn i kopi­ maskiner. Videre er det viktige prinsipielle likheter mellom hvordan forskere akselererer partikler i partikkelakseleratorene sine, og hvordan et fjernsynsapparat virker. Derfor vil lesningen av denne boken ikke bare gi økt forståelse av hvordan dagens forskere arbeider, men også for hvordan mange av de hjelpemidlene vi omgir oss med til daglig, fungerer.

Erik Tronstad

Generelt om måling Telling og måling... Registrering av kroppslige følelser... Oppbygningen av et måleinstrument... Målestandarder... Måling og masseproduksjon... Absolutte målinger... Automatiske målemaskiner... PERSPEKTIV... Opprettelsen av det metriske system... Standarder, målinger og våpen... Sl-systemet for målinger... Andre enheter

På samme måte som andre dyr, opplever vi mennesker verden gjennom sansene. Som dyrene har vi også et utvalg av raske, nøy­ aktige og elegante reaksjoner på ting vi registrerer. Likevel er men­ neskene sannsynligvis de eneste dyrene som kan telle, et faktum som gjør mange av våre handlinger og oppfatninger spesielle. Ho­ mo sapiens kunne kalles Homo technologicus. Vi har en enestående evne til å utnytte - til og med herske over - naturen. Dette skyldes vår evne til å telle, like mye som vår evne til å snakke eller lage redskaper. Noen menneskelige handlinger, som å slå en ball eller å sykle, gjøres uten å telle, akkurat som katter eller fugler jakter på byttet sitt ved på «naturlig» måte å bearbeide syns- og hørselsinntrykk. Selv om nattsommerfugler ikke kan matematikk, leter de etter mu­ lige maker ved å følge små variasjoner i konsentrasjonen av tiltrek­ kende dufter. Slike bevegelser kontrolleres av indre vurderinger der sansete signaler bearbeides og forårsaker de riktige handlinger i de fleste situasjoner som oppstår. Måling er den prosessen der det telles opp hvor sterkt et signal som sanses er. Hvis det kan konstrueres et språk som kan uttrykke denne informasjonen, kan det sendes ut til verden utenfor kroppe­ ne våre. Det muliggjør tre ting: Formidling av informasjon til andre som beskriver hva vi har sett; inngåelse av handelskontrakter og skifteavtaler; samt kontrollsystemer, med en rekke anvendelser in­ nen vitenskap, teknologi og administrasjon.

▲ Kulerammen er en av de tidligste og enkleste måleinnretningene. Siden oldtiden er den blitt brukt i Midt-Østen og hele Asia til addisjon, subtraksjon, multiplikasjon og divisjon. En trenet operatør kan foreta nokså kompliserte beregninger på en kuleramme vel så raskt som en som bruker en hypermoderne, elektronisk lommekalkulator. ▼ Telling og måling er en viktig side ved de fleste menneskelige aktiviteter, ikke bare de som angår vitenskap og teknologi. Vi finner opp mange spill og idretter som baserer seg på telling av ulike begivenheter. Resultatene, som nøyaktige tider for mara­ tonløperne i sommerlekene i Los Angeles i 1984, videreformidles med stort alvor til mennesker over hele verden.

6 Instrumenter kan vanligvis gjøre mer pålitelige registreringer enn menneskekroppen, men er mindre allsidige i bruk. Chang Hengs seismometer

Retningen av seismiske bølger fra jordskjelv

Hvordan telle hva kroppen registrerer Med sansene våre kan vi registrere mange sider av omgivelsene, grader av saltinnhold, rødfarge, lydstyrke og varme, for bare å nev­ ne noen. Selv om alle slike sanseinntrykk til en viss grad kan sam­ menlignes, kan få sanseinntrykk, og ingen av de nevnte, telles på en enkel måte. Ved telling kan vi spørre «hvor mange» istedenfor «hvor mye», slik at noe av det vi registrerer kan legges sammen og bli til mer. A si «dobbelt så høyt» eller «halvparten så rødt» har ingen mening før vi har etablert spesielle måleenheter og måle­ teknikker. Det er imidlertid noen av sanseinntrykkene våre som lett kan telles og legges sammen, og disse danner grunnlaget for målinger av mange andre sanseinntrykk. Alle lever vi i tiden og er oss bevisst at den går. Døgn, uker, måneder, årstider og år utgjør naturlige tidsenheter som lett kan telles, og er enheter som kan måles objektivt (en måned er det samme over hele verden). Når vi er små, blir vi oppmerksomme på tidens gang ved syklusene med å spise og bli sulten. Vi lever også i rommet, og ved å telle skritt eller armlengder kan vi måle opp verden. Det er fire fundamentale egenskaper ved rommet som vi kan måle: Avstander, areal, volum og vinkler kan alle beregnes ved hjelp av lengdemål. Regler for romlige målinger ble i mange tidlige kulturer fastsatt av matematikere og filosofer. De ga faste standarder selv om måleenhetene ennå ikke var nøyak­ tig definert. Det tredje sanseinntrykket vi direkte kan erfare og måle er kraft. Vi merker den ved hvor mye muskelkraft som trengs for å utføre forskjellige gjøremål. Den kan måles og studeres for eksempel ved å telle hvor mange steiner av en bestemt størrelse en person kan makte å bære med seg. Materien har også en fjerde egenskap vi normalt bare merker i spesielle tilfeller: Den elektriske ladning. Evnen til å registrere og måle den har gjort det mulig i betydelig grad å utvide hvilke sanseinntrykk som nå kan måles.

Å. Med sine nøyaktige dimen­ sjoner og orientering etter kompassretningene, viser pyramidene i Egypt hvordan menneskene tidligere så en sammenheng mellom målin­ ger og gudene.

A ► Den kinesiske keiseren Chang Heng bygde et seis­ mometer for a registrere jordskjelv. Et tungt lodd hang inni en krukke på en rett stang. Et skjelv fikk loddet til å svinge. Stangen beveget seg da slik at munnen på en av dragene rundt krukken åpnet seg, og ballen falt på padden under. Skjelvets retning ble bestemt av .ZÆ hvilken padde ballen traff.

Skjelvets retning vises ved posisjonen til padden som mottar ball fra dragen

GENERELT OM MALING

7

Konstruksjonen av et måleinstrument

Instrument

Fenomen som skal måles

Speedometer

Solur

Rotasjonshastigheten til hjul

Tidspunkt på dagen som er bestemt av solens stilling på himmelen

Fleksibel kabel festet til drivaksel som roterer med samme hastighet

En viser er montert slik at den kaster en skygge som følger solens bevegelse

Transduser Omgjør impulser

Magnet feste til kabel danner felt som varierer i styrke med kabelens rotasjonshastighet og får viser til å slå ut

Målerenhet Sammenligner med en standard

Viserens utslagsvinkel. Speed­ ometeret kalibreres ved å sikre at magneter og fjærer har riktig styrke og stivhet

Skyggen treffer en skive som er inndelt og justert etter tidligere avlesninger

Fremvismngsenhet Skive med tall, alarmsignal, viser på skive

Skive på instrumentbord med viser og tallskive som angir km/h

Skive Viser Spiralfjær

Kabel

Magnet

Avstandsmåler

▲ Et speedometer (fartsmåler) består av en fleksibel kabel forbundet med drivakselen eller transmisjonsakselen ved en spiralformet tråd som roterer med samme hastighet. Rotasjonsha­ stigheten, som skal måles, overføres via magnetiske krefter til en nål som gir utslag på en skive. En magnet er festet til enden av kabelen og roterer med den. Rundt magneten er en kapsel av aluminium festet til en spindel, og rundt den en statorkapsel. Kraften mellom den roterende magneten og statoren får aluminiumskapselen til å bevege sin spindel mot en spiralfjær. Til spindelen er også festet en viser, som angir hastigheten mot en nummerert skive. Avstandsmåleren består av et enkelt system av spiralformete tråder.

◄ Alle måleinstrumenter kan deles opp i de samme grunn­ leggende komponenter: Føler, målerenhet, fremvisningsenhet, samt noen ganger også en transduser, som omgjør energi til målbar form.

▲ Et tysk solur fra 1700-tallet. Det er også utstyrt med et kompass som sørget for at det var rettet mot nord. På denne måten kunne man sikre seg at solstrålene traff jevnt på uret til alle årstider.

Instrumenter er bedre egnet til å måle sanseinntrykk enn menne­ skekroppen. Instrumenter kan utvide de menneskelige sanser ved at de er mer følsomme, de kan oppdage og registrere ting menne­ skene overhodet ikke kan registrere, foreta kontinuerlig overvåk­ ning uten å bli trette, måle like store påvirkninger som like store (mens to like store påvirkninger for et menneske kan bli vurdert som ulike), automatisk omgjøre inntrykk til tall og foreta sammen­ ligninger med nøyaktig fastsatte standarder. Til gjengjeld er men­ nesker mer allsidige. Kroppen har en rekke følere og evnen til etter behov å bytte oppmerksomhet fra en føler til en annen. Bare en samling av mange følere ville kunne måle seg med dette, der hver måtte være sterkt spesialisert for en enkelt oppgave. Ethvert instrument har tre grunnkomponenter: En føler, en må­ lerenhet og en fremvismngsenhet. Føleren registrerer det som skal måles og sender et signal til neste komponent. Målerenheten måler styrken på signalet ved å bruke innebygde måleenheter, og fremvisningsenheten viser frem resultatet. Fremvisningsenheten sier og­ så noe om hva instrumentet har målt. Det er opp til brukeren hva som skal gjøres med dataene, deriblant vurdere om de er troverdi­ ge. Resultater vises ofte frem i en av våre tellbare sanser. Vinkler brukes på klokker og andre skiver. I kvikksølvtermometre og baro­ metre brukes lengder som tilsvarer visse temperaturer og trykk. Hvis imidlertid instrumentet bare skal brukes til å vise at et visst farenivå er nådd, kan det være nok med et blinkende lys eller en høy lyd. Mange instrumenter går ett skritt videre og har nummererte fremvisningsenheter som viser hvor mange «enheter» som er regi­ strert. Omgjøring av instrumentets respons til antall standardenheter kalles kalibrering. Nøyaktigheten av dette sier noe om feilen i denne telleprosessen. Føleren må naturligvis også opptre konsi­ stent, ved å gi samme signal for en konstant størrelse på påvirknin­ gen. Nøyaktigheten til et instrument må holdes atskilt fra følsom­ heten, som sier noe om hvor små detaljer instrumentet registrerer.

8 Målinger muliggjør tre viktige aktiviteter: Kontrakter, kommunikasjon og kontroll.

Målinger for kommunikasjon I et moderne samfunn distribueres av mange grunner ulike måledata. Spesielt forskere prøver å gjøre meget nøyaktige målinger slik at de ikke skal forlede andre når de rapporterer om sine observasjo­ ner og de eksperimentelle resultatene som kommer fra dem. Teg­ ninger er én måte å formidle tallinformasjon til en annen person i en lett tilgjengelig form, og brukes mye av ingeniører, arkitekter og planleggere. Særlig tegninger i målestokk kan gi rask og nøyak­ tig informasjon om størrelser, former og posisjoner. Sammen med grafiske hjelpemidler som symboler, farger og konturer kan andre former for informasjon tilføyes. Tegningen blir dermed å betrakte som et slags kart. Med slike hjelpemidler kan mange ting som ikke kan oppfattes samtidig, sammenlignes direkte. Et kart kan på denne måten skille mellom vertikale og horisontale avstander gjennom beregning av vinkler. Ved å benytte standardiserte målesystemer kan informa­ sjon fra mange ulike kilder samles til ett eneste bilde. Dette er verdifullt for et menneske som skal bruke denne informasjonen, fordi det er relativt fort gjort å få oversikt over den. Målinger til kontrakter Handel og industri krever enighet om mengdene av varer, hvorav mange ikke kan telles direkte. En gang var det kanskje enighet om at tre sauer tilsvarte én ku, men land måles normalt som et areal, arbeid ved tiden som er gått med, og verdifulle metaller ved deres vekt. Igjen er det behov for standardiserte måleenheter, og hjelpemidler som gjør at begge parter kan bli enige om hvor mange enheter det er av det som utveksles. Da de gamle grekere begynte å bruke mynter, oppstod det på handelsmarkedene behov for kompliserte beregninger av alle slag. De første myntene var av verdifulle metaller og kunne byttes direk­ te til en hvilken som helst valuta.

KONTRAKTER

KOMMUNIKASJON

◄ Målinger gjør det mulig å sette opp kontrakter slik at de kan kontrolleres av begge parter. Moderne aksje- og handelsmarkeder (som børsen i New York, New York Stock Exchange, som her er vist) gir spillerom for de mest kompli­ serte og varierte beregninger. Priser kan bli gitt i mange for­ skjellige valutaer som stadig varierer i verdi i forhold til hverandre. Da er det svært viktig raskt å kunne regne om fra en valuta til en annen.

GENERELT OM MALING

9

Siden noen myntsystemer med tiden tok i bruk mer og mer uedelt metall, ble det ikke lenger mulig å bytte myntene direkte mot hver­ andre, og myntsystemene fikk ulike verdier i forhold til hverandre. I dag er det en babelsk forvirring på avisenes næringslivssider, der det er mange ulike verdimålere og myntenheter. Verdiene av dem endres stadig etter som tilbud og etterspørsel varierer, samtidig som de relative verdiene av valutaene også fluktuerer. De fleste handelsvarer føres opp med vekt, men det finnes unn­ tak. Olje prises i dollar per fat og korn i cent per skjepper, gjenlevninger etter tidligere tiders bruk av volummålinger. En gang var disse meget enkle å gjenta og bruke. Det er enklere å beregne volumet av en lastekjerre enn å veie den med og uten last. Vektmålinger ble opprinnelig innført for å handle med små og uregelmes­ sig formete biter av verdifulle metaller, som mynter.

Målinger til kontrollformål Ved å telle sine undersåtter og formuene deres, kan en hersker finne ut hvor mye skatt det er passende å ilegge dem. Ved å telle fysiske begivenheter kan en forsker foreta nøyaktige observasjoner av naturen, hvorfra han kan utlede visse prinsipper som gjør det mulig for oss å kontrollere ulike hendelser, kanskje ved å lage et redskap som drar nytte av disse prinsippene. I mange situasjoner kan det være mye som står på spill. For at en flyver skal kunne lande når sikten er dårlig eller null, må han stole på og ha tillit til på det instrumentene i flyet viser. Dessverre finnes det mange eksempler på flyvere som har mistrodd instrumentene, ikke brydd seg om det de viste, og for sent oppdaget at det var de selv som tok feil. Flere målinger er kritiske når et fly skal lande, som høyde, kurs, innretting i forhold til rullebanen, synkehastighet, flyets stil­ ling og hastighet i forhold til luft og bakke. Ved moderne flyplasser måles de fleste av disse størrelsene fra bakken ved hjelp av radar og sendes over radio til flyveren.

▲ Planer og arbeidstegninger er én måte for enkelt og entydig å formidle informasjon om dimensjoner på. De kan også danne en standard som størrelsene på og forholdene mellom ulike deler av bygningen etter behov kan sammenlignes mot.

-4 Instrumenter i kontrollrommet til et stort radioteleskop gir operatøren all informasjon som trengs for å kunne bruke det store og meget følsomme teleskopet. ◄ ◄ Lufttrafikk-kontrollen ved flyplassen i Pittsburgh baserer seg på bruk av radar for å holde oversikt over alle fly i nærheten, og kunne kontrolle­ re deres bevegelser gjennom det overfylte luftrommet omkring flyplassen.

10 Teknikker for masseproduksjon krevde en metode for nøyaktig kopiering av målinger og størrelser, og ble først benyttet av rustningsindustrien.

Måling og industri Selv om håndverkere lenge har vært i stand til å lage enkeltinstrumenter med en meget stor grad av nøyaktighet, var nøyaktigheten i industrielle produkter frem til midten av 1800-tallet langt mindre. I dampmaskinene som muliggjorde og drev frem den industrielle revolusjon, ble alle kritiske deler som måtte passe helt nøyaktig, tilpasset for hånd. Siden det eneste som betydde noe var at nabodeler passet til hverandre, ble det ikke gjort noe forsøk på å måle mot standardiserte enheter. Ironisk nok var det imidlertid disse håndlagete, ikke-standardiserte maskinene som gjorde nøyaktige målinger av små størrelser til en nødvendighet. De kunne nemlig gjøre det mulig å massepro­ dusere alle mulige slags varer i fabrikker, men masseproduksjon krever at deler laget på forskjellige steder eller til ulike tider, mon­ teres sammen til én eneste gjenstand. Det krever en stor grad av presisjon, slik at deler kan lages for å passe til hverandre før de samles for montering. Dette betyr at de må kunne måles med stor nøyaktighet. Fremskritt innen industriell presisjon ble lenge hindret av man­ gel på instrumenter. Passere og linjer som ble brukt av håndverkere ga ikke større nøyaktighet enn omtrent 0,25 mm. Selv om de nå så vanlige mikrometrene først kom i bruk mot slutten av 1800tallet, var bruken av enhetlige, nøyaktige skruegjenger nøkkelen til målinger av små avstander. Hvis én omdreining fører en skrue nøyaktig én millimeter fremover, blir det lett å registrere en varia­ sjon på 0,01 mm, selv om det er en for liten avstand til å kunne ses med det blotte øye. En slik mekanisk forstørrelse av en avstand er grunnlaget for innstilling av maskinelle verktøy, og sikrer at en gjenstand av enhver størrelse kan fabrikeres. Hvordan få ting til å passe Den første vellykkede anvendelse av industrielle måleteknikker til masseproduksjon var i våpenfabrikken til Eli Whitney i 1830-årene. For hver viktig størrelse en komponent i et våpen kunne ha, ble det for hånd laget et originalmål. Originalmålene selv behøvde ikke nødvendigvis å kunne måles med stor nøyaktighet i tommer eller millimeter, det vesentlige var at delene som ble laget for å svare til dem, selv passet sammen. Dette systemet fungerte bra så lenge all fremstilling skjedde in­ nenfor en og samme fabrikk. Skulle produksjonen utvides til en annen fabrikk, måtte man imidlertid ha et nytt sett med original­ mål. På dette stadium var det påkrevet med nøyaktige målinger. Og selv innen samme fabrikk kunne originalmålene være for verdi­ fulle til at man tok sjansen på å bruke dem i den daglige produksjo­ nen, og kopier måtte lages. Whitworth laget sluttmål med standard lengder, og nøyaktige skruinstrumenter som gjorde det mulig å sammenligne arbeidsstykker og mål. Det ble også utviklet og laget standard plugg- og ringmål for lett å kunne måle sylinderdiametre. Sist på 1800-tallet utviklet Johansson i Sverige sett med skyvemål - flate, parallelle flater som kunne klemmes sammen for å bygge opp angitte lengder. Et sett med 81 blokker gjorde det mulig å dekke området 0,5 cm til 55 cm i skritt på 0,0001 tommer. Denne fremgangen var av overmåte stor betydning for utviklingen frem­ over mot metoder for maskinell masseproduksjon. I alle disse fremskrittene var det rustningsindustrien som førte an og utviklet teknikker for masseproduksjon. Millioner av menn bar med seg identiske geværer til skyttergravene i Flandern, forsynt med kuler som passet til dem. Tapstallene i slagene ved Passchendaele og Somme kunne bare oppnås gjennom suksessen til disse metodene for nøyaktige målinger og masseproduksjon.

▲ James Watts messingmikrometer fra 1772. Stålambolten flyttes av en spindel som trengte 19 omdreininger på én tomme, den store skiven ga 51 omdreininger per tomme. Målenøyaktigheten var såpass god som 0,001 tomme.

► Våpenfabrikker førte an i ut­ viklingen av måleteknikker for masseproduksjon. Denne tegningen, som antakelig er fra en gang rundt 1890, viser sliperiet i våpenfabrikken til Royal Small Arms i Stor­ britannia.

GENERELT OM MÅLING

Lagt utover på bildet ses originalmålene, inklusive skyvemål, som ble benyttet for å kunne produsere Royal Enfield-geværet fra 1853. Det var standardgeværet for det britiske infanteriet utover i andre halvdel av 1800-tallet.

11

▲ Et moderne mikrometer har de samme fundamentale kom­ ponentene som Watts. Spindelen (en bevegelig arm) drives om ambolten (den faste delen) av en meget omhyggelig slipt og tilpasset skruegjenge.

12 Det metriske system ble utarbeidet av det franske vitenskapsakademi under den franske revolusjon.

Opprinnelsen til det metriske system Ved den franske revolusjon i 1789 var vitenskaps­ akademiet i Paris en eksklusiv elite av primært ari­ stokratiske forskere. Da som nå krevde forskning tid og penger, men man fikk liten støtte fra næringsli­ vet. Den brå omveltningen i den politiske makten uroet akademikerne, men de gjorde alvorlige forsøk på å liberalisere institusjonen. Til tross for dette ble akademiet oppløst ved påbud fra nasjonalforsamlin­ gen i august 1793.1 de fire årene mellom revolusjo­ nen og oppløsningen ga likevel akademiet verden sitt mest berømte testament, det metriske system. 11700-tallets Frankrike var enheter for lengde og vekt en forvirret samling av lite samordnete lokale enheter. Rettferdig handel var ikke lett. Navigasjon, landmåling, teknikk og vitenskap ble alle hemmet av problemene med å formidle data på en nøyaktig måte. Forslag til veldefinerte standarder var ofte blitt fremmet, men alltid forpurret inntil de revolusjo­ nære idealene forlangte en reform. Akademiet nedsatte en arbeidskomité, og et lovforslag ble lagt frem i mai 1790. Der ble det foreslått at man som lengdeenhet brukte lengden av en pendel med ett sekunds svingetid, målt ved 45° bredde, halvveis mellom ekvator og polene. Sekundet ble definert med stor nøyaktighet, noe som var mulig siden tidens klokker hadde en feil på bare noen få sekunder per døgn. En nøyaktighet på 1/10 000 ville definere lengden til omtrent grensen for oppløsningsevnen til det menneskelige øye. (Siden tid i våre dager kan måles med større nøyaktighet enn noe an net fysisk fenomen, er lengdestandarden nå igjen basert på tidsmålinger). Til telling foreslo man et titallsystem, mens masse skulle forbindes med lengde ved å definere en enhet basert på et standard volum vann ved en gitt temperatur. Kjemikeren Antoine Lavoisier (1743-1794) hadde nylig foretatt slike målinger. Forslaget vakte debatt. Noen mente det var mer naturlig å telle med 12 som enhet enn med 10, og at en reform skulle begrense seg til å standardisere eksisterende enheter. Dette for ikke å gjøre det vanskelig for handelsmenn på grunn av en overdre­ vent perfeksjonistisk vitenskap. Forskernes argument om et enhetlig sett av standarder basert i siste instans på en «naturlig» konstant, Jordens rotasjonsperiode, ble det avgjørende. Etter at enighet om det nye systemet var oppnådd, reorganiserte akademiet sin vekt- og målkomité. Inspirert av matematikeren Marquis de Pierre Simon Laplace (1749-1827) endret den leng­ destandarden fra sekundpendelen til én timilliondel av avstanden fra ekvator til nordpolen gjennom Paris. Det virket fornuftig å koble desimale mål av en rett vinkel (100 nygrader) til én kvadrant i bredde slik at lineære mål og vinkelmål på jordover­ flaten kunne byttes med hverandre; 100 km langs jordoverflaten ville tilsvare 1 nygrad langs en storsirkel, bortsett fra små korreksjoner fordi Jorden ikke er eksakt kuleformet. Det nye forslaget ble vedtatt i løpet av én eneste dag, 26. mars 1791. Det metriske system med sin desimalstruktur var født, og dets fortsatte eksistens ble sannsynligvis sikret ved det nye jordregisteret som ble nødvendig etter jordreformen under revolusjonen.

▲ Antoine Lavoisier, en pioner innen kjemi, som her ses mens han demonstrerer at det er oksygen i luften, spilte en nøkkelrolle i a få det franske vitenskapsakademiet til å vedta det metriske system.

Prefikser for Sl-enhetene

Prefiks

Tallverdi Symbol

TeraGigaMegaKiloHektoDekaDesiCentiMilliMikroNanoPikoFemtoAtto-

10’2 10® 106 103 102 10’ 10’ 102 10-3

T G M k h da d c m

10« 10-9 10’2

10’5 10’8

Enhetene i Sl-systemet Enhet for

Navn på enhet

Lengde Masse Elektrisk strøm Temperatur Lysstyrke Vinkel Romvinkel Frekvens Kraft Trykk Viskositet Energi Effekt Elektrisk ladning Elektrisk potensial Resistans Kapasitans Magnetisk fluks Induktans Magnetisk flukstetthet Lysfluks Belysning

meter kilogram ampere kelvin candela radian steradian hertz; svingninger per sekund newton; kgm per sekund per sekund Pascal; newton per kvadratmeter poiseuille; newton-sekund per m? joule; newton-meter watt; joule per sekund coulomb; ampere-sekund volt ohm farad weber henry tesla; weber per kvadratmeter lumen lux; lumen per kvadratmeter

Enhetssymbol

W c V 12 F Wb H

GENERELT OM MALING

13

► André-Marie Ampere (1775-1836) var en fransk fysiker som arbeidet med elektrodynamikk. Enheten for elektrisk strøm, ampere, er oppkalt etter ham og definert som den konstante strømmen som, hvis opprett­ holdt i to parallelle ledere 1 m fra hverandre, gir en kraft mellom dem på 2x10-7 N/m.

▼ ► Den tyske fysikeren Heinrich Rudolf Hertz (18571894) bekreftet den britiske fysikeren James Clerk Maxwells (1831-1879) teori om elektromagnetisme og studerte elektromagnetiske bølger. Enheten for frekvens, hertz, er oppkalt etter ham. Maxwell sammen­ fattet i 1865 elektromagneti­ ske fenomener i de såkalte Maxwells ligninger, og regnes som en av tidenes fremste fysikere. ▲ Den franske filosofen Blaise Pascal (1623-1662) utførte banebrytende arbeider innen vitenskap, matematikk og religiøs tenkning. Hans arbeid om barometrisk trykk og væskers likevekt er minnet i Sl-enheten for trykk, definert som resultatet av at en kraft på 1 N virker over et areal på 1 mz. Pascal bidro også i stor grad til å legge grunnlaget for sannsynlighetsregningen. ◄ Den amerikanske fysikeren Joseph Henry (1797-1878) bidro med viktige fremskritt innen elektromag­ netisme. Han oppdaget prinsippet om selvinduktans og induksjonsmotoren. Enheten for induktans er henry, definert som induktan­ sen i en lukket sløyfe som gir en magnetisk fluks på 1 Wb for hver ampere strøm. ▲ Den britiske fysikeren James Prescott Joule (18181889) studerte forbindelsen mellom mekanisk arbeid og varme og formulerte en ter­ modynamisk lov om ener­ giens bevarelse. Enheten for energi - som sier hvor mye energi som trengs når det brukes en kraft på 1 N for å flytte et legeme en avstand 1 m, er oppkalt etter ham.

◄ Den britiske fysikeren sir William Thomson Kelvin (1824-1907) arbeidet innenfor termodynamikk og etablerte en absolutt temperaturskala som er oppkalt etter ham. En kelvin er 1/273,16 av trippelpunktet for vann (temperatu­ ren hvor vann samtidig kan eksistere både som væske, gass og fast stoff). Kelvin var forøvrig konsulent for firmaet som la den første transatlan­ tiske telegrafkabel, og hadde mye av æren for suksessen.

Det internasjonale enhetssystem, Sl I 1960 ble det opprettet et komplett system av enheter basert på meter, kilogram og sekund som standarder. Det såkalte «Systéme International d'unités» definerer også enheter for andre målinger enn rent mekaniske. Kelvin for temperatur, ampere for elektrisk strøm og candela for lysstyrke er noen eksempler. Gradvis er disse Sl-enhetene tatt i bruk innen teknikk, men det er ennå langt frem til global bruk. I Apollo-programmet, der mennesker ble landsatt på Månen, brukte man pund, tommer og Fahrenheit. Fortsatt brukes slike enheter i det ameri­ kanske romprogrammet. Prinsippet om at energi kan omgjøres fra en form til en annen brukes for å skille ulike områder av ob­ servasjoner. Elektriske instrumenter som måler ampere og volt gjør det for eksempel mulig å bestemme effektforbruket av en elektrisk maskin i watt: effekten som produseres av en idrettsutøver på en tredemølle kan beregnes i samme enhet ved å gjøre målinger av kraften (som måles i newton) og hastigheten (i meter per sekund).

14 Numerisk styrte maskiner kan reprodusere mønstre langt raskere og mer nøyaktig enn ved manuelle mål.

Målinger og automatisering Når kompliserte maskiner som for eksempel biler skal lages, må man først lage de enkelte delene, og så montere dem sammen etter­ på. Disse to prosessene kan godt gjøres i forskjellige fabrikker, eller til og med i forskjellige land. Med metodene for masseproduksjon i forrige århundre prøvde man å oppnå presisjon ved hjelp av ma­ nuelle ferdigheter; håndverkere som brukte nøyaktige maskinverktøy kontrollerte arbeidet sitt mot mål eller de brukte mikrometre. Produksjonshastigheten var begrenset av menneskelig yteevne og tilgangen på trenete maskinarbeidere. Gjennombruddet til langt høyere produksjonskapasitet kom med maskiner som kunne kontrollere seg selv til å utføre disse viktige oppgavene. En slik maskin trenger «øyne» for å registrere posisjo­ nen til verktøy og arbeidsstykke, en «hjerne» som kan bestemme hva som skal gjøres og «muskler» for å utføre arbeidet. I moderne maskinroboter er hjernen en datamaskin med et program, og arbei­ det utføres ved hjelp av elektriske motorer som kontrolleres av enheter som gir tilbakemeldinger, men det er et måleproblem å sørge for «øyne». Det finnes posisjonsfølere som baserer seg på en lang rekke transduksjonsmetoder, men følere som baserer seg på samme prinsipp som mikrometeret er blant de mest vanlige. Lineære posisjoner settes opp av spindler, og vinklene de har dreid er proporsjonale med avstanden som er tilbakelagt fra et forhånds­ definert startpunkt. Det som da trengs er en passende kode for å sende data til en datamaskin som erstatter de inngraverte merke­ ne og tallene som menneskehjernen ser etter. Optiske vinkelavlesere bruker fotoceller til å omgjøre vinkelmålinger til elektriske strømpulser. Resten av arbeidet er da definert bare ut fra et sett med verdier. Spindler lider under problemet med slark som skyldes slitasje. I noen maskiner foretrekkes derfor følere som direkte måler posi­ sjonene av arbeidsstykke og verktøy. Systemer som er følsomme for lineære forskyvninger omfatter fotoceller som ser etter Moirémønstre, spoler som registrerer vekslende magnetfelt og laserinterferometre. Innen industrielle anvendelser er presisjon alltid det viktigste. For de fleste anvendelser er toleranser på 0,001 mm tilstrekkelige. Dessuten er det meget viktig med stor pålitelighet, siden dårlig arbeid og maskiner som står, koster penger.

► Denne dreiebenken, som er numerisk styrt av en datamaskin, er et typisk maskinverktøy fra 1980-årene. Rekkefølgen av operasjoner kan omfatte ulike spindelhastigheter og forskjellige ha­ stigheter på drivhjul. Posi­ sjonsfølere gir datamaskinen beskjed om fremgangen og bestemmer hvor fort programmet utføres.

RELT OM MALING

4.130 _ ----------- 4.123 [104.90] [104.721 4.046 _ 4.039 [102.77] [102.59] 2.130 _ 2.123 [54.1 OJ

1.380 1.373 [35.05] [34.B7]

15

◄ Datamaskinassistert kon­ struksjon (DAK) av industriel­ le komponenter, som denne skivebremsen, kan foretas ved hjelp av interaktive terminaler. Operatøren lager først en strekoriginal av kom­ ponenten og dens indre be­ standdeler og hulrom. Denne modellen kan roteres på skjermen i tre dimensjoner og kan lett endres. Endres noe i én dimensjon, bereg­ nes automatisk alle andre mål på nytt. Spesiell pro­ gramvare omgjør strekoriginalen til tallstørrelser som definerer legemet, og til et fast legeme der det legges på skygger for å gjøre det lettere å oppfatte det. Tal­ lene lagres i datamaskinen og kan senere brukes som standarder som skal oppnås under selve fabrikasjonen av gjenstanden. Dette gjør det også lett å beregne automa­ tisk hvor mye som trengs av ulike materialer for å lage den.

16 Siden tid kan måles med større nøyaktighet enn noe annet fenomen, defineres nå andre enheter ved hjelp av tid.

Tid og lengde er de to mest fundamentale fenomenene som måles. De fleste innretninger som måler andre størrelser krever at det fin­ nes pålitelige standarder for tid og lengde. I flere hundre år har det vært et viktig mål for forskere å kunne bli enige om nøyaktige målinger av disse størrelsene. Fremskritt innen måleteknikk har da også gitt stadig mer presise definisjoner av dem. Tidsenheter Døgnet og måneden utgjør naturlige tidsenheter. Det er lett å telle dem i større enheter - uker, år - og å lage kalendere som er for­ holdsvis nøyaktige. Det er derimot ikke like lett å dele disse enhete­ ne i mindre deler, fordi det krever en metode til å bestemme hvor­ vidt de enkelte, mindre tidsenhetene er like eller ikke. Da man først begynte å lage ur, måtte man basere seg på subjektive vurde­ ringer av hvor regelmessige de var. Selv etter oppfinnelsen av pen­ delen var det ikke innlysende at varigheten av en svingning var eksakt den samme for forskjellige pendler med samme lengde. Ut fra vitenskapelig tankegang har man etablert objektive kriterier for å vurdere om et fenomen er regelmessig eller ikke, og moderne tidsstandarder benytter seg av disse kriteriene. I flere århundrer ble stjernedøgnet brukt som grunnleggende tidsenhet. Ett stjernedøgn er tiden Jorden trenger på å rotere én gang om sin egen akse. Videre inndeling i sekunder ble målt ved omhyggelig kontrollerte pendler. Stjernedøgnet er mer konstant enn soldøgnet. Sistnevnte varierer i lengde fordi Jorden har en el­ liptisk og ikke sirkulær bane rundt Solen. Det er imidlertid soldøg­ net som inngår i kalendrene våre, og som deles inn i 86 400 sekun­ der. Svingefrekvensen og regelmessigheten av de konstante pend­ lene som ble brukt til å definere sekundet, måtte justeres mot ob­ servasjoner av stjernene. Selv stjernedøgnet er egentlig ikke konstant. Det påvirkes og forstyrres både av tidevannseffekter på Jordens rotasjon som skyl­ des Månens bevegelse og variasjonene i Jordens avstand fra Solen, og av storstilte bevegelser i jordatmosfæren. Dessuten er det en relativ bevegelse mellom Jorden og referansestjernen. Derfor ble tidsstandarden definert på en ny måte. En kunstig frembrakt en­ dring i tilstanden til et atom av metallet cesium får det til å sende ut stråling med en konstant frekvens. Ett sekund er nå definert som tiden det tar for denne strålingen å svinge 9 192 631 770 gan­ ger. Det som er definert på denne måten er en frekvens, og cesiumatomet produserer stråling med nøyaktig denne frekvensen. Den kan bestemmes med stor presisjon og kan benyttes til å definere lengre tidsintervaller med stor nøyaktighet. Standarden basert på stjernedøgnet hadde en nøyaktighet på én timilliondel, den nye standarden har en nøyaktighet på én milliarddel. 0,004

◄ ► Stjernedøgnets lengde har vist seg å variere på grunn av variasjoner i jordrotasjonen. Denne er blitt målt ved bruk av en laserstråle, som denne ved Royal Greenwich Observatory i Storbritannia, som følger bevegelsen til satellitten Lageos 1. Satellittens overflate er dekket av speil som reflek­ terer strålen. Tilsvarende målinger er i flere år gjort fra en rekke andre stasjoner mange forskjellige steder på jordoverflaten. Denne teknikken har vist at stjerne­ døgnets lengde varierer med 0,001 sekunder over et så kort tidsrom som to uker.

Døgnets lengde (vel 86 400 sekunder)

Variasjoner i døgnets lengde

0,003

0,002

0.001 1980

1981

1982 År

1983

1984

GENERELT OM MALING

17

Måling av lengde Enheter for både lengde og masse var opprinnelig basert på vilkår­ lige valg. Så snart ukonstante mål, som armlengder eller skritt, begynte å variere ubehagelig mye, laget man en spesiell målestav som alle andre mål skulle kalibreres mot og som man tok nøye vare på. Det franske vitenskapsakademi laget i 1793 sin egen målestav, som bestod av platina. Avstanden mellom endene på staven skulle være én timilliondel av avstanden fra ekvator til nordpolen langs meridianen som passerer gjennom Paris. Meningen var å benytte seg av at denne astronomiske størrelsen var konstant og kopierbar, til å definere meterstandarden og bare betrakte platinastaven som et eksempel på dette. Fra 1799 ble imidlertid selve platinastaven definert som standarden. I løpet av 1870-årene ble det arbeidet med å lage et sett kopier av standardmeteren for distribusjon til andre land. Det førte i 1889 til en internasjonal konferanse hvor det ble oppnådd enighet om en ny, forbedret meterstandard. Etter hvert som fysikken utviklet seg, ble det klart at bølgelengdene på lys utsendt av atomer er langt mer konstante enn noen metallstav. Dessuten kunne en stan­ dard basert på spektroskopiske målinger etableres billig, raskt og nøyaktig i et hvilket som helst laboratorium. I 1960 ble derfor mete­ ren definert til å være 1 553 164,13 ganger bølgelengden for en rød linje i spektret fra kadmium, utsendt fra en lampe bygd etter meget bestemte spesifikasjoner. Selv denne fremragende standarden er nå foreldet. Relativitets­ teorien har vist at lysets hastighet i vakuum er en absolutt konstant størrelse. Siden tidsstandarden er definert med bedre nøyaktighet enn den røde kadmiumlinjen, kan meteren defineres mer nøyaktig ved den avstanden lys tilbakelegger i løpet av et bestemt tidsinter­ vall - som er 1/299 792 458 av ett sekund. Slik brukes nå tidsmålinger til å definere målinger av lengder. ► En egyptisk målestav fra syvende århundre f.Kr.

▼ Oppsettet på dette bildet il­ lustrerer eksperimentet som definerer meteren ut fra lyshastigheten. Lyset fra heliumneon-laseren stabiliseres med metan- eller joddamp, og dens frekvens måles. Fra dette beregnes avstanden den tilba­ kelegger i løpet av et bestemt tidsintervall. Det er unødvendig å måle avstanden lysstrålene tilbakelegger.

18 Isaac Newton varden første som trakk en forbindelse mellom masse og kraft.

Enheter utledet fra tid og lengde Vi ser ut til å være omgitt av tre rom- og én tidsdi­ mensjon. Areal og volum er kombinasjoner av lengder; måleenheter for dem trenger en lengdeen­ het. Strengt tatt trenger ikke vinkelmålinger dette, fordi de er forhold mellom lengder. De har isteden sine egne mål der 90 grader, 100 nygrader eller ir/2 radianer (1,57) utgjør en rett vinkel. Ved å kombinere tid med lengde, kan en rekke nye målinger gjøres. Det mest kjente eksempelet er kilometer per time for hastighet, med akselerasjon i kilometer per time per sekund. Det er ofte lettere for oss å forestille oss slike «blandingsenheter» enn mer «fornuftige». Ut fra de etablerte standarder for lengde og tid, burde hastigheter skrives som meter per sekund, og akselerasjoner som meter per sekund per sekund. Ofte er det behov for å beskrive hastigheten ting skjer med i tid. Ved å si «per time» eller «per sekund» kan dette lett uttrykkes. En teppelegger arbeider med en fart på 10 m2 per time, en elv flyter med en fart på 50001 per sekund. Selv i dagligtale krever disse avledete enhetene både lengde- og tidsstandarder. Uten slike standarder måtte en bils hastighet sammenliknes direkte med en «standardhastighet» for å kunne knipe en fartssynder. Slik det nå er, holder det med en beregning basert på målinger foretatt med en radar. Enheter for masse og kraft Innføres masse som en tredje fundamental standard, kan flere enheter utledes. Masse er ikke så mye en dimensjon i verden som en egenskap ved stoff i den. Masse er den egenskapen ved materie som har mekanisk innvirkning siden den, i hvert fall for forskere, sier noe om treghet, en «uvilje til å endre bevegelse». Den britiske fysikeren sir Isaac Newton (16421727) trakk den første fruktbare forbindelse mellom den nokså abstrakte egenskapen masse og den langt mer målbare sansingen av kraft. Han viste at masse er kraft per akselerasjon, noe som gjør at vi kan definere kraft. Det finnes standarder for masse, lengde og tid. Den opplagte enheten for kraft er den kraften som, anvendt på et legeme på 1 kg, ville endre dets hastighet med 1 m/s hvert sekund. Dette er den vitenskapelige enheten for kraft, kalt newton (og tilfeldigvis, men velvalgt, omtrent lik vekten av et eple). Vekt er derfor en kraft (mengden som trengs for å plukke opp en gjenstand) og gjen­ speiler bare en mekanisk situasjon hvor masse yter motstand mot å begynne å bevege seg. Egentlig finnes to typer masse, treg og gravita­ sjonen masse. Et legemes trege masse er den som er omtalt ovenfor. Dets gravitasjonelle masse bestemmer hvor sterkt det vil trekke på andre legemer. Eksperimenter synes å vise at et legemes trege masse er lik dets gravitasjonelle, dvs. at legemer med ulik masse faller like fort mot jorden. Når kraft er definert, kan mange nye målinger foretas. Energi er lik kraft ganget med avstand, effekt er kraft ganget med hastighet, bevegelses­ mengde er kraft ganget med tid. Viskositeten i en væske er skjærspenning per hastighet per lengde. Trykk og styrke til et materiale måles begge som en spenning, som er kraft per areal.

▲ Akselerasjonen til en ball som spretter kan måles ved hjelp av høyhastighetsfotografering og blitz. For større legemer, som undervannsbåter eller romfartøyer, kan aksele­ rasjonen måles ved å registrere tregheten til et legeme opphengt i fartøyet, et såkalt akselerometer.

▼ Schlierenbilde av sjokkbøl­ gene fra en gjenstand i en vindtunnel. Utprøving av flys luftmotstand og turbulens ved ulike lufthastigheter er en vik­ tig del av konstruksjonsfasen, med følger for sikkerhet og økonomi. Fargene gir viktig in­ formasjon om egenskapene til luftstrømmen rundt gjenstanden.

Måling av tid De første innretningene for måling av tid... Mekaniske ur... Klokker drevet av pendler og fjærer... Elektriske og elektroniske ur... Cesiumuret... Kalenderen... Baklengs måling av tid: Radiokarbondatering... PERSPEKTIV... Det marine kronometeret... Greenwich middeltid og universell tid... Relativ tid i

■■

■

'

..

.

~

Kjennskap til riktig tid er viktig i mange situasjoner i livet. Det gjør det mulig for ulike kommunikasjonsselskaper, fra flyselskaper til radiostasjoner, å samordne gjøremålene sine. For navigatører er riktig tid av avgjørende betydning, de må vite nøyaktig hva klok­ ken er for å bestemme sin eksakte posisjon. Faktisk var det øknin­ gen i sjøtrafikk over store avstander sent på 1400-tallet som førte til utviklingen av nøyaktige klokker og kronometre. Tidsmålinger baserer seg på observasjon av en hendelse som inntrer med jevne mellomrom. Helt fra oldtiden har tiden vært uløselig knyttet til astronomi - opp- og nedgang av Solen og stjer­ nene og Månens mange forskjellige faser er alle regelmessige feno­ mener. Soluret, som var i bruk alt flere hundre år før Kristi fødsel, gir et mål for tiden om dagen. Det skjer ved at en skygge passerer over en skive samtidig som Solen beveger seg over himmelen. Etter hvert som mer og mer nøyaktige klokker er blitt konstruert, er definisjonen av den grunnleggende tidsenheten blitt mer og mer presis. Oldtidens klokker, som for eksempel vannklokken, var ikke særlig nøyaktige. På 1300-tallet ble de første mekaniske klokkene laget, drevet av fallende vekter med en mekanisme som langsomt og regelmessig overførte draget fra dem til klokkens hjulverk. Så i 1581 oppdaget den italienske matematikeren og naturforskeren Galileo Galilei (1564-1642) at en pendels naturlige svingninger gjentar seg med en regelmessig periode, som ikke avhang av utslagsvinkelen, men bare av lengden på snoren som loddet er festet til. En 99 cm lang pendel har en svingeperiode på ett sekund. Neste skritt var å overføre denne tidsenheten til et urverk.

Å Soluret, her vist på en 1500talls-bygning i Cambridge, var den første formen for klokke. Til tross for dens mange begrensninger, ble det laget bær­ bare utgaver, med et kompass for å lette innrettingen.

▼ En 1600-talls-konstruksjon av et vannur. Vann kommer inn i tanken fra løvens munn og unnslipper så. Mens vannnivået minker, synker det takkete legemet og slår timene mot ringen av bjeller.

◄ En innretning fra 1700-tallet for å vise hva klokken var om natten. Den baserte seg på stjernebildenes bevegelse rundt polen. Polstjernen siktes inn gjennom et hull i midten, hvoretter armen dreies til den ligger på linje med de to lyssterkeste stjernene i Karlsvogna. Tidspunktet kan så avleses på skiven.

iirøHHHiuwiHiiWHiituiimfiimmhwi»_

20 Kronologi 3500 f.Kr. Første solur i bruk i Midt-Østen 100 f.Kr. Vindenes tårn i Athen hadde åtte solur for å gi nøyaktig tid hele dagen Første århundre f.Kr. Romerne bygde vannklokker med visere som flyttes over en skive 1315 Første offentlige slagur installert i Milano, Italia

1386 Klokketårnet i Salisburykatedralen i England bygges, eldste eksisterende mekaniske klokke 1500 Peter Henlein, en tysk låssmed, bygde små, fjærdrevne klokker ca 1520 Tsjekkeren Jakob i Praha oppfant snekke som kompenserte for snorens slakking etterhvert

som drivfjæren vikles ut 1581 Galileo Galilei viste at pendelens svingeperiode er avhengig av hvor lang den er 1656 Christiaan Huygens tok i bruk pendelen for å lage pendeldrevne klokker 1660 Ankergang oppfunnet av Robert Hooke i England, som også laget balansefjær for klokker

Rundt midten av 1600-tallet konstruerte den nederlandske fysike­ ren, matematikeren og astronomen Christiaan Huygens (16291695) det første pendeluret. Pendelen kontrollerer vektens fallhastighet, eller en fjær folder seg ut, ved hjelp av en mekanisme kalt et gangparti. Denne mekanismen frigir vekten med jevne mel­ lomrom og tillater energi å unnslippe. Det finnes flere forskjellige slags gangpartier som er i bruk i klokker, men de fleste består av et takket ganghjul og en krum stang bøyd slik at den i hver ende danner en klo som vekselvis griper tennene i ganghjulet. Via en spindel er stangen forbundet med pendelen. Når pendelen svin­ ger, slipper den ene kloen hjulet og den andre griper det igjen. Dermed kan ganghjulet flytte seg ett hakk i gangen og samtidig overføre en impuls til pendelen, som opprettholder dens svingebevegelse. Ganghjulet er forbundet med hovedhjulet i tannhjulsettet, som via en rekke tannhjulsdrev, spindler og hjul drives av vekten eller fjæren. Tannhjulsettet er faktisk en slags girkasse, laget for å overføre energi til urverket, som igjen benytter den til å drive urviserne rundt på skiven, og slik vise hvor mye klokken er.

1670 Engelskmannen William Clement lagde klokker som har se­ kundviser 1704 Juveler brukt i klokkebevegelser for første gang 1715 Engelskmannen George Graham oppfant hvilegangen for bruk i presisjonsur 1721 Graham tok i bruk kvikksølvpendelen som kompenserer for

virkningen av temperaturvariasjo­ ner på pendelens lengde 1735 Engelskmannen John Harrisons første marine kronometer ferdigstilles. Forsynt med en utlikningsmekanisme for å motvirke skipets rulling 1765 Engelskmannen Thomas Mudge oppfant engelsk ankergang for klokker

Pendelur

▲ Urmakerens ferdigheter lå i å kunne lage deler som gikk med liten slitasje. Aksler og tannhjul var vanligvis av stål, og platene de dreide i av messing, noe også hjulene var. Hjulene bie skåret til med kuttemaskiner. Spindelgang

◄ Dette bildet viser en lyktklokke fra 1600-tallet. Hjulet med hakk kontrollerer slagmekanismen. Det går rundt sammen med timeviseren og klokken slår når låsstykket er hevet.

A Spindelgangen baserer seg på svingingen av en opphengt arm som justeres av flyttbare vekter. Når den svinger, vil hakene vekselvis gripe tak i og slippe tennene på ganghjulet.

MALING AV TID

1840 Elektrisk ur utviklet i Storbritannia av Alexander Bain og Barwise 1840 Første batteridrevne elektriske ur, men ennå med fjær og pendel 1855 Kronografen oppfinnes, som kan registrere både løpende tid og tidsintervaller 1884 Greenwich middeltid vedtas

som internasjonal tidstandard 1906 Første selvstendige, batteridrevne klokke 1918 Elektrisk klokke for lysnettet oppfunnet av H. E. Warren i USA. Styres med frekvensen på lysnettet 1921 Briten W. H. Shortt bygde fripendelur med nøyaktighet på ett sekund over 10 år og elektrisk

Det marine kronometeret Da europeerne bega seg ut på havet, ble det nødvendig å kunne beregne posisjoner. Fra tidlige tider var sekstanten og astrolabet blitt brukt til å bestemme himmellegemers høyde over horisonten. På grunn av jordkrumningen kommer middag fire minutter tidligere eller senere for hver grad vest eller øst for en gitt meridian. Ut fra dette kan navigatøren beregne hvilken lengde han er på, om han har et godt ur slik at lokal tid kan sammenlignes med tiden i meridianen. På grunn av skipets bevegelser kan ikke et vanlig pendelur benyttes, og konstruksjonen må ta hensyn til endringer i luftfuktighet og temperatur. 11714 ble det i Storbritannia satt opp en pris til den som kunne lage et slikt ur. 14 år senere begynte urmakeren John Harrison (1693-1776) å arbeide med problemet, og laget i 1735 sitt første kronometer med en gresshoppegange og et par koblete vekter som endte i tunge messingkuler for å kompensere for skipets rulling. Etter vellykkete forsøk gikk han igang med å forbedre konstruksjo­ nen. Hans tredje ur var ferdig i 1759. To år senere kom en større utgave, Harris on s meget berømte fjerde kronometer, med spindelgang og en kompensasjonsvekt av to metaller. Dette uret ble det mest nøyaktige av de fire han konstruerte, og ble 11761 tatt med på en fem måneders tur til Jamaica. På turen saknet det mindre enn to minutter, tilsvarende en halv lengde­ grad. Ytterligere tre år senere var dette redusert til 54 sekunder. Den britiske oppdagelsesreisende James Cook (1728-1779) hadde en kopi av dette kronometeret med på sin jordomseiling, der det var av uvurderlig verdi. Harrison fikk imidlertid ikke pris­ belønningen før i 1773, bare tre år før han døde. ► John Harrisons tredje kronometer fra 1759. Ankergang

A I ankergang svinger ankeret med pendelen. Mens hjulet dreier, skyver det en klo opp til den andre tar tak. Kloens krumning tvinger hjulet til å gå litt tilbake.

Hvilegang

A I hvilegangen, som brukes i presisjonsur, er klørne laget slik at de griper mer fast. Her går derfor ikke ganghjulet litt tilbake når en av klørne slipper taket.

drevet, brukt ved astronomiske observatorier 1929 Første kvartsklokke laget av J. W. Horton og W. A. Marrison i USA; nøyaktighet på ett sekund over tre år 1944 Kvartsklokke installert ved Royal Greenwich Observatory for å gi Greenwich middeltid 1948 Første atomklokke, basert på

ammoniakkatomer oppfunnet i USA 1953 Elektroniske klokker kommer på markedet 1953 I USA undersøkes muligheten for å kunne konstruere cesiumur 1955 Cesiumur installeres ved National Physical Laboratory i Storbritannia

21

1957 Batteridrevet elektrisk ur som benytter fjær og balansehjul tas i bruk 1962 Hydrogenbasert atomur bygd ved Harvard University i USA med en nøyaktighet på ett sekund på 100 000 år 1975 Digitale klokker og ur som viser tiden med flytende krystaller markedsføres

Pendelen og ankergangen var det første gjennombruddet når det gjaldt konstruksjonen av nøyaktige klokker, og fra slutten av 1600tallet ble det innført mange forbedringer som gjorde klokker så presise at de kunne tas i bruk til forskjellige vitenskapelige formål. Tidlig på 1700-tallet oppfant den engelske urmakeren George Gra­ ham (1674-1751) hvilegangen og kompensasjonspendelen. Kompensasjonspendelen hadde en kvikksølvsøyle slik at når pendelmetallet utvidet seg i varmt vær, og følgelig økte svingeperioden, utvi­ det også kvikksølvsøylen seg. Dermed ble pendelens tyngdepunkt liggende i ro, og den effektive lengden forble konstant. Den kanskje siste viktige konstruksjonsforbedring av det meka­ niske uret ble foretatt i 1921 av en britisk ingeniør, W. H. Shortt, nemlig fripendelen. Den bestod at to klokker, hvorav den ene, som betegnes slaveklokken, gikk etter frekvensen til vekselstrøm fra lys­ nettet og ble brukt til hvert 30. sekund å synkronisere svingningen av pendelen til hovedklokken. Denne klokken hadde et avvik på ett sekund over 10 år, og ble mye brukt til astronomiske formål før utviklingen av kvarts- og atomur.

