Studera universum – Historik – Hur fann vi vägen ut i universum?
Prisma kallas sådana föremål som kan bryta ljuset i ett spektrum, och vanligtvis är det en slipad glasbit. Man tror att prismat uppfunnits av en vetenskapsman omkring tiden kring Kristi födelse. Men varför det uppfanns vet ingen. Det kan ha varit av en tillfällighet, liksom mycket annat. På den tiden utvecklades glaskonsten i Rom, och slipat och färgat glas användes till utsmyckning.De första glasprismorna blev enormt uppskattade. Även om man kände till att olika kristaller och regnet kunde bryta ljuset i regnbågens alla färger, så gav glasslipningen nya möjligheter till ljus- och färgspel.
Otaliga sagor om det märkliga prismat berättades över hela världen.
I Indien berättades det att:
" Sju jungfrur förenade sig en dag för att fira solguden Krishnas ankomst. Då han kom, bad han dem dansa för honom. Sorgset förklarade de att de inte hade någon att dansa med. Då delade guden sig i sju delar och varje jungfru fick var sin Krishna".
I Rom berättades det något liknande:
"Då gudarna hade delat jorden mellan sig, hade solguden blivit bortglömd. För att han inte skulle bli lottlös, fick han det enda som återstod, en liten ö som just höll på att resa sig ur havet. Den ö som solguden, fick på sin lott var Rhodos, som fått sitt namn efter solgudens älskarinna. Hon födde sedermera solguden sju underbart begåvade söner och ön blev helgad åt den heliga elden".
Man kände tidigt till prismats förmåga att bryta ljuset i de "sju" dolda färgerna. Men vetenskapsmännen hade mycket länge inget intresse för detta. Araben Alhazen (965-1039 e Kr) på 900-talet, och munken Roger Bacon(1210-1294) på 1200-talet, studerade visserligen prismats brytning av ljuset som ett matematiskt och geometriskt problem, men de fördjupade sig inte i det.
Den italienska vetenskapsmannen Galileo Galilei (1564-1642) fick i början av 1600-talet höra talas om att en kikare hade tillverkats i Holland. Galilei funderade över denna och det dröjde inte länge förrän han själv hade tillverkat en kikare, som var överlägsen de holländska i alla avseenden. Han utvecklade och förbättrade hela tiden kikare. När han kom till sin femte kikare, som förstorade upp till 1000 gånger, kunde han se 30 gånger längre än tidigare.
En bit in på 1600-talet, började Isaac Newton(1642-1727) studera glasets förmåga att bryta ljus till olika färger. Vid den tidpunkten var det just den egenskapen hos glaset, som börjat stoppa upp forskningen. De nya uppfinningarna inom optiken kunde nämligen inte användas i den utsträckning man önskade. Linserna i mikroskopen, kikarna och teleskopen gick inte att göra så starka som man önskade, eftersom färgspektrumet störde bilden alltför mycket.
När Newton stötte på problemet, började han med att slipa ett trekantigt prisma, som han visste bröt ljuset i ett spektrum tydligare än något annat slipat glas. Sen borrade han han hål i en fönsterlucka för att släppa in solljuset i sitt mörklagda rum. När solstrålen gick genom hans prisma fann han att, istället för att bilda en rund solfläck, bröts ljuset i en lång strimma med regnbågens färger; från rött till orange, gult, grönt, blått, indigo och violett.
Genom att isolera varje färg försökte han att bryta varje färg för sig, i nya spektra. Detta misslyckades han med och drog då slutsatsen att varje färg i spektrumet var "ren". Solens vita ljus var alltså en blandning av spektrumets sju färger. Det kunde han dessutom bevisa genom ytterligare prismor med vars hjälp han kunde bryta tillbaka ljuset till vitt och sedan åter bryta det i spektrumets färger. Många trodde inte på Newtons upptäckter, så ända långt in på 1800-talet vägrade många vetenskapsmän att tro på att ljuset bestod av de sju dolda färgerna. Newton utvecklade spegelteleskopet, som gjorde att man såg stjärnhimlen mycket tydligare än i ett vanligt teleskop.
Att ljusstrålarna bryts upp i olika färger beror på att ljusvågorna vibrerar med olika hastighet och att olika föremål har olika färger beror på att ljuset antingen absorberas eller reflekteras. Svarta föremål reflekterar inget ljus alls och vita föremål reflekterar nästan allt ljus. Övriga färger ligger däremellan. Beroende på ljusvågornas längd reflekteras de olika mycket. Ett grönt äpple absorberar alla färger utom grönt. Det vill säga, grönt är den enda färg äpplet släpper ifrån sig. Newton visade också att om man bröt ljuset i spektrumets färger, och sedan tog bort en av färgerna och lät de resterande gå genom ytterligare ett prisma, fick man inte vitt ljus utan istället den saknade färgens så kallade komplementfärg. Tar man t ex bort rött, ger de återstående strålarna en blandad grön färg. Om blått saknas, får man orange, medan avsaknaden av violett, ger gult ljus osv. Det dröjde ca 150 år till, från Newtons upptäckt, innan man förstod att prismat och spektrumet kunde berätta ännu mer, och avslöja viktiga hemligheter om universums uppbyggnad och egenskaper.