22 De beste mekaniske urene hadde en nøyaktighet på ett sekund over tre måneder; atomur har en nøyaktighet på ett sekund over 30 000 år.

Det mekaniske uret Uret ble oppfunnet nesten 2000 år etter de første klokkene, tidlig på 1500-tallet. I et mekanisk ur er det en spiralfjær som driver urverket. Også her er det et gangparti som kontrollerer hvor fort fjæren vikles ut, men i et vanlig ur reguleres gangpartiet av en kombinasjon av et kravehjul og en liten spiralfjær. Den lille spiralfjæren er inni kravehjulet. Der er den festet på en slik måte at når hjulet svinger rundt i én retning, vikles fjæren ut og slakkes, for så å vikles opp og strammes igjen når kravehjulet svinger tilba­ ke. På denne måten fungerer den lille spiralfjæren og kravehjulet sammen som en pendel i en klokke, og hjulets svingninger kontrol­ lerer hvor fort drivfjæren vikles ut.

Kvartsuret Mange moderne klokker og ur kontrolleres i dag ikke mekanisk, men elektronisk av en kvartskrystall. Når det settes på elektrisk spenning over en kvartskrystall, deformeres den litt, og når den er deformert, oppstår det en elektrisk spenning i den. Dette feno­ menet kalles for den piezoelektriske effekt, og gjør at kvartskrystallen kan opprettholde en spenning som svinger med krystallens naturli­ ge svingefrekvens, 100 000 svinginger per sekund. En kombinasjon av elektriske og mekaniske tannhjulsutvekslinger kontrollerer en motor slik at denne svingningen driver urets sekundviser. Kvartsur har en nøyaktighet på rundt ett sekund over 10 år. Mange moderne utgaver er helelektroniske. Tiden vises på en liten skjerm med flytende krystaller som kontrolleres av elektriske signa­ ler som kommer fra kretsene som drives av kvartskrystallen. Det finnes imidlertid også kvartsur med en mer konvensjonell urskive, der tiden angis med to visere.

Atomuret De mest nøyaktige klokkene som finnes i dag er atomurene. I mot­ setning til hva vanlige klokker gjør, viser de ikke tiden i timer og minutter. Isteden angir de med stor presisjon hvor fort tiden går. Andre klokker blir så sammenlignet og justert mot dem. Drif­ ten av atomurene baserer seg på bruk av naturlige svingninger i den elektromagnetiske strålingen som sendes ut eller absorberes av atomer. Elektromagnetisk stråling opptrer med mange forskjellige bølge­ lengder, fra radiostråling til røntgen- og gammastråling. Strålingen beskrives ofte som bølger som svinger opp og ned mens de flyr utover i rommet med nesten 300 000 km/s, lyshastigheten i va­ kuum. To egenskaper er karakteristiske for bølgene. Det er bølge­ lengden (avstanden mellom nabotopper i bølgen) og frekvensen (antall topper som passerer forbi et gitt punkt i løpet av ett sekund). Atomer består av konsentriske «skall» av elektroner som går i baner rundt atomkjernen. Når et atom sender ut eller absorberer elektromagnetisk stråling, skyldes dette at et elektron sender ut eller absorberer energi samtidig som det flytter seg nærmere eller lenger fra atomkjernen. Disse «hoppene» elektronene gjør er svært nøyaktige. En bestemt overgang svarer alltid til eksakt samme ener­ gimengde, og følgelig til samme frekvens og bølgelengde på strålin­ gen. Det er dette som utnyttes i cesiumuret. I cesiumatomet danner det ytterste elektronet et eget skall alene, men det kan være i én av to tilstander med litt ulik energi. Elektro­ ner roterer rundt sin egen akse enten med eller mot klokken mens de raser rundt atomkjernen. Det ytterste elektronet i et cesiumatom har i den ene tilstanden litt høyere energi enn i den andre. Elektro­ net må derfor sende ut eller absorbere energi for å hoppe over fra den ene tilstanden til den andre.

▲ Det mekaniske uret (som kronometeret vist pa denne gjennomskårne tegningen) bruker et kravehjul og en liten spiralfjær til a erstatte pendelen i en klokke, og en snekke som sikrer at drivfjæren (som tilsvarer loddene i en klokke) ikke virker dårligere når den slakkes. Den kjegleformete valsen er via en snor forbundet med fjærhuset som rommer drivfjæren. Når klokken går, roterer fjærhuset og tvinner snoren rundt seg selv.

_____ Trimmer _ Integrert krets

Kvartsoscillator

_______ Motor ______ Batteri

▲ I et moderne kvartsur gir batteriet (nede til høyre) en strøm som eksiterer den stavliknende kvartsoscillatoren (øverst) slik at den svinger med sin naturlige frekvens. Den integrerte kretsen deler opp denne til én puls per sekund. I en analog klokke brukes pulsen til å drive en motor som driver viserne, mens pulsen i en digital klokke brukes til å vise tiden på en liten skjerm med flytende krystaller.

MALING AV TID

▲ Cesiumuret som ble brukt i Greenwich frem til 1962.

23

Et cesiumur inneholder en stråle av atomer som sendes ut fra et stykke varmt cesiummetall. Når atomene kommer ut fra metallet, er de ytterste elektronene i begge de to mulige energitilstandene og farer nedover et rør med vakuum. Halvveis ned langs røret passerer elektronene gjennom et hulrom fylt med mikrobølgestrå­ ling som svinger på en frekvens som er bestemt av et kvartsur. Magneter på begge sider av hulrommet sikrer at bare de elektrone­ ne som absorberer energi i hulrommet, kan nå en detektor som er plassert ved enden av røret. Når mikrobølgestrålingens frekvens nøyaktig tilsvarer hyperfinovergangen for de ytterste elektronene i cesiumatomet, vil et maksimalt antall elektroner nå detektoren. Ved å justere kvartsuret slik at et maksimalt antall elektroner opp­ nås, blir kvartsuret samtidig justert etter cesiumstandarden. Fre­ kvensen på cesiumstrålingen, som er mikrobølgestråling, danner grunnlaget for definisjonen av sekundet. Ett sekund er lik nøyaktig 9 192 631 770 svingninger av strålingen fra overgangen mellom de to hyperfinnivåene i grunntilstanden for cesium-133. Frekvensen kan holdes stabil med en nøyaktighet på én til 30 milliarder, noe som tilsvarer ett sekund i løpet av 1000 år.

Cesiumuret ▼ Et cesiumur består av et vakuumkammer. I den ene enden varmes cesiumatomer opp, sendes inn i kammeret og fokuseres av magneter i hovedrøret. I midten er en spalt som svinger med en frekvens bestemt av mikrobølgestråling. Atomene passerer så gjennom en annen magnet til en detektor. Dersom ikke resonatoren vibrerer nøyaktig med cesiumets frekvens, vil mange atomer ikke komme frem til detektoren. Velgermagnet A-----------------

Detektor Mikrobølgestråling inn

Velgermagnet

Resonator hulrom

Vakuum­ kammer -

Kollimator--------------Cesiumovn

Nøyaktigheten av presisjonsur 10-8

Forbedret cesiumstandard

3000 år -

10-6

300 år Cesiumur

10-5

30 år ”

10" 3 år-

Kvartskrystall 10-3

Shortt/fripendelen

3 måneder Reifler/forbedret gangparti

10-2

► Etter hvert som teknikken for tidsmålinger har utviklet seg, er også klokkers nøyak­ tighet blitt bedre. Moderne klokker er derfor langt bedre enn de som urmakere av mekaniske ur lager.

Airy/trykk-kompensasjon

____J Harrison & Graham/temperaturkompensasjon

Ar

Huygens/ankergang

1700

1800

1 døgn 3 timer ~

Tompion/ny bevegelse

10

10 døgn -

1900

2000

Tid på å saktne eller fortne ett sekund

30 000 år-

10-7

24 Inntil ganske nylig hadde forskjellige land ulike nullmeridianer og tidsstandarder.

Tidsstandarder Siden 1884 har Greenwich Mean Time (GMT) vært den viktigste internasjonale standarden. Før den tid var det selv i Storbritannia mange ulike standarder, noe som forvirret da de første jernbanerutene ble satt opp. GMT er basert på sol tid, men refererer til en tenkt «middelsol», ikke den virkelige Solen. Middelsolen trengs fordi Jordens bane rundt Solen er elliptisk, ikke sirkulær. Det betyr at Solens tilsynela­ tende hastighet over himmelen varierer gjennom året, som så forårsaker variasjoner i soldøgnets lengde. For GMT måles Solens passasje gjennom Green wich-meridianen, på sydbredden av Themsen øst for London. Det var den opprinnelige beliggen­ heten til Royal Observatory grunnlagt av Karl 2. (regjerte 1660-1685) i 1675. Observatoriets opprinne­ lige formål var å gi nøyaktige stjerneposisjoner for navigasjonsformål. Nesten et århundre senere, i 1766, utga Nevil Maskelyne (1732-1811), den femte Astronomer Royal, den første Nautical Almanac. Det var et sett tabeller som ga Månens posisjon mot bakgrunnsstjernene, uttrykt ved tiden i Greenwich. En navigatør øst eller vest for Greenwich bruker en sekstant for å observere ulike posisjoner mellom Månen og stjernene, og behandler den som overført til en tidligere eller senere tid. Lengde (posisjon øst eller vest for nullmeridianen) er altså det samme som tid: en rotasjon av Jorden på 15 grader tilsvarer én time. Lengde gir derfor vinkelposisjon øst eller vest for en nullmeridian og kan beregnes fra Nautical Almanac, nå kalt Astronomical Almanac. På 1800-tallet var det mange nullmeridianer, da ulike land la nullmeridianen til sine egne byer. Forvir­ ringen dette medførte ble løst på en internasjonal konferanse i Washington i USA i 1884. Delegater fra 25 land ble der enige om at Greenwich-meridianen skulle være nullmeridian for hele kloden. Siden da er GMT gradvis blitt allment akseptert som den viktigste internasjonale tidsstandarden. Fra 1935 ble GMT i vitenskapelige kretser kalt Universal Time. I dag gir internasjonale tidssignaler Universal Time Coordinated (UTC). UTC-standarden (sekundets eksakte lengde) gis nå av flere atomur på ulike steder rundt om i verden. Disse er mer nøyaktige enn jordrotasjonen, men mange, særlig navigatører og astronomer, har ennå behov for å knytte tiden til jordrotasjonen. For å justere for små uregelmessigheter ijordrotasjonen, justeres UTC ved å sette inn sekunder i slutten av juni og desember. Slik holdes den atomære versjonen av Universal Time korrekt med en nøyaktighet på ett tidels sekund per år. Universal Time må betraktes mer som et mål på Jordens rotasjonshastighet enn som en tidsskala i seg selv. For sistnevnte formål brukes International Atomic Time (TAI) der sekundet, som før nevnt, er definert av et gitt antall svingninger i et atom av grunnstoffet cesium. ► Airys passasjesirkel ligger pa og brukes til å definere nullmeri­ dianen, ved 0° lengde, som passerer gjennom Greenwich Obser­ vatory i London. Et passasjeinstrument brukes til å male tiden og høyden for stjerner ved kulminasjon, slik at lengden pa det sideriske døgnet kan beregnes. Passasjeinstrumentet ma stilles opp nøyaktig i nord-syd-retning, og dets rotasjonsakse må ligge eksakt horisontalt i retningen øst-vest.

Kalenderen Klokker registrerer tidens gang og gjør det mulig for observatører å måle tidsintervaller. Ofte er det imidlertid av interesse å benytte mye lengre tidsintervaller enn klokker er egnet til. Til dette formå­ let bruker vi kalenderen. Den kalenderen som nå er i bruk i mange land, ble innført i 1582 av pave Gregor 13. (regjerte 1572-1585). Før den tid var det i Europa vanlig å bruke en kalender innført av den romerske keiseren Julius Caesar (100-44 f.Kr.) i 46 f.Kr. Den julianske kalenderen var basert på et år (tiden Jorden bruker på ett omløp rundt Solen) på 365,25 døgn. I praksis var hvert år på 365 døgn, mens det hvert fjerde år ble lagt til ett ekstra døgn for å gi det vi kaller skuddår. Arets lengde er imidlertid nærmere 365,2422 døgn, og den julianske kalenderen forskjøv seg fordi hvert 128. år hadde ett døgn for mye. På pave Gregors tid var kalenderen blitt hele 10 døgn feil. En ny kalender ble utarbeidet av den bayerske astronomen Chri­ stoffer (Clavius) Schussel (1537-1612). Over en 400-årsperiode har den gregorianske kalenderen tre døgn mindre enn den julianske. Vanlige årstall dividerbare med fire er skuddår, men bare ett av fire årstall dividerbart med 100 er skuddår. I denne kalenderen er ett år i gjennomsnitt på 365,245 døgn, og det vil ta 3300 år før den kommer i utakt med solåret.

MALING AV TID

◄ Ifølge den generelle relativi­ tetsteorien vil baneplanet til en satellitt i jordbane drive sakte rundt fordi Jorden roterer. Denne forutsigelsen ønsker man å etterprøve ved a sende kvartskulen på bildet, som skal være den mest perfekte kule som noen gang er laget, inn i jordbane. Der vil den bli satt i rotasjon som et gyroskop, og man vil med stor nøyaktig­ het kunne måle de relativistiske effektene på dens baneplan. ► Jordens bevegelse rundt Solen gjør at et døgn målt bare ut fra Solens posisjon (et soldøgn), er litt lenger enn én omdreining av Jorden om sin akse. Derfor er stjernedøgnet, som beregnes fra observasjo­ ner av høyden og passeringstiden for langt fjernere stjerner forbi et passasjeinstrument, mer nøyaktig. Ett soldøgn er 3 minutter og 56,5 sekunder lenger enn ett stjernedøgn. Ett år består av 366,24 stjerne­ døgn, altså ett døgn mer enn antall soldøgn i ett år.

Tid og relativitet Forestillingen om absolutt tid ble vraket med relativi­ tetsteorien som ble utviklet tidlig på 1900-tallet av den tyske fysikeren Albert Einstein (1879-1955). Teorien består av to forskjellige deler. Den første, den spesielle relativitetsteorien, behandler bevegelse og målinger av observatører som beveger seg i forhold til hverandre. Blant dens forut­ sigelser er at en klokke i fart ser ut til å bevege seg saktere jo nærmere lyshastigheten den kommer. Den andre, den generelle relativitetsteori­ en, er en teori om fenomenet gravitasjon, der det vises at en klokke går saktere jo sterkere gravitasjonsfeltet den befinner seg i, er. 11971 tok to amerikanske fysikere, Joseph Carl Hafele og Richard Keating, med seg atomur verden rundt i et jetfly. De fløy vestover en vei og østover den andre. Sammenligninger med klokker som hadde stått i ro, viste at de som var dratt med østover, hadde saknet med 59 milliarddels sekunder. De vestgående klokkene hadde derimot fortnet 273 milliarddels sekunder. Hafele og Keating hadde observert to ulike vifkn Inger av de to typer relativitet. De østgående klokkene «mistet» tid fordi deres totale hastighet var større enn Jordens østgående rotasjon og tiden gikk for dem saktere. De vestgående klokkene sparte tid fordi deres hastighet var mindre enn for et ur på Jorden. Dessuten tjente alle urene tid fordi flyet fløy høyt der jordgravitasjonen er svakere. At tiden går med forskjellig hastighet i gravitasjonsfelter med ulik styrke, er også bekreftet av målinger av radiosignaler fra romsonder. ► En kalender fra den sentralamerikanske Maya-kulturen fra 700tallet etter Kristi fødsel. Tidens gang ble registrert i grupper på 20 døgn. Ett år bestod av 18 slike grupper pluss 5 «uheldige» døgn. Denne kalenderen var mindre enn et kvart døgn i utakt med solåret. Mayaene telte også sykluser på 260 døgn. Ett navngitt døgn i begge disse systemene var på denne måten entydig over en periode på 52 år.

Stjernedøgnet

Jordens bane

25

26 Mengden av ulike isotoper i et materiale kan brukes til å bestemme dets alder.

Målinger av fortiden Atomer kan brukes til å måle svært lange tidsintervaller. Teknikken med radiokarbondatering brukes av arkeologer og geologer til å aldersbestemme steiner eller gamle gjenstander ved å studere ned­ brytningen av radioaktive atomer i dem. Denne teknikken krever at man har en forholdsvis nøyaktig «klokke» inni selve materialene. Denne klokken kan da brukes til å bestemme hvor mye tid som er gått siden gjenstandene ble laget. Flere grunnstoffer har slike klokker, men det mest kjente er isotopen karbon-14. Radioaktivitet er prosessen som foregår når kjernen i et atom brytes ned og omdannes til en annen type atomkjerne, samtidig som den sender ut en eller annen form for stråling. Dette er en tilfeldig prosess, i den forstand at det er umulig på forhånd å vite når en kjerne vil bli brutt ned. Men i en prøve som inneholder mange atomkjerner, gir radioaktiviteten oss en nyttig klokke fordi tiden det tar for en viss andel av kjernene i en prøve å brytes ned, er en konstant for en gitt isotop. Radioaktive kjerner beskrives gjerne ved deres halveringstid - tiden det tar før halvparten av det opprinnelige antall kjerner er brutt ned. De isotopene som er mest nyttige til aldersbestemmelser, har svært lange halveringstider, opptil flere milliarder år. I 1945 innså den amerikanske kjemikeren Willard Libby (19081980) at små mengder av en radioaktiv karbonisotop, karbon-14, kontinuerlig dannes i naturlige kjernereaksjoner høyt oppe i Jor­ dens atmosfære, der høyenergetisk kosmisk stråling fra rommet treffer nitrogen i luften. Dette karbonet bindes raskt i karbondiok­ sid og kan da komme inn i planter via fotosyntese, og slik komme inn i matkjeden. Resultatet av dette er at karbon-14 finnes overalt der vanlig karbon (karbon-12) er, riktignok i svært små mengder. Ved å sammenligne mengdene av dem i gamle gjenstander, som et beinfragment, med en nyere prøve, kan en arkeolog beregne aldersforskjellen mellom dem. Den eldste gjenstanden vil ha min­ dre karbon-14 i seg enn den yngste. ◄ ► ▼ Radiokarbondatering kan gjøres med partikkelak­ seleratorer. Prøven (ca 0,001 g) eksiteres av en ionekilde, og strålene føres inn i akseleratoren ved en styremagnet (til venstre). Der passerer de en analysemagnet, som fungerer som et massespektrometer. Den avbøyer hver isotop i ulik grad, slik at bare karbon-14 til slutt får passere gjennom filtrene til detektoren (til høyre). Denne detektoren måler mengden av karbon-14.

Tidfesting av radioaktiv nedbrytning Karbon-14 brytes ned til nitrogen-14 med en halve­ ringstid på 5730 år. Dette er den vanlige typen nitrogen, så det er ikke mulig å beregne hvor mange nedbrytninger som har skjedd i en prøve ved å måle mengden av nitrogen-14. Isteden måles hvor mye karbon-14 som ennå ikke er brutt ned, i forhold til mengden av karbon-12. Mengdene av radioaktivt karbon er svært små blant én billion karbon-12-atomer vil det i gjennom­ snitt bare forekomme ett av karbon-14. Svært spesielle teknikker kreves for å måle så små mengder. Hovedmetoden er å telle antall nedbryt­ ninger av karbon-14 I en prøve ved å registrere elektronet som sendes ut hver gang en karbon-14kjerne omdannes til nitrogen-14. Ett gram materiale fra i dag gir bare 14 elektroner per minutt, en 5730 år gammel prøve av samme størrelse sender bare ut halvparten så mange, og så videre idet tallet halveres for hvert 5730. år bakover i tiden. De fleste laboratorier bruker ikke denne metoden på prøver eldre enn 60 000 år, selv om avanserte metoder basert på partikkelakseleratorer nå skyver karbondatering enda lenger bakover i tid, og trenger mindre prøver til dette. Andre radioaktive kjerner som er nyttige til datering over lange tidsintervall, er rubidium-87 og kalium-40. Rubidium-87 går over til strontium-87, og kalium-40 til argon-40, i begge tilfeller med halvenngstider på milliarder av år. Målinger basert på disse kjernene har vist at noen bergarter på Jorden er over 2,5 milliarder år gamle. Den samme teknikken er brukt på måneprøvene i Apolloprogrammet og har vist at de er opptil 4,6 milliarder år gamle. Dette er samme alder som den man mener hele Solsystemet har.

Veiing Tidlige målinger av vekt... Skålvekter... Laboratorievekten... Omgjøring av veieresultater... Elektroniske vekter... Deformasjonsmålere... Veiing og industri... PERSPEKTIV... Definisjon av kilogrammet... Ramsdens skålvekt... Problemer med kalibrering

i

.......................... . ...

.................■ .....................--.... -=-i

I et samfunn der vareutveksling spilte en betydelig rolle, ble det raskt behov for instrumenter for å kunne foreta veiing. Omsetning av verdifulle handelsvarer baserte seg på veiing, og man kunne ikke stole på at folk foretok nøyaktige nok veiinger bare basert på de menneskelige sanser, eller på at de ikke jukset. «Objektive» skålvekter og bismervekter er eldgamle, men fortsatt i bruk. Nå kan det med full rette hevdes at slike skålvekter ikke måler noe som helst. De er «nulldetektorer» i den forstand at de brukes til å registrere når vippeeffekten av en del standardlodd som legges i den ene skålen, er lik vippeeffekten av en ukjent vekt som plasse­ res i den andre. Når de er i balanse, er «signalet» null. Nå kommer måledelen av operasjonen inn i bildet, idet veiingen gjøres ved å telle standardloddene som er benyttet. Resultatet blir da bestemt av tallene på loddene, ikke noen særlig automatisk måte å vise det på, men effektivt. Handelssamkvem, private innkjøp og apotekdrift er alle aktivite­ ter som krever svært ulike vektstørrelser. Det er vanskelig å få til nøyaktige sammenligninger mellom dem, likevel er dette nød­ vendig dersom alle vekter skal kunne føres tilbake til én eneste standard. Når først en standardvekt som kilogrammet var blitt defi­ nert, var derfor neste oppgave å kopiere den og dele den i mindre deler så nøyaktig som mulig slik at alle mulige vektstørrelser kunne måles ved hjelp av de nye enhetene. Disse oppgavene krevde føl­ somme og pålitelige skålvekter. Først på 1700-tallet ble det bygd instrumenter av tilstrekkelig kvalitet for dette viktige arbeidet, og en allment anerkjent standard utarbeidet.

▲ Den enkle, likearmete skålvekten har vært i bruk i flere tusen år, her på et indisk marked. Vektens følsomhet avhenger primært av lengden på armene og kvaliteten på dreietappen. Følsomheten kan økes betydelig ved å la en viser angi vinkelutslaget for armene når skålene inneholder litt ulike vekter. Forutsetningen for dette er at denne vinkelen kan kalibreres med stor nok nøyak­ tighet, slik at resultatet blir pålitelig.

Definisjon av kilogrammet Standarder for vekt og masse har alltid vært skjønnsmessige. I de tidligste tider ble en bestemt stein valgt som utgangspunkt for sammenlikning av vekter. Standardkilogrammet ble opprinnelig definert av vitenskapsakademiet i Paris i 1791, og oppbevares fortsatt der. Den er en liten sylinder av en platina-iridium-legering (ca 4 cm høy og bred), med masse antatt lik én liter rent vann. Vann er lite egnet som standard, fordi det måtte ha blitt oppbevart i noe, og vann er vanskelig å rense fordi det inneholder så mange stoffer. Derfor valgte man en tilsvarende masse fast stoff. Legeringen utvides lite med økende temperatur, så veiingen påvirkes lite av endringer i luftens oppdrift, og korroderer ikke. Likevel er dette metallstykket en entydig og vilkårlig valgt standard - en avansert utgave av den primitive steinen. Den kan ikke kopieres et annet sted ut fra en oppskrift, kopier av den må lages og kontrolleres i Paris før de fordeles til andre land. Store anstrengelser gjøres for å beskytte originalstandarden mot skader eller ødeleggelse.

For å lage de første standardmassene på et halvt kilogram, måtte to metallbiter nøye slipes ned, mens man, med en god skålvekt, sikret seg at de hele tiden veide det samme. Til slutt måtte de sammen balansere mot standardkilogrammet. Det må ha vært en strevsom prosedyre før mange standarder av deler av et kilogram var blitt laget. Det fantes mange feilkilder. Varde tilsynelatende forskjellene virkelige eller skyldtes de konstruksjonsfeil i skålvektene? Hvor små forskjeller kunne skålvektene registrere? Det var påkrevd med en nøyaktighet på 1/100 000, og det var litt av en utfordring. Forskere er nylig blitt klar over at en standard for kraft eller energi kan brukes istedenfor standardmassen, og via elektriske standarder kobles til tidsstandarden. En slik definisjon ville fjerne vilkårlighe­ ten ved kilogrammet, siden tidsmålinger med atom ur lett kan kopieres. Dermed vil standardkilogrammer kunne lages andre steder, uten at de må tas til Paris for å sammenlinges med det som er der. En ny definisjon vil imidlertid ikke ha noen betydning til hverdags.

▲ Standardkilogrammet som ble definert i 1899, laget av 90% platina og 10% iridium. Det oppbevares ved Det inter­ nasjonale byrået for vekt og mål ved Sévres i Paris, inni flere glassklokker som beskytter det mot korrosjon og endringer i temperatur, trykk og fuktighet. Norge har en kopi for bruk her.

28 1700-tallets laboratorievekter hadde en nøyaktighet på én milliondel.

Både vekter som brukes på torg og skålvekter til bruk i laboratorier baserer seg på at man teller opp verdien av standardloddene i skå­ len. Denne metoden er nokså unøyaktig, og det er mer bekvemt og kan gi mer nøyaktige resultater å bruke en transduser. Helningsvinkelen til en skålvekt kan måles direkte og tolkes som en vektfor­ skjell mellom skålene. De fleste moderne skålvekter bruker lodd for å måle til nærmeste gram, og så registrere helningen ved hjelp av en optisk innretning når større nøyaktighet er påkrevet.

Den følsomme skålvekten En skålvekt har høy følsomhet dersom en liten vektforskjell mel­ lom skålene gir en tydelig helning på armene, en egenskap man gjerne ser en vekt har. Flere innretninger fra instrumentteknikk kan benyttes til å bestemme hvor mye helning som skyldes hvor mye vekt, og det tok lang tid før instrumentmakerne fikk alt til å stemme. Når man tok sikte på høy følsomhet, fikk man ulempene med en skålvekt som brukte lang tid på å falle til ro, var følsom overfor små geometriske forvrengninger på grunn av temperaturen­ dringer og som kom i uønsket bevegelse på grunn av de svakeste luftstrømmer. Konstruksjonen må sikre at det er en skrå likevektsposisjon når det er litt ulike vekter i skålene. Det kan bare skje dersom armens tyngdepunkt ligger under dreietappen. Når den tyngst lastete skå­ len beveger seg nedover, vil tyngdepunktet forskyves til den andre siden av dreietappen. Balansepunktet finnes når dreieeffekten som skyldes armens vekt, balanseres av et ekstra lite lodd i den tyngste skålen. Armen må være lett, men likevel stiv nok til å bære den største vekten hver skål kan ta uten å deformeres noe særlig. Samtidig må det være mulig å se armhelningen når det er liten vektforskjell mellom skålene. Dette er motstridende mål fordi lange armer gir stor helning, men jo lenger armene er, jo mindre stive kan de lages. Ofte brukes dype vertikale deler av et fagverk. Når skålene er bela­ stet, vil begge endene av armen til en viss grad bøyes nedover. Den sentrale dreietappen og skålenes opphengspunkter må da væ­ re i samme plan. For å sikre at armens tyngdepunkt er nær, men ikke under dreietappen, har noen instrumenter en justeringsmekanisme som består av et lite lodd eller en vertikal skrue. Justeringer er også nøkkelen til nøyaktighet, fordi den «eksakte» konstruksjonen som er gitt i denne beskrivelsen ikke er realiserbar. Små ulikheter i armlengdene kan kompenseres for ved å bytte be­ lastningene mellom skålene, og skruejusteringer kan brukes til kompensering hvis skålen og armen på den ene siden er litt tyngre enn skålen og armen på den andre. -« Den moderne laboratorievekten er helelektronisk og kan vanligvis måle ned til 0,0001 g. Disse innretningene er basert pa deformasjonsmålere istedenfor mekaniske prinsipper, og påvirkes lite av endrirjger i temperatur, fuktighet eller høyde. Vekten trenger ofte mindre enn to sekunder pa å stabilisere seg. Den kan også kobles direkte til en datamaskin.

Laboratorieskålvekten

▲ Et viktig trekk ved Ramsdens skålvekt var en justeringsskrue over dreietappen der det hang et lite lodd. Dette sørget for å justere armens tyngdepunkt og holdt det rett under dreietappen. Når den ene skålen ble dratt ned, forflyttet tyngdepunktet seg til den andre siden og kompenserte vektforskjellen. Vektens følsomhet kunne justeres mens den nærmet seg likevekt.

Instrumentmakeren Jesse Ramsden Presisjon var en lidenskap for Jesse Ramsden (1735-1800), 1700-tallets kanskje fremste instrumentmaker. Han var en oppfinnsom og idérik, men likevel praktisk ingeniør, som stadig lette etter svakheter i egne konstruksjoner og prøvde å forbedre dem. Derfor overskred han av og til leveringsfrister, i ett tilfelle med hele 23 år. Som sønn av en vertshuseier i Halifax i England, fikk Ramsden en matematisk utdannelse fra en lokal prest, men arbeidet innen tekstilindustrien til han var 23 år. Da ble han lærling hos en instrumentmaker i London og giftet seg i 1760-årene med datteren til linsemakeren John Dollond. (Ved å bruke to linser av forskjellige glass typer, greide Dollond i 1758 å forbedre kvaliteten på refraktorer.) Årsaken til mye av hans presisjon var en tidlig oppfinnelse som forbedret nøyaktigheten av skruegjenger. Det var stor etterspørsel etter hans stativer til astronomiske og geodetiske formål. Han kunne levere kopierbare innstillinger for vinkelposisjoner med bedre nøyaktighet enn ett buesekund. I verkstedet hans laget rundt 60 håndverkere en rekke forskjellige instrumenter, som barometre, vaterpass, pyrometre, sekstanter, manometre m.m. Ramsdens presisjonsskålvekt Målet for nøyaktighet for kopier av massestandarder var sent på 1700-tallet rundt én milliondel - / «standard» kilogram ble en feil på ett milligram tillatt. Ramsden var en av de få utvalgte som bygde etter denne krevende spesifikasjonen. Hans skålvekt fra 1787 skulle brukes til å måle densiteten av brennevin for å beregne alkoholinnholdet i forbindel­ se med alkoholavgifter. Armen måler 30 cm fra dreietappen til skålenes opphengspunkter. Viserne på enden av armen går 40 cm ut fra dreietappen, slik at en liten hein ing svinkel kan ses når visere beveges over merkede måleskiver. Remsden benyttet hule kjegler for at de skulle være lette og stive. Denne formen var lett å lage,

VEIING

29

■ w;

Arm

Hevet dreietapp

Dreietapp - Anlegg -

Friksjon

Slitasje Arm

ved å vikle en plate rundt en spindel og lodde skjøten sammen. Armen er to kjegler festet bunn mot bunn og bærer 2 kg med liten nedbøyning. Likevel kan en viss nedbøyning ses. Årsaken er en bøyning som kommer i tillegg til helningsforvrengningen på den tunge siden, og til fradrag på den lette. Det var nødvendig å undersøke forvrengninge­ ne av begge endene av armen slik at bøyningseffektene i størst mulig grad kunne oppheve hverandre. Et annet problem var like armlengder. En liten mutter på en skrue ved enden av den ene armen tillot innstilling av et nullpunkt, men like vekter på ulike armer ga ennå noe helning. Ved å bytte vektene mellom skålene kunne imidlertid denne feilkilden elimineres. En vanskelig detalj på alle presisjons-skålvekter

var mekanismen for å løfte armen av sin fine knivoddhvile og senke den igjen uten å ødelegge nu li­ st iIlingen. Ramsden laget spesielt gode knivoddstøtter for armen. Eggene var av herdet stål og plassert på slipte og polerte, flate agatplater. Eggen må ha en meget spiss vinkel uten krumning slik at den er under høyt trykk selv med liten vekt. Stålet må være meget hardt for å beholde den spisse vinkelen, men samtidig sterkt for å tåle belastningen. Hardt stål er ofte sprøtt. Derfor trengs et kompromiss mellom stålets egenskap og eggens geometri. Vektens nøy­ aktighet og eggenes holdbarhet avhenger av en nøye tilpasning av delene til hverandre, noe som ikke var lett på 1700-tallet da teknikker for presisjonsmåling ennå var lite utviklet.

-4 ▲ Jesse Ramsdens skålvekt fra 1787 var en av de fineste laboratorievekter som er laget For finveiing plasseres nesten like vekter i skålene. Helningsvinkelen avleses så ved visere på enden av armene og regnes om til en forskjell i vekt Ramsden tok i bruk knivsegg som dreietapp, som kan være utsatt for smuldring og nedgraving i anlegget, istedenfor U-formen som ruller på støtteplaten og slik gir vektarmene ulik effektiv lengde. Når vekten er klar til å starte en veiing, løftes armen opp fra det Y-formete anlegget. Det skjer ved å heve støttestrukturen under, slik at den kommer i kontakt med kniveggen av stål.

30 Deformasjonsmålere muliggjør nøyaktige veiinger av alt fra en klype salt til et fly.

▲ En fjærvekt brukes for a veie dagens fangst av laks i Skottland.

► På en fjærvekt vil gjenstan­ den som skal veies strekke ut fjæren, og vekten måler denne utvidelsen ved et kam- og tanndrevarrangement som flytter en viser på en skala.

▼ En brevvekt omgjør på til-

På en brevvekt gjøres det ikke noe forsøk på å balansere to like armer mot hverandre. Vekten svinger slik at når et brev legges på skålen, beveger den andre armen seg langs en tallskive. Utslagsvinkelen angir et mål for signalet som skal måles. I fjærvekter over­ lates ansvaret for veiingen til en transduser (en innretning som omgjør kraften til et annet, lettere målbart fenomen). Kraften fra vekten i skålen strekker en fjær, og fjærens strekking er signalet som skal måles. Samtidig som fjæren strekkes, drar den med seg en viser som beveger seg over en skala. Ved å merke av på skalaen hvilke posisjoner viseren inntar når en rekke ulike standardlodd legges i skålen, kan skalaen kalibreres. Slik virker de fleste kjøkkenvekter, vanligvis riktignok uten avansert teknikk. Butikkvekter må være mer nøyaktige. Følsomheten av en fjærvekt bestemmes av fjærstivheten. For­ skyvningen av en plattform som hviler på flere kraftige springfjærer kan brukes til å veie et fly (noe som selvfølgelig gir nyttig informa­ sjon like før start), mens en tynn spiralfjær kan være følsom for mengder ned til et milligram.

VEIING

31

► ▼ Deformasjonsmålere brukes til å måle alle slags tunge gjenstander. En offentlig lastebilvekt bruker vanligvis bismervektprinsippet, der den ene vektarmen er lengre enn den andre (eventuelt utstyrt med et flyttbart lodd), slik at en nokså liten vekt på den lange armen kan oppveie en mye tyngre vekt på den kortere armen. Dette er imidlertid nokså unøyaktig. Beregning av vekt og tyngde­ punkt for et fly under bygging og før start, er blitt forenklet ved deformasjonsmålere forbundet til mikroprosessorer. Fly veies for eksempel med et par års mellomrom for å se etter vektendringer på grunn av maling, støv, fukt og modifi­ kasjoner av utstyret om bord. Slike opplysninger er av interesse for den fremtidige driften og bruken av flyet.

▲ En deformasjonsmåler består av et smalt metallbånd festet til en flate der deforma­ sjonen skal måles. Mønsteret i båndet avhenger av deforma­ sjonen av materialet. Endringer i båndets elektriske motstandsevne måles så.

▼ En deformasjonsmåler som benyttes i produksjonen av aluminium.

Deformasjonsmålere og elektroniske vekter Vekt er den kraften gravitasjonen utøver på en masse, og er bare én av mange krefter en ingeniør må ta hensyn til når en konstruk­ sjon skal lages. Strekk i kabler i hengebruer, belastning fra vind på bygninger, motorkraft eller krefter som utmatter alle mulige strukturer fra fly til oljerigger må alle tas hensyn til. Deformasjonsmåleren er en elektrisk transduser for å måle krefter med. Når et metallbånd strekkes, endres dets elektriske motstand. Tilknytte­ de elektriske kretser kan med stor følsomhet registrere forandringer i motstanden og tolke den som en lengdeendring. Dermed kan kraften som forårsaket lengdeforandringen beregnes. Denne type transduser er en slags fjær som sender ut elektriske signaler som sier noe om dens lengde. Moderne elektronikk har gjort det så enkelt å foreta elektriske målinger med stor nøyaktighet og pålitelighet, at deformasjonsmå­ lere nå erstatter fjærer som de vanligste transduserne i vekter. Alt i moderne butikkvekter er elektrisk. Vi legger varene på vekten og får med en gang angitt på et panel med tall hvor mye de veier.

32 For å øke nøyaktigheten av en måling, tas et gjennomsnitt av mange målinger.

Brukskonstruksjoner Alle vekter, som alle andre måleinstrumenter, lages for å dekke spesielle bruksbehov. Føleren kan lages med henblikk på å gi høy følsomhet (som i laboratorievekter) eller for å skulle brukes over et stort intervall (en butikkvekt kan måtte veie fra 100 g til 10 kg). Det kan kanskje være viktig å kunne registrere raske endringer i målingen eller en gjennomsnittsverdi over en viss periode. For eksempel er det nødvendig at vektene som overvåker automatisk oppfylling av pakker på et samlebånd, reagerer raskt. Videre er det naturligvis viktig at kalibreringen av en vekt ikke endres med tiden. Det er imidlertid liten hjelp i dette hvis føleren reagerer på noe annet enn det som veies. I deformasjonsmålere er det innebygd en temperaturkompensasjon for å omgå problemet med at den elektriske motstanden er følsom for temperaturendringer. Målegrensen for en føler bestemmes av hvor mye signalet fra den svin­ ger når det skulle vært eksakt og støtt lik null. Denne svingningen kalles støy, og forekommer i alle slags instrumenter. Hvis det imid­ lertid tas et gjennomsnitt av mange målinger, oppnås en forbausen­ de god forbedring. Det skyldes at de mange tilfeldige støysignalene da vil oppveie hverandre, og man står igjen med et klart signal. «Signal/støy-forholdet» i en føler må være stort hvis man skal kun­ ne oppnå svært nøyaktige målinger.

▲ Her brukes en vekt for å undersøke innholdet av malingsspann. Slike maskiner kan også brukes på et automatisk samlebånd. Når spannet er fullt, stopper fyllingen og det neste spannet kjøres frem og settes i rett posisjon.

Lovlig handel og veiing Tanken bak lovlig handel er at selgeren aldri skal jukse kjøperen ved å levere mindre enn påstått. Dette gir opphav til en del interessante problemer. På grunn av jordrotasjonen og at Jorden er litt flattrykt, er gravitasjonskraften på et legeme 0,5 % mindre ved ekvator enn ved polene. En produsent av fjærvekter ved ekvator kan kalibrere vektene nøyaktig ved å sette på et merke der viseren er når en gjenstand med en masse på 1 kg settes på vekten. Men om vektene selges til en kunde fra høye (nordlige eller sydlige) bredder langt fra ekvator, vil de vise litt over 1 kg når kunden bruker dem hjemme. Litt må fjernes fra vekten for at den skal vise eksakt 1 kg, og vektene vil ikke gi lovlig handel. I dette tilfellet er transduseren stedsavhengig, og må kalibreres der den skal brukes. En skålvekt har ikke dette problemet fordi der følger et korrekt kilogramlodd med vekten. Et kilogramlodd med en masse på 1 kg har nemlig samme masse uansett hvor på Jorden det er. Overalt hvor veiingen foregår ved en sammenligning med dette loddet på en skålvekt, vil derfor resultatet bli riktig. Hver måling er beheftet med feil, selv om den kan være svært liten om instrumentet er nøyaktig og gir ensartete målinger. En melfabrikk må ha som mål å ha nøyaktig 1 kg i hver av tusener av poser, men må på grunn av lovlig handel «aldri» ha i mindre. Det er et problem for instrumentmakere, og for fabrikkledere, som må bestemme hvor mye mer enn den viste vekten som må legges på for å sikre at ikke mer enn si én av tusen poser veier for lite. Beregningene deres avhenger av nøyaktigheten på gjentatte raske målinger etter hvert som melet strømmer i posene. De må også vurdere om de skal bruke penger på presise instrumenter, eller på mel som gis bort unødvendig.

-4 Elektronisk vekt for bruk i et ostelager.

Oppmåling og kartlegging Gamle oppmålingsteknikker... Metoder basert på linjal og kompass... Triangulering... PERSPEKTIV... Instrumentmakeren Jesse Ramsden... Fotogrammetri og luftfotografering

I 1693 oppdaget Ludvig 14. av Frankrike (regjerte 1643-1715) at kongedømmet hans var omtrent 40 000 kvadratkilometer mindre enn han hadde trodd, noe han selvfølgelig ikke syntes noe om. En ny metode for å måle landets grenser, basert på astronomiske observasjoner, fastslo at Frankrikes sydlige og vestlige kyster var betydelig nærmere Paris enn før antatt. Helt siden oldtiden hadde styresmakter vært opptatt av å måle et lands beliggenhet. Den egyptiske kultur var avhengig av de årli­ ge oversvømmelsene av Nilen som avsatte et nytt lag med fruktbart slam i deltaet nær havet, og gårdene måtte måles opp igjen når vannet trakk seg tilbake fra det flate landskapet uten naturlige to­ pografiske trekk. Kineserne bygde Den kinesiske mur for å forsvare seg mot barbarer. Romerne bygde veier over hele det vestlige Euro­ pa og planla byer i nøyaktige sjakkbrettmønstre. Dette er bare noen eksempler på at landmåling er nødvendig i ethvert samfunn der mennesker lever tett sammen. Mange av disse gamle oppmålingene ble gjort med en forbausen­ de stor grad av nøyaktighet, når vi tenker på de primitive instru­ mentene de hadde til disposisjon. Alle oppmålingene var imidlertid basert på at Jorden var flat. Det er langt vanskeligere å skulle kart­ legge store områder der Jordens krumning er en viktig faktor. Først etter renessansen ble tidlige tiders nokså fantasifulle verdenskart erstattet med oppmålte kart. Likevel brukte engelske ingeniører 8 år på å kartlegge Skottland etter jakobitteropprøret i 1745. Til det brukte de målebånd til avstander og avvik i magnetkompass til å måle vinkler. Begge disse metodene er beheftet med feil. Elastisi­ tet, temperaturvariasjoner og posisjoneringsfeil vil alltid påvirke målinger over store avstander, uansett hva slags «målebånd» som benyttes, og kompass i en verden med jern er ikke pålitelige. Nå gjør radarbaserte måleinstrumenter det lett å foreta meget nøyakti­ ge målinger over store avstander og stereoskopiske luftfotografier gir gode data om høy de variasjoner, uavhengig av hvor ulendt ter­ renget er, værets luner eller motstand fra innbyggerne. ◄ Trekanters geometri var viktig for de gamle egyptere som etter de årlige oversvøm­ melsene måtte måle opp landet, men som manglet in­ strumenter for presise vinkelmålinger. Dette landmålingsdokumentet er anslått til å være fra 1600 f.Kr.

lz jfe , ..r mWZ 1, T

åA SÉ 11AJ IT X

► Ikke alle kulturer hadde like stort behov for nøyaktig kart­ legging. Middelalderens ver­ denskart, som dette fra Hereford-katedralen i England er et eksempel på, har gitt byer en mer symbolsk enn korrekt plassering.

▲ Et sjøkart over Middelhavet som ble laget tidlig på 1600-tallet. På kartet er det trukket opp kompassretninger fra punkt til punkt, og slik har man etter hvert bygd opp et bilde av kystlinjen. Kartet ble dekket med et omfattende nettverk av geometriske linjer for å hjelpe den sjøfarende til å finne rett kurs. Eksakte avstander var mindre viktige, og kunne ikke måles særlig nøyaktig. Nord er til høyre på kartet.

I

i. ■: IhifJ

Triangulering -7

én trekant/ville det bli mulig å kontrollere xs. Triangulering av Storbritannia Den klassiske oppmåhngsmetoden - triangulering målingene og beregnthgene. Roy refele gjennom Surrey og Kent for velge de beste utsiktspunktene erstatter direkte målinger av store avstander med trigonometriske beregninger av store vinkler som og planlegge målingene. En ny basislinje ble lagt ved enden av triangelnettet slik at de beregnete , går fra fjelltopp til fjelltopp utover landet. Det trengs bare én nøyaktig målt lengde for å starte beregninlengdene kunne kontrolleres fysisk. x• Samtidig var Ramsden opptatt med å bygge teo­ gene. Kikkerter montert på vinkelmål gjør at vinkler mellom siktelinjer kan måles. Tidlige forsøk, som de dolitten, og også andre forberedelser pågikk. Det ble bygd stillaser til teodolitten og bærbare kraner gjort av Willebrord SneII i Nederland i 1615, led for å løfte den. Sterke lys ble laget, samt stativer under mangelen på gode instrumenter og matemati­ for å plassere dem nøyaktig over de punktene der ske tabeller. Men slike ble snart utviklet og store de skulle stå. Arbeidet skulle gjøres om sommeren deler av Europa ble oppmålt i løpet av 1700-tallet. C når det tunge instrumentet lett kunne fraktes, og Storbritannia ble først kartlagt sent på 1700-tallef. man ville trenge klare, stille netter for å sikre at Det ble primært gjort for å lette forsvaret ved å fjerne lys kunne ses uten forstyrrelser. kaftlegge,veier, avstander og festningsverker. Formålet med dedførste bjitiske oppmålingen var Roy fikk en nokså frustrerende tid da han oppdaget at Ramsden hadde problemer med å forbinde landet med det franske nettet Tbf å sam­ enkelte detaljer på teodolitten. Etter hissige brev til menknytte astronomiske observasjoner fra Paris og Greenwich. Arbeidet ble ledet av William Roy, som Royal Society og kongen, kunne imidlertid triangule­ ringen endelig størte midtsommers 1787.1 oktober hadde vært med i oppmålingen av Skottland og samme år stod siktestepene ved Kanalen-, som lenge hadde argumentert for trianguleringsmeto- _ dens overlegenhet. Først måtte en helt nøyaktig skulle sørge for forbindelsen mellom den engelské og franske oppmålingen, ferdig. Trianguleringen tok grunnlinje opprettes, noe som ble gjort på ytterligere to som mere, og Roy dødeKda siste hånd Hounslow-heden vest for London. Soldater ryddet ble lagt på verket i 1790. Arbeidet ble videreført av en rett og jevn stripe der det ble lagt ut trekister hans nærmeste medarbeider Isaac Dalby som, til målestaver. Stripen ble målt treganger. Først sammen med Edward Williams og William Mudge, K med en 100 fots Ramsden-kjede, så med 20 fots gradvis utvidet Roys trianguleringsnett over hele y/ørkede trestaver og til slutt med glass-staver som landet samtidig som nye, mer effektive og nøyaktige også vayjaget av Ramsden. Alle disse var blitt justert mot ståndardyarcten, sbm hadde en påstått rutiner ble tatt i bruk. Slik la de grunnlaget for Stor­ nøyaktighet på 0,001 tommer. EventuéUe utvidelser britannias geografiske oppmåling, som i nesten 200 år nai har luiizau fortsatt aå uivikiu utvikle teknikker for ufjpiuai oppmåling og Kjeuei og ug trestavene irubtavuiuie biauig undersøkt. unueibUKi. Temletnai unnui iui av kjedet ble stadig peraturendringer i løpet av dageq ble registrert.og 7 | kartlegging av områder av enhver størrelse. tii.ih.ii I Norge ble Norges Geografiske Oppmåling trestavene beskyttet mot variasjoner i luftfuktighet. (NGO) grunnlagt i 1773 med rent militære formgi. Grunnlinjens lengde ble til slutt målt med en nøyakNGO, nå kalt Stat&ns Kartverk, er i dag ansvarlig tighet på 0,0001 fot. De siste tre desimalene viste.J for all offentlig oppmåling og kartlegging i Norge. seg senere å være feil, men man oppnådde likevel en nøyaktighet på bedre enn 1/150 000. Idet grunn­ Beliggenheten av de norske triangelpunktene angis i forhold til njeriøianen som pass&éf gjennom Oslo linjen var etablert og markert med kanoner, startet ooservatorium En del av depfånære triangelpunk­ Roy trianguleringen ned til Dover. Den viktigste for­ tene er ved satellittmåkngér knyttet tfl det interna­ beredelsen var å velge stedene der teodolitten sjonale nettet av slike punkter. skulle plasseres. Om hvert punkt var med i mer enn

( i

:- J

► I prinsippet er triangulering basert på plane trekanter (øverst). Dersom lengden av en side (grunn­ linjen) og de to vinklene ved enden av linjen måles, kan den tredje vinkelen og lengden av de to andre sidene beregnes. Ved å gjenta dette for mange trekanter, kan et nett av trekanter bygges opp for å måle opp et bestemt område. Jordens krumning og naturlige hindringer som åser og fjell, gjør imidlertid at man i praksis må måle både horisontale og vertikale trekanter. For å eliminere feil trengs meget nøyaktige beregningsteknikker som gjør bruk av siktelinjer og grunnlinjer. Oppmåling baseres nå på observasjoner fra bakken, luften og rommet.

▲ Jesse Ramsden med teodolitten han laget for oppmålingen av Storbritannia. Den horisontale sirkelen hadde en diameter

. WintiU

xxxiv

▲ Moderne utstyr for oppmåling registrerer ikke bare vinkelen fra siktestedet til objektet, men gir også operatøren muligheten for å sikte inn mot bestemte gjenstander eller merker, identifi­ sere dem med en kode og registrere deres posisjon og stilling digitalt. Dataene kan så brukes til en automatisk kartlegging av området.

XXXX I CCI

A Den opprinnelige oppmålin­ gen av Sydøst-England ble utført ved hjelp av trekanter som hadde sider med lengder fra 8 km til 60 km.

36 Moderne kartverk er i stor grad basert på bilder tatt fra fly.

Kartlegging fra luften Selv om oppmåling av store områder fortsatt i utstrakt grad gjøres på bakken, foretas det meste av kartleggingen av mindre områder, og særlig kartleggingen av ulendt og vanskelig tilgjengelig terreng, nå ved hjelp av luftfotografering, en teknikk som også går under betegnelsen fotogrammetri. Et lite fly flyr i et slags stripemønster frem og tilbake over området som skal kartlegges, mens det tar en serie bilder med kameraet pekende rett ned. Flyruten, brennvid­ den på objektivet i kameraet og frekvensen bildene tas med, gir bilder med et betydelig overlapp, slik at hvert punkt på bakken er med på minst to bilder. Flyets litt forskjellige posisjoner under opptaket av disse bildene gjør at hvert trekk på bakken ses under litt ulike vinkler. Når to slike fotografier av det samme området betraktes samtidig i et stereoskop, trer det frem et tredimensjonalt bilde av terrenget. Brukeren knytter identifiserbare punkter på dette bildet til punkter med kjent lengde, bredde og høyde over havet. Ved å ta utgangs­ punkt i disse, kan posisjonene til alle andre trekk på bildet bestem­ mes. Ved å flytte en markør over stereobildet, kan posisjonen og stillingen til trekkene registreres digitalt i tre dimensjoner. Deretter kan man benytte automatiske tegnemaskiner til å omgjøre disse dataene til et kart med den ønskete målestokk. ▲ Nar man planlegger flyruten og kameravinklene for luftfoto­ grafering, sørger man for at nabobilder innen en og samme stripe overlapper hverandre med omtrent 60 %, mens bildene i nabostriper har rundt 25 % overlapp. På denne måten fotograferes alle punkter to ganger. Luftfotogra­ fering foretas vanligvis når Solen står høyt pa himmelen. Det er for å sikre at skygger ikke skjuler viktige detaljer man gjerne vil ha med på bildene flyet tar.

▲ To bilder av et område plasseres i en steroskopisk plottemaskin. Brukeren justerer for variasjoner i atmosfæren eller flyets høyde til et godt bilde oppnås. Ved å flytte en markør rundt på bildet, kan ulike trekk, kurver eller koter identifiseres. De kan så plottes med en pantograf.

► Et luftfotografi tatt over en havneby ved kysten av Skottland.

Å måle med elektrisitet Elektrisk ladning og strøm... Måling av elektrisitet: Amperemetre og voltmetre... Elektroniske måleteknikker... Plotteren... Meget nøyaktige teknikker: Blinkkonvertereren... PERSPEKTIV... Litt om elektrisitet... Ampere og strømvekten

~i

■

■

-

■■■

■

-- ■

■

.......................................................................

Den teknologiske utvikling er på dramatisk måte blitt påskyndet ved at vi har lært å mestre elektrisiteten. Den er nemlig et uhyre nyttig hjelpemiddel. Ved hjelp av en rekke transdusere muliggjør den nøyaktige og raske målinger av mange fenomener som tidlige­ re knapt nok kunne registreres. Målinger av elektrisitet er grunnla­ get for alle målinger med elektrisitet. Det er derfor nødvendig å ha en forståelse av de grunnleggende prinsippene for hva elektrisi­ tet er. Den elektriske egenskapen ved materien kalles ladning. Forskere anser den for å være en av de mest fundamentale egenskapene ved naturen, og som lettest observeres gjennom de virkningene den har. Som masse, lengde og tid ses den bare på som noe som er der. På samme måte som masser virker på hverandre med gravi­ tasjonskrefter, selv om de er atskilt, gjør også ladninger det; og de elektriske kreftene er langt sterkere enn gravitasjon, hele 1040 ganger sterkere. Mens gravitasjon holder solsystemer og galakser sammen, holder elektriske krefter atomer sammen. Til forskjell fra gravitasjon, som bare kan virke tiltrekkende, kan elektriske krefter både tiltrekke og frastøte. Dette forklares ved at det er to forskjellige typer av den elektriske ladning, kalt «positiv» og «negativ», slik at nettoladningen i ansamlinger av ladete partik­ ler, som atomer, lett skal kunne beregnes. Atomets struktur gir en antydning om hvorfor elektriske fenome­ ner er så mange og så forskjellige. De fleste fysiske og kjemiske forklaringer av materien uttrykkes ved hjelp av vekselvirkningene mellom skyer av elektroner i tettliggende atomer. En elektrisk strøm i en metall-ledning ses for eksempel på som en strøm av elektroner som har slitt seg fri fra atomene sine. Det at ledningen blir varm, forklares med at elektronene kolliderer med atomene som ligger stille. På grunn av disse stadige kollisjonene trengs det et påtrykk eller en spenning for å drive dem fremover. Forestillin­ gen om elektrisk strøm som en strøm av ladninger, og om spenning som påtrykket som driver strømmen, er helt sentrale for å forstå teknikkene for måling av elektrisitet og elektriske fenomener. Det kan være nyttig å ha en forståelse av forbindelsen mellom strømmen og spenningen i en metalltråd. Tråden yter en «mot­ stand» mot strømmen av elektroner som er avhengig av trådens størrelse og hva den er laget av. Denne motstanden defineres som «trykk per strømenhet», eller spenning dividert på strømstyrke. For­ di nøye tilmålte ledninger med kjent elektrisk motstand gjør det mulig å «oversette» strømstyrke til spenning, og omvendt, kan den­ ne sammenhengen utnyttes i måleinnretninger. Elektriske strømmer genererer også magnetiske effekter, og om­ vendt vil magneter påvirke ledninger som leder elektrisk strøm. Det er disse elektromagnetiske effektene som utgjør grunnlaget for alle elektriske maskiner. De brukes også til å sveipe et punkt over en fjernsynsskjerm, og spiller en viktig rolle innen det stadig større og viktigere feltet som dekker elektriske målinger.

▲ Atomkjernen har positiv ladning, elektronene negativ. Normalt utjevner de hverandre, men et ion (atom med «feil» antall elektroner) er elektrisk ladet. Det kan derfor gi opphav til en elektrisk strøm, eller strøm av elektroner, rundt seg.

Litt om elektrisitet Et atom består av elektroner i bane rundt en kjerne. Når det utsettes for en elektrisk spenning, målt i volt, kan elektronene flytte seg til et annet atom. Nettoforflytningen i én retning er den elektriske strømmen, som måles i ampere. Atomer som holder svakt på noen elektroner, er gode ledere, mens de med sterke bindinger nesten ikke tillater noen bevegelse og er isolatorer. Strømflyten langs en ledning ligner strømmen av vann i et rør, og spenningen tilsvarer trykket som trengs for å flytte vannet. Vannstrømmen kan påvirkes av motstanden i røret (lite tverrsnitt betyr stor motstand). En ledning har en tilsvarende motstand, målt i ohm, mot strømmen. (Enheten ohm er oppkalt etter den tyske fysikeren Georg Simon Ohm (1787-1854). En tynn ledning har høyere motstand enn en tykk og, som for rør, jo lenger ledningen er, jo mer kraft trengs for å skyve strømmen frem.

▲ En elektrisk strøm i en ledning genererer et magnetfelt rundt den som ligger i et plan vinkelrett på ledningen. Hvis dette feltet vekselvirker med det fra en permanent magnet og avbøyningen måles, kan dette brukes til å måle strømstyrken.

38 Instrumenter for å måle elektrisk strøm lages med mange forskjellige følsomheten

Dreiespoleinstrumenter Inni et vanlig elektrisk måleinstrument er en liten strømvekt. Strømmen som skal måles vekselvirker med et magnetisk felt og genererer en kraft. Denne vrir en kontrollfjær til den utøver en like stor motkraft, og en viser beveger seg en vinkel som er propor­ sjonal med strømmen. Strømmen omgjøres derfor to ganger, først til en kraft og så til et utslag. I et voltmeter (som måler spenning) er det tre omgjøringer; spenning til strømstyrke, strømstyrke til kraft og kraft til viserutslag. Elektriske måleinstrumenter har mange forskjellige anvendelser. For å få gode nok resultater, kreves vanligvis at instrumentet er følsomt innenfor et visst nivå (fra 1000 ampere til 0,001 ampere eller mindre, avhengig av hva det skal brukes til). Dessuten må det ha en viss, spesifisert nøyaktighet og være stabilt. Det er viktig at dets egenskaper ikke endres, selv om fjærer slappes, lagre går tregere eller magneter svekkes. Likeledes bør det reagere raskt og la nålen fort gi riktig utslag uten større dirrebevegelser, være lineær slik at like store variasjoner i strømstyrke gir like store utslag over hele instrumentets måleområde og være robust (det må kunne tåle for høye strømstyrker, monteres i en vibrerende maskin eller utset­ tes for variasjoner i temperatur og luftfuktighet). Spenningsmålinger Når en spenning måles med et dreiespoleinstrument, går noe av strømmen tapt i måleinstrumentet for å utjevne de mekaniske kref­ tene. Dette unngås ved å bruke et potensiometer. Det sammenlig­ ner spenningene direkte og bruker bare dreiespoleinstrumentet som nulldetektor. En kjent strømstyrke sendes gjennom et ledningsstykke slik at spenningen avtar kontinuerlig langs den. Strømstyrken omgjøres altså til et jevnt spenningsfall. Spenningen som skal må­ les, settes opp i motsatt retning over motstandstråden. En skyvekontakt flyttes så langs tråden til en strømmåler viser at det ikke lenger går noen strøm. Når det skjer, er spenningen i de to kretsene like store og motsatt av hverandre. Spenningsfallet langs tråden justeres slik at et visst antall centimeter tråd direkte tilsvarer et visst antall volt. Spenningen som skal måles, kan da beregnes fra lengden av den delen av tråden den var satt opp over. Dette er da den eksakte spenningen, siden ikke noe strøm går bort i instru­ mentet i selve måleprosessen.

Shunt

En standard for strømstyrke Enheten ampere er oppkalt etter den franske fysikeren André-Marie Ampere - en av pionerene innen elektriske målinger. Det er en enhet for elektriske ladningers strømningshastighet. Den er definert ut fra kreftene mellom tråder som det sendes like store strømstyrker gjennom. Det skal være «to parallelle ledere, én meter lang og én meter fra hverandre». I praksis er dette vanskelig å få til uten feil, og kraften mellom ledningene er svært liten ved en strømstyrke på 1 A. En strømvekt bruker derfor en oppstilling av spoler som bringer svært lange, parallelle ledere nær hverandre over et lite område. Sammenhengen mellom denne oppstil­ lingen og standarden kan beregnes. To spoler er montert på vektarmer og to er faste. Kreftene måles med vektstandarder, der gjenstander med kjent vekt skal løftes når det går en strøm med en bestemt strømstyrke. ◄ Modell av Ampéres strømvekt.

Å MÅLE MED ELEKTRISITET

39

◄ I et dreiespoleinstrument plasseres en spole som strømmen går gjennom, på en sylinderformet jernkjerne som roterer mellom polene på en magnet. Til spolens spindel er det festet en viser som holdes igjen av en fjær. Når en likestrøm sendes gjennom spolen, vekselvirker dens magnetfelt med feltet fra den permanente magneten, og spolen dreier på spindelen mot fjæren. Utslaget viser strømstyrken. Hvis det er vek­ selstrøm som skal måles, må den først omgjøres til likestrøm.

► Et industrielt universalmåleinstrument kan gjøre en rekke målinger. Ulike modeller kan være tilpasset krav fra elektro­ nikk- og laboratorieanvendelser til sterkstrømteknikk. Et slikt instrument måler både strømstyrke, spenning og motstand for like- og veksel­ strøm. Universalinstrumenter er laget for praktisk bruk. De gjør det unødvendig for en som skal foreta elektriske målinger, å bære med seg mange forskjellige instrumen­ ter, som hvert brukes bare til én type målinger.

◄ Et amperemeter kan brukes til å måle innen flere strømstyrkeintervaller ved å bruke en shunt (parallellkrets) til hovedkretsen. Ved å variere styrken på motstanden, kan det måles på svært ulike strømstyrkenivåer. Et voltmeter seriekobles med motstanden. I et potensiometer settes en kjent spenning opp over en kjent motstand. Spenningen som skal måles, settes opp over motstanden i motsatt retning ved en skyvekontakt. Når ingen strøm går, er spenningene like og kan måles.

Tung metallmasse

Fotodetektor

Transdusere ► Mange ulike innretninger kan brukes til å omgjøre for­ skjellige signaler til en elektrisk strøm slik at signalet kan måles nøyaktig. De kalles med en felles betegnelse for transdusere. Vi finner dem i en rekke gjenstander av mer eller mindre høyteknologisk natur, for eksempel bade biler, fly og romfartøyer. En turteller kan bruke en fotoelektrisk celle (1), en halvleder som sender ut strøm når lys treffer den. Et akselerometer er én av flere innretninger som utnytter den piezoelektriske effekten for omgjøring av energi; her får krystaller ulik ladning når de utsettes for trykkendringer

Platinaspole

Akselerometer

Turteller. Lampe

I—Metallhylse Reflekterende stri

beskyttelseshylse Piezoelektrisk skive

Høyere temperatur

Magnetspoler

Lavere temperatur

Membraner

Lineær bevegelse

— Metall B

Koblinger

Metall A

Elektrode

Voltmeter_________

Variabel motstana

Voltmeter

Voltmeter

Ledningsforbindelse

5

Rotasjonsbevegelse

Strøm­ retning

Stålrør

(2). Et motstandstermometer (3) utnytter endringen i metalls motstandsevne ved ulike temperaturer. (I dette konkrete tilfellet er det metallet platina som er brukt). I termoelementet (4) oppvarmes den ene av ulike, sammenkoblede metalltråder. En elektrisk spenning oppstår da over koblingspunktet. En trykkmåler eller mikrofon kan utnytte en variabel motstand som endrer motstandsevne nar den trykkes pa (5). En strømningsmåler bruker elektromagnetiske prinsipper (6). Stoffet som skal males, strømmer gjennom et isolert rør med elektroder og en magnet­ spole setter opp et magnetfelt pa tvers.

40 Elektroniske teknikker for å måle elektrisitet har revolusjonert målinger innen mange områder.

Elektroniske måleteknikker Moderne elektronikk har revolusjonert mange forskjellige måletek­ nikker. Uansett hva som skal måles, vil en instrumentmaker i dag finne en eller annen måte for å omgjøre det til en spenning eller en frekvens, og vise resultatet digitalt. Selv vinkler, som i flere århundrer var det nøyaktigste man kunne måle, måles i dag på denne måten. At det er slutt på de tider da mekaniske instrumenter ble laget for hånd, ses kanskje tydeligst når det gjelder tidsmålere, men merkes også på andre områder. Elektroniske kretser mottar strømsignaler nesten uten å bruke noe av strømmen fra dem, og de kan utføre mange prosesser raskt og nøyaktig. Blant mange fordelaktige egenskaper er at signaler kan forsterkes kontrollert, de kan adderes og subtraheres, midles over tid eller sammenlignes med standarder. Pulser kan telles og svært raske variasjoner (milliarder av svingninger per sekund) kan lett følges. Nye måleområder, som radar, er helt avhengige av en avansert og omfattende bearbeiding av elektriske signaler for at de i det hele tatt skal kunne fungere. Det er flere måter elektronikk kan brukes på til å måle spennin­ ger. En av de mest brukte er katodestråleoscilloskopet. Her presen­ teres målinger på en skjerm ved hjelp av et lyspunkt som skyldes en tynn elektronstråle som treffer skjermen. Som i et fjernsynsap­ parat farer elektronene gjennom et vakuumrør med høy hastighet og kan styres ved spenninger som settes på elektroder eller spoler inni røret. Fordi det kreves nokså store spenninger til denne styre­ funksjonen, må oscilloskopet ha stabile forsterkere for å forsterke svake signaler til brukbare styrker. Når et elektron passerer mellom et par elektroder eller spoler, tilføres det et kort øyeblikk et kraftstøt. Dette avbøyer elektronet i retning oppover eller nedover slik at punktet på skjermen flytter seg en avstand som er proporsjonal med signalspenningen. Fordi ◄ Både elektroniske teknikker og vanlige dreiespolemetoder kan brukes i universalinstrumenter. Førstnevnte bruker imidlertid gjerne et panel med flytende krystaller istedenfor visere og måleskiver. Slike in­ strumenter brukes både i felt og laboratorium, for eksempel til undersøkelse av de elektriske kretsene i en bil.

Signal

I form av spenning som periodisk gjentas.

Oscilloskop Vertikalforsterker

Katodestrålerøret En elektronstråle rettet mot skjermen avbøyes av mag­ netfelter. Vertikal avbøyning angir signal og horisontal avbøyning angir tidsforløpet.

Forsterker signal for å lage varierende magnetfelt i avbøyningsspolene.

Utløser Starter sveipegenerator på et gitt punkt i signalet.

Horisontalforsterker

Sveipegenerator

Forsterker sveiper signal for å lage varierende magnetfel­ ter som avbøyer punktet sideveis.

Gir konstant økende signal­ spenning mot en bestemt tidsakse.

Å MÅLE MED ELEKTRISITET

41

denne pulsen er av nokså kort varighet, kan ekstremt hurtige spen­ ningsvariasjoner følges på skjermen. Vanligvis sveipes det også over skjermen med en valgt hastighet fra venstre mot høyre av et gjentatt sagtannformet spenningsforløp («tidsaksen») som settes på et annet par plater eller spoler. Dette sprer spenningsvariasjonene utover slik at de kan ses. Bølgeformen til et repeterende signal kan vises ved alltid å starte tidsaksesveipet på samme signalnivå. Punktet gjentar da sitt opp-ned-mønster over de samme delene av skjermen på hvert sveip, slik at et fast bilde kan ses - herav navnet oscilloskop. Plotteren En annen elektronisk målemetode, som gir en permanent registre­ ring av resultatet, er å bruke en plotter, et instrument der målere­ sultatene registreres i form av kurver på en papirstrimmel. Ved hjelp av en transduser som omgjør et signal til spenning, er syste­ met et automatisk avbalansert potensiometer. En person som bruker et manuelt potensiometer, må bestemme hvilken vei og hvor langt skyvekontakten Skal flyttes for å få null utslag på amperemeteret. Dette kan gjøres automatisk ved å bruke overskuddsspenningen til å drive en liten elektrisk motor som flyt­ ter skyvekontakten. Når spenningene er like store, er det ingen overskuddsspenning og motoren stopper. Dette prinsippet gjør bruk av et «feilsignal» for å gjøre en «korreksjon», og kalles tilbake­ kobling. Det er grunnlaget for all automatisk kontroll, og brukes i plottere. Motoren driver en penn som beveger seg over papiret, mens en annen motor fører papiret frem med en valgt hastighet. Uttak fra transdusere har sjelden nok hverken spenning eller effekt til å drive disse motorene, så elektronisk forsterkning trengs. Ved å koble inn mer eller mindre forsterkning etter behov, kan ulike måleintervaller velges.

◄ ▲ Et oscilloskop forsterker strømmen som skal måles, og sender den gjennom en mag­ netspole eller elektrode i et katodestrålerør for å forårsake en avbøyning av elektronstrålen. Avbøyningen vises ved at en prikk på skjermen endrer posisjon.

► Plotteren forsterker signal­ spenningen og bruker den til å drive en servomotor. Den sam­ menligner signalstyrken med det før mottatte signalet og flytter en penn fremover eller bakover avhengig av den relative styrken på signalet som mottas.

42 Moderne elektronikk gjør det mulig å foreta elektriske målinger raskere og bedre enn før.

Flytende krystall-panel

Siffer vises

Intet lys reflekteres

▲ Flytende krystaller organiske stoffer med stavformede molekyler - endrer form når spenning settes på. I et alfanumerisk panel ligger kry­ stallene mellom polarisasjonsfiltre med retninger vinkelrett på hverandre. I sin normale tilstand er krystallene litt vridd; lys vris og passerer gjennom begge filtrene før det reflekte­ res fra et speil. Krystallene endrer seg hvis spenning settes på, lyset blokkeres og sifferet blir mørkt.

► En referansestigning er den mest nøyaktige måten å måle spenninger på.

En kjent spenning brukes ofte for å kontrollere nøy­ aktigheten i kalibreringen

Spenningsmålinger ved hjelp av tid

Blinkkonvertereren bruker elektronikk til å etablere og vedlikehol­ de nøyaktige og stabile referansespenninger. Dette er et elektronisk motstykke til potensiometertråden, og den åpner for nye måter å måle spenninger på. Oppfinnelsen av komplekse integrerte kretser på silisiumbrikker gjør det mulig å ha flere hundre referansekretser tett ved hveran­ dre. Et signal presenteres øyeblikkelig og samtidig for alle referansekretsene og sammenlignes med hver av dem. Hvis signalet er større enn referansekretsen, sender den ut binærsifferet én, og null hvis det er mindre. Svarene fra alle referansekretsene utgjør et be­ stemt sett med sifre som tilsvarer en viss spenning. Elektronisk logikk omgjør dette tallet til et sett med instruksjoner som enten tenner eller ikke tenner lys på det digitale panelet, slik at den funne spenningen lett kan avleses. Målere basert på dette prinsippet kan avleses raskt, tar omtrent ikke noe strøm fra signalkilden og er svært pålitelige. De ligger også på omtrent samme prisnivå som dreiespoleinstrumenter av samme kvalitet, som er basert på finmekanikk. En stor fordel med disse instrumentene er at den numeriske datalagringen gjør det mulig for datamaskiner å bearbeide den. De åp­ ner.derfor for svært mange muligheter og anvendelser. Det er for eksempel mulig å bruke fotocellen i et fjernsynskamera til å omgjø­ re lysintensitet til spenning meget raskt. Dette kunne i sin tur kob­ les til en blinkkonverterer som har stor nok kapasitet til å ta unna oppgaven med å registrere de stadig endrede elektriske signalene fra bildet. Slik kan for eksempel en krysserrobot kontinuerlig sam­ menligne terrenget den passerer over med et kart den har i sin hukommelse, og foreta raske kursendringer. Derfor brukes de i sta­ dig større grad i moderne elektroniske instrumenter. Med elektronikk er det også mulig å måle spenningen uttrykt ved hjelp av tid, som er det fysiske fenomen vi i dag kan måle med størst nøyaktighet. Igjen er det hele basert på å sammenligne en ukjent spenning med en kjent spenning, der elektronikken sør­ ger for en referansestigning, en spenning som øker med konstant hastighet. Målingen begynner med at en utløser starter stigningen og samti­ dig dirigerer pulser fra en stabil, høyfrekvent svingegenerator til en teller. Tellingen av pulsene fortsetter til stigningen har nådd opp til og blitt lik den ukjente spenningen. Idet kontrollmåleren viser null, stoppes tellingen. Hvis svingegeneratorens frekvens og rampens hastighet kalibreres mot standarder, angir pulstallet en viss verdi for den ukjente spenningen, som kan beregnes og vises frem. Til slutt nullstiller logikk-kretsene rampen og telleren slik at de er klare for å undersøke en ny, ukjent spenning. Ukjent spenning

Spenninger jevnføres

Et prøvesignal med ukjent spenning

Sammenligner kontinuerlig den ukjente spenningen med referansestigningen

Panel Spenningsmåling vist som lesbare siffer

Når stigningen er lik den ukjente spenningen, slås telleren av

AV

Kommandoer om nullstilling; setter teller og stigning til null før ny ukjent spenning kommer

Logikk-krets

Teller

Omgjør antall pulser til spenningsmåling

Teller pulser til stigningens økende spenning blir lik den ukjente spenningen

Mikroskoper Mikroskopets opprinnelse... Prinsippet bak det sammensatte mikroskopet... Fasekontrastmikroskopi... Elektronmikroskopet... Sveipetunneleringsmikroskopet... PERSPEKTIV... Kronologi... Optisk mikroskop... Polarisasjons- og fluorescensmikroskopi... Elektronsveipemikroskopi... Emisjonsmikroskopi... Røntgenmikroskopi

~1

■

... _

.....................................

Mikroskopet er et hjelpemiddel til å observere små objekter eller fenomener fra svært kort avstand. Dets forløpere går langt tilbake i tiden. Man har blant annet funnet en assyrisk linse fra rundt 700 f Kr, som var skåret ut fra en naturlig krystall. Nytten av for­ størrete bilder for biologer, kjemikere, mineraloger, geologer, leger, metallurger og andre materialforskere har ført til utviklingen av forskjellige instrumenter og teknikker, hvorav mange anvendes utenfor det synlige området av spekteret. Prinsippet bak det sammensatte mikroskopet, der to linser stilles opp slik at de sammen gir bedre forstørrelse enn hver for seg, ble først oppdaget rundt 1600 av Zacharias Jannsen i Middelburg i Nederland. Problemene med forvrengninger og aberrasjon var imidlertid svært store. Til tross for det sammensatte mikroskopets store muligheter, ble derfor de første fremskrittene gjort med spesialslipte forstørrelsesglass. Pioneren innen moderne mikroskopi, den nederlandske biologen Anton van Leeuwenhoek (1632-1723), utviklet en effektiv utgave av et enkelt mikroskop. Det hadde én eneste glasslinse plassert mellom to messingplater foran en plate der prøven ble plassert. Med det kunne han oppnå forstørrelser på 300 ganger, og gis æren for å ha vært den første som så bakterier og sædceller. Den engel­ ske fysikeren Robert Hooke (1635-1703) gjorde tidlige studier med et sammensatt mikroskop, men feltet utviklet seg først for fullt på 1800-tallet da fremskritt innen linsesliping gjorde det mulig å fjerne den sfæriske og kromatiske aberrasjonen i linser.

▲ Et typisk utsmykket mikroskop fra slutten av 1600-tallet, laget av Christopher Cock i London

◄ Oppfinnelsen av det sammensatte mikroskopet i 1600 var av uvurderlig betydning for vitenskapen. Organismer og små detaljer som tidligere hadde vært usynlige, kunne nå undersøkes for første gang. Virkelige mikroskopiske undersøkelser kom først i gang på siste halvdel av 1600-tallet med Robert Hookes utgivelse av «Micrographia» (tegninger av små gjenstander) i 1665. Dette er den første større samling av mikroskopiske tegninger. Ved hjelp av en glasskule og en spritlampe som ga en konstant og intenst belysning av prøvene under mikroskopet, laget Hooke en rekke skisser som vakte kolossal oppsikt utover i Europa, deriblant dette detaljerte bildet av en flue.

44 Kronologi

ca 1550 Det enkle mikroskopet oppfunnet 1590 Det sammensatte mikrosko­ pet oppfunnet i Italia ca 1600 Zacharias Janssen forbedret konstruksjon av det sam­ mensatte mikroskopet 1610 Galileo Galilei fant uavhengig av Janssen opp det sammensatte mikroskopet

1665 Micrographia, første større samling av tegninger fra mikroskop, utgitt i England av Robert Hooke 1673 Det enkle mikroskopet forbedret av Anton van Leeuwenhoek og ga forstørring på opptil 300 ganger 1830 Joseph Listers artikkel til Royal Society revolusjonerte kon­

struksjonen av mikroskopobjektiver 1830 Det akromatiske mikroskopet med aberrasjonsfrie linser oppfunnet 1850 Objektiver med oljeimmersjon oppfunnet av italieneren Gianbatista Amici 1851 Det binokulære mikroskopet med ett objektiv oppfunnet

1872 Mikroskopobjektiver lages ved hjelp av nøyaktige matemati­ ske formler 1878 Ernst Abbes moderne mikroskop beskrives 1897 Karl Zeiss i Tyskland laget stereomikroskop for bruk innen mikrokirurgi 1903 Ultramikroskop for å kunne se små partikler med diametre

under 10 % av bølgelengden til synlig lys utviklet 1904 August Kbhler i Tyskland utviklet et spesielt mikroskop som var tilpasset bruk av ultrafiolett lys og kunne vise mindre detaljer enn det vanlige mikroskopet 1919 Ultrafiolett mikroskop utviklet med en forstørrelsesgrad på opptil 2500 ganger

------------------------------------ —_____ Prinsippet bak mikroskopet Øyets evne til å skjelne små detaljer kalles dets oppløsningsevne, og den minste avstanden mellom to punkter det kan skjelne fra hverandre er grensen for dets oppløsning. Flere faktorer er her inne i bildet. For det første kan et objekt ikke ses hvis bildet av det er mindre enn avstanden mellom to lysfølsomme nerveender på retinaen (netthinnen der synspigmentet og de lysfølsomme sanse­ cellene er). Bildet kan gjøres større ved å flytte objektet nærmere, men øyet kan ikke forstørre det mer enn den størrelsen det har i 25 cm avstand, som kalles nærpunktet. For det andre kan aberra­ sjoner i øyets linse forvrenge bildet, og for det tredje setter lysets bølgenatur sine egne begrensninger. Hvis et bilde i teorien kan oppløses, må det være nok lys til å belyse objektet, som også må tre klart frem fra bakgrunnen for å kunne ses tydelig. Den primære funksjonen til mikroskopet er å lage et forstørret bilde av et lite objekt ved at det med bruk av linser fokuserer lys som projiseres på eller gjennom objektet. Et vanlig forstørrelses­ glass kan danne et bilde av et fjernt objekt, som Solen, på et stykke papir som holdes i brennplanet bak det. Hvis et objekt flyttes nær­ mere linsen enn brennvidden, er bildet opprett og større enn objek­ tet, men kan ikke avbildes på en flate. Dette «virtuelle» bildet er grunnlaget for det enkle mikroskopet. I det sammensatte mikroskopet skjer forstørrelsen i to trinn. Ob­ jektivet danner et forstørret, reelt bilde (opp-ned) av objektet. Dette bildet dannes i brennplanet til okularet, som så virker som et vanlig forstørrelsesglass når det forstørrer dette bildet igjen. Det endelige bildet kan betraktes med et avslappet øye, innstilt på uendelig. Innen mikrofotografering brukes et annet okular til å fokusere det endelige bildet på filmen i kameraet. Oppløsningsevnen til et mikroskop er direkte proporsjonal med lysmengden som kan komme inn i linsesystemet, og den såkalte numeriske apertur er et mål på dette. Den bestemmer hvor stor lysmengde som kan ses gjennom mikroskopet. I mange former for mikroskopisk arbeid økes mikroskopets numeriske apertur ved bruk av spesiallinser med en oljedråpe mellom objektivets forreste linseflate og objektet, fordi olje bryter lys bedre enn glass. Denne spesielle teknikken kalles immersjonsmikroskopi. Polarisert lys, ultrafiolett og fluorescens I belysnmgssystemet kan det brukes en polansator, som et filter, mens et annet, en polarisasjonsanalysator, er i okularet. Polansatoren slipper bare forbi lys som svinger i ett bestemt plan, og polarisasjonsanalysatoren står normalt på dette. Om prøven ikke innvirker på lyset, fås fullkomment mørke. I motsatt fall kan optisk aktive områder i mikrostruk­ turen avsløres. Karakteristisk for optisk aktive områder er at de kan dreie planet lyset svinger i. Hvis en prøve inneholder optisk aktive områder, vil disse dreie svingeplanet til lyset som er sluppet gjennom polansatoren, og noe av det vil da også passere polansasjonsanalysatoren. Metoden er særlig nyttig innen metallurgi og geologi, og for identifikasjon av organiske krystaller. Siden mikroskopets oppløsningsevne avhenger

av bølgelengden på lyset som brukes, kan det forbedres ved å bruke stråling med kortere bølge­ lengde enn synlig lys, som ultrafiolett lys. Fordi det ikke slipper gjennom vanlig optisk glass, må linser av kvarts eller kunstig flusspat brukes, noe som først ble beskrevet / 1904 av August Kohler. Nå er dette i stor grad foreldet av elektronmikroskopi. En viktig anvendelse er imidlertid fluorescensmikroskopi. Noen stoffer er selvlysende, de absorberer ultra­ fiolett- lys og omgjør det til lys øyet kan se. Mange naturlige stoffer, særlig av botanisk og mineralogisk art, er selvlysende, noe som kan utnyttes til å identi­ fisere dem. Andre stoffer som selv ikke er selvlysen­ de, kan oppta selvlysende farger på en selektiv måte, og dette kan brukes til å undersøke deres mi­ krostruktur. Dette er særlig nyttig innen medisin, og er blitt brukt til å identifisere kromosomer.

▲ Polarisasjonsmikroskopi spiller en viktig rolle i under­ søkelser av krystallinske stoffer. Disse bildene er fra den samme tynne granittskiven. Øverst ses den i vanlig lys, nederst i polarisert lys. Amorfe deler er svarte, mens krystallinske strukturer avsløres av farger som sier noe om sammensetningen.

MIKROSKOPER

1924 Louis de Broglie viste at elektroner har en bølgenatur som en analog med den man kjenner fra synlig lys 1927 H. Busch demonstrerte hvordan magnetiske felter kan fokusere elektroner 1932 En prototype på et elektronmikroskop bygd av M. Knoll og E. Ruska A:...:.'

' '

'

1933 Mikroskop med L-fot introdu­ sert av Zeiss 1934 Fasekontrastmikroskopet oppfunnet av Fritz Zernicke 1936 Første elektronmikroskop tatt i kommersiell bruk 1938 Prototype på elektronsveipemikroskop bygd av von Ardenne 1940 Prototype på fasekontrastmikroskop bygd av Zeiss

................................ -.................

1944 Den sovjetiske fysikeren N. D. Sokolov fremmer tanken om akustisk mikroskopi 1947 Elektronsondeanalysator utviklet for å bestemme kjemiske komponenters identitet med høy oppløsning 1955 Automatisk kameramikroskop utviklet av Zeiss 1956 lonefeltmikroskop med en

forstørringsgrad på over 2 500 000 ganger utviklet av Erwin Mueller 1965 Elektronsveipemikroskopet ble kommersielt tilgjengelig 1973 Første akustiske sveipemikroskop bygd av en gruppe ved Stanford University, USA 1974 Holografisk elektronmikro­ skop oppfunnet ved University of Texas for å kunne se elektroner ............. ■ ............ .......................... .

1980 Elektronsveipemikroskop brukes i produksjon av mikroskopi­ ske mikrobrikker, (også kalt mikrochips) 1984 Sveipetunneleringsmikroskopet utviklet av Binnig og Rbhrer i Zurich. For dette delte de i1986 nobelprisen i fysikk med Ernst Ruska, som bygde det første elektronmikroskopet i Berlin i 1933

................. -- -...................................... —

....................................... —

Okular

Det sammensatte mikroskopet 3

Skyverør

S»l

A Moderne fluorescensmikroskopi bruker ofte ikke-ultrafiolett lys for å gjøre en prøve selvlysende. Her er et utsnitt av en halvlederbrikke eksitert med synlig grønt lys slik at brikken er blitt selvlysende og sender ut rødt lys.

Prisme

Objektivkarusel

Objektiv

Prøve

Kondenser.

Irisblender.

Hjelpelinse Sentreringsskrue for kondenser Utsvingbar filterholder

► En prøve montert i et preparatglass ligger på et preparatbord med et hull som lys passerer gjennom. Prøven betraktes gjennom et rør med to linser: Objektivet og okularet. Under preparatbordet er et tredje element, en kondensor som sprer lyset og fordeler det slik at det faller jevnt på prøven. Av de tre er objektivet viktigst, og justerin­ ger av mikroskopet gjøres for å maksimalisere dets effektivi­ tet. På en roterende objektivkarusell sitter to eller flere objektiv som gjør det lett å skifte mellom forskjellige forstørringsgrader. De gjør at mikroskopet blir mer fleksibelt og anvendelig i bruk.

Grovmstilling-, Fininnstilling

Blender

Lampe

45

46 Ved først å splitte og så gjenforene mikroskopets lysstråle, kan slående relieffvirkninger i prøven fås frem.

Fasekontrastmikroskopi Prinsippet bak fasekontrastmikroskopi ble utviklet i 1934 av den nederlandske fysikeren Fritz Zernike (1888-1966), selv om teknik­ ken ikke kom i allmenn bruk før rundt 1942. Zernike ble i 1953 tildelt nobelprisen i fysikk for denne oppfinnelsen. Fasekontrastmikroskopet gjør det mulig å foreta observasjoner av detaljer i uetsete preparater (og derfor også i levende celler som jo ville blitt drept dersom de var blitt utsatt for etsing med for eksempel en syre). I et konvensjonelt optisk mikroskop dannes det kontraster i bildet fordi forskjellige deler av objektet absorberer ulike lysmengder. De delene av objektet som har forskjellig bryt­ ningsindeks, men absorberer like mye lys, synes å fremtre like lyse. Fasekontrastmikroskopet utnytter det faktum at et stoffs brytningsindeks bestemmer lysets hastighet gjennom det - stoff med høy brytningsindeks sinker lyset mer enn stoff med lav brytningsindeks. Når lys passerer gjennom et objekt med mange slike indek­ ser, vil noen områder tillate lyset å slippe fortere gjennom enn andre. Lyset som kommer ut, sies å være i ulik fase. For å gi et synlig bilde plasseres en ringformet blender mellom lyskilden og kondensoren. Kondensoren og objektivet danner et bilde av ringen bak objektivet, der en glassplate med en svart ring av samme størrelse som ringbildet er plassert. Hvis det ikke ligger noen prøve under mikroskopet, vil alt lyset bli avskjermet av den svarte ringen. Men hvis det er et objekt under mikroskopet, vil lys som passerer gjennom stoff med forskjellig brytningsindeks, falle på siden av ringen, ikke på den, og det dannes et lyst bilde mot en mørk bakgrunn. Bildet dannes av lys som er blitt saktnet i forskjellig grad og gir et bilde som er vanskelig å tolke. Ved å bruke en grå ring bak objektivet istedenfor en svart, får bildet et mer naturlig utseende. En annen forbedring er å skjerpe kontrasten ved å slipe glasspla­ ten slik at den danner en ring som enten er tykkere eller tynnere enn resten av platen. Dette forårsaker en annen faseforskjell, mel­ lom lys som passerer gjennom de to glasstykkelsene. I den endelige bildedannelsen vekselvirker de to gruppene med lysstråler på en slik måte at forskjellene i brytningsindeks i objektet ses som for­ skjeller i lysstyrke. Hvis platen slipes med faseringen tynnere enn resten av platen, vil de delene av objektet som har liten brytningsindeks virke lyse mot en grå bakgrunn, og de med høyere brytningsindeks vil se mørkere ut. Dette kalles positiv fasekontrast eller mørk kontrast. Hvis faseringen er tykkere, er forholdet motsatt, noe som kalles negativ fasekontrast eller lys kontrast. Anvendelser av fasekontrastmikroskopi Innen metallurgi benyttes en variant av fasekontrastmikroskopi til å studere lett deformerte prøver. De viktigeste anvendelsene for metoden er imidlertid innenfor biologi der den er et uunnværlig verktøy for mange typer arbeid. Siden prøvene ikke behøver å mer­ kes med noen stoffer, kan dynamiske prosesser som celledeling studeres; det samme kan virkningen av medikamenter og andre fysiske og kjemiske prosesser. Det er også mulig å måle brytningsindeksen til et stoff ved å sammenligne bildet av det med en del standarder. Selv om grensen for oppløsningen til det optiske mikroskopet bare er 200 nanometer, kan det registrere tilstedeværelsen av slike strukturer som ujevnheter med høydeforskjeller på bare 5 nanome­ ter i metalloverflater. Hvis to slike ujevnheter er til stede, må av­ standen mellom dem være større enn grensen for mikroskopets oppløsning for at begge skal kunne ses.

Okular.

Brutte lysstråler

Objektiv___________

Preparatbord___ med prøve

Ringformet blender________

▲ De lysstralene som danner bildet i et fasekontrastmikroskop, er de som brytes av prøven som undersøkes i mi­ kroskopet, og dermed unngår den ugjennomsiktige ringen på faseplaten.

MIKROSKOPER

47

◄ ► Det virvelløse dyret Paramecium bursaria sett ved en forstørrelse på 150 ganger i det lyse feltet fra et vanlig mikroskop (til venstre), i fasekontrast (til høyre) og interferenskontrast (lengst til høyre).

▼ Uansett hvilken modus et mikroskop brukes i, tas mikrofotografier lettest med kamera som har innebygd automatisk eksponeringskontroll. Et moderne mikroskopkamera, som det vi ser i bruk nedenfor, har en skjerm operatøren kan se på. Ett av objektivene er konstruert for fasekontrastarbeid. En skyveanordning under preparatorbordet inneholder en utbyttbar blender for fasekontrastmikroskopi, polarisasjonsmikroskopi eller vanlig optisk mikroskopi.

Interferenskontrastmikroskopi Som i fasekontrastmikroskopi bruker interferenskon­ trastmikroskopi en lysstråle som deles og så samles. Den viktige forskjellen er at mens lyset i fasekontrast deles opp av de fine detaljene i objektet, deles lyset i et interferenskontrastmikroskop av en stråledeler som et halvt sølvbelagt speil. En direkte stråle går gjennom prøven, mens en referansestråle, hvis fase kan kontrolleres, går en egen vei til den til sist kombineres med den direkte strålen og lager sluttbildet. Dette gjør det mulig å justere for å få best mulig kontrast og kan gi nokså slående relieffvirkninger. Bildet er skarpere enn med fasekontrast og det er ikke noen lys halo rundt de fremhevete mønstrene. Teknikken er mer følsom for gradvise endringer i mikrostrukturen og kan vise både skjevheter og ujevnheter i overflaten. Teknikker for kontrastforbedring kan ytterligere forbedre kvaliteten på et interferenskontrastbilde. Et enkelt eksempel på en måte å lage interferenskontrast på, er med et mterferometer med to stråler. Monokromatisk lys (lys med bare én bølgelengde) deles i to like stråler normalt på hverandre. Den ene går gjennom objektivet og reflekteres fra prøven på vanlig måte. Den andre fokuseres via et identisk objektiv på et flatt speil. Stråledeleren gjenforener strålen som reflekteres fra denne referanseflaten med strålen fra prøven og et bilde dannes. Referansestrålens fase kan justeres ved å endre avstanden mellom speilet og stråledeleren, og kan varieres over bildet ved bruk av en liten skråstilling. Bildet som på denne måten fremkommer, er et interferensbilde. Uregelmessigheter i dette bildet skyldes ujevnheter i flaten som undersøkes. Med denne teknikken kan man registrere høydeforskjeller helt ned til 30 nanometer.

48 Da det ble oppdaget en måte å fokusere elektroner på, kunne det foretas mikroskopi med langt høyere oppløsning.

Elektronmikroskopet I 1878 beviste den tyske fysikeren Ernst Abbe (1840-1905) at det optiske mikroskopet var begrenset av, og avhengig av, bølgeleng­ den på lyset som ble benyttet - jo kortere bølgelengde, jo bedre oppløsning og jo finere detaljer kunne ses. Selv når det benyttes ultrafiolett lys, har imidlertid de minste detaljene som kan skjelnes en utstrekning på rundt 100 nanometer. To oppdagelser gjorde det mulig å se finere detaljer. Først satte den franske fysikeren Louis de Broglie i 1924 frem en teori om at et elektron i bevegelse er karakterisert ved en bølgeform som er svært lik den man har for lys, noe som ble eksperimentelt bekref­ tet i 1927. For det andre oppdaget den tyske fysikeren Hans Busch en analogi mellom den fokuserende virkningen til en konveks (samle-) linse på en lysstråle, og den virkningen en magnetspole har på en stråle av elektroner i bevegelse. Siden elektronets bølge­ lengde er mye kortere enn den korteste bølgelengden for lys, kan en elektrostatisk og en magnetisk linse benyttes til å danne bilder av objekter som er langt mindre enn de som er synlige med optiske mikroskoper. I 1933 bygde den tyske fysikeren Ernst Ruska det første elektronmikroskopet. Det første kommersielle elektronmikro­ skopet kom på markedet i 1936. Siden den gang er det utviklet, bygd og markedsført mange ulike varianter av det.

Styring av strålen gjennom prøven Transmisjonselektronmikroskopet (TEM) består av en elektronkanon og en samling magnetiske linser. Alt dette er innkapslet i en søyle som er tømt for gass slik at det er et vakuum der. Dette er gjort for å unngå at elektronene spres i kollisjoner med gassatomene. Elektronstrålen passerer gjennom en spesielt tynn prøve og fokuseres deretter for å danne et forstørret bilde. Elektronkilden er vanligvis en wolframtråd som varmes opp til rundt 2500°C. Tråden har et stort negativt elektrisk potensial (-40 kV til -100 kV), og elektronstrålen akselereres gjennom et lite hull i den jordete anoden før den fokuseres på prøven ved et system av kondensorlinser. Spenningen som akselererer elektronene, av­ gjør hvilken bølgelengde de får. Oppnåelig forstørringsgrad kan økes ved å ha mer enn én projektorlinse. En forstørrelse på 200 000 ganger kan deles mellom objektivet (100 ganger) og to projektorlinser på 20 og 100 ganger. Forstørringsgraden kan endres ved å variere strømmen i spolene til de magnetiske linsene. De enkelte linsene er spoler hvis akser faller sammen med mik­ roskopets akse. Magnetfeltet som genereres ved at små strømmer passerer gjennom spolene, forsterkes ved en struktur av bløtt jern som plasseres rundt spolen. Dersom det er nødvendig med svært sterke magnetfelter, plasseres nøye tilpassede stykker av bløtt jern, kalt polsko, i midten av spolen. Blenderåpninger med forskjellige størrelser kan settes inn i linsesystemet. Kondensoråpningen kon­ trollerer belysningen av prøven, og objektivåpningen spiller en vik­ tig rolle i å kontrollere kontrasten i sluttbildet. Prøvene som skal undersøkes, settes inn i vakuumkammeret via en liten luftsluse. Andre innretninger vipper preparatorbordet eller gjør det mulig å utføre termiske, kjemiske eller mekaniske manipulasjoner under kontinuerlig observasjon. Transmisjonselektronmikroskopi er i omfattende bruk innen me­ tallurgi, særlig for å studere defekter i krystaller og hvordan de oppfører seg under mekaniske påkjenninger, men også for å stude­ re faseoverganger. Innen biologi ble det tidlig anvendt til å studere dyre- og plantevirus, samt for å undersøke den indre strukturen til en lang rekke plante- og dyreceller.

Elektrons veipemikroskopi Bildet i et elektronsveipemikroskop lages på en måte som ligner det som skjer i en fjernsynsskjerm. En «kanon» sender ut en stråle med høyenergetiske elektroner gjennom en rekke magnetfelter som fokuserer den til et punkt der prøven er plassert. Andre magnetfelter avbøyer punktet slik at det danner et raster, et linjemønster lignende det på en fjernsynsskjerm. En tilkoblet skjerm kontrolleres slik at dens lysflekk følger samme mønster. Forstørrelsesgraden bestemmes av forholdet mellom størrel­ sene på skjermrasteret og rasteret som sveipes over prøven. Når den høyenergetiske elektronstrålen treffer prøven, sendes sekundærelektroner ut. Antallet avhenger av prøvens form og egenskap i treffpunk­ tet. Sekundærelektronene samles og gir et signal som kontrollerer styrken på skjermstrålen. Lysinten­ siteten på skjermen varierer således i takt med ut­ sendelsen av elektroner fra prøveoverflaten og lager slik et bilde av den. Dette bildet har den fine egenskapen at det er tredimensjonalt og gir dermed mer informasjon om prøven som skal undersøkes enn todimensjonale teknikker. Sveipeteknikker har mange anvendelser. Som i transmisjonselektronmikroskopi kan røntgenstråling og elektroner med bestemte energier brukes sammen med andre mottakere til å lage røntgenkart. De kan også brukes til å analysere grunnstoffe­ ne som er i prøven som undersøkes.

MIKROSKOPER

49

► Snitt gjennom et elektronmikroskop

■< TEMs høye oppløsning tillater studier av mikroorga­ nismer, som hepatitt A-viruset på dette bildet, som er forstørret 60 000 ganger.

▼ I et vanlig TEM fokuserer objektivet elektroner som spres når de passerer gjennom prøven. I dette Zeiss EM 902, et bildedannende spektrometer, analyserer en rekke speil og prismer de spredte elektronene for å forbedre bildets kontrast.

-< ▼ Med elektronsveipemikroskopet (ESM) som kom i midten av 1960-årene, fikk man muligheten til å studere tredimensjonale objekter ved å undersøke overflatene deres med en tynn elektronstråle. Bildet av bladlusa med sitt nylig forlatte ytre skall er typisk for resultater man har greid å oppnå med moderne elektronsveipemikroskoper.

50 De nyeste mikroskopene kan vise detaljer på atomnivå.

•< ▼ Nederst i STM plasseres magneter og kobberplater for a dempe vibrasjoner, noe som er nødvendig for a fa gode observasjonsforhold. Avstanden mellom sonden og prøven kan opprettholdes ved bruk av piezoelektriske krystaller i stativet. Ved å legge på ulike spenninger vil stavene utvide eller trekke seg sammen, slik at man kan oppnå svært nøyaktige bilder i tre dimen­ sjoner.

Piezoelektrisk skive

Prøve Sonde

Piezoelektrisk stav

Spenningskilde

A Dette bildebehandlete STMbildet av grafitt viser et regulært mønster av topper og bunner, som tilsvarer overflaten pa de forskjellige karbonatomene.

MIKROSKOPER

▲ Et STM-bilde av en DNA-kjede på en karbonfilm.

51

Sveipetunneleringsmikroskopet I 1984 ble det kjent at Gerd Binnig og Heinrich Rdhrer ved IBMs forskningslaboratorium i Zurich hadde utført et enestående eksperi­ ment som viste overflateprofiler og gjorde det mulig å identifisere grunnstoffer i en overflate. Instrumentet de hadde konstruert kalles sveipetunneleringsmikroskopet (STM) og har en oppløsning godt under avstanden mellom enkeltatomer. Bildet dannes ved å bevege et meget tynt punkt like over prøvens overflate og registrere punk­ tets høyde mens det flytter seg. Nøkkelen til tunneleringsmikroskopet er systemet for posisjonsbestemmelse. Det utnytter det faktum at overflaten av materialet (i atomær målestokk) som mikroskopet skal undersøke, ikke svarer til en umiddelbar overgang fra et fast stoff og til for eksempel en tilstøtende gass. Den ytterste delen av materialet er elektronskyen som omgir atomkjernene i overflatelaget. Tettheten av elektro­ ner i denne skyen avtar med økende avstand fra overflaten. En gitt avstandsøkning tilsvarer en bestemt endring i tetthet, selv om denne endringen er meget stor. Når mikroskopets sonde eller søkespiss rettes mot overflaten, viser elektronskyene et betydelig overlapp i forhold til avstandene mellom atomene. Selv om sonden ikke er helt i fysisk kontakt med prøven, kan elektroner bevege seg fra sonden til overflaten og om­ vendt, et fenomen som kalles tunnelering eller tunneleffekt. Hvis det opprettholdes en liten potensialforskjell mellom punktet og overflaten, vil det gå en strøm der. Dens styrke, som avhenger av overlappingen mellom elektronskyene, sier noe om avstanden mellom punktet og prøvens overflate. Søkepunktet er montert i et rammeverk av piezoelektriske staver, slik at det skal kunne holdes fast i ett bestemt atommellomrom på overflaten av prøven som betraktes. Slike staver varierer litt i lengde når det settes på en spenning over dem. Ved å avpasse strømmen mellom søkepunktet og prøven med spenningen som kontollerer stavlengdene, kan en valgt avstand opprettholdes. Et bilde dannes ved å registrere spenningen som kontrollerer avstan­ den mens sonden sveiper over prøven. Det er faktisk enklere enn man skulle tro å lage en sonde med en spiss av atomær størrelsesorden. Fine spisser av wolframkarbid kan slipes til og ett atom vil vanligvis ha en mer fremtredende posisjon enn andre. For å omgjøre dette til en sonde av bare ett atom, settes det på en spenning mellom wolframkarbidspissen og prøven. Med litt hell vil da et atom hoppe over fra prøven til son­ den, og det kan da brukes som søkespiss. STM-teknikken er enestående ved at den unngår de begrensningene som bølgelengder pålegger mer tradisjonelle mikroskop. In­ gen frie partikler - hverken fotoner eller elektroner - må fokuseres for å lage sveipetunneleringsbilder slik at bølgelengdebegrensningen her ikke kommer i betraktning. Den høye oppløsningen til sveipetunneleringsmikroskopet er blitt benyttet til å beskrive over­ flaten til silisium og vise den detaljerte symmetrien i de små for­ dypningene i dets overflate. Av kanskje større interesse er studier av oksygen adsorbert på nikkel. Fordi tunneleffekten både avhen­ ger av tunneleringsavstanden og av overflatens elektronstruktur, kan atomer fra forskjellige grunnstoffer identifiseres og fordelingen de har på overflaten måles. Anvendt til biologiske studier har STM vist seg å ha en annen nyttig egenskap. Det kan brukes i luft og vann, så prøvene ødeleg­ ges ikke nødvendigvis av studiene. Hittil er få biologiske studier gjort, men det har vært brukt til å sveipe overflaten på arvestoffet DNA og har fått frem et mønster tilsvarende DNAs spiralstruktur. Teknikken har også vært brukt til undersøkelse av virus.

52 Rundt 1970 kom det første mikroskopet som kunne avbilde enkeltatomer.

Røntgenstråling og mikroskopi Et annet nylig fremskritt innen mikroskopi er gjort med røntgenstråling. Man har lenge vært klar over fordelene ved å bruke røntgenteknologi til å lage bilder av mange typer indre strukturer, som krystallstrukturer og kjemisk sammensetning. Det er imidlertid først nylig man har greid å fokusere rønt­ genstrålingen skikkelig. Et annet stort problem var skadene prøven kunne få. Først de siste årene kan man si at røntgenmikroskopi for alvor er blitt tilgjengelig. Synkrotroner (maskiner som brukes for å akselerere subatomære partikler) er nå i stand til å sende ut svært smale røntgenstråler som fokuseres ved nøyaktig etsete Fresnel-soneskiver De slipper bare gjennom visse deler av strålen, og avbøyer dem deretter i små vinkler på en slik måte at de trinnvis adderes opp i et felles brennpunkt. I røntgensveipemikroskopet sveipes røntgenstrå­ ling med forskjellige frekvenser over prøven (ved å bevege prøven, ikke strålen, for å gjøre faren for skader minst mulig). Detektorer mottar den utsendte røntgenstrålingen og gjør det mulig å lage en analyse av de forskjellige absorpsjonsmøns trene. Et annet nytt mikroskop som bruker røntgenstrå­ ling. er protonsveipemikroskopet. En fokusert stråle av høyenergetiske protoner sveipes over prøven, noe som får atomer til å sende ut røntgenstråling. Et datamaskmbehandlet bilde gir fargekoder til forskjellige bølgelengder som identifiserer ulike grunnstoffer i prøven. Fargekodmgen gjør det lettere for et menneske å skjelne ulike strukturer i bildet.

▲ Feltemisjonselektronmikroskopet var forløperen for sveipetunneleringsmikroskopet. Det var det første instrument som gjorde det mulig a lage mikrofotografier som viste en­ keltatomer, i 1970-71.

Emisjonsteknikker I noen former for mikroskopi belyses ikke prøven. Isteden settes den i stand til å sende ut partikler ved bruk av høye temperaturer eller sterke elektriske felter. Eksempler på bilder som lages på denne måten er termionisk emisjon, feltemisjon og feltionemikroskopi. I termionisk emisjonsmikroskopi tilføres elektrone­ ne i prøven så mye energi at de unnslipper fra overflaten. De akselereres så via flere objektiv- og projektorlinser som fokuserer et bilde på overflaten av en selvlysende skjerm eller en fotografisk film. Slik oppnås forstørrelser på 100-12 000 ganger. For at elektroner skal slippe fri fra prøvens overflate, må den varmes opp til rundt 12002000 ° C. Mange metaller smelter ved slike tempera­ turer, men hvis overflaten dekkes med et tynt lag barium eller cesium, kan temperaturen som kreves for å få elektronemisjon, senkes til omtrent 5000 C. Det gjør det lettere å få til elektronemisjon fra en prøve uten å ødelegge den. Feltemisjonsmikroskopi bruker et elektrisk felt for å få frigjort elektroner fra en prøve uten å varme den opp. Til dette kreves svært sterke elektriske felter, men metoden kan brukes hvis metallprøven har form som en nålespiss, og elektronene kan registre­ res på en krum skjerm rundt spissen. Slik dannes et forstørret bilde av prøvens overflate. På denne måten kan man nå opp i forstørrelser på 200 000 ganger. Det brukes til å se på reaksjoner i faste stoffer, som adsorpsjon av gasser, oksidasjon og korrosjon, og hvordan tynne filmer vokser ved pådamping. Feltionemikroskopi trenger enda sterkere, motsatt rettete elektriske felter for å rive løs ioner og få enda høyere forstørrelse. ◄ For a lage dette feltionemikrofotografiet, ble en iridiumnal plassert i et gasskammer og en positiv elektrisk spenning satt på spissen. Gassatomer ble ionisert, slynget ut fra spissen og mot en selvlysende skjerm. Slik ble det dannet et forstørret bilde av spissens atomstruktur. Prikkene viser posisjonene til enkelt­ atomer, mens de ringformede mønstrene er fasettene på én enkelt krystall i metallet i nålespissen.