Mannen som fann nyckeln till spektrumets hemlighet var den tyske optikern Joseph Fraunhofer(1787-1826). Han visade sig vara en teknisk naturbegåvning och hans uppfinningar var otaliga. Han tillverkade dåtidens absolut främsta kikare. Hans linsteleskop var de bästa, tidvis betydligt bättre än dåtidens spegelteleskop. Han konstruerade en "tidsmaskin" som vred teleskopet i takt med jordens vridning, och gjorde det möjligt att studera de mest avlägsna stjärnor. Han utvecklade optiken från ett hantverk till en vetenskap. Till hans viktigaste insatser hör tillverkningen av linser utan brytningsfel och färgstörningar. Det var när han lyckats med det som han fick sin idé; Med en av sina precisionskikare tittade han på solspektrumet, som han skapat på samma sätt som Newton gjorde. Det han då såg, skulle komma att revolutionera både kemin och astronomin. I och mellan färgerna såg han ett antal svarta streck, som med tiden skulle komma att kallas fraunhoferska linjerna. Vad det var för streck förstod inte Fraunhofer, men han konstruerade ändå ett instrument – spektroskopet- för att kunna mäta streckens bredd med en miljondels millimeters säkerhet. Fraunhofer hade lyckats upptäcka ljusets våglängder. Han dog vid 39 årsålder och på hans gravsten står "Approximativt sidera" – Han flyttade stjärnorna närmare. Det skulle dröja länge än innan någon förstod hur nära han flyttat dem.
Gustav Kirchhoff(1824-1887) och Robert Bunsen(1811-1899), en fysikprofessor och en professor i kemi, båda från Tyskland, var de som först lyckades förklara varför solens spektrum störs av svarta streck. De började med att visa att varje grundämne har sitt eget spektrum. De upptäckte att varje fast ämne, t ex järn kol och natrium och varje tät gas, t ex syre helium, ger sitt speciella spektrum om de upphettas så starkt, att de glöder med ett klart, nästan vitt sken. Om man då riktar spektroskopet mot lågan, kan man se varje ämnes spektrum.
Kirchoffs och Bunsens spektroskop fungerade i princip på samma sätt som Frauenhofers enklare instrument, med den skillnaden att man efter prismat, tvingar ljuset genom en tunn springa för att få en smal bild av det ämne man förgasat över lågan. Med sina spektroskop upptäckte de, förutom att varje ämne hade sitt eget spektrum, även att de smala svarta linjerna i solspektrumet var skuggor av andra ämnen i solens atmosfär. Ett av ämnena, som fanns där som skuggor, var natrium. De kunde se detta eftersom natriumets två gula linjer saknades i solens spektrum.
Redan Fraunhofer hade lagt märke till att många stjärnor hade samma spektrum som solen. Han hade också märkt att flera stjärnor hade andra spektra. Varför förstod han aldrig. Dessa frågor gick nu att få svar på med de nya kunskaperna. Genom spektralanalysen blev det möjligt att undersöka mycket avlägsna stjärnor och himlafenomen: Hur de var sammansatta, hur heta de var och hur snabbt de färdades i rymden. Det är alltså stjärnans spektrum som visar vilken typ av stjärna det är och vilken sammansättning den har. Heta stjärnor har mest ljus med korta våglängder. Då är de blå. Kalla stjärnor är rödare.
Med spektroskopet började en ny tidsålder och en ny vetenskap inom astronomin: stjärnfysiken eller astrofysiken. Genom de sk astroskopen är det idag möjligt, att sitta på jorden och läsa i " stjärnhimlens enorma uppslagsverk", att bestämma den kemiska sammansättningen hos dvärgstjärnor, jättestjärnor, nebulosor och galaxer och allt annat som uppenbarar sig, bl a gav spektroskopet oss förklaringen hur himlafenomenet regnbågen kan uppenbara sig vid solregn. Regnbågen som är ett optiskt fenomen som uppstår i atmosfären i en cirkulär båge i spektrumets sju färger, rött, orange, gult, grönt, blått, indigo och violett. Regnbågen uppstår då solljuset bryts och reflekteras i vattendroppar.