Optiske teleskoper Refraktorer og reflektorer... Moderne teleskoper: Montering, stedsvalg og kontroll... Astronomi og fotografi... Fotoelektriske detektorer... Observatorier... Større speildiametre... PERSPEKTIV... Tidlige refraktorer... Tidlige reflektorer... Kronologi... CCDer... Hubbleromteleskopet... Kuleformete teleskoper

Optisk astronomi beskjeftiger seg med innsamling, registrering og studier av lys fra astronomiske objekter i til dels enorme avstander fra oss. Lys samles opp av teleskoper, som det er to hovedtyper av - refraktoren og reflektoren. En refraktor benytter en linse (ob­ jektivet) til å samle lysstrålene og føre dem sammen til et bilde i brennplanet. En reflektor bruker et konkavt speil (hovedspeilet) til å oppnå det samme. I praksis inneholder teleskopene vanligvis flere andre speil og/eller linser. Store refraktorer lider under både optiske og mekaniske proble­ mer som er vanskelige og dyre å løse. Derfor er alle moderne tele­ skoper reflektorer. I svært store reflektorer kan observatøren eller instrumentene som skal brukes, plasseres i et «bur» i primærfokus - over hovedspeilet - uten å skygge for særlig mye av lyset som strømmer ned mot hovedspeilet. I andre konstruksjoner reflekterer det mindre sekundærspeilet lyset ut gjennom siden av teleskoprøret, eller tilbake gjennom et hull i hovedspeilet, som i den mye brukte Cassegrain-konstruksjonen. Overflaten på hovedspeilet har i denne konstruksjonen form som en paraboloide, men man får bedre bilder dersom den er en hyperboloide. I sistnevnte tilfelle snakker man om en Ritchey-Chrétien-konstruksjon. I Coudé-konstruksjonen reflekteres lyset via flere speil til et fast punkt - ofte i et eget rom - uansett i hvilken retning teleskopet peker. Katadioptriske systemer bruker en blanding av linser og speil for å danne et bilde. Et klassisk eksempel er Schmidt-teleskopet - et vidvinkelteleskop som kan fotografere områder med en vinkeldiameter på 6°, mot en halv grad eller mindre for andre teleskoper.

◄ Ved å bruke refraktorer med nøye tilslipte objektiver, ble mange gode bilder tatt på slutten av 1800-tallet. Instru­ mentene som ble laget i denne tiden var nå såpass kompakte at de kunne få plass inni observatoriebygninger. 60 cm-refraktoren på dette bildet ble bygd av ameri­ kaneren Alvan Clark (18321897) og installert ved Lowell Observatory i Flagstaff, Arizona. Fra dette observatori­ et ble Pluto oppdaget i 1930.

De første refraktorene Det er stor enighet om at teleskopet ble oppfunnet rundt 1608 av den nederlandske Instrumentmakeren Hans Lippershey (ca 1570-ca 1619). Galileo Galilei var den første som brukte teleskopet til seriøse studier av himmelen, og som forstod betydningen av det han så. Selv om han laget samtidens beste teleskoper, var de av dårlig optisk kvalitet og forstørret ikke mer enn omtrent 30 ganger. Likevel begynte han i 1609-1610 å observere. Han kunne se kratre og fjell på Månen, solflekker på Solen, fasene til planeten Venus, de fire største månene til Jupiter og Melkeveien oppløst til myriader av stjerner. Ob­ servasjonene han gjorde revolusjonerte våre forestil­ linger om Universet. De første refraktorene led av to viktige defekter - sfærisk og kromatisk aberrasjon. Bildene av stjernene var derfor uklare og omgitt aven uskarp fargerand. Aberrasjonen kunne reduseres ved å gjøre linsens krumning minst mulig, men det ga meget stor brennvidde. Utover 1700- og tidlig på 1800-tallet ble det derfor bygd lange teleskoper opphengt i store stillaser. Et berømt eksemplar ble laget av Johannes Hevelius (1611-1687) ved hans observatorium nær Danzig (Gdansk). Han brukte det til å lage månekart. 11674 oppfant den engelske glassmakeren George Ravenscroft (1618-1681) krystallglass, et meget hardt, klart glass som inneholder bly. Et halvt århundre senere innså Chester More Hall (17031771) at kronglass og krystallglass spredte lys noe ulikt. Han konstruerte da en sammensatt akromatisk linse. Den hadde en linse av kronglass festet til en av krystallglass. Slik lyktes han i stor grad å fjerne den diffuse fargeranden. I slutten av 1750-årene kunne optikeren John Dollond (1707-1761) lage nokså korte refraktorer der både sfærisk og kromatisk aberrasjon var betydelig redusert. Utviklingen av store refraktorer nådde sitt høydepunkt med innvielsen av 1 m-refraktoren ved Yerkes Observatory i 1897. Ennå er den i bruk og er verdens største refraktor. En større refraktor vil neppe noen gang bli bygd på Jorden. Et problem med så store refraktorer er nemlig at objektivet vil deformeres av sin egen vekt og forvrenge lyset som passerer gjennom det. •< Speil som er meget nøyaktig tilslipt og polert er en viktig del av moderne reflektorer. Bildet viser hovedspeilet til det amerikan­ ske Hubble-romteleskopet. Speilet har en diameter på 2,4 m og er meget lett. Det er laget av to lag titansilikatglass med svært lav utvidelseskoeffisient, som mellom seg har et lag med glass som er smeltet i en spesiell form med et cellemønster for å gjøre speilet lett og sterkt.

54 Kronologi ca 1570 De første, primitive refraktorene laget? ca 1608 Hans Lippershey bygde den første kjente refraktoren 1609 Galileo Galilei brukte en enkel refraktor til de første astro­ nomiske observasjoner 1611 Johannes Kepler foreslo bruk av konvekse okularer 1645 Anton Schyrle von Rheita

laget okular tilpasset kikkerter; med en snulinse og en feltlinse som ga videre synsfelt og opprett bilde 1663 Reflektor foreslått av James Gregory, men ble ikke bygd før etter Newton hadde bygd sin reflektor 1668 Isaac Newton bygde den første reflektoren med et speil av

==

Utviklingen av reflektoren Den første reflektoren ble bygd av Isaac Newton (1642-1727) i 1668. Fordi lys av alle bølgelengder re­ flekteres like mye, innså han at et krumt speil ikke ville lide under kromatisk aberrasjon. Fra hans tid og frem til 1800-tallet ble speilene laget av et metall som var vanskelig å arbeide med, hadde dårlig re­ fleksjonsevne, oksyderte lett og var svært følsomt for temperaturvariasjoner. Newton brukte en blanding av kobber, tinn og arsenikk. Det reflekterte bare 16% av lyset. Den tysk-engelske astronomen William Herschel (1738-1822) utviklet en rekke nye teknikker for speilkonstruksjon og legeringer som nypolert reflekterte opptil 60% av lyset. Han laget med tiden et teleskop med en diameter på 1,2 m plassert i et 12,2 m langt rør. Det største metallspeilet som er laget, stod den tredje jarlen av Rosse, William Parsons (1800-1867), for. Dets diameter var 1,8 m og ble montert i hans kjempeteleskop ved Birr Castle i Irland i 1845. Først i 1856 ble det laget speil ved å avsette sølv på glass. Glass ga et bedre underlag, var lettere å bearbeide og mindre temperaturfølsomt, samtidig som nylig pålagt sølv reflekterte 95% av lyset. Speil av denne typen åpnet veien for reflektoren som den dominerende teleskoptypen. Det første store glassspeil var til 1,5 m-teleskopet på Mount Wilson, California i 1908. Det ble i 1917 etterfulgt av det epokegjørende 2.5 m-teleskopet samme sted. Det 5 m store Hale-teleskopet på Mount Palomar vår fra 1948 verdens største til et 6 m stort sovjetisk teleskop ble bygd i Kaukasus-fjellene i 1976. På Hawaii bygges det nå et teleskop med et 10 m stort hovedspeil, som er sammensatt av 36 mindre, sekskantete speil. Når det står ferdig i 1990. vil det være verdens største optiske teleskop.

å.

Isaac Newtons reflektor fra 1668.

en bronselegering og en forstørrel­ se på 30 ganger; Cassegrain fant opp sin egen versjon av reflekto­ ren helt uavhengig av Newton 1729 Det akromatiske teleskopet ble oppfunnet da Chester Moor Hall konstruerte en akromatisk linse som bestod av en konkav linse av krystallglass og en konveks linse av kronglass

1733 Første sammensatte linse ble laget av George Bass etter Halls konstruksjon 1740 Med innføringen av en ny slipeprosess av James Short, ble det laget konkave speil av høy kvalitet for bruk i Gregory-reflektorer 1753 John Dollond bygde en akromatisk teleskoplinse som kompenserte for fargespredning

1789 William Herschel bygde to teleskoper der han tok i bruk speil av bronselegeringer med opptil 60% refleksjonsevne 1845 Lord Rosse brukte det største metallspeilet (en tinn/kobberlegering) som er laget til å oppdage spiralstrukturen i «tåker». Hans teleskop var størst i verden frem til 1917

OPTISKE TELESKOPER

1856 Speil ble laget ved å avsette sølv på glass, noe som forbedret refleksjonsevnen til over 90 % 1897 Verdens største refraktor, 1 m-teleskopet ved Yerkes, ble innviet 1930 Et kamerateleskop oppfunnet av Bernard Schmidt kombinerte de beste egenskapene ved refraktorer og reflektorer i ett instrument

1931 Refleksjonsevnen ble ytterli­ gere forbedret da John Strong utviklet en vakuummetode for å legge aluminium på astronomiske speil 1932 Karl Jansky oppdaget naturlig radiostråling fra himmelen, noe som la grunnlaget for og anga starten for radioastronomien 1934 Elektronteleskopet oppfunnet

uavhengig av Vladimir Zworykin og Manfred von Ardenne 1937 Den amerikanske ingeniøren Grote Reber bygde det første radioteleskopet, og gjorde blant annet observasjoner av Melkeveien 1946 Fotomultiplikatoren tatt i bruk for bedre å kunne observere lyssvake stjerner

Rent teknisk sett monteres et teleskop enklest ved bruk av den såkalte altasimutale monteringen. I den kan teleskopet svinge rundt to akser, en vertikal og en horisontal. Tradisjonelt har imidlertid de fleste teleskoper brukt en ekvatorialmontering, der den «vertika­ le» aksen er bikket over slik at den er parallell med Jordens rota­ sjonsakse. Dermed kan en stjernes bevegelse over himmelen - i prinsippet - følges ved bare å dreie denne aksen én omdreining per døgn. En ulempe med ekvatorialmonteringen er at belastninge­ ne på, balansen til og deformasjonen av teleskopet stadig endres etter hvert som det dreier rundt. Under kontroll av moderne data­ maskiner kan begge aksene i en altasimutmontering dreies slik at de helt nøyaktig følger en stjernes bevegelse over himmelen. I flere store, nyere teleskoper har man tatt i bruk dette systemet, som her etter hvert vil overta for ekvatorialmonteringen. Fra en astronoms synspunkt er den viktigste egenskapen ved et teleskop dets evne til både å samle inn mye lys og kunne oppløse fine detaljer i bildene av fjerne objekter. Lysmengden teleskopet samler inn avhenger av hvor stort areal objektivet eller hovedspei­ let har, noe som igjen er proporsjonalt med kvadratet av dets radi­ us. Et 2 m-teleskop vil således samle inn fire ganger så mye lys som et 1 m-teleskop og vil kunne vise mer lyssvake og fjernere objekter. I teorien vil oppløsningen øke proporsjonalt med diamete­ ren. Et teleskop med 15 cm diameter vil kunne skjelne detaljer med en vinkeldiameter på ett buesekund (1/3600 grad, som tilsva­ rer den vinkelen et kronestykke utgjør sett på knapt 5,2 km av­ stand). I praksis fører imidlertid lufturoen i atmosfæren til at bilde­ ne «skjelver» frem og tilbake over et område som sjelden er mindre enn ett buesekund og ofte større. Selv om astronomene prøver å redusere denne effekten minst mulig ved å plassere nye teleskoper på omhyggelig utvalgte høye fjell i tørre, kjølige omgivelser, kan ikke store, bakkebaserte teleskoper nå sin teoretiske oppløsningsevne. For tiden utvikles teknikker som gjør at man til en viss grad kan kompensere for denne lufturoen. ◄ Et av observatoriene på La Palma, en av Kanariøyene, huser dette 2,5 m store teleskopet oppkalt etter Isaac Newton. Samme sted er også det 4,2 m store William Herschel-teleskopet. Med sin førsteklasses optikk og datamaskinkontroll er det et utmerket verktøy for de som skal arbeide med det. Regnet i lyssamlende areal er William Herschel-teleskopet for tiden det fjerde største i verden. Det ble tatt i bruk sommeren 1987 og er et av de mest avanserte som finnes. ► Moderne teleskoper, som dette ved Siding Spring i Australia, gjør at astronomene kan arbeide nokså komforta­ belt i kontrollrommet. Data lagres i datamaskiner og teknikker for bildebehandling gjør det mulig å identifisere små detaljer og vise dem i vakre farger.

1946 Radiointerferometre utviklet omtrent samtidig i Australia og England 1948 5 m-reflektoren tatt i bruk på Mount Palomar, og var da den klart største i verden 1949 Rakettbårne instrumenter målte for første gang røntgenstrå­ ling fra Solen 1969 Mount Palomar tok i bruk et

flerkanals spektrometer for flere samtidige observasjoner 1972 USA skjøt opp den første jordressurssatellitten. Landsat 1 1978 Satellitten International Ultraviolet Explorer oppskutt 1983 Exosat skutt opp for å gjøre røntgenobservasjoner 1983 Infrared Astronomical Satellite skutt opp

Newton-reflektor Lys reflekteres av et konkavt hovedspeil til et flatt sekundærspeil og derfra til okularet

Cassegrain-reflektor

Lys reflekteres av et konkavt hovedspeil til et konvekst sekundærspeil og derfra ned gjennom et hull i hovedspeilet til okularet

55

56 Elektroniske detektorer kan erstatte øyet og gi bedre bilder.

Analyser av stjernespektra Spektrografen er et av de viktigste instrumentene moderne astronomer har. 11802, vel 100 år etter at Newton hadde vist at sollys ved hjelp av et glasspnsme kan spaltes i alle regnbuens farger, bygde den engelske fysikeren William Wollaston (17661828) et spektroskop der lys kom inn via en smal spalte. Dette forbedret spektrets skarphet og avslørte at det / det fargete lysbåndet var mørke linjer på bestemte bølgelengder. I 1814 hadde Joseph von Fraunhofer (1787-1826) kartlagt bølgelengdene til over 500 av linjene i solspektret. 11856 hadde Gustav Kirchhoff (1824-1887) og Robert Bunsen (1811-1899) funnet at mens et varmt objekt (fast legeme, væske eller gass med høy tetthet) sender ut et kontinuerlig spektrum på alle bølgelengder, vil en gass med lav tetthet bare sende ut stråling på noen få bølgelengder og danne et emisjonslinjespektrum. De viste også at hvis et kontinuerlig spektrum passerer gjennom en tynn gass, vil det bli absorbert lys på visse bølgelengder og gi et mønster av mørke absorpsjonslinjer. Fordi dette skjer i en stjerneatmosfære og hvert grunnstoff har sitt eget, entydige linjemønster, kan analyser av spektret si noe om stjernens kjemiske sammensetning, temperatur, tetthet og hastigheten fra eller mot oss. Spektroskop! er grunnlaget for astrofysikk. En av de første som utnyttet dette var den britiske astronomen William Huggins (1824-1910) som / 1864 påviste grunnstoffer i stjerner og viste at noen tåker bestod av glødende gasser. Fire år senere målte han radialhastighetene til noen stjerner. I en moderne spektrograf spres lyset utover enten av prismer eller et diffraksjonsgitter, en glassplate der det er risset inn 500 eller flere linjer per millimeter, som plogfurer i en åker. De beste spektrografene kan skille spektrallinjer smalere enn 0,001% av bølgelengden til synlig lys. Spektret regi­ streres så fotografisk eller elektronisk for senere analyse. Muligheten til å analysere spektra har hatt enorm betydning for astronomene. Nesten alt vi vet om objekter utenfor solsystemet, skyldes informasjon innhentet fra studier av spektra.

◄ A Pa forsterkede bilder ses falske lysflekker eller «støy». Ved enden av dette teleskopet er det montert en detektor som teller fotoner. Styrt av en datamaskin sveiper det over et forsterket bilde, forkaster uønsket støy og teller hvert virkelige foton som er registrert under eksponerin­ gen. Sterke utslag pa bildet over skyldes fotoner som har truffet røret, mens de små utslagene skyldes elektronstøy. Dermed er uønsket støy blitt skilt ut fra dataene man er interessert i.

For praktisk talt alle former for profesjonelle observasjoner er det menneskelige øye blitt erstattet med fotografering og elektroniske instrumenter. Til forskjell fra øyet kan fotografisk film samle opp lyset som treffer den, slik at jo lenger eksponeringen varer (innen visse grenser), jo mer lys blir registrert. Objekter som er for svake til å ses med øyet, selv gjennom et stort teleskop, vil da tre frem. Fotografier gir permanente registreringer av et stort antall bilder som i ro og fred kan måles og analyseres. Bilder kan sveipes elek­ tronisk og bearbeides med datamaskin for å fremheve spesielle mønstre. For eksempel kan datamaskinen gi ulike farger til lysstyrkenivåer som bare så vidt er forskjellige fra hverandre. På denne måten kan det lages bilder med falske farger der mønstre som på originalen er for svake til å ses med øyet, trer klart frem. I løpet av en times tid kan en fotografisk plate i et Schmidtteleskop registrere én million stjerner. Måneders slit med visuelle målinger av slike plater kan erstattes med instrumenter som den automatisk målemaskinen man har ved Cambridge i England. Ved hjelp av en datamaskinstyrt laser og et sveipesystem kan det i løpet av 8-10 timer måle posisjonene til alle stjernene på et bilde med en nøyaktighet på 0,001 mm. Fotografisk film er imidlertid lite effektiv til å samle lys. Selv de beste filmene kan bare registrere 3-4 % av lyset som treffer dem. Elektroniske detektorer er 10-100 ganger mer effektive enn en gjennomsnittlig film, noe som har ført til at de i stigende grad er tatt i bruk til astronomiske observasjoner. Grunnprinsippet bak en fotoemitterende detektor er at innkommende fotoner slår løs elektroner fra en følsom overflate (fotokatoden). Andre detektorer,

OPTISKE TELESKOPER

57

► Datamaskingrafikk kan brukes til å presentere obser­ vasjoner på mange nyttige og interessante måter. Her er intensitetsvariasjonene fra tåken M51 omgjort til en tredimen­ sjonal kurve og kodet med falske farger.

▲ Et par dobbeltgalakser, som NGC 7752 og NGC 7753 som går i baner rundt hverandre, ville knapt være synlige på et vanlig fotografi. Dette bildet i falske farger av den største av dem ble tatt med CCD-kameraet som ses over galaksebildet. Selve CCDen er det lille rektangelet i midten av den spesialavkjølte kamerakransen som er laget slik at den kan monteres direkte på teleskopet i dets brennplan.

som fotodioden, utnytter evnen lys har til i målbar grad å endre egenskapen til materialet i detektoren, som vanligvis er silisium, eller silisium som med stor omhu er tilført visse «forurensninger». Kildens lysstyrke beregnes fra endringer i den elektriske lednings­ evnen eller i strømstyrker eller spenninger i disse instrumentene. Fotomultiplikatoren og bildeforsterkeren er to eksempler på fotoemitterende instrumenter. I førstnevnte slynges elektroner ut fra fotokatoden og akselereres forbi en rekke elektroder. Hver av dem mangedobler antallet elektroner slik at for hvert opprinnelig elek­ tron er det opptil én million som treffer den siste elektroden. Bilde­ forsterkeren fokuserer ved hjelp av magneter de frigjorte elektrone­ ne på en fosforskjerm som gløder rundt 50 ganger sterkere enn opprinnelig. Tre eller fire slike innretninger koblet i serie kan for­ sterke bildet opptil én million ganger i forhold til det lyset som opprinnelig ble mottatt. Bilder av utstrakte objekter, som galakser, kan registreres ved å bruke mange fotodioder, eller en såkalt «charge-coupled device» (CCD). En CCD består av en silisiumbrikke med bredde litt over 1 cm og som er oppdelt i et rutemønster på flere hundre tusen ruter eller bildeelementer. Fotoner som treffer silisiumet, fører til at det frigis elektroner. De lagres i bildeelementene slik at hvert av dem bygger opp en elektrisk ladning som er proporsjonal med lysmengden som treffer det. Ved slutten av en eksponering avleses ladningene og en datamaskin bygger opp bildet. CCDer kan regi­ strere opptil 70 % av fotonene som treffer dem. De er så effektive at et 1 m-teleskop som bruker en CCD, er like effektivt som et teleskop på 5 m som bruker de beste fotografiske platene.

58 Observatorier på fjelltopper kan via fjernkontroll styres fra flere tusen kilometers avstand.

Astronomene bruker fotografiske emulsjoner eller mer følsomme elektroniske instrumenter til å registrere lys. Lyset analyseres ved hjelp av en rekke instrumenter, som polarimetre, fotometre (som måler lysstyrke) og spektrografer. Polarimetre analyserer hvordan innkommende lys svinger og kan gi informasjon om hvordan lyset ble til eller hva som har skjedd med det på dets ferd gjennom rommet. Selv ikke de beste teleskoper eller instrumenter kan yte sitt beste under den turbulente, forurensete jordatmosfæren, eller i omgivel­ ser med reflektert kunstig lys fra nærliggende byer. For å gjøre disse problemene minst mulig, har man bygd observatorier på øde fjelltopper langt fra nærmeste tettbebyggelse. De største teleskoper av nyere dato er nå derfor konsentrert til noen få av de beste obser­ vasjonsstedene. Teleskoper med diametre på 3-4 m finnes for ek­ sempel på Kitt Peak i Arizona (der verdens største solteleskop står), og, for å studere sydhimmelen, i Andesfjellene i Chile eller i Siding Spring i Australia. De beste observasjonsstedene hevdes å være fjelltopper på enslige øyer der en jevn luftstrøm gir bedre sikt. Av den grunn har det både på Mauna Kea på Hawaii (4200 m over havet) og på La Palma på Kanariøyene (2400 m) skjedd en betydelig nyetablering av observatorier de siste årene. Fordi slike steder ligger langt borte og er vanskelig tilgjengelige, kreves dyre og slitsomme reiser for å komme dit. Dessuten er ikke alltid kom­ forten på slike steder den beste, og for noen kan den tynne luften by på problemer. Derfor automatiseres nå i økende grad mange av instrumentene der slik at de kan fjernstyres, i mange tilfeller over avstander på flere tusen kilometer. Likevel må noen være der fast for drift og vedlikehold.

► Hubble-romteleskopet består av tre hovedelementer: Servicemodul, maletarn og vi­ tenskapelige instrumenter. Servicemodulen består av selve satellittkroppen, solcellepaneler, datamaskiner og utstyr for kommunikasjon med bakken. Måletårnet inneholder alle optiske elementer. Blant de vitenskapelige instrumente­ ne er det to kameraer, to spektrometre og ett fotometer.

◄ Teleskopet til Royal Greenwich Observatory pa La Palma er nylig tatt i bruk og er et av de mest avanserte i verden. Via satellitt kan det fjernstyres fra Edinburgh i Skottland. La Palma er et av de beste stedene i verden for astronomiske observasjoner. ▼ Siding Spring Observatory, som har et stort engelskaustralsk teleskop, ligger på en fjelltopp i New South Wales. Stedet ble valgt fordi det ligger langt fra bylys og har meget klar luft.

OPTISKE TELESKOPER

59

Hubble-romteleskopet

Strølysskjerm

Sekundær­ speil

Antenne

Senterskjerm Vitenskapelige instrumenter

Hovedspeil Servicemodul Stillingskontrollfølere Vitenskapelige instrumenter

▲ Slipingen og poleringen av speilet til Hubble-romtelesko­ pet pågikk i 28 måneder før nøyaktigheten var god nok. Det er laget av et spesialglass som er lite temperaturfølsomt og dekket med en reflekteren­ de hinne av aluminium. Mannen hvis hode vi ser reflektert i speilet, står i 20 m avstand fra det.

Hubble-romteleskopet Hittil har satellittbårne teleskoper vært brukt til å observere stråling som helt eller delvis absorberes av atmosfæren - røntgenstråling, ultrafiolett eller infrarød stråling. Rommet er også det best egnete stedet for observasjoner i synlig lys. Hubble-romtele­ skopet skulle vært plassert i en 600 km høy bane med romfergen i 1986. men ble utsatt etter den tragiske ulykken med Challenger i januar 1986. Når teleskopet kommer opp, vil det markere starten på en ny æra innen rom basert optisk astronomi og ventes på mange måter å revolusjonere fagområdet. Derfor ser astronomene med stor iver og spenning frem til å kunne ta det i bruk når det omsider kommer i bane. Det vil kunne observere stjerner som er 50 ganger lyssvakere og opptil syv ganger lenger bort enn de beste teleskopene på bakken kan. Det vil også kunne nå sin teoretiske oppløsmngsevne på 0,1 buesekund og se detaljer som er ti ganger mindre enn bakketeleskoper kan.

60 Innen optisk astronomi tas nå i bruk teknikker som radioastronomene har brukt i 40 år.

å Multiple-Mirror Telescope pa Mount Hopkins i Arizona er et av de største i verden. La­ serstråler kontrollerer avstanden mellom speilene, som hele tiden holdes i riktig stilling av en datamaskin. Bygningen rundt teleskopet roterer sammen med dette. Man vurderer na a bytte ut kombinasjonen av seks speil med et eneste, stort speil.

◄ Sentrum i tåken R136 observert med speckleinterferometri. Senere greide astro­ nomene å løse dette bildet opp i åtte individuelle stjerner.

Nå når detektorer er så effektive, er den eneste måten å samle betydelig mer lys på og slik kunne se lenger ut i Universet, å bygge større teleskoper. Mens ettspeils-teleskoper med diametre på 8-10 m vurderes flere steder, er det billigere å bruke flere mindre speil montert sammen slik at lyset fra dem samles i et felles brennpunkt. Det største eksempelet på et slikt teleskop er for tiden MultipleMirror Telescope (MMT) i Arizona, som bruker seks 1,8 m-teleskoper. Til sammen har de like stort lyssamlende areal som ett 4,5 mspeil, og er det tredje største i verden. En måte å forbedre observasjonene på er å minimalisere virknin­ gene av turbulensen i atmosfæren. Såkalt specUe-interferometri er én måte å oppnå dette på. Med en eksponeringstid på noen tusen­ dels sekunder «fryses» forstyrrelsene som forårsakes av et stort an­ tall små luftceller. Bildet av stjernen består da av et stort antall små «flekker» (speckles). Ved bruk av datamaskin kan mange slike bilder settes sammen til ett med en oppløsning nær teleskopets teoretiske oppløsning. Langt større forbedringer av oppløsningen kan oppnås ved interferometriteknikker som kombinerer lys mottatt av flere teleskoper langt fra hverandre. Intensitetsinterferometret ved Narrabri i Au­ stralia ble laget spesielt for å måle stjernediametre, og har målt vinkeldiametre på helt ned til 0,0005 buesekunder. Innen optisk astronomi tas nå også i bruk aperturesyntese, en metode som har hatt stor suksess innen radioastronomi. To eller flere teleskoper på et spor sender her lys til et felles punkt. Avstanden mellom teleskopene varieres og jordrotasjonen brukes for å endre retningen på grunnlinjen (en tenkt linje mellom teleskopene) i forhold til himmelen. Dataene fra mange observasjoner kan settes sammen og gi samme oppløsning som for ett eneste teleskop med samme diameter som den største avstanden mellom enkeltteleskopene. Et­ ter å ha gjort flere vellykkete forsøk med en liten prototype, bygger nå Centre d'Etudes et de Recherches Géodynamiques et Astronomiques (CERGA) i Syd-Frankrike et system som skal tilsvare et teleskop med 300 m diameter.

■< ▲ CERGAs stasjon for optisk interferometri i SydFrankrike består av flere slike kuleformete teleskoper, som hvert har en diameter på 1,5 m og er laget av betong. To eller flere teleskoper kan til enhver tid flyttes langs spor for å følge en stjernes bevegelse, og kan roteres for å sende lyset de fanger inn, til et sentralt observasjonsrom. En astronom kan rotere hvert teleskop ved fotpedaler og bruk av datamaskin. Denne måten å observere på er inspirert av teknikker radio­ astronomene lenge har brukt.

Undersøkelser med lyd Lydbølger i luft... Lyd i væsker... Sonar... Lyd i faste stoffer - seismiske undersøkelser... Ultralyd... PERSPEKTIV... Ekko fra atmosfæren: Sodar... Sofarkanalen... Sidesveipende sonar... Bilder av havbunnen... Seismisk brytning... Fosterundersøkelser med ultralyd... Akustiske mikroskoper

Lyd brer seg gjennom luften fordi luftmolekyler svinger bort fra en vibrerende overflate som representerer lydkilden. Når overflaten svinger opp og ned, vil molekylene vekselvis svinge mot og fra hverandre og på denne måten være opphav til en serie av sammen­ trykninger og svingninger etter hvert som bølgefronten spres utover og beveger seg bort fra kilden, som bølgene fra en stein som kastes i et tjern. En viktig egenskap ved lyd er dens frekvens, målet på antall fullførte svingninger per sekund, som måles i hertz (Hz). Tonehøy­ de er et subjektivt inntrykk av en lyds frekvens. Frekvensen dobles hver gang tonehøyden øker med én oktav. Den er således 256 Hz for lille C på et piano, mens frekvensen for den høyeste C på pianoet er tre oktaver høyere, 2048 Hz. En annen viktig egen­ skap ved lyd er dens bølgelengde, avstanden mellom to nabotopper i lydbølgene. Teknisk defineres bølgelengden som lydhastigheten dividert med frekvens. Fra denne definisjonen er det da klart at jo lengre bølgelengden er, jo lavere vil frekvensen være. Bølgeleng­ den på den lyden det menneskelige øre kan oppfatte, ligger mellom 2 cm og 15 m. Vi er i stand til å bruke ørene våre til å bestemme retningen en bestemt lyd kommer fra, selv om vi ikke kan se lydkilden. Fra oldtiden har fiskere som har seilt i tett tåke nær kysten, laget høye lyder og lyttet etter ekkoet som et hjelpemiddel til å gjette avstan­ den fra kjente punkter. Slik har de dratt nytte av lydens forholdsvis lave hastighet. Moderne teknikker for akustisk avstandsmåling bruker horison­ tale og vertikale rekker av mikrofoner istedenfor ører. Med ut­ gangspunkt i forskjellen i ankomsttid til hver mikrofon kan retnin­ gen og avstanden til lydkilden beregnes. Fordi moderne fly i stadig større grad lykkes i å unngå å bli oppdaget av radar, ser det faktisk nå ut til at akustiske metoder for å oppdage og bestemme avstander til fly, igjen vil bli tatt i bruk. ◄ Vi kan bestemme retningen på lydbølger med samme lengde som diameteren på hodene våre, eller kortere. Det skjer ved å registrere forskjel­ ler i lyden mellom ørene. Disse hørerørene fra andre verdens­ krig, som for oss kanskje ser noe komiske ut, økte øreavstanden og satte bæreren i stand til å høre lavfrekvent lyd, som fra artilleriild.

► Atmosfæriske data registrert med sodar kan bearbeides med datamaskin og lage slike grafiske fremstil linger som denne av variasjo­ ner i luftfuktighet med høyde.

Undersøkelser av atmosfæren De første nøyaktige målingene av lydhastigheten ble gjort av engelskmannen William De rham 11708. Eksperimentet baserte seg på tidtaking av meldinger om geværild fra et fjernt kirketårn. På 1800-tallet ble det imidlertid klart at temperatur og vindhastighet begrenset hvor nøyaktig lydhastighe­ ten ute i friluft kunne måles, særlig over store avstander. John Tyndall (1820-1893) kunne tydelig høre ekko som kom like etter at et tåkesignal rettet utover havet stoppet, selv om det ikke var tåke. (Tyndall var en kjent irsk fysiker som en tid var professor ved Royal Institution i London. Der holdt han en serie fremragende forelesninger ledsaget av ekspe­ rimenter). Han greide å vise at dette ikke skyldtes refleksjon tilbake fra den urolige havoverflaten, og konkluderte med at årsaken var atmosfæriske for­ styrrelser. Disse forstyrrelsene er nå kjent som turbulens, som skyldes friksjon mellom luft i bevegelse og bakken. I eksperimentene sine prøvde Tyndall å rette lydkilden sin oppover og fant at ekkoene varte mye kortere. Dette fikk han til å trekke den helt riktige slutningen at de meste turbulente områdene går bare et lite stykke opp over bakken. Tyndalls eksperimenter innenfor dette feltet kan ses på som opprinnelsen til akustisk sondering av atmosfæren eller SODAR som det av og til kalles etter SOund Detection And Ranging. I dag er dette et enestående redskap for å undersøke atmosfærisk heterogenitet. En viktig anvendelse er meteorologiske observasjoner av for eksempel inversjoner (et fenomen som bremser vertikale luftstrømmer) som kan føre til uønsket høye forurensningsnivå i bebodde områder. Et typisk fre­ kvensområde for SODAR er 1000-4000 Hz.

62 Sonar kan spore opp én enkelt fisk i en stim, og kan brukes til å finne vrak.

Lyd i væsker Mange væsker og faste stoffer er ugjennomsiktige både for radioog lysbolger. Lyd kan da ofte være den eneste bølgekilden som forholdsvis lett kan brukes til å undersøke deres sammensetning. Lydhastigheten i et stoff er følsom for sammensetningen av det. Årsaken er at lydhastigheten i ethvert medium er direkte proposjonal med kvadratroten av mediets stivhetsgrad og omvendt propor­ sjonal med kvadratroten av dets tetthet. Væsker og faste stoffer har større tetthet enn luft, men er også mye stivere slik at lydhastig­ heten er større i de fleste væsker og faste stoffer enn den er i luft. I vann ved 20°C med en tetthet på 1 kg/m3 er lydhastigheten omtrent 1500 m/s, mens den i et fast stoff som har en tetthet på 7500 kg/m3 ligger rundt 6000 m/s. I gasser og væsker avhenger stivheten av trykket, mens den i faste stoffer bestemmes av elastisi­ teten og fastheten. Når lyd brer seg i en væske, påvirkes den av lagdeling, turbulens og spredning som skyldes hindringer i væsken. I faste stoffer påvirkes den av lagdeling, sprekker og endringer i elastisitetsegenskapene.

▲ Disse to undersjøiske kartene over fiskestimer ble laget ved et høyoppløsnings ekkoloddsystem. De falske fargene, fra blått via gult til rødt, angir økende tetthet.

Sofar-kanalen Både i luft og vann påvirkes lyden av trykk og temperatur. En økning i temperaturen eller trykket betyr avtagende tetthet og følgelig økende hastighet. Under havets overflatelag avtar tempera­ turen, og følgelig lydhastigheten / vann, med dybden. I det som kalles det dype isotermiske laget, er temperaturen mer eller mindre konstant, men lyd­ hastigheten øker fordi trykket gjør det. Lyden har derfor et hastighetsminimum ved toppen av det dype isotermiske laget, omtrent 1000 m under hav­ overflaten ved midlere geografiske bredder. Dette er av betydning fordi i et lagdelt system vil lydbølger bøyes av i retning av den laveste hastigheten. Derfor vil lyd som rettes oppover eller nedover fra området med lavest hastighet, bøyes tilbake mot dette område og er i virkeligheten fanget der. Dette danner en dyph avs lydkanal. Den verdensomspen­ nende SOFAR-kanalen (SOund Fixing And Ranging) av lyddetektorer under vann (hydrofoner) og stasjoner for signalbehandling ble bygd for å lette redningsaksjoner til sjøs og benytter seg av denne kanalen. Enhver som trenger hjelp til sjøs, kan kaste en liten eksplosiv ladning over bord og la den eksplodere i den dype lydkanalen. Eksplosjonens posisjon kan bestemmes ut fra de forskjellige an­ komsttidene lydbølgen vil ha til lyttestasjoner som ligger langt fra hverandre. De ulike ankomsttidene gjør det mulig å foreta en avansert form for krysspeiling, og slik finne posisjonen eksplosjonen fant sted i. Skipet som utløste den, må følgelig ligge rett over dette stedet.

Sonar Til sjøs brukes lyd til både aktiv og passiv SONAR (SOund NAviation and Ranging). Under vann brukes hydrofoner (som kan sies å være en slags mikrofoner spesiallaget for bruk under vann) for å registrere og måle hastigheten til lokale vannstrømmer forbundet med passeringen av en undervannslydbølge. Til leting og måling kan man bruke passiv sonar, en rekke hydrofoner permanent mon­ tert på eller nær havbunnen, men aktive sonarsystemer er mer ef­ fektive. De sender ut signaler under vann og mottar signaler som er reflektert og spredt fra interessante gjenstander. Et eksempel er ekkoloddet som brukes i SODAR. Utplassert på eller nær skip kan sonarsystemer basert på ekkolodd sveipe over det omkringlig­ gende havområdet ved å bevege rundt rekker av transdusere som sender lydstråler nedover. Etter hvert som skipet forflytter seg fremover, kan det bygges opp et kart over havbunnen eller forde­ lingen av fisk i stimer. Lydbølgene som brukes til slike formål, har gjerne frekvenser i området mellom 100 kHz og 10 MHz. Høyoppløsningssonarer som er blitt utviklet i løpet av de siste årene, viser ikke bare den romlige fordelingen av gjenstander som reflek­ terer og sprer lyd, men kan lage et akustisk bilde av den enkelte gjenstand. Høyoppløsnings ekkolodd med smale lydstråler kan vise detaljer i strukturen i fiskestimer, og til og med skille ut enkeltfisker. Frekvensanalyser av de returnerte signalene bidrar til å anslå størrelsen på fisken, og til og med bestemme fiskeslaget. Dette kan være av stor interesse både for forskere og fiskere.

« 4 I en sidesveipesonar sendes smalbåndsignaler ut i kontinuerlige sveip normalt på skipets bevegelsesretning. Samtidig registreres de mottatte ekkoene linje for linje. Fra dette kan det lages et bilde, som dette (over) i falske farger av en sunket skonnert. Fargemetningen sier noe om intensiteten på ekkoet. Ved hjelp av den akustiske «skyggen» som vraket kaster der havbunnen er skjult fra de akustiske signalene, fås ekstra høydeinformasjon om objektet som observeres.

64 Seismiske undersøkelser kan brukes både til oljeleting og til å undersøke kvaliteten av jordsmonn.

◄ ▼ Flerkanals seismisk kart­ legging er en teknikk som gir bedre bilder av jordskorpen under havbunnen. Som ved vanlige undersøkelser tauer et skip luftkanoner og hydrofoner etter seg. Lyd som fyres mot havbunnen reflekteres, direkte eller via underliggende berglag, og blir deretter registrert. Med den nye teknikken grupperes hydrofonene i mottakerkanaler; refleksjonspunkter som er registrert av den første kanalen i ett skudd, registreres igjen av den andre i neste, og så videre, til alle kanalene har registrert de samme punktene. De fire diagrammene til venstre viser hvordan dette oppnås ved å samordne fartøyets hastighet med luftka­ nonens skyteintervaller. Når signalene bearbeides, identifi­ serer en datamaskin alle regi­ streringene fra et felles punkt (1), justerer dem i fase (2), plasserer dem ved siden av påfølgende registreringer (3), som brukes til å bygge opp sluttbildet (4). Sluttbildet er et kart som angir tykkelsen av de ulike geologiske lagene og hvor dypt de ligger. Omtrent 95% av all den letevirksomhe­ ten som må foretas før boring startes, går med til slike seismiske undersøkelser.

Kanaler

Seismiske refleksjoner Under en refraksjonsseismisk undersøkelse kan kilden og mottakeren være så nær hverandre av det skjer en seismisk refleksjon. I dette tilfelle er det ingen vei fra kilde til mottaker (unntatt den direkte) som tar mindre tid enn veien med direkte refleksjon fra det første laget under overflaten. Ved denne prosessen kan det bygges opp et kart av refleksjoner i lagene under havbunnen. Skudd som avfyres av luftkanoner under vann, reflekteres både fra havbunnen og de underliggende berglagene. Tiden kan tas på signalene hydrofonene mottar, og ut fra dette fås informasjon om dybden av berglagene. Mer avanserte bilder kan lages ved en teknikk kalt flerkanals refleksjonsseismikk. Ved å samordne skyteintervallene for luftkanonen og fartøyets hastighet, kan ekkoene legges opp slik at refleksjo­ ner fra det samme punktet registreres suksessivt av hver kanal. Når kanalregistreringene først er blitt koblet til bestemte punkter, kan ekkoenes ankomst­ tider til ulike kanaler bringes i fase ved å korrigere for tidsforskyvningen. Det samlete signalet har topper der det traff skiller mellom berglag. Når tusener av slike signaler plottes ved siden av hverandre for å danne et kontinuerlig bilde, kan det bygges opp et kart over jordskorpen like under havbunnen. I slike undersøkelser produseres enorme mengder med seismiske data. For å greie å bearbeide dem raskt nok, er man derfor avhengig av store og hurtige datamaskiner.

UNDERSØKELSER MED LYD

▲ Bilder fra refleksjonsseismiske undersøkelser er av interesse for både olje- og gass-selskaper. Her analyserer geofysikere resultatet fra en seismisk undersøkelse. Til det bruker de bade en utskrift som viser et tverrsnitt av lagene som undersøkes, og en tredimensjonal datamaskinmodell på skjermen, laget ut fra de samme dataene.

► Seismiske kart, hva enten de lages ved refraksjon (brytning) eller refleksjon, lages ved bruk av lavfrekvente lydbølger som sendes gjennom bakken. For undersøkelser på land kan det på kjøretøy monteres utstyr som sender ut seismiske pulser på en mer kontrollert måte enn de kraftige eksplosjonene som brukes til sjøs.

Seismisk refraksjon Prinsippet bak den refraksjonsseismiske metoden er å sende ut seismiske bølger fra ett sted, og så måle hvor lang tid det går før bølgene når en rekke observasjonspunkter. Underveis fra kilde til mottakere vil bølgene brytes og reflekteres i ulike diskontinuiteter. De første bølgene som når en mottaker, tetbølgene, har ikke fulgt den korteste veien dersom det finnes et dypere høyhastighetslag. Idet en bølge fra eks­ plosjonen når dette laget, brytes den slik at den beveger seg parallelt med grenseflaten og danner sekundærbølger som selv brytes tilbake mot mottakeren via de høyere lavhastighetslagene. Hvis en betydelig del av veien ligger i høyhastighetslaget, kan disse bølgene bevege seg hurtigere til mottakeren enn de som går rett gjennom det øvre laget og reflekteres ved grenseflaten. Ved å registrere når både direkte og brutte bølger ankommer seismografen, kan tykkelsen på det øvre laget beregnes ut fra hastighetsforskjellene. Metoden er imidlertid ikke nøyaktig nok til å kunne registrere finere inndelingen

65

Lyd i faste stoffer Det er mange grunner til at man bruker lyd eller seismiske bølger i den faste jorden. Jordskjelv produserer store mengder bølger, og systematiske studier av dem er viktige med tanke på menneskers sikkerhet, samt at de lærer oss noe om Jordens sammensetning, struktur og utvikling. Dataene som innsamles fra kunstig lagete seismiske bølger, er av uvurderlig betydning i letingen etter olje og gass. Dette gjelder ikke bare leting etter nye kilder, men også for å kunne vurdere de feltene man allerede kjenner til. Egenskape­ ne til bergarter som inneholder en oljekilde, kan studeres ved på forskjellige dyp å observere de seismiske bølgene utløst av en fjern eksplosjon eller av en lydkilde i nærheten i den samme oljekilden. De som borer etter olje, vurderer og endrer stadig boreoperasjonene ved å ta hensyn til informasjoner fra seismiske data og borehullet. Ingeniører benytter seg av refraksjonsseismiske undersøkelser for å få informasjon om fastheten til jordlag det skal slås ned byggefundamenter i. Maringeologer bruker seismiske undersøkelser som grunnlag for kartlegginger av lagene under havbunnen. Havbunnen reflekterer riktignok de fleste lydbølgene som sendes ned mot den, men en betydelig del av lyden på tilstrekkelig lave frekvenser (som lyden fra små lydkanoner) trenger gjennom havbunnsedimentene som brutte bølger og reflekteres fra lagene under. Akustiske undersøkel­ ser av havbunnen for forskningsformål, eller for å se etter kabler og rør, tas stadig mer i bruk. For å kunne se dypt ned under hav­ bunnen, mottas og lagres akustiske signaler av lange rekker med hydrofoner som slepes etter skip. Informasjon om lag flere tusen meter under havbunnen, som får stadig større betydning i letingen etter nye olje- og gassreserver, kan imidlertid bare innhentes ved refraksjonsseismiske undersøkelser. I det siste har man også undersøkt mulighetene for å benytte refleksjonsseismiske teknikker til undersøkelser av jordsmonn. Dyrkningsjord må være porøs for at luft kan trenge ned til plante­ rottene og for at karbondioksid som dannes under fotosyntesen, kan slippe opp i atmosfæren. Et mål på jordsmonnets porøsitet kan fås ved å se hvor lett lyd trenger ned i det. Akustiske målinger av refleksjonen eller transporten av lyd i det hørbare området ved jordoverflaten, kan brukes til å måle jordsmonnets porøsitet.

66 Ultralydundersøkelser brukes både til å lete etter feil i mekanisk utstyr, og til å kontollere utviklingen av et foster.

Ultralydundersøkelse av kroppen Bukveggen Sonde____

Puls —

Stråle

Ryggraden

Ekko

Puls som fortsetter

Restpuls —

Andre ekko

Ultralyd Til forskjell fra lys og røntgenstråling, svekkes lydbølger bare i liten grad i stål, betong og visse plastmaterialer. Hvis det settes i gang svingninger på ultrahøye lydfrekvenser, 1-20 MHz, i en fast gjen­ stand, for eksempel en maskinkomponent, kan vi få informasjon om dens indre struktur ved å analysere variasjoner i signalene som mottas. Siden ultralyd er meget følsom blant annet overfor sprek­ ker, egner denne teknikken seg særlig godt innen industrien til ikke-destruktive undersøkelser av viktige maskindeler, for eksem­ pel sveiseskjøter i rør og lagringstanker, varmevekslere i kjerne­ kraftverk og støttestrukturer i oljeplattformer. (Med «ikke-destruktiv» menes her undersøkelser som kan foretas uten å måtte skade eller ødelegge gjenstanden som skal granskes.) Alle feil eller svak­ heter i et materiale kan dermed oppdages før de fører til en større ulykke. Undersøkelser av denne typen øker i utbredelse samtidig som teknikkene de bygger på, stadig forbedres. Jo høyere frekvenser som brukes i ultralydundersøkelser, jo bed­ re evne har ultralyden til å vise detaljer og finne små feil. På den annen side svekkes signalstyrken mer med økende frekvens. Det reduserer størrelsen på det området feil kan oppdages innenfor. Frekvensen i feilfinningsutstyr må derfor avpasses meget nøye etter hva det skal brukes til. ▲ De tre diagrammene viser bevegelsene til én eneste ultralydpuls som returnerer et ekko idet den når og passerer strukturer i menneskekroppen.

Avbildning av et foster Sonde

Bukveggen Morkaken

_ Lemmer

Fosterets hode

Stråler 1 Ryggraden

Ultralydbilde sammensatt fra sveipene

▲ ► Ultralydbilder bygges opp ved a registrere pulsekkoer som en rekke punkter der lysstyrken avhenger av styrken på hvert ekko. Dette bildet av et foster i livmoren er laget av en datamaskin ut fra flere slike sveip. Hodet ses i profil til venstre, med nesen og munnen midt på bildet.

UNDERSØKELSER MED LYD

I sin enkleste form gjentas en høyspenningspuls (på opptil 600. V som bare varer brøkdelen av et sekund) flere ganger til en transduser som sender ut en kort lydpuls mot gjenstanden som skal undersøkes. Disse bølgene reflekteres tilbake til transduseren fra eventuelle defekte grenseflater eller overflater som påtreffes. De returnerte lydbølgene omgjøres i transduseren tilbake til et elektrisk signal som kan vises frem på et oscilloskop. Den samme grunnleg­ gende teknikken brukes for ultralydundersøkelser innen medisin. I de siste årene er det blitt svært vanlig å undersøke fostere i livmo­ ren på denne måten, uten fare for vevskader fra røntgenstråling. Ultralydbilder Ultralydsystemer kan også brukes til å lage bilder av mønstre eller feil inni gjenstander. Det skjer ved å sveipe med én enkelt transduser eller flere i fase. Ekkokildens posisjon i to dimensjoner bestem­ mes ved å registrere to påfølgende koordinater - nemlig transduserens posisjon og avstanden fra den til feilen - ut fra den kjente vinkelen strålen sendes inn i gjenstanden med. Etter hvert som transduseren sveiper over komponenten, bygges det opp et konti­ nuerlig bilde. Styrken på ekkoene kan registreres digitalt og repre­ senteres som forskjellige farger på en skjerm. Slik kan eventuelle feil finnes og beskrives med større sikkerhet.

▲ ► Feil i en sveiseskjøt funnet av ultralydsonde koblet til en datamaskin som behandlet signalene fra ultralydsonden og laget bildet.

▼ Automatisk ultralydundersø­ kelse inni høytrykksrør ved Dinorwig vannkraftverk i Wales.

67

68 På en viss frekvens er bølgelengden for lyd i vann om lag som for synlig lys.

▲ I dette akustiske mikrosko­ pet er instrumentet selv flankert av til venstre en innretning som elektronisk kontrollerer både frekvensen og pulsfrekvensen til det akustiske signalet, og til høyre av skjermer koblet til en datamaskin. Linsekonstruksjon, frekvensvalg og pulslengde har alle betydning for hvor dypt inn i prøven signalene trenger, og for opp­ løsningen på bildet. Innfelt ses typiske resultater fra undersø­ kelser av integrerte kretser. Til venstre ses fuktighet som har trengt inn, og til høyre, med økt forstørrelsesgrad, feil i kretsene.

Akustisk mikroskopi Den første tanken om et akustisk mikroskop ble lansert av den sovjetiske fysikeren N. D. Sokolov i 1944. Han hadde lagt merke til at bølgelengden for lyd i vann på en frekvens på noen gigahertz var om lag som for synlig lys. Sokolov mente at et instrument som kunne fokusere høyfrekvente lydbølger, burde greie å oppløse bilder på samme måte som et optisk mikroskop. Det første akustiske sveipemikroskopet ble bygd i 1973 av en gruppe under ledelse av professor C. Quate ved Stanford University i California. I 1983 hadde gruppen greid å oppnå en oppløsning på 0,09 mikrometer, svært nær det teoretiske maksimum. Den akustiske analogien til en linse er en liten kuleformet fordypning slipt inn i enden på en safirstav (som kan overføre lydbølger med høy hastighet og lite tap). I den andre enden av staven er en transduser som setter i gang kontrollerte svingninger, en akustisk bølge. Fordypningen i enden fokuserer bølgen på et punkt med en diameter på omtrent én bølgelengde. Siden lyd raskt svekkes i luft, holdes linsen i direkte kontakt med prøven ved hjelp av et koblingsmedium, som vann. De høyfrekvente bølgene reflekteres tilbake fra prøven, og styrken på det returnerte signalet avhenger av hvor mye akustisk energi prøven har

absorbert i det punktet. Et bilde bygges opp ved å sveipe brennpunktet over prøven og gjøre om det akustiske signalet til et bilde på en skjerm. Som i andre sammenhenger der det er snakk om signalbe­ handling, er det en datamaskin som på grunnlag av signalene, fremstiller bildet. Observasjonsmetoden ser ikke ut til å skade levende organismer eller vev på samme måte som når de farges eller plasseres i vakuum. Derfor kan det akustiske mikroskopet brukes til studier av biologiske systemer. En annen anvendelse er å undersøke og danne bilder inni ugjennomsiktige materialer. Teknikken er blitt brukt til å finne feil i silisiumbrikker og annet mikroelektronisk utstyr. Den ser også ut til å kunne brukes i andre deler av elektronikkindustrien, som for å undersøke mikrokrystallinsk kornstruktur, legeringers egenskaper og overflateteksturen til materialer i mange typer elektroni­ ske komponenter. Akustisk mikroskopi har også et betydelig potensiale innenfor tannlegearbeid. Ved at det muliggjør studier av områder med mineral tap i tenner og en forbedret forståelse av den naturlige mmeraløkningen, kan det akustiske mikroskopet være med å legge grunnlaget for kjemiske metoder for reparasjon av tenner som en gang vil kunne komplettere dagens praksis med boring og fylling.