När solljuset faller in i en vattendroppe och bryts uppstår ett ljusspektrum. Detta reflekteras en gång i droppens inneryta och faller ut ur droppen igen. En del av det reflekterade ljusstrålarna uppfattas av oss på jorden som en båge i spektrums färger. Lättast är det att se regnbågen i samband med regnskurar, då sol och regn förekommer samtidigt, och om man står med solen i ryggen. Befinner man sig tillräckligt högt upp, t ex uppe på ett berg kan man skåda hela regnbågscirklar.
Egentligen bildas det två regnbågar, en primär och en sekundär. Den primära regnbågen är starkare i färgerna eftersom ljuset bryts endast en gång inne i regndroppen, och den har färgerna i ordningen rött, orange, gult, grönt, blått, indigo och violett. Dess radie är mellan 40,6° (violett) och 42,3° (rött). Den sekundära regnbågen är ljussvagare eftersom en ljusförlust uppstår när solljuset reflekteras två gånger inne i vattendroppen. När två reflektioner sker vänds ljusspektrumet, och färgerna kommer ut i omvänd ordning, med en radie mellan 50,7° (rött) och 53,6° (violett).
Regnbågens intensitet är inte bara beroende av hur många gånger ljuset reflekteras inne i vattendoppen, ljusstyrkan är även beroende på regndropparnas storlek, ju mindre droppar som ljuset ska reflekteras i desto svagare regnbåge. Även vid dimma kan ljuset reflekteras, och då kan en vit regnbåge bildas eftersom ljuset skall reflekteras i en väsentligt mycket mindre droppe vid dimma än vid regn.
Regnbågen har skapat folktro och myter i de flesta kulturer t ex:
Inom kristendomen i Första Moseboken (9:12-17) beskrivs regnbågen som ett Guds förbundstecken och ett löfte om att ingen ny syndaflod skall komma.
I asatron är regnbågen, Bifrost, den bro eller väg som leder från jorden till den andra världen och den vaktas av Heimdal.
I zoroastisk eskatologi är regnbågen, Civatbron, ett ställe som de döda måste passera på sin väg till himmel eller helvete. Bron sträcker sig från jorden högsta bergstopp över en avgrund där helvetet finns till det ställe där vägen till det himmelska paradiset börjar. Medan den dödes kropp förintas på dakham, "tystnadens torn", ska själen ta sig över Cinvatbron, där goda skiljs från onda. För den rättrogna själen vidgar sig bron till en bred väg, men för den onda blir den smal som en svärdsegg, varifrån själen störtar ner i helvetet.
I hela Europa möter talesättet att det finns en skatt där regnbågen berör marken.
Solljusets hemlighet skapade således vägen ut i universum.
—————————————————-
Upplägg för temat: Hur fann vi vägen ut i universum?
Inledning: Universum och dess himlafenomen har under årtusenden fascinerat människan. Därav en kort inledning om folktro och myter som förekommit under olika tidsepoker.
Historia: För att få en inblick i hur vi fann vägen ut i universum fortsätter vi introduktionen med en kort återblick på historien kring de betydelsefulla personerna och dess uppfinningar som hjälpte oss att finna vägen ut i universum.
Fördjupning: Efter denna introduktion får eleverna två och två välja en person eller ett instrument att fördjupa sig i. Den valda fördjupningsuppgiften ska till största del utföras som hemarbete. Redovisningsformen inför klassen är valfri
Labbar: Ett labbhäfte delas ut och eleverna får välja att utföra några av dessa labbar (minst två stycken). Utförande och iakttagelser samt slutsatser ska redovisas.
Himlafenomen: En förklaring av ett himlafenomen, regnbågen.
Studieuppgift: Vi går tillsammans ut en kväll för att titta på himlen med dess stjärnor, med oss har vi våra egentillverkade instrument. Tillsammans funderar vi vad människorna under seklens gång har tänkt på när de tittade upp mot himlen.
o Var fick de sina teorier ifrån?
o Såg stjärnhimlen lika dan ut under Galileis tid?
o Kommer den se lika dan ut om 1000 år?
o Hur ser den ut på andra sidan jordklotet?
o Är universum ändlig?
o Finns det liv på någon annan planet?
o Vad är ett UFO?
Uppföljning: Efter denna introduktion till astronomins värld får varje elev enskilt skriva en lapp, där de får ge ett önskemål vad den fortsatta astronomiundervisningen ska innehålla. Utifrån dessa önskemål färdas vi vidare ut i universums förunderliga värld.
Tidsplanering: Temaarbetet beräknas till två heldagar och två halvdagar.
Integrering: Svenska, bild och slöjd.
Källor:
Astronomi från BIG BANG till PLANETER
Bra Böckers lexikon
Kunskapens Värld – Uppslagsbok för unga vetgiriga
Magiska linser och hemliga skåp, Pelle Eckerman, Sven Nordqvist
Mina första faktaböcker "Enkla experiment"
Nationalencyklopedin