Å se uten lys Elektromagnetisk stråling... Røntgenstråling... Infra­ rødt... Infrarød astronomi... Landsat-bilder... Radioastronomi... Radiointerferometri... Radar... Kjernemagnetisk resonans... PERSPEKTIV... Datamaskin­ assistert tomografi... Industriell radiografi... Røntgenastronomi... Ultrafiolett astronomi... IRAS... Bildebehandling... Radioastronomiens opprinnelse... Mikrobølgeastronomi... Seasat

«Ett bilde sier mer enn tusen ord» er en frase de fleste vel har hørt. Eksperimentelle observasjoner og detaljerte beregninger kan nok ikke bekrefte riktigheten av dette. Likevel kan bilder, på sam­ me måte som ord og tall, formidle informasjon som er av stor verdi både for en forsker og en kunstner. Hvor nyttig en formidlingsmåte er, avhenger av sammenhengen den anvendes i. Til forskjell fra malerier som er laget av en maler, kan bilder som brukes innen teknikk og vitenskap konstrueres ved en prosess som kan defineres presist og gjentas så mange ganger det måtte være behov for det. Det viktigste poenget med slike bilder er å presentere informasjon om hendelser og strukturer som ikke er til­ gjengelig for direkte menneskelig sansing på vanlig måte. Ofte utvi­ der slike bilder vårt erfaringsgrunnlag, for eksempel ved å vise strukturer som er små eller hendelser som skjer meget raskt. Andre bilder kan vise fenomener som ingen av de menneskelige sanser direkte kan registrere, som konsentrasjonen av visse grunnstoffer på overflaten av en gjenstand, tilstanden for en avling i en fjern del av verden, egenskaper ved astrofysiske hendelser eller objekter i rommet, eller de indre strukturene i en levende skapning. Slike metoder har de siste årene gitt oss muligheten til å studere proses­ ser og fenomener vi før ikke engang kjente til.

Avbildning av elektromagnetisk stråling En rekke teknikker er blitt utviklet for å registrere ulike typer bilder som så kan analyseres. Bruken av lydbølger til å bygge opp sonarbilder er ett eksempel på dette. Et annet, mer generelt eksempel, er å ta bilder av elektromagnetisk stråling i deler av spekteret som det menneskelige øye ikke kan sanse. Den strålingen menneskeøyet er følsomt for, er faktisk bare som en sprekk i den veggen det elektromagnetiske spektrum utgjør, som strekker seg fra kortbølget gammastråling til langbølget radiostråling. Mennesker kan se et spektrum av farger som strekker seg fra fiolett til rødt. Utenfor den fiolette enden kommer andre strålingstyper: Nær ultrafiolett, fjernt ultrafiolett, røntgen- og gammastrå­ ling, her nevnt i rekkefølge etter stadig kortere bølgelengde. Uten­ for den røde enden har vi økende bølgelengde: Nært, middels og fjernt infrarødt, mikrobølge- og radiostråling. I alle disse bølgelengdeområdene kan det foretas observasjoner. Hvis et legeme naturlig sender ut stråling, kan det avbildes med detektorer som er følsomme for den riktige bølgelengden. Hvis ikke, kan et bilde dannes ved å belyse objektet og se hva som reflekteres. Analyser av slike signaler kan være uhyre kompliserte. I radarbestemmelse kan det være nok å finne posisjon og hastighet til ett eneste punkt som representerer et fly, mens det i kjernemagnetisk resonans ønskes kunnskap om den tredimensjonale fordelin­ gen av visse kjemikalier i kroppen. I begge tilfeller kan det være behov for datamaskiner, der bildet lages helt til slutt, ofte med fargekoding for bedre å få frem interessant informasjon.

Det elektromagnetiske spektrum I 1831 viste den britiske fysikeren Michael Faraday (1791-1867) at et elektrisk felt kunne lages av et varierende magnetfelt. Ved å gjøre dette reiste han spørsmålet om hvordan elektriske og magnetiske effekter kan krysse tomt rom. Faraday antydet selv muligheten for at slike krefter kunne være som «vibrasjoner på en vannflate». 11864 offentliggjorde så den briljante teoretiske fysikeren James Clerk Maxwell en fullstendig teori for elektromagnetisme. Ifølge den vil svingebevegelsen til en elektrisk ladning produsere energi i form av et elektromagne­ tisk felt som stråler ut fra denne kilden i form av bølger som brer seg med konstant hastighet, lyshastigheten. Maxwell konkluderte derfor med at lys var en form for elektromagnetisk stråling, og at det burde eksistere stråling med kortere og lengre bøl­ gelengder enn lys. Teorien ble bekreftet av den tyske fysikeren Heinrich Hertz. I eksperimentene han foretok ble stråling både frembrakt og registrert elektrisk. Da han målte strålingens bølgelengde, var den én million ganger større enn for synlig lys. Hvilken forbindelse det er mellom energi og bøl­ gelengde forble et mysterium helt til den tyske fysikeren Max Planck (1858-1947) foreslo at energi sendes ut i form av atskilte partikler eller kvanter, der hver har en energi som er omvendt proporsjonal med bølgelengden. Ut fra energien til disse kvantene (som Einstein kalte fotoner) delte man opp strålingen i ulike typer, eller delte inn det elektro­ magnetiske spekteret etter bølgelengde eller frekvens. Plancks kvanter markerte forøvrig et klart brudd med klassisk fysikk. Med dem ble det første spede grunnlaget lagt for kvantemekanikken, som i løpet av vårt århundre har ført til en total omveltning av fysikken. Det elektromagnetiske spektrum Gammastråling

Røntgenstråling

Ultrafiolett stråling

Synlig lys

Infrarød stråling

Mikrobølgestråling &

UHF VHF

Strålingstype

Detektorer

70 Radiografi kan benyttes til å se inni motorer mens de går.

Avbildning med røntgenstråling Røntgenstrålingen ble oppdaget i 1895 av den tyske fysikeren Wil­ helm Rdntgen (1845-1923), hvis etternavn har gitt opphav til den norske betegnelsen på denne strålingen. Til å begynne med forstod han ikke hva den var, men fant etter hvert ut at den ikke ble påvirket av elektriske eller magnetiske felter og heller ikke kunne brytes eller reflekteres, som synlig lys kan. Han oppdaget også at den trengte gjennom ugjennomsiktige stoffer, at absorpsjonsgraden avhang av stoffets tetthet og at den svertet fotografisk film. Man ble snart klart over røntgenstrålingens betydning til fotografe­ ring inni et levende vesen. I 1912 ble det vist at røntgenstråling er en form for elektromag­ netisk stråling med en bølgelengde som er mye kortere enn for synlig lys, rundt 1O10 m (= 0,1 nm). Dette tilsvarer omtrent avstan­ den mellom atomene i et fast stoff. Røntgenstråling kan derfor avbøyes sterkt ved hjelp av krystaller der atomene ligger med helt konstante avstander. Studier av slike diffraksjonsmonstre av rønt­ genstråling med kjent bølgelengde gir informasjon om strukturen i ukjente krystaller, noe som kalles røntgenkrystallografi. Omvendt kan en krystall med kjent struktur, et røntgenspektrometer, brukes til å bestemme bølgelengden på ukjent røntgenstråling. Røntgen­ stråling kan også brukes til mikroskopi, der den gir bedre oppløs­ ning enn lys på grunn av den kortere bølgelengden, men ikke så god som den elektroner gir. Når et bilde først er registrert, kan kontraster i bildet på grunn av varierende absorpsjon vise små mi­ krostrukturer, og også si noe om den kjemiske sammensetningen av dem. Fordi røntgenstråling kan trenge nokså dypt inn i tykke gjenstander, brukes den til å vise indre detaljer i biologisk materiale ag metallprøver. Den store inntrengningsdybden gjør det også mu­ lig å få tredimensjonal informasjon om en struktur.

Opptak av røntgenbilder Røntgenstråling produseres når et hvilket som helst stoff bombar­ deres med hoyenergetiske partikler (partikler med svært høye ha­ stigheter, nær lyshastigheten) eller elektromagnetisk stråling med høy energi. Elektroner fra en oppvarmet katode fokuseres pa en wolframanode og akselereres så ved hjelp av høyspenning. En brøkdel av energien i elektronstrålen omgjøres til røntgenstråling idet elektronene treffer anoden. Røntgenstrålingen sendes ut i alle retninger, og de som skal brukes til bildeopptak tillates å unnslippe gjennom en slags «vinduer» i røret rundt katoden og anoden. I den teknikken som kalles radiografi, plasseres prøven mellom røntgenkilden og den fotografiske platen eller en skjerm. Det dannes da et forholdsvis enkelt skyggebilde av prøven, der forskjellige om­ råder gir opphav til forskjellige absorpsjonsgrader. I røntgentomografi (også kalt datamaskinassistert tomografi, CTeller CAT-sveiping etter Computer Assisted Tomography) gjør en kombinasjon av sveipeteknikker med nok regnekraft det mulig å beregne intensiteten i et bilde punkt for punkt, og slik bygge opp en rekke bilder. En moderne tomograf består av en roterende ram­ me der en røntgenkilde sender ut en vifteformet stråle med en diameter på 10-15 mm. Strålens intensitet måles av en rekke detek­ torer på motsatt side av røntgenkilden. Personen som skal undersø­ kes, ligger inni rammen i røntgenstrålens gangretning. Detektorene måler hvor mye svekket strålingen som når dem er, og dermed også hvor mye materiale (bein og vev) den har passert gjennom. Ved å rotere rammen og måle med noen få graders mellomrom, kan det bygges opp et bilde av fordelingen av materialet som absor­ berer røntgenstråling i det planet strålingen sveiper ut. Slik fås et «røntgensnitt» gjennom personen i tomografen.

▲ Moderne tomografer kan pa fa sekunder lage et røntgensnitt gjennom en person, mens opptil 1,5 millioner avlesninger av absorpsjonspunkter lagres. Disse registreringene kan foretas enten med pasienten liggende horisontalt, eller vippet litt opp eller ned. En datamaskin bygger opp bildet ved først a lage et komplett tomografi fra mange røntgensnitt, og deretter fargekode det for fremvisning pa en skjerm eller et fotografi.

Å SE UTEN LYS

71

Materialundersøkelser med radiografi Innen mange industrigrener brukes ioniserende stråling som en av de mest avanserte metodene for å undersøke materialer eller utstyr for å se etter feil under overflaten. Prinsippene som brukes er de samme som i medisinsk radiograf! eller sikkerhets­ systemer ved flyplasser. Defekter i en gjenstand trer frem som skygger på radiografiet. Det er en økende interesse for å erstatte film med egne skjermer som kan vises i et fjernsynssystem. De gir et sanntidsbilde, et direkte bilde av det som betraktes, som så kan tas opp på video. Slike systemer er blitt mer interessante nå når bildebehandling og nye og mer nøyaktige røntgen rør og registreringssystemer kan gi like gode resultater som film. I de fleste tilfeller kan man bruke mye høyere strålingsnivå enn i medisinsk radiografi. Gammastråling kan brukes istedenfor røntgenstråling, og nøytronradiografi er blitt brukt for se inni jetmotorer mens de går. Man kan da følge motordelenes bevegelser mens motoren går. Dermed kan man bedre følge med i og identifisere de prosessene som fører til slitasje av de ulike motordelene. Røntgenrør Elektronstråle

Utsendt røntgenstråling______

-< ▼ I teleskopet i Exosatsatellitten ble røntgenstrålin­ gen fokusert ved hjelp av et diffraksjonsgitter og et filterhjul foran to detektorer. Disse registrerte energien og posisjonen til de innkommen­ de fotonene. Fra slike data kan det, ved hjelp av datama­ skiner, bygges opp bilder som fargekodes for å lette tolkningen av dem. Dette bildet viser sentralområdet i galaksen M82.

Exosats røntgenteleskop Røntgenoptikk

Filterhjul

Gitter

Stjernefølger

Kollimator

Avkjølt wolframanode

Røntgenastronomi Instrumenter laget for å registrere røntgenstråling gir astronomene informasjon om intergalaktisk gass med temperaturer på flere millioner grader. Fordi jordatmosfæren absorberer røntgenstråling, kan slike observasjoner bare gjøres med forskningsraketter og satellitter. Den første røntgensatellitten, Uhuru, ble skutt opp i 1970. Den observerte rønt­ genstråling med en kollimator - et gitter plassert foran detektorene for å begrense synsfeltet - og en proporsjonalteller, et kammer med argongass som absorberer de innkommende fotonene og omgjør dem til en elektrisk strøm proporsjonal med fotonenes energi. Fordi ikke noe materiale kan brukes som linse eller speil for røntgenstråling uten å absorbere den, kunne ikke røntgenteleskoper lages, og man kunne følgelig ikke lage bilder av astronomiske røntgenkilder. På Skylab-romstasjonen i 1973 tok man imidlertid i bruk såkalte streifspeil. De hadde form som veggen i en metallsylinder der diameteren avtar fra den ene enden til den andre. Røntgenstrålingen kunne da reflekteres og fokuseres hvis den traff metalloverflaten i svært liten vinkel, streifet den. Satel­ littene Emstein Observatory. skutt opp i 1978, og Exosat (1983) har sendt ned meget gode bilder laget slik. Flere slike satellitter planlegges skutt opp i løpet av 1990-årene.

72 Astronomene har problemer med å tolke Infrarøde og ultrafiolette bilder, men har fått mye informasjon fra dem.

Ultrafiolett astronomi Ultrafiolett astronomi har hittil vært dominert av studier av varme stjerner og mterstellar gass. Ob­ servasjonene gjøres på bølgelengder fra 105 til 300 nm og lider under problemer med absorpsjon og støy. Støykilden er det allestedsnærværende atomære hydrogenet i det interstellare rom. Siden vanlige glasslinser absorberer ultrafiolett lys, brukes aluminiumsbelagte speil dekket med litiumfluorid eller magnesiumfluorid til å reflektere den. Detektoren kan være vanlig film, men uten gelatin som ville absorbert all ultrafiolett stråling. De første gløttene av ultrafiolett stråling fra rommet fikk man / oktober 1946. Blant andre detektorer er fotomultiplikatorer, bildeforsterkere og særlig vidikonrør. Et vidikonkamera er brukt på International Ultraviolet Explorer (IUE), skutt opp i 1978. Det inneholder blant annet spesialutstyr som omgjør ul­ trafiolett stråling til synlig lys. Via fiberoptikk er kameraet koblet til et spesielt elektronrør som er nokså enestående ved at observasjoner kan gjøres i sann tid mens en astronom sitter ved et av de to kontrollsentrene i Madrid eller i Maryland i USA. Sa­ tellitten har vært en av historiens mest vellykkede og er også brukt av norske astronomer. De har brukt satellitten til blant annet å observere den røde kjempestjernen Betelgeuse, som ligger i stjernebil­ det Orion.

A ► Denne maskindelen som gjennomgår en magnetpulverundersøkelse, påføres et fint magnetisk pulver i et magnetfelt. Partiklene tiltrekkes av overflatesprekker og gjøres selvlysende ved hjelp av ultrafiolett stråling slik at sprekkene trer frem. Dette letter undersøkelsen av over­ flatens egenskaper.

Å SE UTEN LYS

Infrared Astronomical Satellite

Infrared Astronomical Satellite Fra den ble skutt opp i januar 1983 til den november samme år slapp opp for kjolevæske, kartla Infrared Astronomical Satellite (IRAS) hele himmelen og kata­ logiserte over 250 000 infrarøde kilder. IRAS hadde et hovedspeil av beryllium og en diameter på 57 cm. Flere ulike instrumenter var plassert i teleskopets brennplan. Siden satellittens hovedoppgave var å kartlegge himmelen i infrarødt, måtte de 62 detekto­ rene sile ut de observerte signalene for å fjerne de som skyldes kosmisk stråling og høyenergetiske partikler i Jordens magnetosfære. Av de 15-16 de­ tektorene i hvert av de fire infrarøde båndene fra 8 til 120 mikrometer, observerte minst to samme punkt på himmelen. Bare signaler begge registrerte samtidig, ble akseptert som et «ekte» signal. Den IRAS-oppdagelsen som vakte størst oppsikt, var at stjernen Vega er omgitt av en sky av faste partikler, kanskje et gryende planetsystem. ◄ United Kingdom Infrared Telescope (UKIRT) er verdens største teleskop spesielt for bruk til infrarød astronomi. Det er utstyrt med fjernkontroll og et speil med 3,8 m diameter, som er tilstrekkelig til å registrere submillimeterstraling som normalt bare mottas av radioteleskopantenner. UKIRT er ett av de mange teleskope­ ne som nyter godt av de glimrende observasjonsforholdene pa Mauna Kea. ◄ ◄ Infrarøde teleskoper er viktige for studier av stråling fra tåker. Bildebehandlete konturkart av Oriontåken, kan gi viktig informasjon om hvordan stjerner dannes.

► Hvordan varmetap i en gjenstand fordeler seg over den, kan avsløre indre feil i tynne metaller, kompositter eller grenseflater. I teknikken kalt videopulstermografi utsetter en kompositt, som består av en karbonfiberhinne festet til en bikakeformet aluminiumstruktur, for varmepulser fra et xenonlysrør. Et infrarødt kamera registrerer bilde for bilde hvordan varme spres utover i objektet og viser dette på en skjerm. Samtidig kan det gjøres video­ opptak av undersøkelsen for nærmere studier senere. Defekter ses som avvik fra det mønsteret man forventer for materialer som undersøkes.

73

Infrarød stråling I 1800 oppdaget tilfeldigvis den tysk-engelske astronomen William Herschel at Solen sender ut energi utenfor den røde enden av spek­ teret. Denne strålingen, som ikke kan ses med det menneskelige øye, er i det termiske området vi føler som varme. Følsomme in­ strumenter kan registere små mengder varmestråling og lage bilder som viser variasjoner i strålingens intensitet. Denne teknikken, som kalles termografi, har vist seg å være nyttig innen medisin (hvor den kan avsløre leddbetennelse og kreft) og produksjon. Infrarød avbildning har også anvendelser innen satellittfotografering, astro­ nomi og i militære varslingssystemer. Infrarød astronomi Infrarød stråling fra rommet med bølgelengder nærmest synlig lys kan lett observeres fra jordoverflaten, og fra høye fjelltopper kan man observere i det fjerne infrarøde området. De fleste mellomlig­ gende bølgelengder stenges imidlertid ute ved at de absorberes i jordatmosfæren og må observeres fra satellitter. Astronomene har også med stort hell foretatt astronomiske observasjoner i infrarødt fra ballonger og fly. Selv i de få infrarøde «vinduene» mot Universet møter astronomene store problemer ved de betydelige mengdene stråling fra jordiske kilder. Både jordsmonn, planter, dyr og bygninger som om dagen har absorbert sollys, sender dette ut igjen om natten i form av infrarød stråling. Bakkebasert astronomi trenger bolometre og fotokonduktorer. Et bolometer er en temperaturføler som måler temperaturendringen forårsaket av absorpsjon av et innkommende foton. Det skjer ved hjelp av en detektor av germanium eller silisium. Fotokonduktorer, som er mer følsomme for stråling med kortere bølgelengder, måler endringen i spenning eller strøm som inntrer når et foton frigjør elektroner på overflaten. Til tross for den termiske «støyen» fra omgivelsene, er det utvik­ let flere metoder for å avbilde infrarøde kilder i rommet. For eksem­ pel kan detektorer avkjøles for å redusere bakgrunnsstøyen fra selve teleskopet, særlig metallstagene teleskopet er montert i. Ame­ rikanske og britiske astronomer har prøvd å observere mer kortbølget infrarød stråling fra fjelltopper. Grunnen til dette er at det er vanndamp i atmosfæren som absorberer infrarød stråling, og jo høyere over havnivået man kommer, jo mindre vanndamp har man over seg. På den 4200 m høye fjelltoppen Mauna Kea på Hawaii står flere infrarøde teleskoper som brukes til dette. Bildene fra dem begynner nå å bli nesten like gode som bilder i synlig lys. Astrono­ mene er på stadig leting etter nye teknikker, som Fourier-transformspektroskopi, som har muliggjort studier av planetatmosfærer.

74 Hvert punkt på jordoverflaten observeres 20 ganger årlig av Landsat.

Jordobservasjoner fra rommet Forskjellige områder på Jorden, enten det er dyrket mark, bybebyggelse, skog, ørken eller hav, reflekterer i ulik grad sollys i den synlige og infrarøde delen av det elektromagnetiske spektrum. Ved å observere Jorden fra rommet med instrumenter som er følsomme for stråling i dette området, kan det samles inn mange typer data det ville være vanskelig å få fra observasjoner på eller nær bakken. Omgjøres disse dataene til bilder, kan det lages kart som er særlig nyttige til å vurdere og analysere en lang rekke geografiske feno­ mener. I juli 1972 skjøt USA opp Landsat 1, den første av flere meget vellykkete satellitter som var spesiallaget for å samle inn data om Jordens ressurser. Satellittenes baner - som stadig flytter seg rundt Jorden for å holde tritt med Solens bevegelse over himmelen er slik at på de 20 passeringene satellittene årlig gjør over hvert sted på Jorden, registreres dataene til samme tidspunkt lokal tid. Dermed er solvinkelen den samme på alle bildene og det blir lettere å sammenligne dem. Dataene samles inn av en såkalt multispektral sveiper. Den har detektorer som er følsomme for stråling på flere av de bølgelengdene som reflekteres fra jordoverflaten. To kanaler er følsomme for synlig lys (rødt og grønt) og to for infrarød stråling. I hvert av de fire båndene bruker sveiperen seks detektorer for å registrere variasjoner i intensiteten av sollyset som reflekteres fra jordoverflaten, og koder dem som tall. Et speil som sveiper frem og tilbake gjør det mulig å sveipe seks linjer i gangen. Hver linje er 185 km lang og består av 3240 bildeelementer som hvert dekker et område av jordoverflaten på 79 m x 56 m. Siden hvert Landsat-bilde (som dekker et område på 185 km x 185 km), består av 2340 linjer av denne typen, registrerer hvert bånd i løpet av 25 sekunder over 7 000 000 bildeelementer per bilde. Til sammen gjøres det på denne tiden over 30 millioner observasjoner i de fire båndene. Dataene overføres ved hjelp av radiostråling til en av flere bak­ kestasjoner. En datamaskin fremstiller bildet ved å ordne rekken av bildeelementer på riktig sted i det. Tre av de fire båndene tilde­ les en av grunnfargene (rødt, grønt og blått), blir så satt sammen og kopiert med varierende styrke over bildet, alt etter intensiteten på det reflekterte lyset som ble målt av detektorene i satellitten. Resultatet blir et bilde med falske farger, der de sterkeste signalene kommer fra frisk vegetasjon, som i Landsat-bilder vanligvis har en dyp rødfarge. Omgjøringen fra digitale data til bilder åpner for muligheten til å endre og behandle bildene ved hjelp av en datamaskin. De man­ ge måtene dette kan skje på, kan tilpasses ulike formål, som geolo­ gisk kartlegging, måling av fuktigheten i jordsmonn eller skille mel­ lom ulike vekster, uten at man mister eller ødelegger noen av origi­ naldataene. I juli 1982 ble den første satellitten i USAs andre generasjon Landsat-satelliter, Landsat 4, skutt opp. Da den sviktet, ble Landsat 5 skutt opp i mars 1984. I tillegg til den multispektrale sveiperen i tidligere Landsat-satellitter, hadde de to siste en tematisk kartleg­ ger som registrerte data i syv bølgelengdeområder, inklusive bånd i det midtre og termiske infrarøde området. Landsat 5 observerer fra en lavere bane og med mye høyere oppløsninger enn de første Landsat-satellittene, og gir skarpere bilder. Lignende satellitter er skutt opp av andre land. Blant dem er den franske SPOT-satellitten (skutt opp 1986) som kan observere på skrått og dermed gjøre det mulig å lage stereoskopiske bilder. SPOT kan også ta bilder som viser mindre detaljer enn det Landsat kan. Også Kina og Sov­ jetunionen har skutt opp jordressurssatellitter.

▼ Landsat 5 er utstyrt med en tematisk kartlegger med høy oppløsning og en multi­ spektral sveiper. Fra en banehøyde pa 805 km observerer satellitten 185 km brede sveip av overflaten under seg. Elektrisitet til instrumentene om bord kommer fra solcellepaneler.

Landsat 5

-----------Antenne for dataoverføring

Multispektral sveiper Tematisk kartlegger -

_ Solcellepaneler

▲ ► Bilder av Abu Dhabi tatt av Landsat 5s tematiske kartlegger i april 1984 og bearbeidet med ulike metoder. Det første bildet med falske farger (1) er basert på data fra tre bånd. På det neste bildet (2) er kontraster forsterket og kanter fremhevet. Dette er gjort på en måte som medfører at verdier for intensiteten av den reflekterte strålingen vises frem med størst mulig kontrast for bedre å kunne skille mellom områder med nesten like verdier. Ved en meget spesiell type klassifikasjon (3) klassifiseres områder med like verdier til kjente trekk som er identifisert. (På dette bildet er 16 overflatetyper klassifisert.) På det største bildet (4) er data fra flere bånd sammenlignet for blant annet å fremheve relieff.

76 De største styrbare radioteleskopene har diametre på 100 m.

◄ Karl Jansky med sin roterende antenne ved Holmdel, New Jersey. Han lette etter kilden til støy pa te­ lefonforbindelser. Støyen viste seg a være stråling fra rommet.

► Med en diameter på 100 m er Effelsberg-radioteleskopet nær Bonn i Vest-Tyskland verdens største fullt styrbare radioteleskop. Gitteret rundt kanten svekker vindtrykket som ellers ville forvrenge overflaten, og dalen rundt beskytter det mot radiostøy. ▼ Dette bildet i falske farger av Andromeda-galaksen ble laget pa 11 cm bølgelengde med Effelsberg-radioteleskopet. Strålingen øker i intensitet fra fiolett, til blått, grønt, gult og rødt i galaksens sentrum.

Radioastronomiens opprinnelse Selv om pionerarbeidet til Hertz og Marcom frembrakte det som trengs for å registrere radiostrå­ ling, varte det til 1932 før den amerikanske radioingeniøren Karl D. Jansky (1905-1950) oppdaget at noe «radiostøy» har en utenomjordisk opprinnelse. Fra variasjoner i strålingen sluttet Jansky at kilden lå i retning av Melkeveisystemets sentrum, i stjerne­ bildet Skytten. Strålingen har en bølgelengde som 'er 20 millioner ganger lenger enn for synlig lys. En annen amerikaner, Grote Reber (født 1911) kartla radiostrålingen fra Melkeve/systemet. Instrumentene Jansky og Reber brukte ga bud om hvordan fremtidens radioteleskoper ville bh. Jansky brukte flere antenner montert på et 30 m langt stativ, bare dobbelt så langt som bølgeleng­ den på strålingen han observerte. Dette var en forløper for teknikken med å bruke flere antenner som astronomene innførte 20 år senere. Reber laget det første virkelige radioteleskopet, en paraboloide med 9,4 m diameter som først observerte på 9 cm, så 33 cm og til slutt 1,87 m. Han satte det opp i sin egen hage, og var lenge nesten alene om å gjøre radioastronomiske observasjoner.

Radioastronomi I dag er det nokså rart å tenke på at astronomene ikke kunne forutsi at stjerner skulle sende ut radiostråling. En gang så det imid­ lertid ut til å være en god grunn til å anta at det ikke var radiostrå­ ling i Universet. Stjerner har så hoye temperaturer at de sterkeste emisjonslinjene fra dem er i den synlige delen av spekteret, eller til og med i ultrafiolett. En form for radiostråling fra det mest vanli­ ge grunnstoffet i Universet, atomært hydrogen, ble imidlertid forut­ sagt. Den nederlanske astronomen Henk van de Hulst fant i 1944 ut fra teoretiske beregninger at hydrogen skulle sende ut radiostrå­ ling med en bølgelengde på 21 cm. Det tok imidlertid mange år før det kunne lages radioteleskoper som kunne observere den. Radioteleskopet Prinsippet bak radioteleskopet er enkelt: Radiostråling reflekteres fra en paraboloideformet flate til brennpunktet, der en liten anten­ ne som reflekterer signalet til mottakeren er plassert. For en gitt bølgelengde vil oppløsningen være omvendt proporsjonal med pa-

► Et radioteleskop består av en rekke komponenter, ikke bare selve antennen. En styrbar paraboloide reflekterer og fokuserer innkommende stråling til en mateantenne. Der omgjøres strålingen til elektriske signaler og sendes til en mottakerstasjon. Signalene kommer i form av svært sma spenningsvariasjo­ ner. Derfor trengs flere forster­ kere for a forsterke dem med en faktor 10’5. Det nye signalet lagres i en datamaskin som bearbeider det og viser det frem pa en skjerm som et bilde der ulike intensiteter er kodet med for­ skjellige farger.

raboloidens diameter. Jo større radioteleskopet er, jo mindre detal­ jer kan det observere. Innen radioastronomi kan bølgelengden på strålingen som mottas være en betydelig andel av teleskopets dia­ meter. Derfor når man snart en praktisk grense for hvor stort tele­ skopet kan være. Når diameteren kommer over 100 m, må man bruke et teleskop som ikke kan beveges, med de ulempene det medfører, eller man må finne på noe nytt. Det var nettopp det som skjedde i 1946 da den britiske astronomen Martin Ryle og den australske astronomen J. L. Pausey uavhengig av hverandre bygde et radiointerferometer. Begge bestod av to radioteleskoper som hver for seg sendte signalene til en felles forsterker. Ryle utvik­ let senere denne teknikken videre, og fikk i 1974 halvparten av nobelprisen i fysikk for dette arbeidet. En radiokilde sender ut signaler der vekselvirkningen (interferen­ sen) mellom dem endres i løpet av observasjonsperioden og således gir informasjon om kildens størrelse og posisjon. Ved å bruke et interferometer istedenfor ett stort radioteleskop, mister man imid­ lertid noe av følsomheten i bytte for den bedre oppløsningen.

78

Mikrobølgeastronomi Radiostråling i den mest kortbølgete delen av radioområdet, med bølgelengder på noen centimeter, millimeter eller mindre, kalles med en samlebeteg­ nelse mikrobølger. Slik stråling kan gi astronomene data om mterstellare skyer og fjerne, aktive galakser kalt kvasarer. Elektromagnetisk stråling sendes ut som en følge av naturlige eller kunstig frembrakte endringer i energinivåene i atomer og molekyler. Radiostråling tilsvarer meget små endringer. Mase re brukes for å forsterke mikrobølgesignaler ved å bruke stimulert utsendelse av radiostråling, nøyaktig på samme måte som lasere forsterker lys. Hvis absorpsjon fra vanndamp kan minimaliseres, kan stråling med bølgelengder fra 0,3 til 1 mm observeres fra jordoverflaten. Tørre, høytliggende steder, som for eksempel Kitt Peak i Arizona eller Rico Veleta i Sierra Nevada i Syd-Spania, egner seg best. For å kunne observere på korte bølgelengder, må teleskopene som skal brukes, beskyttes for vind og regn, og ha en meget jevn og glatt overflate som med stor nøyaktighet og effektivitet kan fokusere radiostrålingen.

A SE UTEN LYS

79

-4 De veldefinerte spiralarmene i galaksen M51 ses klart på dette radiobildet laget med VLA-teleskopet i New Mexico. Galaksen, som ligger rundt 21 millioner lysår borte, sender ut radiostråling med en bølge­ lengde på 21 cm. De kunstige fargene, lagt på med datamaskin, går fra rødt, der strålingen er sterkest, via gult, grønt og blått til fiolett for den svakeste. -4 ◄ Det store radioteleskopet Very Large Array ved Socorro i New Mexico ble bygd for å bruke teknikken med aperturesyntese (som nå også brukes innen optisk astronomi). VLA består av 27 bevegelige antenner, hver med en diameter på 25 m, plassert langs jernbanespor som danner en Y. VLA kan gjøre observasjoner med samme nøyaktighet som én 27 km stor antenne.

◄ James Clerk Maxwellteleskopet på Mauna Kea pa Hawaii er det største i verden til bruk for observasjoner i submillimeteromradet. Et bevegelig tak, dører og en transparent teflonmembran beskytter den 15 m store antenneflaten mot vær og vind.

▲ I langbasisinterferometri kan avstanden mellom tele­ skopene være lik Jordens diameter. Ankomsttidene for signalene fra en felles kilde registreres på magnetbånd med stor nøyaktighet, før dataene kombineres ved hjelp av store datamaskiner.

Utviklingen innen radioastronomi Utviklingen av radioteleskopteknologi har de siste 30 år vært anført av anlegg med mange antenner som utviklet seg fra de første interferometrene. I 1957 ble fordelene med interferometeret og styrbare radioteleskoper kombinert i et instrument i Owens Valley i Califor­ nia, datidens største interferometer. Med dette kunne man bestem­ me posisjonen til en kilde oppdaget ved Cambridge så nøyaktig at astronomene oppdaget det som viste seg å være en av de første kvasarene. Fem år senere ble det britiske radioteleskopet ved Jodrell Bank ved hjelp av en mikrobølgelink forbundet med et par radioteleskoper ved Royal Radio Establishment ved Malvern, over 100 km borte. Ved Cambridge bygde man The One Mile Telescope som bestod av to faste antenner og én bevegelig antenne på jern­ banespor mellom dem. Dette var både en teknologisk og vitenska­ pelig nyvinning. Det ble brukt til å prøve ut teknikken med aperturesyntese, der interferometridata fra flere mindre instrumenter ble kombinert for å simulere ett eneste, mye større instrument. (Dette er grunnlaget for Very Large Array, verdens største radioastronomiske observatorium, som ligger ved Socorro i New Mexico.) Obser­ vasjonene som ble foretatt med The One Mile Telescope gjorde det også mulig å skille mellom ulike kosmologiske teorier ved at man ble i stand til å telle fjerntliggende radiokilder. Oppdagelsen av at interferometre med lengre basislinjer ga radiokarter med høyere oppløsning, gjorde det naturlig å plassere elementene i dem lengre fra hverandre, med avstander opptil Jor­ dens diameter. En teknikk som kalles langbasisinterferometri stiller nye krav til dem som skal konstruere disse store radioastronomiske anleggene. For å beholde faseinformasjonen i den innkommende bølgefronten - som er av avgjørende betydning for denne teknik­ ken - må ankomsttidene bestemmes med meget stor nøyaktighet. Kablene som forbandt de første interferometrene, ble erstattet av radioforbindelser når avstandene ble større. I langbasisinterferome­ tri går selv ikke dette. Her brukes tidssignaler fra atomklokker til å synkronisere radiosignalene. Selv om dette er arbeidskrevende, har det muliggjort observasjoner med nøyaktigheter ned mot en hundremilliondel av et buesekund.

80 Radar er blitt brukt fra rommet til å plotte høydevariasjoner i havoverflaten.

Radar Siden den ble oppfunnet under den andre verdenskrig for tidlig å kunne oppdage fiendtlige fly, har radar (RAdio Detection And Ranging) etter hvert fått mange sivile anvendelser. I prinsippet er radaren et enkelt instrument, men i praksis meget komplisert. Det som i bunn og grunn skjer, er at det sendes ut en radiostråle (med frekvenser på 3-30 GHz). Fra hvordan denne strålingen reflekteres, kan radaren samle inn informasjon om omgivelsene. Som all annen elektromagnetisk stråling, beveger radiostrålingen fra en radar seg med lysets hastighet, mye hurtigere og lengre enn lydbølger. Den kan også trenge gjennom skyer og atmosfæren, og kan reflekteres fra mange ulike overflater, som metallgjenstander, planetoverflater eller den delen av Jordens atmosfære som kalles ionosfæren. Refleksjonsegenskapene varierer med frekvensen som benyttes. Radarmottakeren må gjøre det mulig for radaroperatøren å tolke signalene den har registrert. Strålingen kontrolleres med stor nøy­ aktighet slik at det på best mulig måte kan utføres målinger på signalene som reflekteres. Strålens spredning må være minst mulig, slik at retningen kan bestemmes med stor nøyaktighet. Derfor bru­ kes store antenner for å lage en parallell strålebunt og registrere de svake signalene som kommer tilbake. En radar sender vanligvis ut pulser med stråling, og ikke en kontinuerlig stråle. Dermed kan intensiteten økes og avstanden til gjenstander som reflekterer stråRadarens tidligste historie I 1935 skrev den britiske fysikeren Robert WatsonWatt (1892-1973) et notat om «oppdagelse og lokali­ sering av fly med radiometoder» til den britiske luftforsvarskomitéen. Grunnprinsippet om å sende og motta radioekko fra metallgjenstander var velkjent. I 1904 var et skip blitt oppdaget i 1,6 km avstand ved denne teknikken. Watson-Watt mente den kunne brukes' til å oppdage fly på lang avstand. Han forklarte hvordan man kunne måle et flys høyde, avstand og kurs, og understreket at det hastet med å komme i gang, noe man alt var både i Tyskland og USA. Argumentasjonen hans vant frem, og gruppen startet et febrilsk arbeid. De valgte å bygge et system basert på kjent teknologi med radiostråling med 10 m bølgelengde, istedenfor å dreie forsknin­ gen i retning av den kanskje mer effektive, kortbølgete strålingen. I september 1938 fikk man klar den første delen, som dekket London-området, av et nettverk av radarstasjoner. Det overvåket Storbritan­ nias østkyst mot luftangrep og kunne oppdage bombefly 150 km borte, noe som ga en varslingstid på 30 minutter. De spilte en viktig rolle under «slaget om Storbritannia» i 1940. Dette radarnettet var en stor triumf for teknikken. Snart kom teknologiske gjennombrudd som mulig­ gjorde større nøyaktighet ved å bruke radiostråling med 100 ganger kortere bølgelengde (10 cm). Magnetronen som trengtes for å sende ut slik stråling ble oppfunnet i 1939 av to britiske fysikere, J. T. Randall og H. A. H. Boot ved Birmingham University, og snart satt i produksjon. I 1941 hadde den lagt grunnlaget for radar til bruk i fly, som ga dem muligheten til å kunne «se» i mørke og gjorde det lettere for langtrekkende bombefly å navigere. Alle opplysninger om radaren var hemmelig­ stemplet under krigen, og prinsippene for den ble første gang omtalt på trykk i februar 1945.

► Denne bildemontasjen viser en front av varm og fuktig luft over De britiske øyer. Et radarsystem i en satellitt kan registrere varia­ sjoner av vanndamp i atmosfæren ved å sende ut pulser på en bestemt frekvens og plotte styrken på de reflekterte signalene. ▼ I EISCAT-prosjektet (European Incoherent SCATter facility) bruker man denne store, sammensatte radaren i Troms til å bestemme tettheten av frie elektroner i ionosfæren. Det skjer ved å registrere ekko som spres tilbake fra ionosfæren. EISCAT er et prosjekt med deltagelse fra flere europeiske land.

A SE UTEN LYS

81

lingen kan finnes ved å måle tiden det tar fra en puls sendes ut og til ekkoet av den kommer tilbake. Frekvensen kan enten holdes konstant eller endres på en kontrollert måte over et kort tidsinter­ vall. Dermed kan avstand og hastighet til ulike gjenstander innen­ for radarens synsfelt lettere beregnes. Idet strålingen reflekteres fra et mål i bevegelse, presses den enten tettere sammen eller spres ut, avhengig av om målet nærmer seg radaren eller fjerner seg fra den. Denne effekten, kjent som dopplereffekten, er den samme som for lydbølger. Den kan opple­ ves når tonehøyden på sirenen til et utrykningskjøretøy faller idet det passerer og beveger seg bort. I radarsammenheng vil ekkoet fra en gjenstand i bevegelse ha en litt annen frekvens enn den utsendte strålingen. Hvis denne frekvensendringen måles, kan gjenstandens hastighet i forhold til radaren beregnes. Noen radarer som sender ut kontinuerlig stråling bruker dopplerforskyvningen for å unngå at mottakerkretsene skal «oversvømmes» av signaler. Kretsene er konstruert slik at de overser alle ekko in­ nenfor et smalt frekvensområde rundt frekvensen til den utsendte strålingen. Dermed vil de bare oppdage gjenstander som beveger seg hurtigere enn en bestemt, valgt hastighet. Slike radarer brukes i mange systemer for å oppdage fly og til landingskontroll, der ekko fra et fly som flyr lavt kunne bli borte blant ekkoene fra faste gjenstander, som bygninger og åser.

▼ Seasat hadde en syntetisk apertureradar som gjorde det mulig å oppta bilder av den typen som ses under og som har en sterk relieffvirkning. Overflatens ujevnhet ble målt ut fra tap i signaistyrke på grunn av spredning, og plottet mot posisjonsdata ved bruk av dopplereffekten.

Havobservasjoner fra satellitt 11978 ble satellitten Seasat skutt opp for oseano­ grafiske forskningsformål. Et av dens instrumenter var en radarhøydemåler. Den målte havets refleksjonsevne, bølgehøyder og havets midlere høyde midlet over et stort nok område til å få bort uønskete ujevnheter. Hovedoppgaven var å kartlegge havbunnens topografi ved å måle avvik i havoverflatens form. Undervannsfjell har et sterkt gravitasjonsfelt slik at vannet «hoper seg opp» over dem. Det motsatte skjer overgroper og renner. I de 106 døgnene Seasat var i drift sendte den tilbake data fra 60 millioner målinger, med målenøyaktigheter på 10 cm. Det var ikke enkelt å omgjøre Seasats data til brukbar informasjon. Blant annet måtte man ta hensyn til at Jorden ikke er perfekt kuleformet. Dessuten gikk satellitten i en avlang bane slike at høydestigning og - fall måtte måles ut fra dopplerforskyvning av radars/gnalene for at datamaskinen om bord kunne gjøre de nødvendige korreksjoner. For å lage et kart, måtte data tatt til ulike tider settes sammen. Mønstre som endret seg, som vind og tidevann, måtte elimineres ved å bruke gjentatte ob­ servasjoner av de samme stedene. Ut fra kjente dybdemålinger kunne så variasjoner i havoverflaten brukes til å lage et kart over havbunnens topografi. I Europa bygges nå havovervåkningssatellitten ERS-1. der Norge har store interesser.

82 Med kjernemagnetisk resonans kan fordelingen av enkelte grunnstoffer i et legeme kartlegges.

Ringmagnet

Kjernemagnetisk resonans Metoden kalt kjernemagnetisk resonans ble utviklet i løpet av 1970-årene for å kunne bygge opp bilder av det myke vevet i men­ neskekroppen uten å matte føre gjenstander inn i den. Denne me­ toden har sitt opphav innen kjemiske analyser, og brukes også til ikke-destruktive undersøkelser innen industri. Gjenstanden som skal undersøkes, plasseres inni en stor, sylin­ derformet magnet med et meget kraftig magnetfelt. Istedenfor å bruke røntgenstråling som kan skade vev, rettes ufarlig radiostrå­ ling med høye eller svært høye frekvenser mot gjenstanden. Det sterke, ytre magnetfeltet får visse atomkjerner i gjenstanden som undersøkes, til selv å opptre som små magneter. Dette får dem til i forskjellig grad å absorbere radiostrålingen. Evnen de har til å gjøre dette, kalles «resonans». Når så radiostrålingen slas av, sen­ der atomene selv ut radiostråling. For en gitt frekvens vil resonanshyppigheten variere fra et grunnstoff til et annet. Hydrogen har en særlig sterk resonans. Ved å endre frekvensen på radiostrålingen som sendes inn, kan man få et bilde av hvordan ulike grunnstoffer som hydrogen, natrium, kalium og karbon fordeler seg i et tverr­ snitt gjennom gjenstanden. En datamaskin leser av styrken på sig­ nalene fra hvert punkt gjennom gjenstanden, og lager et bilde der forskjellige intensiteter tildeles ulike farger. Kjernemagnetisk resonans brukes også til ikke-destruktive un­ dersøkelser av stoffer som inneholder organiske kjemikalier, som plastmaterialer og oljer. Teknikken er ennå bare på forsøksstadiet, men en interessant og lovende anvendelse er å bruke den til å overvåke oljestrømmen gjennom motorer som går.

▲ I utstyr for kjernemagnetisk resonans, som denne kroppssveiperen, kontrolleres radiostrålingens frekvens med radiospoler og feltstyrken med magnetspoler rundt gjenstan­ den som undersøkes. Dette oppsettet gjør at operatøren kan isolere de vanligste grunn­ stoffene i vevet som studeres, og se sma variasjoner i kon­ sentrasjonen av dem.

Radiospole

▼ Det engelske krigsskipet «Mary Rose» fra 1500-tallet ble hevet i 1982 og kjernemagne­ tisk resonans brukt for å overvake inntrengningen av konserveringskjemikalier i treet. Tilstedeværelsen av hydrogen (og dermed vann) viser områder i trerestene som er forringet, og ses på dette tverrsnittet. Hvitt angir størst intensitet.

Fotografering De første fotografiene... Høyhastighetsfotografi... PERSPEKTIV... Kronologi... Bildeomformeren... Fargefotografering... Speilreflekskameraet

Den britiske fysikeren William Fox Talbot oppfant negativ-positiv-prosessen. Hans kalotypi var en prosess der et positivt bilde ble laget på lysfølsomt papir fra et negativ.

Allerede de gamle grekere visste hvordan de skulle få til å danne et bilde. Ved å bruke camera obscura kunne bildet av et fjernt objekt projiseres gjennom et lite hull og dannes på veggen i et mørkt rom. Da viste det seg å være mye vanskeligere å få laget et perma­ nent bilde. Den franske offiseren Nicéphore Niépce (1765-1833) prøvde i over 10 år å finne en prosess som kunne holde på bildet - og i 1826 lyktes han endelig. Historiens første kjente, bevarte fotografi ble tatt gjennom vinduet i familiens hjem i Chalon-surSane nær Beaune, og viste noen av nabobygningene. Bildet ble registrert på en tinnplate, noe som krevde en eksponeringstid på 8 timer. I 1829 slo Niépce seg sammen med en annen franskmann, Louis Jacques Mandé Daguerre (1789-1851). Sammen greide de å få bil­ dene sine på glassplater, men det var først etter Niépces død i 1833 at Daguerre greide å øke platenes lysfølsomhet så mye at han kunne fotografere et menneske. Disse forsølvete kobberplatene, som kalles daguerreotypier, ble behandlet med kvikksølvdamp for å få frem bildet, som så ble fiksert med salt. Etter at William Fox Talbot (1800-1877) i 1839 hadde utviklet negativet, ble det mulig å lage flere kopier av samme bilde, papir­ bilder. Portrettfotografering var naturligvis tidlig et kommersielt mål. Det første profesjonelle studioet ble åpnet i New York i 1840. Det hadde store speil som belyste personene med reflektert sollys, og fire minutter var en vanlig eksponeringstid. For de som ble foto­ grafert, var nok dette en heller ubehagelig opplevelse. Lyset var sterkt og det var nødvendig med støtter for både hode og kropp. ▲ Våtplateprosessen, som ble sterkt forbedret av Frederic Scott Archer i 1851, ble raskt mer populær enn kalotypi og daguerreotypi ved å kombinere kopierbarhet med god kvalitet. Siden den kollodiumdekkete glassplaten måtte eksponeres våt, måtte en omreisende fotograf ta utstyret med seg. Det bærbare mørkerommet ble fraktet i en koffert.

◄ Med de lange ekspone­ ringstidene som til å begynne med krevdes, måtte personer som ble fotografert, stå helt i ro. På dette bildet Daguerre tok av Boulevard du Temple i Paris i 1833, er det med en mann som får pusset skoene sine. Han stod i ro lenge nok til å bli med på bildet, og ble dermed det første menneske som noen gang ble fotogra­ fert.

84 Kronologi 1725 Johann Heinrich Schulze oppdaget at sølvnitrat har visse lysfølsomme egenskaper 1802 Thomas Wedgewood i Stor­ britannia greide å lage ufikserte avtrykk ved hjelp av lysets virkning 1816 Joseph Nicéphore Niépce registrerte i Frankrike negative bilder på papir 1826 Det første fotografiet ble tatt

av Niépce på polerte tinnplater 1835 Det første fotografiske negativ ble laget av William Henry Fox Talbot 1839 To viktige fotografisk prosesser ble utviklet: Louis Daguerres daguerreotypiet som brukte forsølvete kobberplater, og Fox Talbots kalotypier, en negativpositiv-prosess

1851 Våtplateprosessen ble oppfunnet av F. Scott Archer 1853 Tørrplatene innført 1884 Ortokromatiske plater ble innført, der det ble brukt emulsjon følsom for lys av ulike bølgeleng­ der 1888 Eastman Kodak laget den første rullefilm 1889 Eastman Kodak lanserte film

laget av celluloid og dekket med sølvbromid 1891 Bevegelige bilder innført med kinetoskopet, som ble utviklet av de to amerikanerne Thomas Edison og William Dickson 1891 De første permanente farge­ fotografiene ble laget av Gabriel Lippmann 1892 Presisjonskameraet «Foto-

zzz Høyhastighetsfotografering For å kunne studere hendelser som foregår for raskt til å kunne ses med øyet «fryse» de raske bevegelsene på film, trengs det spesi­ alutstyr. Fordi lyset faller på filmen bare i et kort tidsrom, må belys­ ningen av fenomenet ha høy intensitet, og det må brukes en utløsermekanisme som kan koordinere eksponeringen med hendelsen som skal fotograferes. Vanlige, moderne kameraer med korte lukkerhastigheter og me­ get lysfølsomme filmer kan på en effektiv måte «fryse» normale bevegelser. En forholdsvis god tennisspiller kan med et slag gi bal­ len en hastighet på rundt 160 km/t. På et bilde fra et vanlig kamera som fotograferer med en lukkertid på ett tusendels sekund, der spilleren er omtrent 5 cm høy, vil ballen ha beveget seg 1 mm i løpet av eksponeringen. Hvis bildet av ballen har en diameter på 2,5 mm, vil den tre klart frem, men vil være uskarp. På mange områder innen teknikk og vitenskap, særlig innen materialviten­ skap, trengs det bilder som er langt skarpere og av bedre kvalitet enn dette. For a kunne undersøke hvordan en golfball deformeres idet den treffes av køllehodet, eller hvordan en sprekk brer seg gjennom et stykke glass, eller hva som skjer med en stålkule når den treffer en stålflate, må eksponeringstiden være mye kortere. Det samme gjelder når man prøver å fotografere utviklingen i de første tusendels sekundene av en kjernefysisk eksplosjon. I vanlige filmkameraer flyttes filmen frem i rykk, og lukkeren åpner seg bare idet filmen står stille. De stadige akselerasjonene sliter på bade filmen og mekanismen som trekker den frem. Denne teknikken kan derfor ikke brukes til å ta flere enn rundt 1000 bilder per sekund. Spesielle høyhastighets filmkameraer trekker filmen frem i en kontinuerlig, ikke rykkvis, bevegelse, og et roterende prisme brukes for å flytte bildet i takt med filmen under ekspone­ ringen. Med denne metoden kan man komme opp i 10 000 ekspo­ neringer per sekund, selv om et magasin med 30 m film brukes opp på et halvt sekund. Slike kameraer kan selvfølgelig ikke utløses for hånd. Vanligvis brukes selve hendelsen som utløser. Hodet pa en golfkølle som svinges kan for eksempel bryte en lysstråle og aktivisere en elektronisk bryter idet køllen nærmer seg ballen. De raskeste mekaniske kameraene bruker et roterende speil. Pa et speil dannes et bilde som via en rekke faste linser overføres til en stillestående film montert i en bue omtrent 1 m fra speilaksen. Kameraet kjøres i gang i et mørkt rom til speilet når full hastighet. Hendelsen som skal registreres, startes samtidig med et xenon lynlysrør (blitz). Lynlysrøret blinker så hurtig at lyset er slokt før speil­ bildet passerer over filmen for andre gang. På slike maskiner kan speilet ved hjelp av en luftturbin komme opp i 20 000 omdreinin­ ger per sekund. Lyset kan krysse 25 linser, som hver gir et 25 mm stort bilde, i løpet av bare fem milliondels sekund. Denne teknikken er meget nyttig til for eksempel å studere eksplosjoner. For å kunne studere hurtige bevegelser, må et lynlysrør sende ut mange lysblink hvert sekund. I en slik innretning, som kalles et stroboskop, brukes elektriske felter til å utløse gnister av 10 ns (10 x 10 9 s) varighet. Det skjer med en frekvens på 20 000 gnister per sekund. Slike lamper kan brukes sammen med høyhastighetskameraer og gi svært skarpe bilder av gjenstander i bevegelse, eller de kan brukes til å gjøre kontinuerlige observasjoner av fenomener som syklisk gjentas.

Jumelle» konstruert av Jules Carpentier 1894 Første anvendelse av høyhastighetsfotografering av EtienneJules Marey i Paris 1900 Det billige Kodak-kameraet Brownie lansert 1904 Pankromatisk emulsjon utviklet (følsom for lys av alle farger)

____ —

Bildeomformeren Den raskeste av alle slags fotografiske kameraer er bildeomformeren, der lyset danner et bilde på en fotokatode, en flate som sender ut elektroner når lys treffer den. Disse akselereres og fokuseres på en annen flate som er dekket med et materiale som sender ut lys når elektroner treffer den. Denne flaten kan i praksis ses på som en slags liten fjernsyns­ skjerm der bildet dannes. Et vanlig kamera, som ofte bruker polaroidfilm, registrerer dette andre bildet. Ved å avbøye elektronstrålen kan påfølgende bilder plasseres på ulike steder på sluttbildet. Tiden mellom hvert bilde kan komme ned i 1 ns, noe som svarer til å kunne ta én milliard bilder hvert sekund. En nyttig egenskap ved bildeomformerkameraet er at når elektronene akselereres fra fotokatoden, tilføres de energi slik at de kan frigi flere fotoner til sluttbildet enn det kom inn til det første bildet. Denne forsterkningen er viktig på grunn av de svært korte eksponeringstidene. Bildeomformerkameraer brukes derfor ofte med et ekstra mellomtrinn, en bildeforsterker som gir en stor økning i lysstyrken til sluttbildet.

FOTOGRAFERING

1907 Autokrommetoden ble utviklet av de to brødrene Lumiére, og var første fargefilm som ble markedsført 1924 Leitz laget det første vellykkete kommersielt tilgjengelige 35 mm-kamera, presisjonskameraet Leica 1925 Første lynlys utviklet 1928 Rolleiflex, første toøyde

speilreflekskamera for rullefilm fra Franke & Heidecke 1932 Første brukbare fotoelektriske lysmåler ble utviklet 1932 Høyhastighetskamera brukt for første gang med et roterende prisme 1934 Bilderøret, forløperen for bildeomformeren, oppfunnet 1936 Kodachrome, første kommer­

◄ Stroboskopbilde av tennisspiller som server Anode--------------

sielle fargefilm med tre emulsjonslag, lanseres 1937 Første enøyde speilrefleks­ kamera, det tyskproduserte Exakta 1939 Harold Édgerton laget første elektroniske lynlys 1942 Agfa og Kodak lanserte første rullefilm i farger 1944 Kamera med roterende speil brukt for første gang

1947 Amerikaneren Edwin Land oppfant polaroidprosessen for pa­ pirbilder der fremkallingen foregikk i selve kameraet umiddelbart etter at bildet var eksponert 1963 Kodak Instamatic film for øyeblikkelige fargebilder 1972 Polaroid-Land lanserte det første speilreflekskamera for øyeblikksfilm

85

1976 Canon innførte automatisk eksponering styrt av en mikropro­ sessor 1978 Konica lanserte første kamera med autofokus for auto­ matiske avstandsmåling 1982 Sony lanserte et helelektronisk kamera 1982 Polaroids lysbildefilm for øyeblikksbilder lansert

▲ Denne bildeserien av en pil som flyr gjennom en ballong fylt med vann, ble tatt med elektronisk lynlys der hvert blink varte ett milliondels sekund. Lysrør fylt med xenongass som brukes til a ta slike bilder, ble utviklet av Harold Édgerton (født 1903) på slutten av 1930-tallet.

Lukkerplater

Blenderåpning

Avbøyningsplater

i

------

Elektronstråle

Bildeomformerrør Fosforskjerm

.Søker

Polaroidkamera

Utløser

Strømtilførsel

◄ En gjennomskåret tegning av et bildeomformerkamera. Det brukes blant annet til å observere hva som skjer når granater treffer panserstal. Akustiske eller fiberoptiske utløsere koordinerer belysnin­ gen og kameraopptaket.

86

Fargefotografering En fotografisk emulsjon er en blanding av halogensølvkrystaller utrørt i gelatin som er lagt på en base av gjennomsiktig celluloseacetat. Moderne fargefilm har tre emulsjonslag oppå hverandre. Hvert lag er følsomt for lys / de tre grunnfargene - rødt, grønt og blått. Ved å blande ulike mengder av disse fargene, kan man lage samtlige farger på fargekartet. Under eksponeringen påvirkes krystallene av lys som faller på dem. Jo mer intenst lyset er, jo mer påvirkes krystallene og det dannes et latent bilde. Filmen legges så i en fremkaller som reduserer halogensølvet til svart, metallisk sølv. Bildet blir deretter gjort permanent ved en fiksering. Bildet er svartest der lyset var sterkest, og er således et negativ. For fargelysbilder reagerer fremkallervæsken med fargedannende kjemikalier i emulsjonen og lager farger. Fargene som lages i hvert lag er «komple­ mentære» til grunnfargene i negativet i en grad som svarer til den mottatte lysmengden. Områdene med minst farge i hvert lag svarer til de lyseste delene av akkurat den fargen. I dette tilfellet lages alle andre farger ved å subtrahere istedenfor å addere farger - cyan (blågrønt), magenta (blårødt) og gult. Det vil si at der originalfargen var blå, er ikke komplementærfargen på filmen gul, bare magenta og cyan vises. Når lysbildet skal betraktes og lys sendes gjennom det, absorberer magenta- og cyanlagene sine komplementærfarger rødt og grønt, slik at den opprinnelige blåfargen blir igjen. På samme måte kommer røde og grønne områder frem.

► Før rullefilmen ble oppfunnet og utviklet, prøvde man a forbedre kollodiumprosessen. I dette kameraet fra 1865 ble glassplaten fremkalt inni selve kameraet ved å føre inn kjemikalier gjennom kulen på toppen.

▼ I speilreflekskameraet projiseres bildet på en plate i søkeren ved hjelp av et bevegelig speil og et pentagonprisme. En lysmåler måler lysmengden i motivet. Ved å regulere blenderåpning og lukkerhastighet kan man kontrol­ lere lysmengden som treffer filmen. Når utløseren trykkes ned, vippes speilet opp og filmen eksponeres.

Lynlysrør

Batteri

Elektronikk til automatisk lynlys

Speilreflekskameraet Strømforbindelse Tilbakespolingsarm

Lynlyskontroll

Innstilling av filmhastighet

------------- Pentagon prisme

Panel med flytende krystaller _

----------------------- Lysmåler

Lysmåler for lynlys

Blenderring Irisblender

Kontrollpanel for mikrodatamaskin Innstilling av data som kan fotograferes inn på bildene______

Fokuseringsring

Telleverk___________

Knapp til filmfremtrekk

Motorisert filmfremtrekk

Batteri

Speil

Bakre linsegruppe

Fremre linsegruppe

Opptak på bånd og plate Registrering av elektriske signaler... Videoopptak... Mikrofoner og høyttalere... Påtvunget resonans... PERSPEKTIV... De første lydopptakene... Kronologi... Videokameraet... Vidikonrøret... Lagring av lyd på bånd og plate... Mono, stereo og Dolby stereo... Studiokonsoller

Sent på 1800-tallet begynte elektrisk lagring å overta etter mekani­ ske opptak. Senere elektroniske oppfinnelser utover i vårt århundre har vist at teknikker som opprinnelig ble utviklet for å lagre og gjenskape lyd, med små modifikasjoner også kan brukes for bilder. Et akustisk eller synlig signal ankommer en detektor (en mikro­ fon for lyd og et kamerarør for bilder) der signalet omgjøres til en elektrisk strøm. Informasjonen videreføres i strømpulsen ved å variere styrke og frekvens, og kan bevares ved enten å etterligne disse variasjonene elektromagnetisk (analoge opptak) eller ved å omforme informasjonen til en serie binærkoder (digitale opptak). Til begge teknikkene kan det benyttes magnetiske bånd eller plater. Et bevegelig bilde inneholder selvfølgelig langt mer informasjon per sekund enn det lyd gjør, og medfører derfor mange praktiske problemer. Lagringsprinsippene (videoopptak) er imidlertid nøyak­ tig de samme i begge tilfellene. Fra elektronikkindustrien er det kommet mange nye produkter som er blitt lettere å betjene og som gir bedre lydkvalitet enn før, og nye prinsipper er innført. Blant eksemplene som kan nevnes er kassetter, digitalisering, Dolby støyreduksjonsystem og kompakt­ plater. Alt dette er også tatt i bruk til videoopptak, til tross for problemene med å pakke sammen det kompliserte utstyret som trengs til et produkt som er billig nok for hjemmemarkedet. Vi er bare så vidt i ferd med å øyne konsekvensene av dette: Heldigitale lyd- og bildesystemer, som benytter samme bånd eller kom­ paktplate, kan spilles av gjennom digitale forsterkere og høyttalere og også gi fjernsynsbilder med høy oppløsning.

▲ Poulsens telegrafon gjorde opptak på en magnetisk tråd.

Utviklingen av lydopptak De første forpostfektningene i den teknologiske striden mellom opptak på bånd eller plate fant sted under de aller første forsøkene på å lagre lyd, i 1877. Den amerikanske oppfinneren Thomas Alva Edison (1847-1931), en av tidenes mest produktive, arbeidet da med et instrument som skulle gjenta meldinger sendt i morsekode via telegraf. Mens han brukte en rull vokspapir der meldingen ble skrevet inn med en stift, la han merke til at om han dro en inngravert rull forbi stiften, ga den en tone. Det slo ham at kontrollert bruk av stiften kunne gjøre det mulig for ham å lagre de tonene han ønsket, og når som helst spille dem av. Det var nettopp dét Edisons fonograf gjorde. I sin tidligste form fulgte stiften en spiralformet rille på en valse med tinnfolie, og lyden ble lagret som ujevnheter i rillen. Ujevnhe­ tene ble laget ved å snakke mot en membran hvis bevegelse ble overført til stiften. Under avspilling satte stiften membranen i bevegelse. Innholdet av Edisons to første opptak er vel kjent. Ved første forsøk kunne ordet «heilo» så vidt høres, fra det andre kunne ordene «Mary had a little lamb» skjelnes. 11899 hadde dansken Valdemar Poulsen (18691942) klart et konkurrerende system. Også han benyttet en valse, men surret ståltråd rundt den. En elektromagnet som kunne gli langs en stav parallelt med valsens akse, stod i kontakt med tråden og fulgte den etter hvert som valsen roterte. Strøm fra en mikrofon regulerte feltstyrken på elektromagneten som magnetiserte ståltråden i takt med strøm­ styrken. De samme delene ble brukt til avspilling. Bevegelsen av den magnetiske tråden gjennom magneten induserte en strøm i hodetelefoner som gjenga den opprinnelige lyden. Fra disse innretningene til Edison og Poulsen utviklet det seg to ulike syn på hvordan opptak skal gjøres. Nesten helt frem til i dag har det vært diskutert om man skal basere lydopptak på den fysiske bevegelsen aven stift i en rille, eller på strømmer som induseres i en elektromagnet av et magnetisert medium i bevegelse. I våre dager ser det imidlertid ut til at etterkommeren etter Edisons plater, nemlig vinylplaten, er i ferd med å forsvinne for å erstattes av kompaktplater basert på optiske prinsipper. ◄ En sliten Thomas Edison poserer sammen med sin fonograf etter fem døgns kontinuerlig arbeid med å forbedre den. Navnet dens ble brukt på opptaksutstyr i lange tider etter at valsesystemet ble erstattet med en plate.

88 Kronologi 1830 Franskmannen Léon Scott oppfant fonoautografen 1877 Amerikaneren Thomas Edison og franskmannen Charles Cros oppfant uavhengig av hverandre fonografen, den første såkalte «snakkemaskinen» 1877 Emile Berliner tok patent på mikrofonen, etter at prinsippene om «variabel motstand for en løs

kontakt» var utredet året før 1885 Grafofonen demonstrert for første gang av Alexander Bell og Charles Tainter 1888 Emile Berliner demonstrerte grammofonen 1897 Første grammofonplater laget av svart skjellakk 1889 Med telegrafonen, laget av dansken Valdemar Poulsen, ble de

første magnetiske lydopptak foretatt 1901 Emile Berliner lanserte en svart plate med spiralrille, lydvibrasjonene ble registrert som sidelengse ujevnheter 1917 Amerikaneren E. C. Wente lanserte den første kondensatormikrofonen 1917 Magnetiske opptak ble

Videoopptak En stor fordel med bånd fremfor plater er at bånd kan brukes til opptak hjemme. På et lydbåndopptak der det benyttes konvensjo­ nelt utstyr, styrer et forsterket elektrisk signal en elektromagnet i opptakshodet. Magnetfeltet fra dette endrer magnetiseringen av jernoksidpartikler i båndet. Styrken på magnetfeltet varierer i takt med styrken på lydsignalet som treffer mikrofonen, og gjør det på denne måten mulig å registrere en kopi av lydsignalet på bån­ det. Bruk av et viskehode som avmagnetiserer båndet, gjor at det kan brukes om igjen. Under avspilling vil det nye magnetfeltet på båndet starte en motsatt prosess, der det induseres en strøm i avspillingshodet som via en forsterker overføres til høyttalere. De lydsystemene som gir en mest naturtro gjengivelse, er de som kan lagre lyd over et størst mulig frekvensområde. En bånd­ bredde på 20 kHz er omtrent det største man kan greie. Et fjern­ synssignal i svart-hvitt tilsvarer at omtrent 150 slike kanaler brukes samtidig, mens et fargesignal tilsvarer rundt 275. Utviklingen av videoopptakere for hjemmebruk har derfor krevd betydelig mer avansert utstyr. I midten av 1950-årene demonstrerte British Broadcasting Corpo­ ration (BBC) sitt Vision Electronic Recording Apparatus (VERA). Der ble bånd fra store spoler med høy hastighet ført forbi en rekke fastmonterte opptakshoder. Denne metoden for videoopptak ble nesten umiddelbart forbigått ved at American Ampex Corporation lanserte roterende opptakshoder. Et 5 cm bredt bånd ble i sakte fart ført forbi en valse med fire videohoder som foretok 250 omdrei­ ninger hvert sekund. Hvert hode sveipet over båndet på tvers, mens det «skrev» omtrent 16 svakt hellende linjer med bildedata før det byttet til neste hode. Dette systemet, som gikk under beteg­ nelsen Quadruplex, ga bilder med meget høy kvalitet. Størrelsen og prisen på det, samt de store mengdene band det trengte, gjorde det imidlertid ubrukelig til hjemmebruk. Hjemmevideoen ble en realitet med utviklingen av en ny sveipeteknikk i 1959. Båndet føres her på skrå rundt den roterende valsen på en slik mate at de to videohodene skriver på skrå over båndet. En valse som bare gjorde 25 omdreininger per sekund og bruk av et standard, 12,65 mm bredt bånd, førte til en betydelig reduk­ sjon i båndmengden som trengtes. Denne forbedringen gjorde at Philips i 1972 kunne lansere videokassettspilleren. Neste mål var å fjerne styresporene mellom videosporene, slik at båndforbruket kunne reduseres ytterligere og forlenge spilleti­ den. Ved en ny teknikk som ble utviklet på 1970-tallet, ble nabospor lagt side ved side, men med litt ulike vinkler mot hverandre. Forstyrrelser mellom sporene ble eliminert ved at hodene bare leste sine egne spor. Mens videospillere til hjemmebruk blir stadig vanligere, fortset­ ter den tekniske utvikling, blant annet med lanseringen av systemer med mulighet for stereoopptak og små videoopptakere som bruker 8 mm brede bånd. Det neste viktige skrittet vil være å ta i bruk digitale opptaksteknikker. I et system utviklet av Sony, er hver av de 525 eller 625 linjene i hvert fjernsynsbilde delt opp i 720 bildeelementer. Hvert bildeelement er gitt en kode på 8 binære biter (med noen ekstra biter for feilkorreksjon). Med denne hastig­ heten må det lagres 216 millioner biter hvert sekund, og det er nesten ingen forringelse av bildekvaliteten.

forbedret da W. Carlson og G. Carpenter tok patent på en ny teknikk som ga et bedre signal og mindre støy 1925 Elektriske opptak innført der lyd opptas med mikrofoner, gjøres om til en elektrisk strøm og videre til en mekanisk registrering på en originalplate 1929 Fritz Pfleumer i Tyskland

▲ Kassettbånd, som brukes i utstyr for bade lyd- og video­ opptak, inneholder en rekke spoler som fører bandet forbi opptakshodene med hastighe­ ter rundt 2 cm/s.

utviklet et plastbånd belagt med magnetiserbart materiale 1932 Knapphullsmikrofonen utviklet 1933 Alan Dover Blumlein gjorde de første stereoopptak; to lydspor registreres i en og samme rille på grammofonplaten og avspilles med én stift og to atskilte kanaler med hver sin forsterker

▼ Et utsnitt av et videoband viser det diagonale mønsteret til videosporene, hvert med en bredde på rundt 25 mikrometer. Lydsignalene ligger øverst på båndet.

OPPTAK PÅ BAND OG PLATE

1930-årene Elektriske motorer til å drive platetallerken 1935 Magnetofonen, som ble utviklet i Tyskland, ble den første kommersielle båndopptaker som brukte nye, magnetiserte plastbånd, nemlig jernoksidbånd utviklet av AEG og I. G. Farben 1948 Columbia Records lanserte 30 cm langspillplater (LP-plater)

var laget av vinyl og roterte med 33 1/3 rpm 1949 RCA lanserte 17,5 cm, plater som roterte med 45 rpm 1950-årene Hi-Fi-systemer ble utviklet og meget populære 1956 Ampex demonstrerte opptak på videobånd 1958 Et standard, felles system for tokanals stereo til LP-plater lansert

.------ -

1959 Toshiba lanserte en ny og forbedret videoopptaker 1960-årene Transistorer ble i stadig større grad tatt i bruk i for­ sterkere 1963 Philips lanserte lydbåndkassetter 1967 Dolby-systemet for støyreduksjon ble lansert av R. M. Dolby i USA og ga bedre lydgjengivelse

1971 Kvadrofoniske lydsystemer ble lansert 1972 Philips lanserte den første videokassettspiller til hjemmebruk 1978 3M lanserte bånd med rene metallpartikler for å få bedre høy­ frekvent lyd 1980 Små, bærbare båndspillere, kalt Walkman eller lommedisko, lansert i Japan av Sony

Justerbar elektronisk søker

Båndrull--------

Mottakerspole

Utsprettknapp

Mikrofon

Zoomkontroller

89

1983 Philips og Sony lanserte såkalte kompaktplater for digitale lydopptak 1986 Den japanske elektronikkgiganten Sony lanserte, i samarbeid med andre, Digital Audio Tape (DAT), et lydbåndsystem der lyden lagres digitalt, noe som ga langt bedre lydgjengivelse enn hva som før var mulig

◄ Et moderne videokamera inneholder en rekke opptaks­ teknikker i samme kompakte enhet. På denne gjennomskårne tegningen ser vi kameraet bruker en infrarød stråle for å fokusere objektivet automatisk. Mens lyd registre­ res med den påmonterte mikrofonen, fanges bildet opp av ett eneste vidikonrør. Dette omgjør lyset i bildet til et elektrisk signal av varierende styrke. Bildedataene sendes til videohodene som registrerer dem på et 8 mm bredt bånd. Noen videokameraer bruker nå såkalte charge-coupled devices, som består av en rekke bildeelementer på en plate.

Fremre linsegruppe

Viskehode

▼ I profesjonelt fjernsyn er det svært viktig med videoopptak av meget høy kvalitet. Her redigerer en tekniker en video på et studiokonsoll, med bruk av mikseenheter for lyd og bilde.

Valse med videohode Lydhode

----- Videobånd

Vidikonrør

Vidikonrøret Som i trykking, der et bilde gjengis på en side ved en mengde små punkter, registreres og gjengis et fjernsynsbilde ved hjelp av tusenvis av bildeelemen­ ter, som hvert angir lysstyrken i et lite område. En innretning for slike opptak er vidikonrøret. Et optisk bilde dannes på en plate dekket med et lysfølsomt materiale. Dette materialet har den nyttige egenskapen at dets elektriske motstand avtar når det faller lys på det. For hvert bildeelement utløser lyset et lite elektrisk signal. Disse forsterkes så og sveipes over av en elektronstråle som sendes fra en oppvarmet katode bak i vidikon­ røret og fokuseres med magnetspoler. I en omhyggelig koordinert prosess sveiper strålen over linje for linje av bildeelementer og dekker hele bildet på rundt 4/100 sekund. For å registrere et fargebilde, der både fargens metning og intensitet må måles, kan et videokamera ha tre vidikonrør, ett for hver grunnfarge, akkurat som et fjernsynskame­ ra. En annen mulighet er å ha flere målplater i ett og samme vidikonrør. I fargefjernsynskameraer er vidikonrøret erstattet av det mer lysfølsomme plumbikonet.

Vindu for autofokus

Fargefilter ----Glassplate ___

laget for fargekameraer med bare ett rør, deler et optisk filter målplaten opp i de tre grunnfargene.

90 Flerkanals opptak og avspilling kan redusere uønsket støy og forbedre lydkvaliteten.

Mikrofoner

► På dette diagrammet fra et opptaksstudio passerer lydkanalen fra hver mikrofon via en forsterker til en innretning (1) som kontrollerer styrken på signalnivået før det sendes videre til elektronikk (2) som deler signalene i høyre og venstre spor.

ibrerende membran Elektrostatisk felt

Lydbølger

Likestrøm

Kondensatormikrofon

▲ ► Under stereoopptak omgjøres lyder til enten analoge eller digitale elektriske signaler i to kanaler. Disse signalene lagres på originale bånd, plater eller kompaktplater som senere brukes til å lage kopier for salg. På en konvensjonell plate lagres lyddataene ved ujevnheter i veggene på en spiralformet rille. Disse registreres av stiften ved avspilling og omgjøres til elektriske signaler. I kassettbånd magnetiseres båndet i takt med lydsvingningene når det passerer et opptakshode. Ved avspilling induserer båndet via en omvendt prosess elektriske signaler. I alle tilfellene er de elektriske signalene svake og må forsterkes før de sendes videre til høyttalerne.

Opptaksstudioets kontrollrom Lydteknikeren i et opptaksstudio er etter hvert blitt like mye av en kunstner som utøveren, vokalisten eller instrumentalisten. Lydopptak krever teoretiske kunnskaper og praktiske evner innen både kunstne­ riske og tekniske områder. Mikrofoner har ulik kvalitet i måten de registrerer lyd på, en egenskap som kalles frekvensrespons, og forskjellig følsomhet for lyd fra ulike retninger. I opptaksstudioer bruker man mange mikrofoner slik at man kan velge den eller de som har den frekvensresponsen som er best, avhengig av opptakets art. Også retningskarakteristikken er viktig for å kunne minske innslagene av uønskete lyder og bakgrunnsstøy. For videre å minske støyen er studioer utstyrt med kon­ trollrom som brukes av produsenter og teknikere. Disse er atskilt fra hovedstudioet med lydisolerte vinduer. Opptak fra store grupper krever ofte bruk av flere mikrofoner - ofte minst én for hver utøver. Lyden fra alle disse mikrofonene eller lydkanalene tilpasses hverandre og blandes ved et spesielt konsoll. Akustikken i et studio er vanligvis litt «død» og kan justeres passivt ved bruk av paneler eller elektro­ nisk ved bruk av spesialkretser som endrer frekvensbalansen i de enkelte kanalene, eller forsterker bass eller diskant. For visse opptak kan det også være behov for kunstig ekko. Med moderne elektro­ nisk utstyr er det nå dessuten mulig å frembringe nesten en hvilken som helst lydeffekt.

Mikrofonen Mikrofoner er trykktransdusere; de omgjør trykkvariasjonene for­ bundet med lyd til et elektrisk signal. Noe som er felles for alle mikrofoner, er en komponent som beveger seg i takt med svingnin­ gene i lufttrykket som lyden forårsaker. I én type mikrofon er denne komponenten en metallspole som beveger seg i magnetfeltet fra en permanent magnet. Dette vil føre til variasjoner i magnetfel­ tets styrke, noe som igjen vil indusere en elektrisk strøm som vari­ erer i styrke i takt med lydsignalet. Svingespolemikrofoner er nå for de fleste formål blitt erstattet av kondensatormikrofoner. Slike mikrofoner brukes i dag i utstrakt grad i opptaks- og radiostudioer montert på forskjellige typer stativer. Den bevegelige delen i en kondensatormikrofon er en liten, tynn metallmembran. Den utgjør en del av en elektrisk kondensator, der den andre delen er en fast plate som hele tiden er påsatt en høy elektrisk spenning. Mens membranen vibrerer, varierer kondensatorens kapasitans og det produseres elektriske signaler som forsterkes før de sendes videre. Kondensatormikrofoner av denne typen kan lages nokså små, men følsomheten avtar med minkende størrelse. Knapphullsmikrofoner, små mikrofoner som vel de fleste har sett brukt under fjernsynsintervjuer, er også en type kondensatormikro­ foner. Her er ikke membranen laget av metall, men av en tynn plastplate som er dekket med en metallhinne på den ene siden. Den andre siden hviler mot en perforert, metallisk plate med man­ ge små forhøyninger som fungerer som støtter. Når membranen beveger seg, vil kapasitansen mellom den ledende hinnen og støtteplaten variere. Dette gir opphav til et elektrisk signal.

OPPTAK PÅ BÅND OG PLATE

Høyttaleren Høyttalere har nøyaktig den motsatte funksjonen av en mikrofon, nemlig å gjøre om elektriske signaler til lyd. En typisk høyttaler fungerer mer eller mindre på motsatt måte av en svingespolemikrofon. De innkommende elektriske signalene med spenning som vari­ erer i takt med styrken på det opprinnelige lydsignalet, sendes til en magnet som induserer en strøm i spolen (kalt talespolen eller svingespolen). Denne beveger seg og setter en tynn, kjegleformet pappmembran til å svinge og lage lydbølger. Som for mikrofoner er frekvensresponsen en meget viktig egenskap ved en høyttaler. Jo større membrankjeglen er, jo bedre egnet er den til å sende ut lavfrekvente lydbølger. Vibrasjonsmønsteret for en stor kjegle har imidlertid en tendens til å brytes opp for høye frekvenser. En god høyttaler av høy kvalitet består derfor gjerne av to eller tre separate kjeglemembraner av forskjellig størrelse: En stor høyttaler (basshøyttaler, «woofer»), en for middels høye frekvenser og kan­ skje en liten enhet for å gjengi høye frekvenser (en diskanthøyttaler eller «tweeter»). Effektiviteten et høyttalersystem sender ut lavfre­ kvente lydbølger med, kan økes betydelig ved å montere enhetene i en stor treplate og bygge den inn i et kabinett. En meget effektiv høyttalerkonstruksjon er den elektrostatiske. Den inneholder en meget stramt utstrukket, ledende plastmembran som er plassert mellom to perforerte, ledende plater. Når den mid­ terste membranen utsettes for strømvariasjoner, vil den konstante tiltrekningen mellom den og de ytre platene sikre at den forblir rett. Signaler fra forsterkeren som via en omformer sendes til de ytre platene, vil da generere en vibrerende bevegelse i membranen.

91

Mono, stereo og Dolby stereo Frem til 1950-årene ble de fleste lydopptak gjort fra én eneste mikrofon og avspilt gjennom høyttalere som ga nesten identisk lyd. Dette énkanalsystemet, også kalt monofonisk, kunne ikke gjengi den opprin­ nelige lyden særlig godt, siden all retningsinformasjon gikk tapt. Ved å bruke to mikrofoner plassert slik at de ga samme retningskarakteristikk som lytterens ører, blande signalene fra dem og sende lyden til venstreog høyrekanaler, kunne man oppnå et lydbilde som lignet mer på virkeligheten. Dette kalles stereofonisk opptak. Et tokanalsystem er nok for å oppnå en gjengivelseskvalitet som ligger nær virkeligheten. Flerkanalsystemer, som de utviklet av Dolby Laboratories, gir ytterligere muligheter. I Dolby-systemet, slik det brukes i noen kinoer, sendes flere kanaler, som hver dekker ulike deler av den opprinnelige lyden, ut gjennom flere høyttalere plassert rundt salen. Lytterne får da en følelse av å være «innhyllet» i lydfeltet. Denne teknikken gir en mere levende og virkelighetsnær lydgjengivelse enn med bare to lydkanaler. I opptaksstudioer og på mange bånd­ spillere brukes DoIbys støyreduksjonssystem på samme måte til opptak på flere kanaler. Lave, høy­ frekvente lyder kan isoleres og forsterkes slik at de fremheves fra bakgrunnsstøyen. Under avspillingen reduseres den lagrete lyden til sitt opprinnelige nivå, mens bakgrunnsstøyen reduseres enda mer.

92

Kunstig resonans Konstruktører av systemer for lydgjengivelse prøver å fa disse så gode som overhodet mulig. Den kunnskapen man har ervervet på dette området kan også brukes til å forbedre kvaliteten på «leven­ de» lyd. En nyttig anvendelse av opptaksteknikker finner vi i kon­ sertsaler med for dårlig naturlig etterklang. Etterklangen kan for­ bedres ved hjelp av systemer for kunstig resonans. I taket, sideog bakveggene i en sal kan man plassere skjulte høyttalere som sender ut lyd som er fanget opp av mikrofoner plassert andre ste­ der, forsterket og forsinket ved elektronikk. Da Royal Festival Hall i London ble åpnet i 1951, mente mange den hadde en for tørr og død akustikk. For å prøve å rette på dette, ble det installert et system for kunstig resonans. I taket er det montert over 100 mikrofoner og et kontrollrom inneholder en rekke forsterkere og elektronikk som kan forsinke lyden før den sendes ut til en rekke skjulte høyttalere i konsertsalen. Systemet har vist seg å være så vellykket at flere andre konsertsaler senere har fått installert lignende systemer, blant dem Neues Festspielhaus i Salzburg som ble bygd i 1960. Dette er en sal som benyttes til flere aktiviteter, som skuespill, operaer og konserter. Siden tale hø­ res best med et minimum av etterklang, ble Neues Festspielhaus bygd med en nokså død akustikk. Systemet for kunstig resonans kobles inn automatisk når det fremføres musikk.

System for kunstig resonans

◄ ▲ Systemet for kunstig resonans i Royal Festival Hall i London består av 168 enheter for lydgjengivelse. Hver enhet består av en mikrofon, en forsterker og en høyttaler. Den dekker et eget frekvensbånd på noen få hertz i den lavere delen av det hørbare spekteret, mellom 58 Hz og 700 Hz. Skjulte mikrofoner er plassert på steder i taket der lyden på den frekvensen de er følsomme for, er sterkest. De er innkapslet i såkalte Helmholtz-resonatorer som yt­ terligere forsterker lyden når de er justert til ønsket frekvens. I nyere systemer har man tatt i bruk datamaskiner til å kontrollere enhetene. Dette gjør systemet mer fleksibelt ved at det lettere kan omstilles for å gi best mulig virkning ved forskjellige typer musikk.

Digitale opptak Analoge og digitale opptak... Produksjon av kompaktplater... Fremhenting av informasjon... PERSPEKTIV... Videoplatenes historie... Digitaliseringsprosessen... Feilkorreksjon

L. __..... -.. ........................................ .............. ..... ....... ............

..

Lyd og bilder på bånd og plater har tradisjonelt vært registrert på en måte der dybden av en rille eller styrken av et magnetfelt har variert i nær overensstemmelse med variasjonene i styrken på lyd- eller lysstyrken i de forskjellige punktene i et bilde. Karakteri­ stisk for disse opptaksmetodene, som alle kalles analoge opptak, er at kopien blir bedre jo nærmere variasjonene i opptaket følger variasjonene i det opprinnelige lydbildet. Ethvert avvik på kopien vil imidlertid forvrenge det avspilte signalet. Under opptak, pro­ duksjon av bånd og plater og under avspilling vil forstyrrelser og støy forvrenge signalet og dermed også det lydbildet vi hører. Ét annet alternativ, som nå i økende grad tas i bruk både til å lagre lyd og data og i moderne telekommunikasjonssystemer, er å bearbeide dataene mens de registreres og deretter lagre dem i digital form. Signaler lagres, overføres og avspilles i form av binæ­ re siffer. Først i siste trinn i avspillingsprosessen omgjøres de til sin opprinnelige form. Dermed kan man fjerne mange av de feno­ menene som forvrenger signalet. En viktig egenskap ved denne teknikken er at mange feil, selv ganske betydelige feil, kan rettes opp under avspillingen. Dette krever at signalet behandles på spe­ sielle måter, men målet er at sluttsignalet skal være mest mulig likt det som opprinnelig ble registrert. De første spillerne for kompaktplater ble laget for å gi en nøyak­ tig gjengivelse av musikk. Likevel kan noen av dem også brukes til å gjengi videoopptak og hente frem data til datamaskiner. Disse spillerne er blant de mest avanserte som finnes til hjemmebruk. Målet for de som konstruerte dem, var en feilfri lydgjengivelse ikke i laboratoriet, men i folks hjem eller kjøretøy. Det er tre fundamentale egenskaper ved et kompaktplatesystem. For det første er lyden, som varierer kontinuerlig, lagret digitalt; signalet som avleses er eksakt likt det som ble registrert. For det andre er data om hver del av lyden lagret mer enn ett sted på platen. Dermed kan små feil under avlesningen oppdages og elimi­ neres når platen spilles. For det tredje er ikke platen i fysisk kontakt med avlesningshodet, som ikke virker på samme måte som en stift, men optisk ved at lys reflekteres fra platen. Opptak på videoplater Alt i 1926 brukte skotten John Logie Baird (18881946) en 78-plate for å ta opp fjernsynssignaler for senere avspilling, selv om bildene var av dårlig kvalitet, som datidens fjernsynsbilder. Tidlig på 1970-tallet gikk britiske Decca og vesttyske Telefunken sammen om å lage videoopptak i farger på langspillplater. Systemet ble kalt Teldec. Platene måtte imidlertid rotere raskt og slitasjen var stor. Følgen av det var naturligvis at hver plate fikk en forholdsvis kort levetid, og ikke kunne spilles så mange ganger før den var utslitt. Det bidro til at systemet aldri ble særlig utbredt. Like etterpå

▲ Konvensjonelle plater spilles ved at en diamantstift beveger seg langs en spiralformet rille. Ujevnhetene i rillen varierer avhengig av lyden som er lagret; jo mer ujevn rillen er, jo sterkere blir lyden. Stiften overfører vibrasjonene til hodet, som gjør dem om til elektriske signaler. En fordel med kompaktplatene, som avleses av en laser, er at de eliminerer den fysiske kontakten mellom den myke platen og stiften.

begynte konkurrerende systemer å opptre, blant dem Philips Laservision. Det var forløperen for kompaktplatene, og videoplatesystemer basert på stifter gikk ut av bruk. Til forskjell fra bånd, der man selv kan gjøre opptak, har kompaktplatene hittil hatt liten suksess. Fremtidige plater vil kanskje få et tynt, magnetiserbart lag som muliggjør hjemmeopptak. For tiden foregår en intens utvikling av kompaktplatesystemer. Utviklingen går i retning av systemer der både grafikk, bilder og data for datamaskiner kan legges inn og hentes ut via en skjerm, sammen med lyd til et tilkoblet stereoanlegg.

▲ Den skotske oppfinneren John Logie Baird tok under navnet Phonovision i 1926 patent på dette systemet for å gjøre opptak fra fjernsyn. Et dårlig bilde av motivet ble registrert av fotoceller gjennom en skive som ble sveipet frem og tilbake. Signalene ble så omgjort til lydsignaler og lagret på vanlig måte ved å skjære en rille inn i en skjellakkplate.

94 På en kompaktplate er 30 spor med data like brede som et menneskehår.

Digitalisering Det første trinnet i produksjonen av en plate er å lage et bånd der lyden er lagret digitalt. Lyden samples med 25 mikrosekunders mellomrom, noe som tilsvarer en samplingsfrekvens på 40 000 ganger per sekund, eller 40 kHz. Dette muliggjør en eksakt representasjon av lyder opp til 20 kHz, omtrent den øvre grensen for hva det menneskelige øre kan oppfatte. Ved hver sampling gis lydstyrken én av 65 000 verdier og beskrives ved 16 biter. Dette antall nivåer mellom svært lav og høy lyd, svarer igjen til begrensninger ved det menneskelige øre. Nøyaktigheten av et digitalt opptak er begrenset. Når signalstyrken haren verdi like over eller under de valgte nivåene, settes den til nærmeste nivå. Hvis signalstyrken svinger raskt, kanskje over flere nivå, vil variasjonene mellom samplingene ikke bli registrert. Ved å sample ofte og bruke mange nivåer, kan små variasjoner i signalet registreres. Det er imidlertid ingenting i opptaket som sier at det re­ konstruerte signalet må bygges opp på noen spesiell måte, for eksempel som rette linjer eller glatte kurver. Opptaket spesifiserer bare punktene i rutenettet og avspillingsenheten må ha en måte å forbinde dem på. På platen er dataene lagret binært, ikke desimalt. Mens det finnes 10 desimale sifre (nemlig sifrene 0 til 9), finnes det bare to binære sifre (nemlig 0 og 1). Hvert binære siffer kan slå signalet av eller på. Ved å bruke grupper på bare åtte biter til å lagre dataene, blir på denne måten signalrekken «31 1210 17» til «00011111 0000110000001010 00010001». Bitene kodes som små groper der en grop begynner eller slutter hver gang det skjer en endring fra 0 til 1 eller fra 1 til 0. Dette gir den følgen som er vist til høyre. Det endelige elektriske signalet må leses sammen med en tidsreferanse slik at antall nuller og enere i en følge kan bestemmes.

▲ Et alternativ til kompaktplaten når det gjelder lagring av digitale data, er videobånd. Her vises data fra et videobånd på en skjerm, der de hvite og svarte prikkene representerer binære sifre. Et videobånd har en båndbredde som er stor nok til å kunne lagre bilder. Det er imidlertid tungvint og dyrt å foreta kom­ mersiell massekopiering av slike bånd. Med plater kan hele programmer preges inn samtidig.

Digitalisering og opptak

Tidsreferanse

Produksjon av en kompaktplate Plateproduksjonen starter med en glassplate, som blir originalplaten som alle senere kopier lages fra. I svært rene omgivelser blir platen slipt og polert til den er så flat som mulig. Deretter dekkes platen med et med et meget tynt lag av et spesielt materiale. Dette er et plastmateriale som har visse kjemiske egenskaper som kan endres ved bruk av lys, og tykkelsen på laget kontrolleres med en nøyaktighet på 0,1 mikrometer. Områder som utsettes for lys, kan oppløses med kjemikalier og vaskes vekk, slik at ueksponerte områder forblir uendret. Signaler lagres i dette plastmaterialet ved bruk av en heliumneon-laser som går kontinuerlig og fokuseres på plasthinnen. Mens platen roterer, styres laseren fra nær sentrum av platen og utover til den ytre kanten. Rotasjonshastigheten varieres slik at den lineæ­ re hastigheten til lysflekken på platen er konstant. Signalet overfø­ res til platen ved hjelp av en akustisk bryter som endrer laserstrålens intensitet mellom høye og lave verdier i takt med lydopptaket fra originalbåndet innspilt i studio. Når plasthinnen er fremkalt og etset, har man fått en plate med en rekke groper langs et spiralformet spor. Formen på sporet er

DIGITALE OPPTAK

95

◄ ▼ Kompaktplaten ble utviklet i fellesskap av Philips og Sony. De ble i 1980 enige om en standard som gikk ut på at platen skulle ha en diameter på 120 mm, være 1,2 mm tykk og romme 74 minutter med opptak. På nærbildet av overflaten ses tydelig mønsteret av små groper som brukes for å kode dataene som er lagret.

lite oppsiktsvekkende, men størrelsene er imponerende: Den totale lengden på sporet er 5,7 km, helningen bare 1,6 mikrometer, bred­ den på furene 0,6 mikrometer og dybden 0,16 mikrometer. Omtrent 30 spor får plass innenfor bredden av et menneskehår. Originaler er for verdifulle til å brukes til pressing av plater for salg, så det lages først kopier. Originalen er dekket med et tynt sølvlag som gjør overflaten elektrisk ledende. Dermed kan et tykke­ re, hardere lag av nikkel legges på. Så lages en reversert kopi som i sin tur kopieres for å lage plater som brukes til a presse kopier for salg. Basematerialet i kompaktplaten er et polykarbonat som har stabi­ le optiske og mekaniske egenskaper og kan følge de små detaljene i originalen. Plastplaten lages ved sprøytestøping fra midten og utover. Dermed er feil mer sannsynlig nær kanten av skiven. For å minimalisere virkningene av uønskete effekter, er det på dette stadium meget kritisk at temperaturen kontrolleres nøye. Etter pressingen dekkes platen med et tynt lag aluminium for at den skal reflektere lys godt, før et beskyttende lag legges på ytterst. Fordi platen avleses gjennom basen, er de optiske egenskapene til beskyttelseslaget nokså uvesentlige.

■4 Disse forstørrete utsnittene viser trinnen i produksjonen av en kompaktplate ved sprøyte­ støping. Basematerialet er en glassplate dekket av et plast­ materiale (1). Med en laser brennes det inn et mønster i plastmaterialet (2) for å lage en original. Originalen gjøres mer robust ved å dekke den med tynne hinner av sølv og nikkel (3). Denne brukes nå til å lage en reservekopi (4). Plater til salg lages av et plastmateriale som støpes med en form (5) som lager en «positiv» plate (6). Den dekkes så med aluminium for å bli re­ flekterende og får til slutt et beskyttelseslag ytterst (7).

96 Kompaktplatespillere kan selv oppdage og rette feil under avspilling.

En plate avleses ved å sende en smal lysstråle ned mot dens over­ flate, og så måle hvor mye lys som reflekteres. Strålens diameter ved overflaten holdes omtrent lik bredden av en fure. Detektoren måler ikke styrken på lyset som reflekteres, men den tydelige en­ dringen i lysstyrke som inntreffer der strålen møter en overgang fra grop til jevn overflate og tilbake igjen. Målingene skjer gjennom platen. Linsen i laseren lager en stråle som med stor nøyaktighet løper sammen, konvergerer, ved furen. Området på platen der strå­ len treffer den, er derfor mange tusen ganger større enn ved furen der det måles. Av den grunn har støvpartikler på overflaten liten innvirkning på lyset som når detektoren. Det største problemet under konstrueringen av kompaktplatespilleren var å følge spiralen med dataene. Til det benyttes en elek­ tronisk innretning som registrerer spiralens posisjon og flytter et linsesystem slik at det følger spiralen. En annen kontrollmekanisme trengs for å regulere avstanden mellom spiralen og linsen, som har en meget kort brennvidde. Dette korrigerer for ujevnheter i platetykkelsen. Med nøyaktige mellomrom avleses de korrigerte signalene fra spillerens hukommelse, og omgjøres til en kontinuerlig varierende spenning som styrer forsterkere og høyttalere. Også her byr den digitale teknikken på visse fordeler. Drivverket for platen gir muli­ gens ikke signaler med en helt konstant hastighet. Hukommelsen som lagrer signalene for at de skal kunne korrigeres, fungerer også som et mellomlager slik at signalene strømmer ut derfra med nøy­ aktig samme mellomrom. Dermed elimineres problemene med «wow» og «flutter» som i en konvensjonell platespiller skyldes at drivverket går ujevnt. Til slutt blir de digitale signalene fra spilleren omgjort til spen­ ninger som variererer kontinuerlig og driver forsterkere og høytta­ lere. Siden de digitale signalene brått endres fra ett nivå til et annet, brukes et elektronisk filter for å glatte kantene slik at utsignalet får samme gradvise variasjon som det opprinnelige lydsignalet.

Strålegangen i laseren

◄ A En rekke speil brukes for å sende laserstrålen til en linse som sveiper langs spiralfuren og er fokusert på undersiden av den roterende kompaktplaten (som ses i et utsnitt til venstre). Linsen styres elektronisk slik at den følger spiralfuren. Hvis en lysstråle treffer en grop, spres den, mens hvis den treffer den jevne flaten mellom groper, sendes den tilbake samme vei og registreres av en detektor.

Feilkorreksjon Ethvert avspillingssystem gjør av og til feil. Stiften i rillen på en vanlig langspillplate følger ikke ujevn­ hetene i rillen helt nøyaktig, men lyden fra den vil være nokså lik originalen. I et digitalt system er det like sannsynlig med bitfeil i et stort som i et lite tall. Derfor er det viktig å holde feilfrekvensen under avlesning svært liten. På kompaktskiven lagres hvert signal flere ganger. Spilleren leser alle kopiene, sammenligner dem og bruker faktisk en flertallsavgjørelse for å velge det riktige. Dette gjør det mulig å bygge inn systemer for feilkontroll i en kompaktplatespiller som ikke er mulig i en konven­ sjonell platespiller. Feil skyldes som regel lokale lyter, kanskje på grunn av riper i beskyttelseslaget. Hvis signalet med en gang ble gjentatt på dataspiralen, vil dette sannsynligvis bare føre til en gjentagelse av feillesn/ngen. Derfor legges disse kopiene utover en betydelig del av spiralen. Spilleren leser dataene inn i en liten datamaskin som oppbevarer hvert signal til sammenligninger og korreksjoner er foretatt. Det korrigerte signalet sendes da videre. Hvis signalet er så ødelagt at det ikke kan rettes opp, sendes det enten ut null eller et middel av gode nabosignåler. Teknikkene for feilkorreksjon er så gode at riktig signal kan beregnes over et hull på 2 mm / dataspiralen.

Lasere og holograf i Hva er en laser?... Hologrammer og holografi... Anvendelser av lasere... PERSPEKTIV... Laserstrålen... Laserens opprinnelse

Laseren er en høyst uvanlig lyskilde. Til forskjell fra andre sterke lyskilder, som Solen eller lynlyset til et kamera, konsentrerer lase­ ren all sin energi i et meget smalt bølgelengdeområde. Lyset fra den er monokromatisk - det har bare én eneste, helt ren farge. Det lyset laseren sender ut på sin bestemte bølgelengde, er langt mer intenst enn det som kommer fra noen annen lyskilde. Laserlys spres også svært lite. Laserstråler fra Jorden har bare en diameter på 1,6 km når de treffer måneoverflaten. Årsaken til at laserlys er så spesielt, finnes i måten det blir til på. Idet atomer hopper fra høye til lave energinivåer, sender de ut overskuddsenergi eller fotoner i form av endelige «strålingspakker» som kalles kvanter. Når de frigis tilfeldig, kalles det spontan emisjon (emisjon betyr utsendelse), noe vi daglig ser når lysrøret i en lampe sender ut lys. Hvis imidlertid disse fotonene treffer atomer med en overskuddsenergi som er like stor som fotonenes energi, kan også disse atomene stimuleres til å sende ut fotoner. Denne prosessen kalles stimulert emisjon og har den bemerkelses­ verdige egenskapen at det andre atomet vil sende fotoner med ek­ sakt samme bølgelengde og i nøyaktig samme retning som det opp­ rinnelige fotonet. Ved å rette et lys mot en krystall eller sende en elektrisk strøm gjennom en gass, kan det skapes en situasjon der det er flere ato­ mer som er i stand til å sende ut lys på én bestemt bølgelengde, enn det er atomer som kan absorbere det. Denne uvanlige situasjo­ nen kalles populasjonsinversjon. I starten sender noen atomer spon­ tant ut fotoner, og disse kan få andre atomer til å sende ut lys. Hvis det plasseres et speil i hver ende av krystallen eller glassrøret, vil lys som beveger seg langs aksen reflekteres tilbake inn i mediet og bli ytterligere forsterket. Hvis det ene speilet bare reflekterer en del av lyset, vil det komme en parallell lysstråle ut av det, nemlig en laserstråle. Ordet laser er en forkortelse for Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation.

Oppfinnelsen av laseren 11953 gjorde den amerikanske fysikeren Charles Hard Townes (født 1915) vellykkete forsøk med prinsippet om stimulert emisjon ved å forsterke mikrobølgestråling. Syv år etter at denne maseren ble oppfunnet, ble 15. mai 1960 historiens første laser prøvd i forskningslaboratoriet til Hughes Aircraft Company i California. Den var laget ved at en sylin­ derformet stav av rubidium var plassert inni en lynlyslampe. Rubidiumkrystallen absorberte energien i det hvite lyset fra lynlyset og omdannet det til en kraftig puls med rødt lys - historiens første laserpuls. Etter denne demonstrasjonen av at laserprinsippet fungerte, begynte man å lete etter andre stoffer som kunne brukes i en laser. 11961 ble den første gasslaseren bygd. Den brukte en blanding av edel­ gassene helium og neon (He-Ne). Gassene ble tilført energi ved å sende elektrisk strøm gjennom dem. Den røde He-Ne-laseren er nå vanlig i skolelaboratorier og i mange andre sammenhenger der en høyeffektslaser ikke er nødvendig. I de senere år er det også blitt utviklet en helium-neon-laser som sender ut grønt lys og markedsføres under betegnelsen «Gre-Ne». Ved bruk av den molekylære gassen karbon­ dioksid ble høyeffektslasere utviklet i 1965. Disse kan nå sende ut flere hundre tusen watt med infrarød stråling som lett kan skjære gjennom metall. Selv om det er funnet mange hundre stoffer som kan brukes i lasere, er det utviklingen av den regulerbare laseren som har gjort laseren til det alle­ stedsnærværende og uunnværlige laboratoriehjelpemiddelet den i dag er. Ved å bruke oppløsninger av organiske fargestoffer, kan laserlyset gis en hvilken som helst farge.

Gasslaseren _____ 100 % reflekterende speil _ Lavreflekterende endevinduer

Katode

_____ Glassrør __ Gassblanding

95 % reflekterende speil___

Anode____

▲ Den første laseren som virket, ble laget av den ameri­ kanske fysikeren Theodore H. Maiman. Med en kunstig rubidiumkrystall sendte den ut lys som var 10 000 000 ganger mer intenst enn sollys.

Rødt lys

Laserhulrom

Tilførsel av høyspenning

I en typisk gasslaser eksiteres atomene av en høy spenning. Når gassen går tilbake til starttilstanden, frigir et atom et foton som kolliderer med andre atomer og får også dem til å sende. Fotoner re­ flekteres frem og tilbake og lys sendes ut.

98 Ved holog ra fi kan tredimensjonale bilder lagres på en enkel måte.

Opptak av et refleksjonshologram ► For å lage et hologram er det vanligvis påkrevet med et mørkerom. Ofte benyttes en gasslaser som sender ut kon­ tinuerlig stråling, men med en dyrere pulslaser kan levende eller bevegelige motiver regi­ streres. Alle komponentene i systemet må stå helt stille da eksponeringen kan ta flere minutter. Ved hjelp av linser spres laserstrålen utover i en vifteform og rettes mot filmen og motivet.

Linser som sprer, laserlyset

Speil

▲ Holografi benyttes til å arkivere mange forskjellige typer data. Når det gjelder for eksempel tannfyllinger eller museumsgjenstander av stor verdi, gjør holografi det mulig å dokumentere slike tredimen­ sjonale objekter og lagre dem på film. Dermed spares mye lagerplass, samtidig som det blir enklere å transportere dem for å kunne foreta sam­ menligninger av objekter fra ulike samlinger.

Lasere og holografi Holografi er en metode for å lagre bilder av en gjenstand ved å benytte interferensfenomener med lys. Vanligvis brukes en laser for å lage hologrammer fordi den kan sende ut koherent lys. Holo­ grammer betraktet med riktig belysning, viser et tredimensjonalt bilde av en gjenstand og gir en god dybdefølelse. I vanlig fotografering reflekteres lys fra Solen eller et lynlys fra objektet og inn i kameraet. Dets linsesystem fokuserer et bilde på film, slik at kjemiske stoffer i filmen reagerer i ulik grad avhengig av hvor mye lys de utsettes for. Den fremkalte filmen viser da et flatt og fast bilde av det som ble fotografert. Skjulte objekter kan ikke ses ved å vippe bildet, og uskarpe objekter kan ikke gjøres skarpe ved å fokusere øynene. Disse begrensningene er så velkjente at de godtas helt ubevisst. Likevel er slike bilder ikke noen god representasjon av virkeligheten. Hologrammer er ikke underlagt noen av disse begrensningene. En fremkalt holografisk plate er som et vindu motivet er blitt regi­ strert på. Ulike sider av motivet kan observeres ved å betrakte hologrammet fra forskjellige vinkler. Har motivet stor dybde, må øynene refokuseres for å kunne se både nære og fjerne gjenstander skarpt. Holografiet ble oppfunnet alt i 1947 av den ungarsk-britiske fysi­ keren Dennis Gabor mens han arbeidet ved British Laboratory i Rugby i England. I 1971 fikk han nobelprisen i fysikk for sin «tredi­ mensjonale metode for fotografering uten linser». Holografiet kalles for en linseløs teknikk fordi det ikke dannes noe bilde av motivet som registreres. Et hologram dannes ved å sette sammen to (koherente) lysstråler fra den samme, ene laseren. Den ene strålen (objektstrålen) er blitt reflektert fra gjenstanden som skal registreres, mens den andre (re-

____ Gasslaser som sender ut kontinuerlig stråling

Speilstativ

Lukkermekanisme

Holografisk stereogram Objekt

► Noen hologrammer kan se ut til å være i bevegelse når de betraktes fra forskjellige vinkler. Slike holografiske stereogrammer som de kalles, stammer fra filmopptak som er gjort ved å bevege kameraet rundt gjenstanden eller dreie gjenstanden mens filmen tas (1). Bildene i filmen fra dette filmkameraet brukes til å lage et sett komprimerte holografi­ ske bilder på en spesiell holo­ grafisk film via en sylinderlinse (2). Den samlete virkningen av disse bildestripene gir et tredimensjonalt bilde (3) på den holografiske filmen.

Filmkamera (Omtrent tre bilder per rotert grad)

Dreieskive

Rotasjonsretnmg

LASERE OG HOLOGRAFI

99

Objekt------------------Medium for hoiografiske opptak med høy oppløsning

Lasér eller hvitt lys

Laser Holografisk plate

Betraktningsretning

Objektstråle

Opptak

Betraktning

Holografisk plate

Samlespeil

Spredelinse Film- eller plateholder

Regulerbar stråledeler.

▲ Et refleksjonshologram (1) belyses forfra, mens et transmisjonshologram (2) må belyses bakfra med en laser. For å kunne betrakte et hologram, må det belyses med en sterkt retningsbestemt lyskilde fra en vinkel som er lik den referansestrålen hadde under opptaket. Transmisjonshologrammer kan betraktes ved hjelp av vanlig, hvitt lys, dog med noe forringet vertikal dybdevirkning.

Vibrasjonsisolert optisk bord

Dempemekanisme

.

4 Oet er av avgjørende betydning at det ikke skjer noen bevegelser under opptaket av de uhyre fine ho­ iografiske interferensmønstrene. For å sikre dette kan det brukes et dyrt, optisk antivibrasjonsbord, eller en enkel sandkasse med improvisert isolasjon, som for eksempel slangen fra et bildekk.

Objektstråle

Laser

Samlelinse Holografisk film

Projeksjonssystem

Film

Belysning bakfra fe

Sylinderlinse___ Referansestråle--------

2

«Levende» bilde

ferahsestrålen) sendes direkte fra laseren og til filmen. I visse punk­ ter på filmen forsterker lysstrålene hverandre og danner et lyst område, og filmen eksponeres. I andre punkter vil derimot lysstrå­ lene utslokke hverandre og filmen vil her forbli ueksponert. Den fremkalte filmen inneholder bare et opptak av dette kompliserte og tilsynelatende meningsløse interferensmønsteret fra de to over­ lappende lysstrålene fra laseren. Når den fremkalte hoiografiske platen belyses, sénder den ut lys på en måte som er avhengig av mønsteret av eksponerte og ueksponerte områder på filmen. Fordi mønsteret ble laget ved in­ terferens mellom referansestrålen og objektstrålen, vil resultatet av å belyse hologrammet med den opprinnelige referansestrålen, være at hologrammet sender ut lysstråling som er identisk med den opp­ rinnelige objektstrålen, og som ser ut til å komme fra bak den hoiografiske platen. En som betrakter hologrammet vil derfor se akkurat det samme som ville blitt sett dersom objektet fremdeles var i sin opprinnelige posisjon. Det er imidlertid visse problemer med holografi. Nødvendighe­ ten av å bruke laser hindrer en større utbredelse, og egenskapene til de fine mønstrene som registreres betyr at vibrasjoner er et me­ get kritisk problem når hologrammet lages (men ikke når det be­ traktes). Virkelig gode fargehologrammer vil først bli mulig etter videre fremskritt innen laser- og materialteknikk. I midten av 1980-årene var hologrammer i stor utstrekning tatt i bruk til reklame og andre, lignende formål. Kredittkort kan tenkes utstyrt med et hologram for å hindre forsøk på svindel. Andre an­ vendelser er ikke-destruktive målinger av små deformasjoner i ut­ styr. Grunnlaget for denne teknikken, kalt holografisk interferometri, er å sammenligne et hologram laget av objektet under én type forhold, med det virkelige objektet under andre forhold.

100 Lasere har i dag mange ulike anvendelser, fra øyeoperasjoner til romvåpen.

◄ Ved Lawrence Livermore Laboratory i California forskes det på kjernefysisk fusjon. Til dette brukes flere laserstråler som fokuseres på en mikro­ skopisk kule av deuterium og tritium for å kunne nå de enorme temperaturene som trengs for å få i gang fusjon og holde prosessen gående.

▼ Varmen fra og den nøyaktige retningen til strålen fra en argonlaser har mange nyttige anvendelser innen medisin. Laseren kan brukes til å «sveise» en løs netthinne fast til øyet, eller trenge inn i de indre delene av øret for å fjerne nervesvulster mellom øret og hjernen, eller til å bore hull i bein i øret. Ved hjelp av et mikroskop retter her kirurgen strålen mot en liten åpning som lar den slippe forbi vev som hindrer strålen fra å komme inn i øret.

Anvendelser av lasere Oppfinnelsen av laseren vakte stor oppmerksomhet i vitenskapeli­ ge kretser, men fikk ingen umiddelbar betydning innen handel og industri. Nå, nesten 30 år senere, er lasere tatt i bruk til en rekke formal, fra teaterdrift til krigføring. Kraftige karbondioksidlasere brukes innen tungindustri til å skjære i, bore i og sveise metallplater. Ultrafiolette lasere brukes i halvlederindustrien for detaljarbeid på komponenter og kretskort. Med sine høyere frekvenser som kan overføre langt mer informa­ sjon per tidsenhet enn radiostråling, spiller lasere en sentral rolle i utviklingen av optisk fiberkommunikasjon til telefonnett. Signale­ ne kan fraktes langs fiberen av den infrarøde strålen fra en diodelaser, en liten og billig halvlederinnretning. Diodelaseren er i særklasse den laseren som har solgt mest. Årsa­ ken er at den brukes i kompaktplatespillere. Laseren brukes her istedenfor en stift til å lese opptaket på platen. Andre områder hvor lasere er i bruk er innen detaljhandel, der den brukes til å sveipe over strekkoder, og til trykksakfremstilling, der de brukes i utstrakt grad i laserskrivere, fotosettere og fargesveipere. Lasere har mange militære anvendelser. Lasere til målbestemmelse gir bomber et opplyst område de kan sikte mot. Laseravstandsmalere måler tiden en laserstråle bruker til et mål og tilbake, og kan dermed gi målets avstand med stor presisjon. Ennå har ikke lasere vært brukt direkte som våpen. I både Sovjetunionen og USA har det imidlertid i mange år foregått en intens forskningsog utviklingsaktivitet på dette området. Resultatet kan bli at det allerede i løpet av 1990-årene kan bli tatt i bruk såkalte energivåpen der blant annet lasere inngår. Mange ulike typer lasere brukes nå innen medisin til diagnostikk og terapeutisk behandling. Lasere kan skjære med mindre blodtap på grunn av strålens varme. Argonione- eller kobbergasslasere kan brukes til å fjerne tatoveringer og fødselsmerker. I en metode for behandling av visse kreftformer som ennå er på forsøksstadiet, be­ nyttes en gullgasslaser og et lysfølsomt stoff til å lete etter og øde­ legge ondartete kreftceller.

Kjemisk analyse Anvendelser av kjemisk analyse... Kvantitativ og kvalitativ analyse... «Våtkjemi»... Spektroskopiske teknikker... Overflateanalyse... Katalysatorer... PERSPEKTIV... Utviklingen av kromatografi

Kjemiske analyser er viktige for mange sider av dagliglivet. De brukes til å undersøke renheten av matvarer og medisiner, undersø­ ke kvaliteten av byggematerialer, oppdage og identifisere forurens­ ning, bekrefte ektheten av antikke gjenstander og avsløre forfalsk­ ninger samt at de spiller en viktig rolle i mange sider av politietter­ forskning. Mens kjemiske analyser før baserte seg på arbeidskre­ vende kjemiske prosedyrer, baserer de seg nå hovedsakelig på bruk av instrumenter som utnytter kjemiske og fysiske fenomener. Analytisk kjemi kan deles opp i to store områder, selv om teknik­ kene ofte har et felles grunnlag. Innen kvalitativ analyse prøver man å finne svar på spørsmålet: Hva er dette? I de siste årene har for eksempel mange land forbudt import og omsetning av hval­ produkter. Ett av disse, spermolje, brukes i stor utstrekning til å gjøre lær mykere. Det er da mulig å analysere et stykke lær for å se om det er behandlet med spermolje eller et erstatningsstoff. Kvantitativ analyse gir svar på spørsmål om hvor mye det finnes av et bestemt stoff. I visse typer stål er det for eksempel viktig å ha en nøyaktig prosentandel av spormetaller som molybden. En analytisk kjemiker ved et stålverk analyserer stål for å sikre at det er blitt tilsatt riktige mengder av de stoffene som skal med i en legering for å gi den de egenskaper man vil den skal ha.

Analyser ved hjelp av farger Kromatografi er en kjemisk analysemetode som baserer seg på tilbøyeligheten forskjellige molekyler i en blanding har til å forbinde seg med stoffer som er lite reaktive. Metoden ble oppdaget av den russiske botanikeren Mikhail Tswett på begynnelsen av 1900-tallet. Han fant at fargen til gress kunne separeres i flere ulike pigmenter ved å løse farge­ stoffene opp i en vannfri væske og la dette passere gjennom et glass rør fylt med krittpulver. Mens løsningen strømmet gjennom røret, ble pigmentene absorbert av krittet. Når en ren løsning etterpå ble sendt gjennom røret med krittpulveret, ble de utskilt igjen. Utskillelsen gikk imidlertid med forskjellige ha­ stigheter for de ulike fargene. Mens væsken beveget seg gjennom røret, oppstod det derfor bånd med ulike farger. Selv om slik adsorpsjonskromatografi fortsatt er i bruk, er papir- og tynnsjiktkromatografi mer vanlig. De har den fordelen at separasjonen kan gjøres i to retninger i den samme prøven, noe som øker oppløsningsevnen. Ipapirkromatografi brukes egne papirtyper laget spesielt for dette formålet, mens man i tynnsjiktkromatografi gjør bruk av materialer som silikagel avsatt på en glass- eller plastskive. I gasskromatografi brukes en gass til å føre prøven gjennom et rør med en porøs bæresubstans som er innsatt med en løsningsmiddel med høyt kokepunkt. Røret varmes opp og når komponentene kommer ut av røret, kan de registreres med ulike instrumenter. Gasskromatografi er godt egnet til å oppdage små forurensninger, som fluorkarboner fra spraybokser, i atmosfæren. En mer avansert form for kromatografi, som nå er i utstrakt bruk i laboratorier som undersøker svært kompliserte organiske molekyler, er flytende høytrykkskromatografi. Med den kan små mengder kompliserte blandinger skilles ut ved å sende dem gjennom en kromatograf under høyt trykk. I ionebytterkromatografi byttes ioner med lik ladning mellom en løsning og et fast, uløselig stoff som er i kontakt med løsningen. Metoden brukes blant annet til rensing og bløtgjøring av vann, og til ioneseparasjon. ◄ Vanninnholdet i matvarer kan bestemmes ved en metode kalt titreranalyse, der det tilføres nøyaktig tilmålte mengder av en bestemt væske, noe vi her ser apparatur for.

▼ Prøver som undersøkes ved hjelp av utstyr for automatisk kjemisk analyse ved kontinu­ erlig strøm, som blant annet brukes til analyse av blodprøver, er bare atskilt av små gassbobler.

102 Stoffers spektra kan analyseres på mange måter.

Eldre analysemetoder, gjerne omtalt som «våtkjemi», baserte seg på bestemte egenskaper ved forskjellige stoffer. Det ble utarbeidet metoder for kvalitative analyser der en ukjent blanding av uorgani­ ske ioner kunne identifiseres ved å bruke noen få spesielle reaksjo­ ner. I disse metodene inngikk ofte reaksjoner som under bestemte forhold frembrakte karakteristiske farger i løsninger eller felte ut faste stoffer. Kvantitative analyser gjorde bruk av teknikker som titrering av sure løsninger av ukjent konsentrasjon med alkaliske løsninger med kjent konsentrasjon. Analysen var over når en eller annen komponent endret farge. En annen mulighet var å bearbeide og veie derivater av det stoffet som skulle undersøkes. Moderne analysemetoder baserer seg ofte ikke på hvordan stof­ fer oppfører seg kjemisk, men på hvilken stråling de avgir i forskjel­ lige deler av det elektromagnetiske spektrum. Atomer og molekyler kan ta opp (absorbere) eller avgi (emittere, sende ut) energi. Spektroskopi er derfor delt opp i to hovedklasser, emisjons- og absorpsjonsspektroskopi.

Emisjonsspektroskopi Hvis atomer eksiteres, for eksempel ved å varme dem opp, kan de absorbere energi som de så mister i «pakker» (kvanter) av en bestemt størrelse. På 1750-tallet oppdaget man at når stoffer som

KJEMISK ANALYSE

< En spektrograf (spektro­ skop der spekteret registreres fotografisk) laget av den engelske fysikeren W. N. Hartley (1846-1913), en av pionerene innen spektroskopi. Denne spektrografen brukte han til å studere ultrafiolette gnistspektra med. Prøven ble plassert til høyre og lyset måtte passere fra den og gjennom en kollimator (en innretning som lager en parallell strålebunt) og spredt med et prisme i midten. Spektret ble observert på platen til venstre på bildet.

•< Et coulometer er et instrument som brukes til å måle mengdeendringer i et stoff ved å måle hvor mye elektrisitet som kreves for å tynne en løsning av stoffet, vanligvis ved elektrolyse. På bildet til venstre brukes coulometeret til å undersøke vann­ innholdet i en prøve av et taktekkingsmateriale som er laget av plast.

▲ Kobbersulfat i et absorpsjonsapparat avgir en karakte­ ristisk, grønn flamme. Ved analyse av et stoff fordampes prøven med en acetylenbrenner. Ved å sende emisjonsspektret av et bestemt grunnstoff gjennom flammen, kan man se om dette grunn­ stoffet finnes i flammen og måle hvor mye lys dette spesielle stoffet absorberer.

103

inneholder natrium, som vanlig kjøkkensalt, varmes sterkt opp, sender de ut et intenst, gult lys, mens salter som inneholder kalium gjør at en flamme får en lilla farge. Med flammeprøver kan man på en enkel og billig måte undersøke om ukjente stoffer inneholder bestemte grunnstoffer. Selv når molekyler tilføres store energimengder, hopper bare en liten del av dem opp i en eksitert tilstand med høy energi. Oppfin­ nelsen av plasmabrennere og lasere har ført til en fornyet interesse for emisjonsspektroskopi. Stort sett er det imidlertid enklere å måle den energien som opptas (absorberes) av et stoff, enn den som sendes ut.

Absorpsjonsspektroskopi Anta at en prøve av et stoff fordampes og utsettes for en intens lyskilde med en kjent bølgelengde man vet absorberes av et be­ stemt grunnstoff. Da vil mengden av lys som absorberes, avhenge av hvor mye det finnes av dette bestemte grunnstoffet i prøven. Absorpsjonsspektroskopi er meget utbredt i laboratorier og brukes blant annet til å undersøke om matprøver inneholder uønskete stof­ fer som kvikksølv. Ofte er det egenskapene til molekylene i en prøve, og ikke de enkelte grunnstoffene, som er av interesse. De kjemiske bindingene mellom atomene i et molekyl kan absorbere energi i form av strå­ ling i den infrarøde delen av spekteret. Organiske stoffer er de som inneholder karbonbaserte stoffer, som utgjør de aller fleste av de stoffer som finnes i levende vesener og industrielle produk­ ter. Hvor mange kjente og veldefinerte organiske forbindelser som finnes, oppgis noe ulikt av forskjellige kilder, men ligger antakelig over tre millioner. Til sammenligning er antall forbindelser som utgjøres av alle andre grunnstoffers forbindelser bare rundt 100 000. I organiske stoffer absorberer forskjellige molekyler infra­ rød stråling på ulike bølgelengder. Ved å sende infrarød stråling gjennom en prøve og endre bølge­ lengden over et visst intervall, kan man få frem et infrarødt spek­ trum som sier noe om hvilke forskjellige atomgrupper et molekyl inneholder. Infrarød spektroskopi kan også brukes til å følge reak­ sjoner mens de pågår. Hvis produktet fra en reaksjon har en sterk, karakteristisk topp i sitt spektrum, kan et spektrometer innstilles på denne bølgelengden og måle hvordan konsentrasjonen av dette stoffet øker etter hvert som reaksjonen går. Ultrafiolett og visuell spektroskopi skjer i mer energirike deler av spekteret, med synlig og ultrafiolett lys. Disse kan på samme måte gi nyttig informasjon om molekylenes struktur, noe også spektroskopi med mikrobølge-, røntgen- og gammastråling kan. I massespektroskopi identifiseres stoffer ved å utnytte hvordan molekylære ioner oppfører seg i et magnetfelt. Her bombarderes stoffet som skal undersøkes med høyenergiske elektroner eller laserlys som får det til å danne ioner. Disse ionene sendes så gjen­ nom et magnetfelt som tvinger dem til å følge bestemte baner av­ hengig av forholdet mellom massen av en partikkel og dens elektri­ ske ladning, der sistnevnte er kjent. Nyere spektroskopiske metoder utnytter hvordan enten elektro­ ner eller kjernepartikler i atomer vekselvirker med sterke magnet­ felter. Kjernemagnetisk resonans er et kraftig verktøy til å undersø­ ke hydrogeninnholdet i et stoff og hvordan hydrogenatomene er bundet sammen. Gasskromatografi er en følsom metode for å analysere kompli­ serte molekylblandinger. Forskjellige kromatografiske metoder er blitt utviklet som gir en rekke teknikker ikke bare for analyser, men også for å produsere store mengder kompliserte molekyler.

104 Spektrene fra kjemiske forbindelser kan analyseres på mange måter.

Registrering av overflateslitasje

▼ Mikrofotografier av overflaten til en katalysator av en platinalegering før og etter oksidasjon med ammoniakk for å lage salpetersyre. Brukes i kunstgjødselproduksjon.

▲ ► Aktiveringsteknikker for a undersøke slitasje i sylinderforinger. Et lag med radio­ aktivt stoff påføres og radio­ aktiviteten i det observeres for å registrere slitasjen.

En av de viktigste anvendelsene av kjemisk analyse som er utviklet de siste årene, er overflateundersøkelser. Overflaten i et materiale er ofte forskjellig fra, og teknisk sett viktigere, enn dets indre sam­ mensetning. Såkalte blandkatalysatorer virker gjennom overflatereaksjoner og brukes for å få mange industrielle prosesser til å gå raskere. På samme måte vil et materiales motstandsdyktighet mot korrosjon (som rust) avhenge av dets overflate og hvor lett den kan angripes av gasser i atmosfæren eller kompliserte løsninger som elvevann eller regnvann. Denne motstandsdyktigheten kan økes ved spesielle prosesser, som i antirustbehandling av biler. Overflaten til et materiale kan bombarderes med fotoner med forskjellig energi. Energien til elektronene som på grunn av dette sendes ut, kan gi viktige opplysninger om overflatens struktur og egenskaper. Hele gjenstander kan bombarderes med stråling for å få informa­ sjon om deres struktur. I nøytronaktiviseringsanalyse utsettes en liten prøve av et fast stoff for høyenergetiske nøytroner fra en kjernereaktor. Dermed blir noen av atomene i prøven radioaktive. Ved å analysere gammastrålingen som kommer fra prøven etter nøytronaktiveringen, kan man få informasjon om dens sammensetning. Det har i de siste årene vært stigende interesse for å bruke nøytronaktiveringsanalyse til å studere kjerneprøver fra geologiske under­ søkelser, særlig fra havbunnen, som kan inneholde utvinnbare mi­ neraler. Den brukes også i kriminaltekniske undersøkelser, som å avgjøre om det er arsenikk i håret på et antatt mordoffer.

Studier av atomet Atomets struktur... Maskiner for å studere det subatomiske univers... Synkrotroner... Måter å registrere partikler på: Boblekamre og tåkekamre... Elektroniske detektorer... PERSPEKTIV... De første metodene... Lineære akseleratorer... Oppfinnelsen av tåkekammeret... Tsjerenkovstråling

;

- ■

"""

... -

?

~

;

:

|

Atomene er byggesteinene materien består av. Hvert grunnstoff har sitt eget enestående atom, som bestemmer de fysiske og kjemi­ ske egenskapene til de stoffene det danner. Av den grunn er hydro­ gen en gass ved romtemperatur, kobber et metall, osv. Atomer er svært små, med typiske diametre på rundt 1010 m. Selv de største atomene kan bare så vidt ses med de kraftigste elektronmikroskopene. Til tross for dette inneholder atomene enda mindre partikler. Elektroner virvler rundt en sentral kjerne, med en diameter på om­ trent 1015 m, som består av protoner og nøytroner. Protonene og nøytronene i kjernen er da enda mindre, bare 10 17 m i diameter. Likeledes er elektronene enda mindre enn dette igjen. Men hvis atomene utgjør grensen for hva som kan ses med mikroskoper, hvordan kan da forskerne studere subatomiske strukturer som er mindre enn 1017 m? Svaret ligger i å eksitere (tilføre energi til) atomkjernen og se hva som skjer. Et enkelt eksempel på dette er et flammeforsøk der en kjemiker forbrenner et stoff og studerer lyset som sendes ut av flammen. Noe av energien som går med til å varme opp stoffet, kommer ut igjen som lys, der fargen avhenger av hvilke atomer som finnes i stoffet. Ved å studere lyset kan kjemikeren lære noe om energien til elektronene i atomet og lage seg et bilde av deres struktur rundt atomet. Fysikerne bruker tilsvarende teknikker for å lære noe om struktu­ ren til atomkjernen og partiklene i den. Men fordi kjernen er så mye mindre enn hele atomet, trengs det mer energi for å utforske den. Derfor bygger kjernefysikerne store, kraftige maskiner for å kunne utføre eksperimentene sine. Energiene forskerne bruker, må­ ler de gjerne i enheter kalt elektronvolt. En elektronvolt (1 eV) er den energien et elektron tilføres når det gjennomgår et spen­ ningsfall på 1 V, for eksempel mellom polene på et 1 V-batteri. For å kunne studere atomkjernen, er det nødvendig med energini­ våer på flere millioner elektronvolt (MeV). Og for å studere kvarkene, må man opp i energier på flere hundre milliarder elektronvolt (GeV). Å tilføre et elektron en energi på 1 GeV er det samme som å sende det mellom polene på et batteri på én milliard volt. Den grunnleggende teknikken for å undersøke atomkjernen er å akselerere subatomiske partikler, som elektroner og protoner, til høye energier og så skyte dem mot et mål. De akselererte partikle­ ne tilfører energi til atomkjernene i målet, og utstrålingen fra dem (vanligvis flere partikler) gir opplysninger om deres indre struktur. Maskinen som akselererer partiklene, bruker elektriske felter for å tilføre dem energi. Dette kan gjøres på flere måter, noe som har ført til utviklingen av forskjellige typer akseleratorer, hver med sine fordeler. Fysikere som studerer kjernens struktur, og som tren­ ger energier på flere millioner elektronvolt, bruker det som noen kaller Van de Graaff-generatorer og andre kaller syklotroner. For å akselerere partikler til flere hundre milliarder elektronvolt, bruker fysikerne en type maskiner kalt synkrotroner.

Naturlige metoder De første hintene om atomkjernens struktur kom fra tidlige studier av radioaktivitet, som ble oppdaget av den franske fysikeren Antoine Henri Becquerel (1852-1908) i 1896.1 et radioaktivt stoff er kjernene ustabile. Idet de går over til en mer stabil tilstand, sender de ut energi. Strålingen kan være heliumkjerner (alfapartikler), elektroner (betapartikler) eller gammastråling. Slike omdannelser avslører kjernens sammensatte natur, noe den newzealandske fysikeren Ernest Rutherford (1871 -1937) innså da han arbeidet i Manchester og senere i Cambridge. Det var Rutherford som gjorde de første eksperimentene som ga en innsikt i atomets struktur. De første an­ tydningene om den sammensatte beskaffenheten av protoner og nøytroner kom fra studier av kosmisk stråling. Dette er skurer av partikler som kommer fra verdensrommet og kolliderer med partikler i jordatmosfæren. 11940- og 50-årene oppdaget fysikerne i den kosmiske strålingen nye partikler lignende protoner og nøytroner. Disse vet man nå består av litt andre kombinasjoner av de samme kvarkene som utgjør de velkjente partiklene.

▲ Et tåkekammerfotografi fra rundt 1930 der man for første gang observerte nedbrytningen av en atomkjerne. Linjene er spor av alfapartikler som bombarderer nitrogen. Streken som går på tvers, er fra et proton som er slått løs fra et nitrogenatom.

106

Stanfords lange akselerator Elektroner byr på problemer i synkrotroner. Fordi de er så lette, bare 1/1836 av protonets masse, sender de ut betydelige mengder stråling mens de flyr rundt. Det betyr at mye av energien som pumpes inn i elektroner som akselereres, umiddelbart går tapt som såkalt synkrotronstråling. For å unngå dette har man ved Stanford i California bygd en ak­ selerator der elektronene flyr langs en rett linje. Maskinen ved Stanford Linear Accelerator Center, som er 3 km lang, ble tatt i bruk i 1960. Den kan nå akselerere elektroner opp til 30 GeV Elektronene starter fra en termionisk kanon (oppvarmet katode) med en energi på 40 MeV og føres så gjennom 960 akseleratorstasjoner, som hver er 3,05 m lang og 10 cm i diameter. Partiklene «rir» på en måte på en radiostråle som lages i akseleratorstasjonene, og får hver gang et lite puff til de når sin høyeste energi i enden av maskinen. Modifikasjoner påbegynt i midten av 1980-årene vil gjøre at akseleratoren vekselvis kan bruke elektroner og positroner (antielektroner med positiv ladning) med energier opptil 50 GeV. Planen er å dirigere elektronene og positro­ nene i motsatt retning rundt to sirkelbuer slik at de møtes front mot front med en total energi på 10 GeV. Dermed vil det være mulig å foreta en lang rekke avanserte eksperimenter som den opprinneli­ ge akseleratoren ikke tillot.

▲ Hovedakseleratoren til synkrotronen ved Fermilab utenfor Chicago ses her midt på bildet. Tre sidestråler går tangentialt ut fra akseleratoren. Den trekantete bygningen ute til venstre er der hvor antiprotonene sendes ut fra. ► Før partikler sendes inn i en synkrotron, tilføres de energi i en Cockcroft-Waltongenerator. De passerer så langs en lineær akselerator og inn i synkrotronringen. Ringen er omsluttet av magneter som fokuserer og bøyer av partikkelstrålen. På ett eller flere steder langs ringen får partiklene energi fra radiostråling i små hulromsresonatorer av kobber. Strålen rettes mot et mål og kollisjonene regi­ streres med boblekamre og elektroniske detektorer. I noen tilfeller kan også antiprotoner bli akselerert i motsatt retning. De samles først opp i en antiprotonakkumulator før de styres ut i hovedringen i motsatt retning av protonene. Der akselereres både protoner og antiprotoner opp til svært nær lyshastigheten før de bringes til å kollidere med hverandre.

STUDIER AV ATOMET

107

En synkrotron bøyer av en partikkelstråle langs en sirkel slik at den igjen og igjen passerer forbi det samme akselererende feltet. Ved å la partiklene fly rundt mange millioner ganger, er det nok å bruke nokså moderate elektriske felter (noen få tusen volt) for å nå partikkelenergier på flere hundre gigaelektronvolt. De elektri­ ske feltene settes opp som radiostråling i hulromsresonatorer av kobber. Elektromagneter lager magnetfelter som sørger for at par­ tiklene følger en sirkel. Partiklene går i et rør med noen centimeters diameter, som har et ultrahøyt vakuum for å unngå kollisjoner med luftmolekyler. De største moderne synkrotronene er ved Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) nær Chicago og Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (CERN), det europeiske senteret for kjerne­ fysisk forskning, ved Genéve. Hver maskin ligger i en underjordisk tunnel som danner en ring med 2 km diameter. Den enorme stør­ relsen på disse maskinene er nødvendig på grunn av de store energiene de når opp i. CERNs Super Proton Synchrotron (SPS) aksele­ rerer partikler opp til 500 GeV. Med så store energier vil magnetfel­ tene fra konvensjonelle elektromagneter avbøye partikkelstrålen nokså lite, tilsvarende krumningen på en sirkel 2 km i diameter. Fermilabs Tevatron, som skal akselerere elektroner opp til flere teraelektronvolt (TeV, billioner elektronvolt), bruker superledende magneter som gir sterkere magnetfelt enn vanlige magneter. Kjøringen av en stor synkrotron krever at mange forskjellige kompliserte operasjoner samordnes med stor presisjon. I en maskin som CERNs SPS kommer det hvert sjette sekund inn en stråle med 1013 protoner. Etter hvert som protonenes energi øker, må feltstyrken på styremagnetene økes tilsvarende for å holde strålen i sin bane. I tillegg må andre magneter sørge for å holde strålen fokusert slik at den ikke treffer veggene i vakuumrøret. På vei opp til 400 GeV, noe som tar under fire sekunder, tilbakelegger protone­ ne over én million kilometer, over dobbelt så langt som den gjen­ nomsnittlige avstanden mellom Jorden og Månen. Maskiner for tunge ioner Forskning på atomkjernens struktur skjer vanligvis på tyngre kjerner med mange nukleoner (kjernepartikler). Mange kjernefysiske eksperimenter skjer med maskiner som akselererer tunge ioner opp til energier på flere millioner elektronvolt. Bevalac ved Lawrence Berkeley Laboratory i California er den maskinen for tunge ioner som gir høyest energi, lonene akselereres / en lineær akselerator som sender dem inn i bevatronen, en liten synkrotron bygd i 1950-årene. Sammen kan de to gi tunge ioner energier på 2 GeVper nukleon. En annen maskin er den elektrostatiske akseleratoren, oppfunnet i 1933 av den amerikanske fysikeren Robert Van de Graaff (1910-1967). Den består av et isolerende, bevegelig ladebånd som frakter elektrisk ladning fra den ene enden, og avsetter den på en høyspenningselektrode i den andre enden. Denne lades gradvis opp av beltet, som er isolert fra jord, til spenningen når opp i flere millioner volt eller mer. I en såkalt tandem Van de Graaff bygges det opp en høy positiv spenning i midten av et vakuumrør. Negative ioner akselereres i den første halvparten av røret. Deretter fjernes det elektroner fra dem slik at de igjen kan akselereres mens de beveger seg bort fra midten i den andre halvdelen. Ved Norsk Teknisk Museum finnes en Van de Graaff-akselera tor som før var ved Universitetet i Oslo.

108 Byggingen av de første partikkelakseleratorene var inspirert av utsikten fra en fjelltopp.

Når protonene som sirkulerer i synkrotronen har nådd maksimal energi, avbøyes de ut av ringen og mot selve målet i eksperimentet, og en ny syklus starter med nye partikler. SPS kan også fungere som en kollisjonsring, der bunter med protoner og antiprotoner flyr rundt i motsatte retninger før de styres til en kollisjon front mot front. Antiprotoner er protonenes antipartikler; de har samme masse, men motsatt ladning. De negativt ladete antiprotonene kan fly rundt i den samme magnetringen som protonene, mens de akse­ lereres av de samme elektriske feltene, forutsatt at de beveger seg i motsatt retning. CERN produserer antiprotonene sine ved å sende partikler med forholdsvis lav energi inn mot mål av metall. Så snart et tilstrekkelig antall (rundt 1011) antiprotoner er samlet opp i en spesiell magnetring, antiprotonakkumulatoren, slippes de inn i den store synkrotronen til protonene som går der. De to partikkelstrålene blir så akselerert og brakt til å kollidere med energier på over 540 GeV. Fordelen med å la strålene kollidere er at i en front-mot-frontkollisjon sløses det ikke bort noe energi på å flytte partikler i et mål. En kollisjon front mot front mellom protoner og antiprotoner som hver har energier på 270 GeV (til sammen 540 GeV), gir sam­ me effekt som om en stråle med 150 000 GeV antiprotoner traff protonene i et mål som stod i ro. Teknikken brukes også i mange elektronsynkrotroner. I dette tilfellet er antipartiklene positroner med positiv ladning. Igjen kan de akselereres i samme ring som elektronene, men i motsatt retning. Et annet alternativ er å la proto­ ner kollidere med elektroner. I dette tilfellet må partiklene akselere­ res i forskjellige ringer, den ene over den andre, fordi protoner har så mye større masse enn elektroner. Ringene må krysse hveran­ dre på flere steder slik at de to strålene kan kollidere med hveran­ dre så snart de har nådd maksimal energi. Observasjoner av partiklene Akseleratorer er hjelpemidlene som trengs for å tilføre energi til partiklene som skal kollidere, men fysikerne må også analysere resultatene av kollisjonene dersom de skal lære noe om atomkjer­ nens struktur. Til det trenger de spesielle detektorer som kan følge partiklene som flyr ut fra de høyenergetiske vekselvirkningene, og som på en eller flere måter kan registrere det som skjer. Partiklene selv er svært små og mange er ustabile og omvandles til andre partikler på brøkdelen av et sekund. Heldigvis flyr de nesten alltid med hastigheter nær lyshastigheten i vakuum. På grunn av en spe­ siell effekt av Einsteins spesielle relativitetsteori, vil de mest langlivete partiklene, som har levetider på rundt 1O8 sekunder, bevege seg flere centimeter. Alle elektrisk ladete partikler, som protoner og elektroner, ionise­ rer stoffene de flyr gjennom mens de mister energi ved å slå løs elektroner fra atomene de passerer. loniseringsprosessen betyr at stoffet et øyeblikk blir elektrisk, og dette kan i noen tilfeller synlig­ gjøres. Dette er det grunnleggende prinsippet bak de fleste partikkeldetektorene. En av de mest brukte detektorene er det såkalte boblekammeret, som ble oppfunnet i 1952 av den amerikanske fysikeren Donald Glaser (født 1926). For det fikk han i 1960 nobelprisen i fysikk. Boblekammeret består av en beholder med en væske som er overoppvarmet. Energien en partikkel mister når den ioniserer væsken, er tilstrekkelig til at den begynner å koke der den ioniseres, og det dannes et spor av bobler langs partikkelens bane. For å overoppvarme væsken, senkes trykket i den like før en partikkel an­ kommer fra akseleratoren. For å unngå at ikke all væsken begynner å koke, økes trykket igjen så snart sporene er begynt å dannes.

Partikkeldetektorer Den første innretningen for å registrere banene til subatomære partikler, var tåkekammeret, som ble oppfunnet i 1895 av den skotske fysikeren Charles Wilson (1869-1959). Det Wilson hadde sett når sollys traff skyer og dis på Ben Nevis (Storbritannias høyeste fjell), inspirerte ham til å lage sin egen tåke i laboratoriet. Kammeret var en glassbeholder fylt med damp, som Wilson raskt kunne få til å utvide seg. Utvidelsen avkjølte luften slik at tåken konden­ serte ut. Han oppdaget at når røntgenstråling ioniserte luften i kammeret, kondenserte vanndråper på ionene som ble laget. 11911 brukte han kammeret til å observere sporene etter alfapartikler (hehumioner) fra en radioaktiv kilde. Andre videre­ utviklet tåkekammeret og brukte det til å fotografere spor etter kosmisk stråling. 11930- og 40-årene avslørte tåkekammeret nye typer subatomære partikler i den kosmiske strålingen. En av Wilsons studenter ved Cambridge. Cecil Powell (1903-1969), fikk partiklene til å fotografere seg selv. Akkurat som lys sverter en film og gir lyse områder på det fremkalte bildet, kan ladete partikler lage mørke spor i filmemulsjon mens de mister energi ved å ionisere atomer. Powells gruppe ved Bristol University tok / 1940-årene med seg spesielle filmpakker opp på fjell og festet dem til ballonger for å utforske den kosmiske strålingen. Belønningen var oppdagelsen av mange nye typer elementær­ partikler, blant dem pi-mesonet som Powell oppdaget i 19471 fotografiske plater som var plassert på toppen av Pic du Midi i Pyreneene i SydFrankrike. Powell ble, som Wilson før ham. tildelt no­ belprisen i fysikk. I dag brukes fremdeles filmemulsjoner i partikkelakseleratorer, særlig til detaljerte observasjoner.

▼ Wilsons opprinnelige tåkekammer. Hvis glasskulen fylles med damp og trykket plutselig reduseres, vil dråper kondensere på ioner i gassen og gjøre partikkelsporene

STUDIER AV ATOMET

109

Boblekammeret

4 Det såkalte Big European Bubble Chamber ved CERN, som inneholder 40 000 liter flytende hydrogen ved -247 °C og er omgitt av en stor superledende magnet.

► Et boblekammerfoto viser sporene fra partikler etter kol­ lisjoner. Sporenes spiralform skyldes et magnetfelt. Jo raskere eller tyngre en partikkel er, jo rettere er sporet dens.

▲ Når en partikkel kommer inn i boblekammeret via et hull i veggen, får et stempel trykket til å falle et øyeblikk. Bobler dannes i hydrogenet og foto­ graferes ovenfra.

110 Tsjerenkovstråling oppstår når en partikkel i et medium beveger seg hurtigere enn lys.

◄ Fotomultiplikatorene som utgjør en av de enorme partikkeldetektorene ved CERN. Et bil de av en kollisjon lages fra regi streringer i mange enkeltpunkter. Registreringene lagres i og analyseres med datamaskiner.

En annen måte å registrere ioniseringen på, er å bruke elektroder for å samle opp elektronene eller ionene som frigis, og så måle strømstyrken eller spenningen dette resulterer i. Denne metoden virker best med gasser i et elektrisk felt. Feltet akselererer elektro­ nene, som forårsaker større ionisasjon, og så videre i en slags snøballeffekt helt til det er generert en puls eller ladning som kan registreres. Dette er prinsippet bak geigertelleren, som ble oppfun­ net i 1920-årene av den tyske fysikeren Hans Geiger (1882-1945). Det benyttes også i de store, komplekse, moderne detektorene som brukes sammen med synkrotroner. De inneholder tusenvis av trå­ der som avføler punkter langs partiklenes baner i store gassbeholdere. Signalene fra trådene, og andre detektorer, sendes til datama­ skiner som går gjennom dataene og registrerer de som er interes­ sante på magnetbånd. Enten en fysiker har fotografier av spor i et boblekammer eller ruller med magnetbånd, spiller datamaskiner en viktig rolle i den siste fasen av eksperimentet. Det er når millioner av bilder eller elektroniske registreringer av de kompliserte mønstrene av partikler fra kollisjonene skal analyseres i detalj, og informasjon om struktu­ ren av den lille atomkjernen og dens enda mindre bestanddeler trekkes ut. Først på dette stadium har fysikeren fått tilgang til den subatomære verden innenfor 1015 m og mindre.

▲ Et elektronisk fremstilt bilde i falske farger av en partikkel­ kollisjon i detektoren ved CERN (til venstre). Bildet førte til oppdagelsen av den såkalte Z-partikkelen, som forskerne da lenge hadde lett etter.

Tsjerenko vs tråling De fleste metodene for å oppdage ladete partikler baserer seg på å registrere ionisasjonen langs en partikkelbane. Et annet fenomen som under visse forhold avslører partikler, er tsjerenkovstråling. Dette er lys utsendt fra en partikkel som beveger seg så hurtig gjennom et stoffat den beveger seg raskere enn lys i samme stoffet. (Det er bare i vakuum lyshastigheten er nær 300 000 km/s. I andre medier er den lavere). Lyset sendes ut på skrå langs en tenkt kjegleflate med toppen i partikkelens posisjon. Partikler med ulike hastigheter sender ut stråling med ulike vinkler. Observasjon av lyset viser både partikkelens posisjon og kan skille mellom partikler med samme elektriske ladning og bevegelsesmeng­ de, men ulik masse og hastighet. Strålingen er oppkalt etter den sovjetiske fysikeren Pavel Tsjerenkov (født 1904) som på 1930-tallet undersøkte det blå lyset som ble utsendt når partikler fra radioaktivt radium passerte visse væsker. Effekten brukes til å registrere høyenergetiske fotoner i blykrystall. Blyet i glasset får fotonene til å danne ladete elektroner og positroner, som sender ut tsjerenkovstråling i glasset.

Datamaskinutstyr Hva er en datamaskin?... Datamaskinens hukommelse... Mikrodatamaskinen... Store datamaskiner og superdatamaskiner... Produksjon av brikker... PERSPEKTIV... Mekaniske forløpere til datamaskinen... Elektroniske datamaskiner... Lagring av data på en brikke... Anvendelser for superdatamaskiner

j

..........

..... ~~____________________________________________ i____ -_________________ -______________________ -

En datamaskin er en maskin som kan manipulere data etter en forhåndsbestemt rekke av operasjoner, og som kan holde dataene i en hukommelse før, under og etter behandlingen. Instruksjonene som bestemmer denne rekken, kalles et program, og kan endres av en progammerer. Dataene kan foreligge i form av tall, og rekken av instruksjoner representerer da en beregning. Andre muligheter er at dataene representerer ord eller bilder, og også slike data kan manipuleres. Innretninger som kan manipulere data etter en pro­ grammert rekkefølge av instruksjoner, men som ikke kan ta imot nye kommandoer, kalles ikke datamaskiner, men mikroprosessorer. Data som er lagt til rette for å legges inn i en datamaskin, enten det er et siffer, en bokstav eller et skilletegn, tildeles en verdi som utrykkes på binær form, det vil si uttrykt bare ved bruk av symbole­ ne 0 og 1. Et slikt symbol (eller «bit» etter engelsk BInary digiT) kan lagres elektrisk representert ved posisjonene til en bryter. Ved elektronisk svitsjing, endring av bryterens posisjon, kan de lagrete symbolene behandles etter aritmetiske eller logiske regler. Slike bi­ ter behandles i enheter kalt tegn, som danner grunnenheten for data i en datamaskin. Datamaskiner arbeider ved å bryte kompliserte oppgaver ned i enkle, men kanskje svært mange skritt, som utføres etter hveran­ dre med høy hastighet. Et viktig element i konstruksjonen av en datamaskin er derfor evnen til raskt å kunne få tilgang til en hvil­ ken som helst del av dataene i hukommelsen, og å behandle data­ ene i den rekkefølgen som er fastsatt av programmet. Utviklingen av integrerte kretser i 1960- og 1970-årene muliggjorde høye beregningshastigheter samtidig som datamaskinene ble mindre. Den første bruken av datamaskiner var i den tiårlige folketellin­ gen i USA i 1890. Den innsamlete datamengden var så enorm at det knapt var mulig å behandle dataene i én folketelling før den neste skulle foretas. For å få beregningene til å gå raskere, ble dataene punchet på kort som ble behandlet ved hjelp av elektri­ ske tabulatorer (maskiner for utskrift av tabeller og lister fra hullkortmateriale) og sorterere. Hullbånd og hullkort brukes ennå en­ kelte steder for å inngi data til en datamaskin, men er nesten helt erstattet av registrering direkte på skjerm.

Forløpere til datamaskinen Forløpere til den moderne datamaskinen har vært i bruk forbausende lenge. Alt i 1804 laget den franske ingeniøren Joseph Marie Jacquard (1752-1834) en programmerbar vevstol for å veve inn mønstre i silke. Et hullkort ble brukt til å kontrollere stigningen og senkningen av et innslag på opptil 400 tråder, og kunne lage meget kompliserte mønstre. Jacquards bruk av hullkort var den første anvendelse av slike til styring av maskiner. Det viktige ved Jacquards vev er at hullkortet inneholdt et permanent sett med instruksjoner, som kunne overføres fra en vev til en annen. Omvendt kunne enhver vev styres etter mange forskjellige programmer. Kontrollen med hva maskinen skulle gjøre, var atskilt fra mekanikken som utførte dette. Denne veven var mer en prosesskontrollerer enn en regnemaskin. Briten Charles Babbage (17911871) lanserte tanken om det atskilte program til løsning av matematiske problemer. 11823 ga den britiske regjeringen ham penger til å lage en «analytisk maskin» til bruk i løsningen av mange beregningstekniske problemer. Den skulle kontrolleres av et program på et hullbånd og drives av en dampmaskin. Men Babbage var mer opptatt av stadig å forbedre konstruksjonen, og ba om mer penger til å fortsette arbeidet. Maskinen ble aldri bygd ferdig.

Å Den analytiske maskinen som ble konstruert av Charles Babbage i forrige århundre og bygd i en forenklet utgave etter hans sønns tegninger. Den kunne regne med de fire vanlige regneartene.

▼ Harvards Mark l-datamaskin fra 1943 var den første hel­ automatiske datamaskin som ble bygd. Den var i bruk i 15 år. Den kunne addere og subtrahere to tall på 0,3 sekunder.

112

Den mest brukte formen for elektronisk hukommelse anvender komponenter som består av bare én silisiumbrikke, med en over­ flate på bare rundt 5 mm i kvadrat. En slik brikke kan lagre mellom 8000 og 262 000 biter med data, selv om det nå også lages brikker med større kapasitet. Hver enkelt bit med data oppbevares av noen få kretskomponenter, og disse komponentene er plassert i et rektangulært rutenett. Dermed har hver databit en bestemt plass i hukommelsen og kan sies å være «lagerstedsadresserbar». Dette i motsetning til hvordan informasjon er lagret i en ordbok, der man, ved a angi en del av innholdet - de første bokstavene i et ord - kan finne resten. En slik hukommelse er «innholdsadresserbar». Data leses fra hukommelsen, eller settes inn i den, av datamaski­ nens prosessorenhet. Nar data skal hentes fra hukommelsen, adres­ seres kretser som aktiviserer en utvalgt linje og kolonne i rutenettet og slik kobler ett eneste element i den til kretser utenfor. Hukom­ melsen kan lages slik at den bare har én eneste linje for overføring av data, eller den kan ha flere parallelle linjer slik at flere biter kan overføres samtidig. Systemer med 1, 8, 12-16 eller 32 linjer er i utstrakt bruk, noe som svarer til én bit, ett tegn eller ett ord. Når hukommelsen er organisert slik, kan et dataelement skrives direkte inn i enhver krets eller leses direkte fra den. Det eneste som trengs er ved hjelp av spesielle kretser å spesifisere linje og kolonne i rutenettet og så sende inn eller hente ut signalet. Denne typen hukommelse kalles RAM (Random Access Memory, «hukom­ melse med vilkårlig tilgang») for å skille den fra andre typer hu­ kommelse, som magnetbånd, disketter og platelager.

A Miniatyrisering, hurtighet og lav pris har vært malet for 1970- og 80-arenes datamaskinkonstruktører. Enda mindre integrerte kretser enn denne er under utvikling for fremtidens datamaskiner.

▼ Utsnitt av en jernkjernehukommelse fra 1954. En ring endrer magnetisk polaritet når det sendes strøm gjennom den. Retningen på polariteten i hver «adresse» angir de to binærsifrene 0 og 1.

DATAMASKINUTSTYR

Lagring av data på en brikke Den egentlige lagringen av data på en brikke skjer ved en oppsamling av elektrisk ladning i en liten kondensator. En transistor fungerer da som en påav-bryter som forbinder ladningen til datakanalen. For å koble en bestemt kondensator til kanalen, ak­ tiviserer linjedekoderen en hel linje med transistorer. Samtidig lager kolonnedekoderen forbindelse til da­ takanalen. Når forbindelsen er opprettet, sender en ladet kondensator en strøm ned datakanalen, mens en som ikke er ladet ikke gjør det. Ved å velge riktig linje og kolonne kan enhver kondensator i kanalen velges. Den kan da lese, eller den kan lades opp eller ut, bestemt av nye data som kommer inn. En datacelle kan altså være i to tilstander, enten ladet eller ikke ladet. Disse to tilstandene svarer til de to binærsifrene 0 og 1. En begrensning på kondensatorcellen er at den raskt taper ladningen sin, delvis ved lekkasje til andre deler av brikken og delvis ved ladningsdeling med kanalen, som selv har en betydelig kapasitans, hver gang cellen leses. Derfor har brikken ekstrakretser som fornyer celleladningen med millisekunders mellomrom og etter hver leseoperasjon. Hukommelsescellens nøyaktige konstruksjon kan varieres for å tilpasses spesielle formål. Ved å la hver lage roe Ile ha flere transistorer, kan den oppfriskes kontinuerlig. Slike celler tar mer plass og er dyrere. En annen mulighet er å redusere lekkasjen av ladning til et svært lavt nivå ved å spesialbehandle silisiumet og ha flere transistorer per celle. Da kan et lite batteri holde cellens data vedlike i flere døgn. Slike spesialceller brukes ofte til datalagring i lommekalkulatorer. ► ▼ I silisiumet på en brikke er det etset inn mange transistorer, som er halvledere med et n-område (overskudd av elektroner) og et p-område (overskudd av «hull», mangel på elektroner). Elektroner og «hull» krysser overgangen, og det går strøm om spenning settes på den ene, men ikke den andre veien. En hukommelsescelle (under) har en transistorport eller bryter, og en kondensator som lagrer ladningen.

Utviklingen av den elektroniske datamaskinen Virkelig elektronisk, digital databehandling startet i 1943 med en kodeknekkemaskin kalt Colossus. Den ble i 1946 etterfulgt av en generell datamaskin kalt ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Calculator), utviklet ved University of Pennsylvania av J. Presper Eckert (født 1919) og John Mauchly (1907-1980). De lanserte i 1951 den første kommer­ sielt fremstilte datamaskin, UNIVAC 1, som blant annet ble brukt til statistiske beregningen Med elektronisk databehandling kom behovet for egne hukommelsesenheter. Særlig trengs de til å lagre tall fra mellomberegnmger, og må kunne leses raskt og tillate hyppig og rask overskrivning med nye data. De første brukbare hukommelsene brukte små jernringer som det var tredd ledninger gjennom. Strøm i disse ledningene magnetiserte ringene. Dataene ble lagret ved at en magnetiseringsretning betydde 0 og den andre 1. Fingene ble avlest ved strømmer indusert i andre ledninger når spesielle avlesningsstrømmer snudde magnetiseringsretningen i en ring. Jernkjernehukommelser var i bruk helt frem til 1970-årene, da Integrerte kretser overtok.

Oppbyggingen av en hukommelsescelle

113

Mikrodatamaskinen Ytre enheter og mikrodatamaskinen IHE ARCHER LK5 -4K1/W!—■ >*•

' ,l

-

► Mikrodatamaskinen kan være tilknyttet mange ytre enheter som øker dens anvendelighet. Grensesnitt gir prosessorenheten mulighet for a få data og kommandoer fra tastatur eller andre innretninger, som styrestikke (til spill) eller mus (til tegning), lagre eller lese data eller programmer fra hukommelsen, eller sende data til skjermer, skrivere eller høyttalere. De fleste lagringsenhe­ ter er magnetiserbare, som disketter og harddisker, optiske plater er også tilgjengelige. Mikromaskinen kan kobles til en database eller et datanett via en telekommunikasjonsforbindelse, som data kan sendes til eller hentes fra. Fordi skriver og modem ikke kan fa ut data like raskt som mikrodatamaskinen kan sende, trengs et mellomlager.

Styrestikke

Tastatur

Lyspenn

▲ ► Et trykt kretskort for en enkel datamaskin, med fastloddete brikker. Sentralprosessoren består av mikroproses­ soren, dekoderlogikk (som tolker instruksjonene) og klokke (som sikrer at datama­ skinen arbeider sekvensielt).

Parallellgrensesnitt 2 Taktgenerator 3 Mikroprosessor 4 EPROM (programmerbar hukommelse med innhold som bare kan leses) 5 RAM (hukommelse det både kan leses fra og skrives til) 6 Batteri Tellende taktregister 8 Serielt grensesnitt 9 RS232-drivere og -mottakere 10 Utganger for RS232 seriell kommunikasjon

□□□ Mellomlager

Modem

Data inn

Nettverk av andre mikrodatamaskiner

Elektronisk post

Data inn

Prosessorenheten Definisjonen aven mikrodatamaskin er at her gjøres all behandling / én eneste brikke, mens minidata­ maskiner kan ha mange fungerende enheter montert i et stativ i én enhet. Mens flere samtidig kan bruke en minimaskin, kunne en mikrodatama­ skin opprinnelig bare ha én bruker, noe som imidlertid endret seg i slutten av 1980-årene. «Hjernen» i enhver datamaskin er prosessor­ enheten. I den holdes hvert da ta tegn i et spesielt register i en spesiell hukommelse, og instruksjoner fra programmet tolkes av en kontrollenhet, etterfulgt av en sekvens bestemt av programtelleren og klokken. Kontrollenheten leter frem og henter hvert datategn etter tur, og sender det til en regne- og logikkenhet der instruksjonen utføres. Verdien lagres i akkumulatoren (et ekstra, lite hukommelsesregister) mens videre instruksjoner utføres, og sendes så tilbake til den vanlige hukommelsen i datamaskinen (RAM).

—__________ _____________________________________________ De raskeste datamaskinene bruker litt over fire milliarddels sekund på hver beregning.

Superdatamaskiner De raskeste datamaskinene kan utføre over 100 millioner regneope-rasjoner hvert sekund. Med denne hastigheten kan én eneste data­ maskin utføre én beregning for hvert eneste menneske på Jorden på under ett minutt, og kan gjøre skatteberegningene for et land —------ på ett eneste døgn. Likevel prøver maskinleverandørene å utvikle datamaskiner som regner enda raskere. En grunn til dette er at oppgaver som skatteberegninger egentlig ikke er særlig omfattende. I de delene av teknikk og vitenskap —----- der det foretas numeriske simuleringer av kontinuerlige felter, er _____ det vanlig med langt mer omfattende regneoppgaver. Slike beregninger kan brukes til å studere de elektriske feltene fra en radioantenne, spredningen av seismiske bølger eller temperaturfordelingen i beholdere i kjernekraftverk. To velkjente eksempler er værvarsling, og beskrivelsen av væske- og luftstrømmer rundt skip og fly. Store datamaskiner kan regne på slike problemer med hastigheter som nærmer seg grensen for hva de teoretisk kan yte

bhh

Å holde slike maskiner med arbeid stiller store krav til organise­ ringen av arbeidet. I ethvert større datasenter vil man se at det er de ytre enhetene - terminaler, platelagre, magnetbåndstasjoner, kommunikasjonsutstyr og skrivere - som tar det meste av plassen, selve datamaskinen er forholdsvis liten. Kretser konstruert for mikromaskiner eller lommekalkulatorer kan kanskje bruke opptil ett mikrosekund på én svitsjeoperasjon. I store datamaskiner der det er viktigere med høy hastighet, brukes mer kompliserte fabrikasjonsprosesser søm gir transistorer som kan svitsje mye raskere. Her kan svitsjetiden komme helt ned i noen få nanosekunder, som i datamaskinene som produseres av Cray International i USA. Dessverre oppnås ikke denne hastigheten gra­ tis. Kretsene bruker mer energi, noe som reduserer antall elementer som kan plasseres på hver brikke. I den store datamaskinen Cray-2 er dette løst ved at kretskortene står i en spesiell kjolevæske. Det er samme væske som brukes som kunstig blodplasma for å erstatte menneskeblod. Den er ikke ledende og skader ikke brikkene.

▲ Maskinrommet til en stof datamaskin domineres av lag­ ringsenheter, enheter for å sende data til og fra maskinen og annet utstyr som trengs til driften.

► Cray 2 (der arkitekturen er fremstilt skjematisk øverst og selve datamaskinen avbildet nederst) er en av verdens største og raskeste datama­ skiner. Den utfører én beregning på 4,1 milliarddels sekund. Den har fire prosessorenheter som kan arbeide sammen eller hver for seg. Maskinen brukes til beregninger som består av et svært stort antall operasjoner, som til værvarsling og beregninger av luftstrømmer forbi et fly eller en bil.

DATAMASKINUTSTYR Datasignaler

Superdatamaskinen Cray 2 har en forgrunnsprosessor som koordinerer datastrømmen gjennom fire inn-/utmatningskanaler mellom hukommelsen og ytre enheter. Forgrunnsprosessoren, fire bakgrunnsprosessorer og de ytre enhetene muliggjør sammen en rask strøm av data gjennom maskinen.

Lagringsenhet

Kontrollsignaler

Forgrunnsprosessor

CPU 1

CPU 2

Kommunikasjon og kontroll mellom prosessorenhetene (CPUene) CPU

PROSESSORENHET Felles hukommelse

Datastrøm inn/ut

Magnetbåndstasjoner

111 ..

Frontmaskiner

117

Plate­ lagre

Værvarsling med datamaskin For å løse meteorologiske problemer må man kunne beskrive hvordan fysiske størrelser som trykk, temperatur, fuktighet og vindhastighet kontinuerlig varierer med sted og tid ut fra en kjent startfordeling. Når en datamaskin skal regne på dette, deles området det skal regnes på inn i et stort antall mindre celler, der verdien av alle fysiske størrelser er konstant innen hver celle. Naboceller antas å vekselvirke etter kjente fysiske lover. For hver variabel beregnes for­ ventet endring over et kort tidsintervall, og en ny verdi fremkommer som brukes i neste tidsintervall. Antall punkter og tidsintervaller som er med, kan komme opp i én million, med rundt 30 fysiske størrelser. For store beregninger kan det bli nødvendig med 100 milliarder regneoperasjo­ ner. Det er klart at for å greie dette på rimelig tid, må man bruke meget raske datamaskiner.

118 De elektroniske kretsene i en datamaskin planlegges og tegnes ut 250 ganger forstørret.

Produksjon av brikker Brikkene lages ved flere prosesser, som fotolitografi, oksidasjon, diffusjon og pådåmping i vakuum, som sammen lager de nødvendige mønstrene i silisiumsubstratet og transistorer, motstander, kondensato­ rer og kretser. Ved hjelp av datamaskin lages et utgangsmønster i stor målestokk for hvert av de mange lagene som en moderne brikke er sammensatt av. Det reduseres så fotografisk og kopieres for å lage en fotolitografisk maske, som kan lage opptil hundre identiske brikker fra én silisiumskive, 10 cm i diameter og 4 mm tykk. Opptil 12 slike masker kan bli laget, hver for et eget område av brikken. Et eget stoff - ofte fosfor eller bor - brukes til å endre de elektriske egenskapene til noen lag. Dette spres gjennom maskevinduene til ønsket dybde og lager halvledende «n»- og «p»-områder i silisiumet. Gjennom varmebehandling legges en film av silisiumdioksid over disse områdene. Dermed er de beskyttet under etsingen av senere lag i kretsen. Nye vinduer etses gjennom oksidlaget og på brikken legges en aluminiumsfilm, som så graveres for å etterlate de elektriske koblingene. Til slutt legges det på et beskyttende oksidlag rundt brikken.

A Uttegningen for de elektro­ niske kretsene lages, vanligvis ved hjelp av datamaskiner, med en forstørrelse på 250 ganger, før de ved fotografi­ ske teknikker reduseres til den endelige brikkestørrelsen og kopieres for produksjon. Det lages en egen utlegning for hvert lag i brikken.

► Hver av brikkene prøves og kontrolleres før de skjæres løs fra silisiumskiven, inspiseres så visuelt under et mikroskop og plasseres i en pakke der tynne tråder sørger for forbin­ delser mellom brikkene og pinnene. Til slutt undersøkes de på nytt før de er klare til bruk. Det hender at under 25% av brikkene fra en silisiumski­ ve slipper gjennom kontroll­ prosessen og kan brukes, mens de øvrige ikke oppfyller kravene.

______________ ___ _________________________________________ ■.

Datamaskinprogrammer Brukervennlige datamaskiner... Maskinkode og programmeringsspråk... Fantasiverdener skapes... Databaser... Ekspertsystemer... PERSPEKTIV... Hvordan skrive et datamaskinprogram... Datamaskiner og grafikk... Regneark og deres anvendelser... Innlesing av trykt materiale... Datamaskiner som spiller

L_....... ,ZZ

Fra annonser for datamaskiner kan man av og til få inntrykk av at datamaskiner og terminalene vi bruker for å kommunisere med dem, har menneskelige egenskaper. Til tross for betegnelsene som brukes på dem, er terminaler hverken særlig smarte eller vennlige, like lite som datamaskinsystemer er intelligente eller eksperter. Disse egenskapene ligger i de delene av datamaskinsystemene som vi kaller programmer eller programvarer. Det fysiske utstyret utgjøres av de synlige delene av en datamaskin: Tastaturet, skjer­ men, platelagerenheten og prosessorenheten. Dette kontrolleres av instruksjoner som sier hva som skal skje for hver kommando vi gir. Slike instruksjoner utgjør systemets programvare og bestemmer hvordan systemet skal «oppføre» seg. De første datamaskinene ble programmert direkte i maskinkode. Instruksjonene ble gitt på en måte som krevde inngående kjenn­ skap til hvordan data og resultatene fra mellomberegninger ble oppbevart og behandlet i datamaskinen. Resultatet var at bare eks­ perter kunne bruke datamaskinene. Det krevdes nemlig alt for mye arbeid for å lære seg maskinkode for de som ikke var interessert i datamaskinen i seg selv, men i å bruke den til ulike formål. Dagens utstyr er i så måte lettere å bruke. En viktig egenskap ved programvare er at den kan brukes som byggeklosser. Hvis en person skriver et program (et sett med instruksjoner) for å løse en bestemt oppgave, kan en annen person legge dette inn som en del av (en delrutine) i et annet program, uten å vite i detalj hvordan det første programmet virker. Det er nok å kalle opp pro­ grammet med de opplysninger det trenger, og vite under hvilke forhold det vil feile. Ved å gjøre programmeringsspråkene mer avanserte, og slik gjø­ re det mulig å utføre mer og mer kompliserte operasjoner som svar på enkle kommandoer, har også ikke-eksperter kunne nyttig­ gjøre seg dem. Det er utviklet en rekke programmeringsspråk (reg­ ler for hvordan instruksjoner skal gis). ◄ En «skilpadde» tegner ut et mønster på papir styrt av en datamaskin programmert av skolebarn ved bruk av pro­ grammeringsspråket LOGO. Dette ble utviklet som et lærespråk som skulle lære små barn prinsippene bak pro­ grammering med utgangs­ punkt i geometriske begreper. Selv om det er enkelt å bruke, er det et forbausende kraftig språk, som kan brukes til å lage fargebilder på en skjerm. «Skilpadden» er en enkel robot, en av en rekke innret­ ninger for å vise frem data på skjerm eller papir. Den er utstyrt med en liten penn slik at den på papiret avsetter en strek der den har beveget seg.

Programmeringsspråk Datamaskinprogrammer skrives i en rekke ulike pro­ grammeringsspråk - som for eksempel ALGOL, BASIC, COBOL, FORTRAN, Lisp, LOGO, Pascal og SIMULA - der hvert har sine sterke og svake sider i måten instruksjoner kan bli gitt til datamaskinen på. COBOL ble for eksempel laget for å behandle store datamengder til administrative formål, mens FORTRAN, som ble laget for å passe til de behov forskere (de første ikkespesialistene som tok data­ maskinene i bruk) hadde, er særlig godt egnet til matematiske beregninger. Pascal har særlig fått stor utbredelse på mikrodatamaskiner, som også gjerne kalles personlige datamaskiner.

10 PRINT «Oppgi høyeste heltall» 20 INPUT N 30 PRINT «Oppgi høyeste tillatte verdi» 40 INPUT M 50 Z = 0 60 FOR I = 1 TO N 70 Y = l*l 80 ifY>MTHEN 110 85 PRINT l,Y 90 Z = Z + Y 100 GOTO 140 110 Y = M 120 PRINT l,Y 130Z = Z +Y 140 NEXTI 150 PRINT «Summen er»;Z 160 STOP_______________________________ Dette programmet er et enkelt eksempel på BASIC, laget for å vise noen av språkets egenskaper. (BASIC er en forkortelse for BeginneFs All-purpose Symbolic Instruction Code, og er laget for å være lett å lære for nybegynnere). Datamaskinen skal her summere kvadratene av en rekke tall, opp til en grense bestemt av brukeren. Programmet stopper idet denne grensen nås, eller kvadratet av et tall er større enn en annen grense, også bestemt av brukeren. Når programmet skal lages, kan program­ mereren først prøve å bryte opp problemet i mindre biter og lage en algoritme (oppskrift) på hvordan programmet må arbeide, hvordan data skal leses inn, hvordan de skal regnes med og hvordan de skal skrives ut, og så videre. Det neste blir så å kode algoritmen i et datama­ skinspråk. Her er hver enkelt lille oppgave, instruk­ sjon, skrevet på en egen linje og identifisert ved et linjenummer. Datamaskinen utfører instruksjonene etter hverandre, med mindre den får beskjed om å hoppe til en annen linje (som i linjene 80, 100 og 140). Linjene 20 og 40 lar brukeren spesifisere maksimumsverdier for beregningene og kaller dem M og N. Linjene 60-140 er en løkke, eller et sett beregnin­ ger som maskinen skal utføre flere ganger. Instruk­ sjonen i linje 80 undersøker om på noe tidspunkt verdien av et kvadrat (Y lik kvadratet av I) overstiger verdien for M. Hvis det skjer, får datama­ skinen beskjed om å hoppe til linje 110 der verdien for M kopieres over i Y. Z er den løpende summen av verdiene Y får. Når løkken er gjennomløpt N ganger, vil datamaskinen fortsette i linje 150, skrive ut summen i Z og programmet vil stoppe.

120 Datamaskinprogrammer gjør det mulig å modellere fantasiverdener, og sammenligne dem med våre kunnskaper om den virkelige verden.

Formelle programmeringsspråk egner seg ypperlig til å utforske de enkelte hendelsene som ligger bak de mange naturfenomenene vi observerer. Dette fordi de gjør det mulig å beskrive kompliserte fenomener ved hjelp av matematiske modeller som kan bryte pro­ blemet ned i et stort antall enklere deler. Omvendt kan også data­ maskinprogrammer brukes til ut fra fantasien å lage nye, tenkte verdener. Siden programmeringsspråkene baserer seg på abstrakte forestillinger, behøver programmene som lages med dem ikke å overholde fysikkens lover. De kan gjenspeile de tanker og idéer programmereren har, og lovene som da lages, kan bestemmes av denne. Utforskning av ulike idéer med datamaskiner er grunnlaget for simuleringer av forskjellige hendelser, for eksempel hva som skjed­ de da Universet ble dannet, noe som ikke kan gjøres med fysiske observasjoner. Likeledes representerer flysimulatorer og simulato­ rer av kjernekraftverk en modell av verden, konstruert for å utfor­ ske virkelige hendelser og gi den som utfører simuleringen anled­ ning til på en trygg og billig måte å lære seg å reagere raskt og riktig på ulike ting som kan skje i virkeligheten. Datamaskinprogrammenes fantasiverdener er imidlertid for lenge siden blitt til­ gjengelig også utenfor datamaskinekspertenes domene. To ting gjorde datamaskinspill tilgjengelige for barn. Små data­ maskiner ble laget til en pris mange hadde råd til å betale, og programmer med spill gjorde det mulig å delta i det som foregikk i en fantasiverden. I slike spill bestemmer programmet rammen omkring og reglene for spillet, enten det nå er tripp-trapp-tresko, krig i rommet eller forfølgelser gjennom en labyrint. Spilleren ma holde seg til de reglene programmereren har lagt inn i programmet. I mange andre systemer er det imidlertid brukeren, og ikke pro­ grammereren, som har ansvaret for å lage modellen. I det som kalles regneark kan programvaren ses på som et modellverktøy. For eksempel kan budsjettdata legges inn og modellen brukes til a simulere hva som skjer med tallene under ulike forutsetninger. For slike systemer er det viktig at en ny bruker raskt kan lære seg å bruke dem, de må være «brukervennlige». Et felles trekk for alle typer programmer bør være at de tillater brukeren å konsentre­ re seg om hva programmet skal brukes til, uten å måtte bry seg med tekniske detaljer om hvordan selve datamaskinen fungerer. ▲ ► Bilder av en Mandelbrotmengde, en rekke såkalte imaginære tall (definert fra kvadratroten av -1) som kan visualiseres med en datamaskin og slik fremstille noen av de mest kompliserte mønstre man kjenner innen matematikk. Hvis en datamaskin følger denne tallsekvensen i to dimensjoner og gir hvert bildeelement en farge bestemt av verdien i vedkom­ mende punkt, fås mønsteret til høyre. Undersøkes et utsnitt nærmere, trer komplekse virvler og sløyfer frem i det uendelige.

◄ Flysimulatorer skaper en tenkt verden som prøver å etterligne en del av den virkelige. Slik kan flyundervisning gis på en realistisk, trygg og billig måte.

DATAMASKINPROGRAMMER

121

Datamaskiner og grafikk Datamaskinens «brukervennlighet» i alle mulige sam­ menhenger, skyldes i stor grad utviklingen av grafikk som kan manipuleres fra tastaturet eller med andre innretninger. Selv mindre hjemmedatamaskiner kan programmeres til å vise diagrammer og mønstre. Datamaskinassistert konstruksjon brukes for å analysere egenskapene til strukturer før de produseres. Koordinater eller dimensjoner oppgis og et program presenterer dem i form av et tredimen­ sjonalt bilde som kan roteres, rettes, undersøkes og fargelegges. For at et bilde som finnes på forhånd skal kunne behandles, må det legges inn i datamaskinen enten manuelt av en som tegner det inn, eller automatisk ved en optisk sveiper eller bildeleser. Bildet deles opp i bildeelementer der lysintensitet og farge måles og registreres. Ved å endre disse verdiene, kan bildets form og farge endres, detaljer som skygger kan legges til eller fjernes og flere bilder kan lett lages ut fra én original.

122 Med databaser kan forskere på en rekke felter hente frem data uten å måtte besøke et bibliotek.

Databaser Datamaskiner kan sette brukeren i forbindelse med enorme data­ mengder. Via telefon eller satellitt kan en abonnent, når han måtte ha behov for det, ha tilgang til data i en sentral kilde som kontinu­ erlig oppdateres. Slike kommunikasjonsmuligheter er nøkkelen til hurtig og sikker tilgang til data det kan være behov for i mange sammenhenger. Frem til vår tid har tradisjonelle biblioteker tjent som «datalagre» eller «databaser» der tanker, erfaringer og data kan oppbevares fra generasjon til generasjon. For å kunne ha nytte av dataene, må de ordnes systematisk slik at brukeren kan plukke ut data etter emne, forfatter eller tidsperiode, og følge opp referanser fra én artikkel til en annen. Stadig større datamengder blir nå direkte til­ gjengelig fra datamaskiner. Alle mulige slags tidsskrifter og bøker trykkes nå ofte ut fra elektronisk lagrete data, slik at det er lett å lage utdrag som kan legges inn i en database. Mange av de stati­ stiske dataene fra statsforvaltning, næringsliv og forskningsorgani­ sasjoner ligger nå på et eller annet datamedium. Resultatet har vært opprettelsen av en rekke forskjellige databaser, og både antall databaser og datamengdene de inneholder øker raskt. ▲ En lyspenn har en laserstrå­ le som kan registrere mønstre med lys og mørke når den føres over en strekkode. Dette er en rask måte for å legge inn data som er mye brukt i forretninger og lagre. ◄ En automatisk kontrollert sveiserobot. Et kamera sender bilder av robotens posisjon til en datamaskin som kan registrere avvik fra forventet posisjon, og ut fra dette gjøre de nødvendige korreksjoner. ▼ Et kart over Manhattan der et program har tegnet inn raskeste (bla) og korteste (rosa) vei mellom to punkter. Slike kart kan i fremtiden tenkes lagret i datamaskiner i biler for bruk i bykjøring.

► Et datamaskinprodusert bilde av dimensjonene, rekke­ vidden og bevegelsesmønste­ ret til en industrirobot. Pro­ gramvare for konstruksjon har ført til at slikt arbeid kan gjø­ res raskere og bedre enn før.

DATAMASKINPROGRAMMER

Tilgangen til disse databasene er blitt betydelig lettere og åpen for flere takket være moderne modemer. De gjør det mulig for en bruker med en mikrodatamaskin hjemme, på kontoret eller i et laboratorium å ringe opp til en database i en større datamaskin, uansett hvor i verden denne står. Store databaser inneholder infor­ masjon både av medisinsk, juridisk og vitenskapelig art, for bare å nevne noe. En meget viktig egenskap ved databaser er mulighe­ ten til å krysskoble opplysninger. Uten å forlate kontoret sitt kan en bruker for eksempel hente frem en forskningsartikkel i et ameri­ kansk tidsskrift, sammenligne den med et patent tatt i Europa og kontrollere begge mot et produkt fra Taiwan. Spørring mot en database er en mer avansert form for oppslag i et bibliotekskartotek. Til alle data er det knyttet et sett nøkkelord. Det kan være artikkeltittel, navn på forfattere, selskaper eller ord som sier noe om hvilke temaer artikkelen omhandler. Ved å oppgi et eller flere nøkkelord til en database, vil den øyeblikkelig skrive ut en liste over alle artikler som har dette eller disse nøkkelordene, med mer fyldige opplysninger om artiklene. Brukeren kan så gå gjennom listen og se om vedkommende finner noe av interesse. I vitenskapelige databaser ligger det vanligvis fullstendige refe­ ranser til en artikkel og et kort sammendrag av dens innhold. Mengden av materiale som er tilgjengelig er så stor at hele artikke­ len sjelden lagres. Når man har funnet en artikkel av interesse, må man gå på et bibliotek som har vedkommende tidsskrift, og lese den der eller få tatt en fotokopi. Databaser for næringslivet er ofte litt annerledes. Her er det snakk om mindre datamengder, som årlige omsetningstall for eller navn på ledere i en bedrift. På slike forespørsler kan alle dataene det letes etter, vises frem på skjermen. Noen databaser inneholder komplette artikler. I disse kan man lete frem nye temaer eller følge reportasjer om en sak som strekker seg over et lengre tidsrom. Databaser er nå i ferd med å bli tilgjengelige på optiske platelag­ re. Her er det ennå ikke mulig å skrive over dataene, slik at dette passer best til data som ikke foreldes særlig med tiden. Man får imidlertid en rask og billig tilgang til store datamengder. Plater med slike databaser kan kjøpes for bruk mot en mikrodatamaskin man har hjemme eller på kontoret.

123

Programvare for næringslivet Bedriftsledere stilles stadig overfor spørsmålet om lønnsomheten av avtaler der kostnader, mengder og valutakurser kontinuerlig endres. Tradisjonelt har man analysert slike problemer ved hjelp av regneark der de ulike delene i beregningen settes opp på en systematisk måte, vanligvis som ruter eller celler i et rutenett. Noen celler kan vise stykkpris, andre omgjør dem kanskje til én og samme valuta. I andre kan det ligge salgstall og totale kostnader med dif­ feransen mellom dem, fortjenesten, i atter en annen. Slike beregninger på papir er opplagt tungvinte. Endres ett element, kan det bli nødvendig å beregne alle cellene på nytt. Det er kjedelig og tid­ krevende, men nødvendig fordi slike «hva-hvisanalyser» er en del av det å lede en bedrift, og må utføres. Daniel Bricklin og Robert Frankston ville forenkle og automatisere slikt arbeid ved å plassere hele regnearket i en datamaskin. I programmet er det visse regler for hvordan et tall legges inn i en celle. I noen celler, som for en stykkpris, legges verdien rett inn, mens i andre er celleverdien definert som en sum, differanse eller mer komplisert kombinasjon av verdier i andre celler. Nå er det enkelt å finne svar på spørsmål som hva vil skje med fortjenesten med en gitt endring i valutakursene. Innholdet av én eneste celle endres og programmet endrer innholdet av alle andre som berøres av dette. Bricklin og Frankston solgte programmet under navnet Visicalc, og det og dets etterkommere brukes nå over hele verden.

Innlesing av trykt materiale Ønsket om å legge inn komplette tekster i databaser har ført til konkurranse på et nytt område. Mange nåværende og eldre bøker finnes nemlig bare i trykt form. Problemet kan løses på to måter. Den ene er å taste inn all tekst ved en terminal. Det er arbeidskre­ vende, særlig for aviser som vil ha inn eldre materiale. Slikt arbeid gjøres vanligvis i land med lave lønnskostnader, som Taiwan eller Filippinene, der skriverne kanskje ikke forstår det språket de skriver inn stoff på. Et alternativ er å sveipe over teksten elektronisk med en innretning som kan gjenkjenne trykte tegn. Metoden har store fremtidsmuligheter, men kostnadene er ennå om lag de samme som for manuell inntasting. For å kunne lese entydig krever maskinene skarpe og veldefinerte tegn og teksten må være presist opplinje rt. De må også kunne greie bytte av skrifttype innen en side, hvis det i teksten brukes skråskrift, fet eller annen skrift. Maskiner begynner å bli i stand til å beherske disse problemene, men det kreves mye manuelt arbeid med å presentere teksten for maskinen på en måte som holder feilfrekvensen på et akseptabelt nivå. Teksten må ofte deles opp i enkeltkolonner, noe som gjør det vanskelig å kopiere sjeldne eller verdifulle bøker ved hjelp av denne metoden. Med elektronisk registrering av trykt tekst kan for eksempel enhver som har en datamaskin, der lese inn stoff fra aviser og tidsskrifter. Slik kan man bygge opp et klipparkiv over akkurat de typene stoff man selv er interessert i.

124

Ekspertsystemer Et nytt problemområde innen moderne programmering er behand­ lingen av problemer som ikke har noen direkte analytisk løsning. Løsningen av slike problemer krever vurderinger basert på menne­ skelig erfaring, og de menneskene hvis erfaring det her dreier seg om, er i denne sammenheng kalt «eksperter». Et typisk eksempel på et slikt problem er en medisinsk diagnose. Legen spør noen spørsmål, vurderer hvor kritisk pasientens tilstand er, stiller en fo­ reløpig diagnose og undersøker den videre med ulike prøver. Kan det ikke settes opp noen sikker diagnose, må man gå forsiktig frem og ta flere prøver. Poenget er at under hele denne prosessen må det gjøres slutninger basert på ufullstendig informasjon, og legen må basere seg på sin erfaring av hva som er mest sannsynlig i de ulike situasjonene. Det begynner nå å bli tilgjengelig programmer myntet på denne type problemer. Hittil har slike «ekspertsystemer» for det meste vært brukt til enklere problemer enn medisinske - for eksempel «krigsspill» - men for enkelte typer diagnoser har de allerede vist seg å være til god hjelp. Slike systemer er blant de mest avanserte som nå lages for datamaskiner, og krever helt andre metoder enn de enkle «ja/nei»-algoritmene i enklere programmer. De utnytter sin kunnskap om et spesielt tema til å redusere antall sannsynlige alternativer som må vurderes av de som har erfaringer på dette området. De første ekspertsystemene ble laget på slutten av 1960årene for å bestemme strukturen av organiske molekyler. Spillprogrammer kan lages slik at de «lærer» av sin erfaring fra tidligere spill de har vært brukt til, istedenfor bare mekanisk å analysere et visst antall trekk fremover. 4 Mikrodatamaskiner i et klasserom kan kjøre sine egne opplæringsprogrammer eller kobles til en stor datamaskin som viser frem data, men samtidig tillater hver elev a arbeide individuelt.

▲ Programvare er vanligvis noe abstrakt, men kan synlig­ gjøres. Dette mikrofotografiet viser strømflyten gjennom en mikroprosessor i drift, der de forskjellige fargene viser ulike spenningsnivåer.

Sjakkspillende datamaskiner Sjakk er et krigsspill. «Slaget» er av en mer rituell art og foregår etter et sett faste regler. En viktig egenskap ved spillet er at ingen strategi på forhånd garanterer seier for en av spillerne, og antall mulige trekk er enormt. Det er blitt anslått at brikkene kan innta rundt 10120 posisjoner. For programmerere har sjakk lenge representert en utfordring. Kan det lages program som garanterer seier mot verdens beste spillere? De første sjakkspillende programmer var nokså dårlige. I nyere versjoner har man lagt inn erfaringer fra sjakkspill og nådd langt bedre resultater. På 1985-kongressen til World Chess Federation ble man enige om å la datamaskinprogrammer delta i sjakkolympiaden. Det amerikanske sjakkforbundet har laget en egen rangering av sjakkprogrammer. Her prøver man å vurdere et programs spillestyrke ved å la det spille mot mennesker med kjent rangering, som er et mål på deres spillestyrke. Det er laget programmer med samme rangering som de sterkeste klubbspillere. Programmererne vil imidlertid ikke være fornøyde før de har laget programmer som kan stille opp mot verdensmeste­ ren, men i 1986 slo Garri Kasparov, som spilte blindparti, ti datamaskinprogrammer samtidig.

Ordliste Akselerasjon Angir hvor fort hastigheten til et legeme endres. Måles vanligvis i meter per sekund.

Akselerator Maskin som brukes innen elementærpartikkelfysikk for å ak­ selerere subatomære partikler til høye hastigheter. Akustikk Vitenskapen om lyd. Omhand­ ler hvordan lyd dannes, overfø­ res, reflekteres og absorberes.

Antenne En komponent i en elektrisk krets som sender eller mottar ra­ diobølger. Algoritme En mengde operasjonsregler som sammen, og i riktig rekke­ følge, utgjør en komplisert ope­ rasjon. Algoritmer er mye brukt innen databehandling. Amplitude Det maksimale utslaget fra mid­ delverdien for noe som svinger.

Analog Beskriver et signal som kan vari­ ere kontinuerlig. Atomur Et ur som brukes for å kalibrere andre ur. De konstante frekven­ sene i overgangene til elektroners spinn i cesiumatomer defi­ nerer en nøyaktig og reproduserbar tidsenhet.

Binære tall Tallsystem med 2 som grunntall. Brukes mye i datamaskiner og i forbindelse med alle typer digi­ taliserte data.

Boblekammer En innretning som brukes for å kartlegge sporene etter subato­ mære partikler. Det skjer ved å redusere trykket i en tank idet partikler passerer gjennom den, slik at de danner bobler langs de banene de følger. Bolometer Et instrument som brukes til å måle alle typer strålingsenergi, også utenfor det synlige område av det elektromagnetiske spek­ trum.

Database Et system der data er lagret på en systematisert måte og lett kan oppdateres, samtidig som det er lett og går fort å finne frem til ønskede data. Deformasjonsmålere En innretning som måler defor­ masjonen av overflaten i en gjenstand ved å måle variasjo­ ner i den elektriske strømmen gjennom et piezoelektrisk kry­ stall som er festet til den.

Diffr aksjon Avbøyning av lys eller stråling generelt.

Digitalisering Prosessen som består i å omgjø­ re et analogt signal til et digialt, der det vanligvis beskrives ved binære tall. Elektromagnetisk stråling Energi som overføres i form av elektromagnetiske bølger. Om­ fatter gamma- og røntgenstrå­ ling, ultrafiolett stråling, synlig lys, infrarød stråling og radiostråling. Elektron En subatomær partikkel med ne­ gativ ladning, finnes blant annet i baner rundt atomkjerner. Elektronikk Den del av teknikk og vitenskap som dreier seg om elektronbevegelser i vakuum, gasser eller halvledere, og de anvendelser dette har.

Fotogrammetri Læren om måling i fotografiske bilder. Brukes blant annet i må­ linger av flyfotografier til kartleggingsformål.

Foton Fagbetegnelse på det som popu­ lært kan kalles lyspartikkel eller lyskvant. Følsomhet Evnen et måleinstrument har til å registrere små variasjoner i sig­ nalet det måler.

Halvleder En gruppe materialer med en elektrisk ledningsevne som lig­ ger mellom den som er typisk for metalliske ledere og den som er typisk for isolatorer.

Holografi Dannelsen av tredimensjonale bilder ved å «fotografere» en gjenstand som er belyst av en delt laserstråle, og gjenskapningen av bildet ved å bruke en til­ svarende laserstråle.

Informatikk Den del av vitenskapen som be­ skjeftiger seg med innsamling, lagring, bearbeiding og overfø­ ring av data. Ion Et atom som er blitt elektrisk la­ det ved at det har fanget inn eller mistet elektroner, slik at antall elektroner i bane rundt kjernen er forskjellig fra antall protoner i den. Isotop Atomer av samme grunnstoff som har samme antall protoner i kjernen, men forskjellig antall nøytroner.

Kalibrering Prosessen å utstyre et vitenska­ pelig instrument med en måleskala og angivelse av hvilken fy­ sisk størrelse den gjelder for. Karbon-14-metoden En teknikk for aldersbestemmel­ se av gamle gjenstander. Date­ ringen skjer ved å måle den ra­ dioaktive nedbrytningen av kar­ bon-14, en langlivet karbonisotop, i gjenstanden. Katalysator Et stoff som øker hastigheten på en kjemisk reaksjon, men som selv er uforandret og ubrukt ved slutten av reaksjonen. Kromatografi En teknikk for kjemisk analyse der en prøve blandes med et mo­ bilt medium og fraktes over et porøst stoff. Ulike komponenter adsorberes med forskjellige ha­ stigheter av det porøse stoffet, og det skjer en separasjon. Krumpasser Passer med buete ben festet i en felles akse. Brukes til å måle gjenstanders utvendige størrel­ se. Laser En forkortelse for Light Amplification by Stimulated Emission of Light. En laser produserer lys med nøyaktig samme bølgeleng­ de, og der alle lysbølgene er i samme fase, det vil si at de er ko­ herente. Mikroskop Et instrument som gir forstørrete bilder av små gjenstander. Det kan skje ved å bruke lys, elektro­ ner, lydbølger eller røntgenstrå­ ling. Oscilloskop Et bilderør der en varierende strømstyrke eller spenning kan synliggjøres som en kurve på skjermen. Piezoelektrisitet En egenskap ved enkelte kry­ staller som gjør at deres elektri­ ske egenskaper endres når de ut­ settes for mekanisk trykk eller spenning. Prosessorenhet Selve «hjernen» i en datamaskin, den delen som henter data fra hukommelsen, bearbeider dem i regne- og logikkenheter og lag­ rer resultatene. Alt dette skjer ut fra instruksjonene gitt i et datamaskinprogram. Seismograf Et instrument som registrerer seismiske bølger forårsaket av jordskjelv og eksplosjoner. SI-systemet En forkortelse for Systéme In­

ternational d'Unités, Det inter­ nasjonale enhetssystem. Et in­ ternasjonalt system for ulike måleenheter som ble vedtatt i 1960. Systemet baserer seg på syv grunnenheter og to såkalte supplementenheter. Sonar En forkortelse laget ut fra det en­ gelske SOund NAvigation and Ranging, en teknikk for å lokali­ sere gjenstander under vann. Skjer ved å måle tiden en lyd­ bølge trenger frem og tilbake til en gjenstand.

Spektroskopi Registrering, utmåling og analy­ se av spektra. Mye brukt av astronomer, fysikere og kjemi­ kere. Stroboskop Et apparat som med konstant tidsintervall sender ut svært kor­ te lysglimt. Støy Uønsket lyd, strøm eller spen­ ning som forstyrrer det signalet man ønsker å observere. Syklotron En partikkelakselerator der par­ tiklene går i en spiralformet ba­ ne i et sterkt magnetfelt. Synkrotron En stor akselerator der partikler akselereres rundt i et smultringformet rør som kan være flere ki­ lometer langt.

Teleskop En type kikkert som brukes til astronomiske observasjoner av objekter på himmelen.

Termokobling En elektrisk krets der det blant annet inngår skjøter mellom to ulike metaller eller halvledere. Hvis det er forskjellig tempera­ tur på hver side av skjøtene, set­ tes det opp en strøm som kan måles. Transduser Et apparat for omgjøring av energi fra én form til en annen, for eksempel fra lyd til elektrisk energi slik det skjer i en mikro­ fon. Tåkekammer Et kammer som brukes for å syn­ liggjøre sporene etter subato­ mære partikler. Når ladete par­ tikler sendes gjennom mettet damp, kondenserer gassen langs partikkelbanene til dråper som kan ses.

Vekt Et instrument som benyttes til å måle massen av et legeme ved å sammenligne det med legemer med kjent masse.

Register Sidenumre i kursiv refererer til illustrasjoner, bildetekster eller sidetekst

A Abbe, Ernst 48 Aberrasjon 53 Absorpsjonslinjer 56 Absorpsjonsspektroskopi 103 Abu Dhabi 74 Airys passasjeinstrument 24

Akromatiske linser 53 Akselerasjonsmåling 18 Akseleratorer 26, 108 Akselerometer 39 Aktiveringsteknikker 104 Akustikk, til musikk 90, 92 Akustisk mikroskopi 68 Akustiske måleteknikker 61 Akustiske refleksjonsteknikker 65 Alfastråling 105 Algoritmer 119 Altasimutmontering 55 Ampere 13, 37, 38 Amperemeter 39 Ampere, André-Marie 13, 38 Analoge opptak 87, 93 Analytisk kjemi 101-104 Ankergang 21, 21 Antipartikler 106, 108 Antiprotoner 108 Aperturesyntese 60, 79 Apollo-programmet 13 Archer, Frederic Scott 83 Astronomi 53-60 Astronomical Almanac 24 Atomer 22, 37, 37, 97, 103, 105-110 Atomur 22-23, 79 Automatisering 14 Avstandsmåler 7

B Babbage, Charles 111 Baird, John Logie 93 Basshøyttaler 91 Becquerel, Henri 105 Belavac lineærakselerator 107 Ben Nevis 108 Betastråling 105 Bevegelsesmengde, måling 18 Biblioteker 122 Big European Bubble Chamber 109 Bildebehandling 55-58, 65, 74, 76, 79, 121 Bildeelementer 57, 74, 89, 121 Bildeforsterker 57, 84 Bildeomformere 84, 85 Bildespektroskopi 49 Binnig, Gerd 51 Bismervekt 27, 31 Bit 111 Blandingsenheter 18 Bland-katalysator 104 Blinkkonverteren 42 Boblekammer 106, 108, 109 Boliger 60 Bolometer 73 Boot, H. A. H. 80 Brevvekt 30, 30 Bricklin, Daniel 123

Broglie, Louis de 48 Brytning, seismisk 65 Brytningsindeks 46 Buesekunder 55 Bunsen, Robert 56 Busch, Hans 48 Bygninger 60 Bølgelengde, lyd 61

c Caesar, Julius 24 Camera obscura 83 Candela 13 Cassegrain-teleskop 53, 55 CAT-sveiping 70, 70 CCD se Charge-coupled devices CERN 107, 108, 109, 110 Cesium 16 Cesiumur 23, 23 Challenger 59 Chang Heng 6 Charge-coupled devices 57, 57, 89 Clark, Alvan 53 Cock, Christopher 43 Cockroft-Walton-generator 106 Cook, James 21 Colossus 113 Coud-teleskop 53 Coulometer 103 Cray-2 116-117

D Daguerre, Louis 83 Daguerreotypi 83 Dalby, Isaac 34 Databaser 122-123 Datafangst 123 Datamaskinassistert konstruksjon 15, 118, 121 Datamaskinbilder 66, 67, 69, 70, 82 Datamaskiner 110,111-124, Datamaskingrafikk 15, 57, 121, 122, se også Bildebehandling Datamaskinhukommelse 112, 113, 114 Datamaskinprogrammer 111, 119-124 Datamaskinspill 120 Datering av bergarter 26 Definisjoner lengde 12, 17 masse 18 - tid 16 vekt 27 Deformasjonsmålere 31, 31, 32 Dekoderlogikk 114 Derham, William 61 Diffraksjonsgitter 56 Digitale opptak 87, 93 Digitalisering 94 Diodelasere 100 Diskanthøyttaler 91 DNA 51 Dolby-systemet 91 Dollond, John 53 Dopplereffekten 81 Dreiebenk 14 Dreiespoleinstrumenter 38

E Eckert, J. Presper 113 Édgerton, Harold 85 Edison, Thomas 87, Effelsberg-radioteleskopet 76 Einstein, Albert 25, 69 Einstein Observatory 71 EISCAT-prosjektet 80 Ekkolodd 62, 62 Ekspertsystemer 124 Ekvatorialmontering 55 Elektrisitet 37 Elektrisk motstand 37 Elektriske mikrofoner 90 Elektriske målere 38-39 Elektromagnetisme 13, 37, 69 Elektroner 105, 106 Elektroniske detektorer 56 Elektroniske filtre 96 Elektroniske måleteknikker 40 Elektroniske vekter 31 Elektronmikroskop 48, 49 Elektronsky 51 Elektronsveipemikroskop 48, 49 Elektronvolt 105 Elektrostatisk akselerator 107 Elektrostatiske høyttalere 91 Emisjonsspektroskopi 102-103 Emisjonsspektrum 56, 103 Emisjonsteknikker 52 Emulsjon 86 Energi, måling av 18 ENIAC 113 Exosat-teleskopet 71

F Faraday, Michael 69 Fargefotografering 86 Faseforskjell 46 Fasekontrastmikroskopi 46, 47 Feilfinning 66, 68, 71 Feilkorreksjon, av opptak 88, 96 Feltemisjonsmikroskopi 52 Feltionemikrofotografi 52 Fermilab-akselerator 106, 107 Fiberoptikk 72, 100 Filmkamera 84 Fjærhus 22 Fjærvekter 30, 30 Fluorescensmikroskopi 44, 45 »Flutter« 96 Flysimulator 120 Flytende krystaller 42 Flyutprøving 18 Forsterkere 41 Fotoceller 14 Fotodioder 56-57 Fotoelektrisk celle 39 Fotoemisjon 56-57 Fotografering 83-86, 98 Fotografisk film 56 Fotogrammetri 36 Fotokatoder 84 Fotokonduktorer 73 Fotometer 58 Fotomultiplikatorer 57 Fotoner 69, 97, 110 Fourier-transformspektroskopi 73 Fox Talbot, William 83, 83 Frankston, Robert 123 Franske vitenskapsakademi 12, 17, 27 Fraunhofer, Joseph von 56

Frekvens 61 Frekvensrespons 90, 91 Fremvisningsenhet 7 Fresnel-soneskiver 52 Fripendelen 21 Følere 7, 14 Følsomhet 7, 41

G Gabor, Dennis 98 Galakser 76, 79 Galilei, Galileo 19, 53 Gammastråling 71 Ganghjul 20 Gangverk 20, 20-21, 21, 22 Gasskromatografi 101, 103 Gasslaser 97, 97 Geiger, Hans 110 Geigerteller 110 Glaser, Donald 108 Grafikk, datamaskin 121, 122 se også Bildebehandling Grafitt 50 Graham, George 21 Gravitasjon 37 Greenwich Mean Time 24 Gregor 13., pave 24 Gregorianske kalender 24

H Hafele, Joseph Carl 25 Hale-teleskopet 54 Hall, Chester More 53 Halveringstid 26 Halvledere 118 Harrison, John 21 Hartley, W. N. 103 Hastighetsmålinger 18 Havbunnsmålinger 81 He-Ne-lasere 17, 94, 97 Helmholtz-resonatorer 92 Henry, Joseph 13 Hepatitt A-virus 49 Hereford-katedralen 33 Herschel, William 54, 73 Hertz, Heinrich Rudolf 13, 69 Hevelius, Johannes 53 Holografi 98-99 Hooke, Robert 43 Hubble-romteleskopet 53, 58-59 Huggins, William 56 Huygens, Christiaan 20 Hvilegang 21 Hydrofoner 62, 65

Høyhastighetsfotografi 18, 84 Høytrykkskromotografi 101 Høyttalere 90, 91, 91

I Ikke-destruktive undersøkelser 51, 6667, 71, 73, 82, 99 se også Feilfinning

Immersjonsmikroskopi 44 Induksjonsmotor 13 Induktans 13 Infrared Astronomical Satellite 73 Infrarød astronomi 77 Infrarød fotografering 73

Infrarød spektroskopi 103 Infrarød stråling 73 Infrarøde teleskoper 73 Integrerte kretser 112 Interferenskontrastmikroskopi 47 Interferometri 60, 77, 79 holografisk 99 International Ultraviolet Explorer 72 Inversjoner 61 loner, akselerasjon av tunge 107 lonisasjon 108, 110 IRAS se Infrared Astronomical Satellite Isaac Newton-teleskopet 55 IUE se International Ultraviolet Explo­ rer

Jacquard, Joseph Marie 111 Jacquard-vevstolen 111 James Clerk Maxwell-teleskopet 79 Jannsen, Zacharias 43 Jansky, Karl 76 Jernkjerneringer 112, 113 Jordressurssatellitter 74 Jordrotasjon 24, 25 Joule, James 13 Julianske kalender 24

K Kalendre 16, 24 25 Kalibrering 7, 32 Kalotypi 83 Kamera, video 89 Kameraer 83-86 Karbon-14 26 Karbondatering 26 Karbondioksidlasere 100 Karbonforbindelser 103 Karl 2., kong 24 Karlsvogna 19 Kart og kartlegging 8, 33-36, 74, 122 Kasparov, Garri 124 Kassetter (bånd) 88 Katadioptriske teleskop 53 Katoderøroscilloskop 40, 41 Katodestrålerør 40, 41 Keating, Richard 25 Kelvin, William Thomson 13

Kilogram, standard 27 Kirchhoff, Gustav 56 Kitt Peak 58, 78 Kjemisk analyse 101-104 Kjernefysisk energi 120 Kjernefysisk fusjon 100 Kjernemagnetisk resonans 69, 82, 103 Kjernepartikler 107 Klokker, mekaniske 19-23 Knivseggtapp 29 Kollimator 71, 103 Kollodiumprosessen 83, 86 Kompaktplater 93-96 Kompaktplatespiller 93, 96, 100 Kompensasjonspendel 21 Kondensator 113 Kondensatormikrofon 90 Kondensor 45, 46 Kosmisk stråling 108 Kraft, måling 18 Kretser, datamaskin 114 Kromatografi 101, 102-103 Kronometre 21

Krysserraketter 42 Kuleramme 5 Kuleteleskop 60 Kunstig resonans 92 Kvadrupleksopptak 88 Kvanter 69, 97, 102 Kvarker 105 Kvartsur 22, 22, 23 Kvasarer 78, 79 Kdhler, August 44

L Laboratorievekt 28, 28-29, 32 Ladning 37 Lageos1 16 Landsat 74, 74 Langbasisinterferometri 79, 79 La Palma 58 Laplace, Marquis de 12 Lasere 94, 97-100, 103, -følging 16,96 Lavoisier, Antoine 12 Lawrence Berkeley Laboratory 107 Lawrence Livermore Laboratory 100 Leeuwenhoek, Anton van 43 Lengdemålinger 17 Lengdestandarden 12 Libby, Willard 26 Lineære akseleratorer 106 Linser 43, 44, 53 - aberrasjon 43, 53 Linseteleskoper 53 Lippershey, Hans 53 Lommekalkulator 113 Lowell Observatory 53 Ludvig 14., kong 33 Luftfotografering 33, 36 Lufttrafikk-kontroll 9, 9 Lyd 61-68 Lydhastigheten 62 Lydopptak 87, 90-92, 93-96 Lys -bølgelengde 17 Lyspenn 122 Lysutsendelse - spontan 97 - stimulert 97

M M51 57, 79 Magnetbånd, til opptak 88, 90-91 Magneter 107 Magnetfelter 37, 48, 82, 90, 107

Magnetkompass 33 Magnetpulverundersøkelse 72 Maiman, Theodore H. 97 Mandelbrot-mengde 120 Marine kronometre 21 Mark I 111 Mary Rose 82 Masere 78, 97 Maskelyne, Nevil 24 Masker, fotolitografiske 118 Maskinredskaper 10, 14 Masseproduksjon 10 Massespektrometer 26 Massespektroskopi 103 Mauchly, John 113 Mauna Kea 58, 73, 79 Maxwell, James Clerk 13, 69 Maya-kulturen 25

Medisinsk teknologi 66, 70, 73, 82, 100, 124

Mellomlager 114 Meridian 24 Meter, definisjon 17, 17 Metriske system 12-13 Micrographia (Hooke) 43 Mikrobølgeastronomi 78 Mikrodatamaskiner 114-115, 124 Mikrofoner 39, 90, Mikrofotografering 44, 47 Mikrometer 10, 11 Mikroprosessorer 114 Mikroskoper 43-52 - forstørrelsesgrader 48, 52 Militærteknologi 10, 80, 100 Motstand, elektrisk 37 Motstandstermometer 39 Mudge, William 34

Multiple Mirror Telescope 60, 60 Multispektral sveiper 74, 74 Mount Palomar 54 Mount Wilson 54 Myntpreging 8-9 Myntsystemer 9 Målefeil 32 Måleinstrumenter 10, 11, 31, 32, 38-39 Målerenhet 7 Målinger 5-42 elektriske 31, 37-42 elektroniske 40-42 -industrielle 10-11 ISO-systemet 13 -jordoverflaten 12,33,34 spenning 42 - til lands 33-36

N Nautical Almanac 24 Negativer, fotografiske 86 Newton 13 Newton, Isaac 18, 54 NGC 7752 57 NGC 7753 57 Niépce, Nicéphore 83 Nukleoner 107 Nulldetektorer 27 Nullmeridianen 24 Numerisk apertur 44 Nøyaktighet 7, 28 Nøytronaktiveringsanalyse 104 Nøytroner 105 Nøytronradiografi 71

o Objektivkarusell 45 Observatorier 53, 58, 58, 78 -Greenwich 16,24 Ohm 37 Okular 44 One Mile Telescope 79 Oppløsning, for mikroskop 44 Oppløsning, for teleskop 55 Oppmåling 33-36, 74 Opptakshode 88 Opptaksstudio 90 Optisk filter 89 Optisk tegngjenkjenning 123 Optiske fibre - til kommunikasjon 100 Optiske plater 123

Organiske stoffer 103 Originalplater 90, 95 Oriontåken 73 Oscilloskoper 40, 41, 67 Overflateslitasje 104 Owens Valley 79

p Papirkromatografi 101 Paramecium bursaria 47 Parsons, William 54 Partikkelakseleratorer 105-110 Partikkeldetektorer 108-110 Pascal, Blaise 13 Passasjeinstrument 24 Pausey, J. L. 77 Pendel 12, 16, 19, 20 - kompensasjons- 21 Pendelur 20, 20 Phonovision 93 Pico Veleta 78 Piezoelektrisk effekt 22, 39 Piezoelektriske staver 51 Planck, Max 69 Plater, til opptak 90-91, 93, 93 Platestift 93 Plottere 41, 41 Polarimetre 58 Polarisasjonsmikroskopi 44 Polarisator 44 Polstjernen 19 Polykarbonatmaterialer 95 Populasjonsinversjon 97 Posisjonsfølere 14, 14, 15 Positroner 106, 108, 110 Potensiometer 38, 39, 41 Poulsen, Valdemar 87 Powell, Cecil 108 Programmeringsspråk 119, 120 Projektorlinse 48, 52 Proporsjonalteller 71 Prosessorenhet 112, 115 Protoner 105 Protonsveipemikroskop 52 Pyramider 6

Q Quate, C. 68

R Radar 40, 80, Radarhøydemåler 81 Radarsatellitt 80 Radioaktivitet 26, Radioastronomi 76 Radiografi 70, 71 Radiointerferometre 77 Radiokarbondatering 26, 26 Radiostråling 82, Radioteleskoper 9, 76, 76, 77, 79 RAM-hukommelse 112 Ramsden, Jesse 28, 34, 35 Ramsden-kjede 34 Ramsdens skålvekt 28-29 Randall, J. T. 80 Ravenscroft, George 53 Reber, Grote 76

Referansekrets 42 Refleksjon, seismisk 64

Refleksjonshologrammer 99 Refleksjonsseismikk 64, 65, 65 Reflektorer 53, 54, 55 Refraksjonsseismikk 64, 65, 65 Refraktorer 53, 53 Regneark 120, 123 Relativitetsteori 17, 25, 108 Resonans 82 Resonansfrekvensanalyse 62 Retina 44 Retningskarakteristikk 90, 91 Ritchey-Chértien-teleskop 53

Roboter 14, 122 Rosse, jarlen av 54 Roy, William 34 Royal Enfield-geværet 11 Royal Festivall Hall 92, 92 Royal Greenwich Observatory 16, 24, 58 Royal Radio Establishment 79 Rustningsindustri 10, 10 Rutherford, Ernest 105 Ryle, Martin 77 Rbhrer, Heinrich 51 Rdntgen, Wilhelm 70 Røntgenastronomi 71 Røntgenkart 48 Røntgenkrystallografi 70 Røntgenmikroskopi 52 Røntgenspektroskopi 70 Røntgenstråling 70 Røntgenteleskoper 71 Røntgentomografi 70

s Sammensatte mikroskop 43, 44, 45 Sampling 94 Satellitter følging 16 røntgen 71 - til astronomi 73 Satellittobservatorier 59 Schlierenfotografi 18 Schmidt-teleskoper 53 Schussel, Christoffer 24 Seasat 81 Seismiske undersøkelser 64, 65 Seismometer 6 Sekundet, definisjon 16 Shortt, W. H. 21 Shunt 39 Sidesveipende sonar 63 Siding Spring 55, 58 SI-enheter 12 Silisiumbrikker 42, 68, 112, 113, 115, 118, 124 Simulering, datamaskin 120

Sjakk, med datamaskin 124 Sjokkbølger 18 Skivebremser, konstruksjon av 15 Skylab 71 Skyvekontakt 38, 41 Skyvemotstander 39 Skålvekter 27-30, 27-30 Snell, Willebrord 34 Sodar 61 SOFAR-kanalen 62 Sokolov, N. D. 68 Soldøgn 16, 25 Solur 7, 19, 19 Sonar 62, 63 Speckleinterferometri 60 Speedometer 7 Speil - i fotografering 84, 86 - i mikroskopi 47

- i teleskoper 53, 53, 54, 59, 60, 71, 72 - og lasere 96, 97 Speilreflekskamera 86 Spektrografer 56, 58, 103 Spektroskopi 56, 102-103 Spenning 37, 40, 42, Spenningsmåling (i materialer) 18 Spindelgang 20 Spontan utsendelse av lys 97 SPOT-satellitten 74 Standardkilogrammet 27 Standardmeteren 17 Stanford Linear Accelerator 106 Stereofotografi 33, 36 Stereogrammer, holografiske 98 Stereoopptak 90, 91 Stimulert utsendelse av lys 97 Stjernedøgn 16, 25 Streifspeil 71 Strekkodesveipere 100 Stroboskoper 84 Strøm, elektrisk 37 Strømningsmåler 39 Strømstyrke, definisjon 38 Strømvekt 38, 38 Stråling 69, 69, 105 - elektromagnetisk 22, 69 - infrarød 73 - ultrafiolett 72 Støy 32, 56, 72 - i astronomi 73, 76 Superdatamaskiner 116-117 Super Proton Synchrotron 107, 108 Sveipetunneleringsmikroskop 50, 51 Svingespolemikrofoner 90 Syklotroner 105 Synkrotroner 52, 105, 106, 107

Tannlegebehandling 68 Teldec videoopptak 93 Teleskoper 53-60, se også Reflektorer og Refraktorer

- infrarøde 73, 73 - radio 76-77, 16-17 Tematisk kartlegger 74, 74 Teodolitt 35 Termionisk emisjonsmikroskopi 52 Termografi 73 Termokoblinger 39 Termometre 7, 39 Tevatron 107 Tidevannseffekter 16 Tidsmålinger 16, 19-26 Tilbakekobling 41 Titallsystemet 12

Titrering 101 Tomograf 70 Tonehøyde 61 Townes, C. H. 97 Transdusere 7, 30, 67 Transistorer 113 Transmisjonselektronmikroskop 48 Transmisjonshologrammer 99 Triangulering 34-35 Trippelpunktet for vann 13 Trykking 100 Tsjerenkov, Pavel 110

Tsjerenkov-stråling 110 Tswett, Mikhail 101 Turteller 39 »Tweeters« 91 Tyndall, John 61 Tynnsjiktkromatografi 101 Tåkekammer 108

u Uhuru 71 UKIRT 73 Ultrafiolett astronomi 72 Ultrafiolett lys 44 Ultrafiolett spektroskopi 103 Ultrafiolette lasere 100 Ultralyd 66-67 United Kingdom Infrared Telescope 73 Universal Time Coordinated 24 Universalinstrumenter 40 Ur, mekaniske 19-23

V Talespoler 91

Van de Graaff, Robert 107 Van de Graaff-generatorer 105, 107 Van de Hulst, Henk 76

Vannklokke 19 Veiing 27-32 Veiing, elektronisk 32 Verdimål 9 Very Large Array 79 Vibrasjonskontroll 50, 99, 99 Videobånd 88, 94 Videokamera 89 Videoopptak 87-89 Videoplater 93 Vidikonkamera 72 Vidikonrør 89 Vinkler, målinger av 18 Virtuelt bilde 44 Viskositet, målinger av 18 Visicalc 123 Viskehode 88 Voltmetre 38, 39, 41 Værvarsling 117 Våpenproduksjon 10 Våtkjemi 102 Våtplateprosessen 83

W Watson-Watt, Robert 80 Watt, James 10 Whitney, Eli 10 William Herschel-teleskopet 55 Williams, Edward 34 Wilson, Charles 108 Wollaston, William 56 »Woofer« 91 »Wow« 96

X Xenon lynlysrør 73, 84, 85

Y Yerkes Observatory 53 Ytre enheter 114, 116, 117

z Zernike, Fritz 46 Z-partikler 110 - til kommunikasjon 54