The Canon - A Whirligig Tour of the Beautiful Basics of Science

Etter å ha hørt forskere jamre seg over massenes vitenskaplige analfabetisme og generelt bedrøvelige kunnskapsnivå i over 20 år bestemte den anerkjente vitenskapsreporteren Natalie Angier seg omsider for å ta dem på ordet og spørre forskere innen alle hovedgrener av naturvitenskapen helt konkret hva de skulle ønske mannen i gata visste om deres eget forskningsfelt spesielt og vitenskaplig tenkning generelt. Kort sagt: hva må man vite om vitenskap for å kvalifisere som en informert legperson og ikke en komplett idiot?:

Scientists have long whinnied about rampant scientific illiteracy and the rareness of critical thinking and the need for a more scientifically sophisticated citizenry. Fair enough. But what would it take to rid people of this dread condition, this pox populi ignoramus, and replace it with the healthy glow of erudition? What would a nonscientist need to know to qualify as scientifically seasoned? If you, Dr. Know, had to name a half-dozen things that you wish everybody knew about your field, the six big, bold canonical concepts that even today bowl you over with their beauty, what would they be? Or if you're the type of professor who still on occasion teaches undergraduate courses for those soft-shelled specimens known as "nonmajors," what are the essential ideas that you hope your students will distill from the introductory class, and even retain for more than a few femtoseconds after finals? What does it mean to think scientifically? What would it take for a nonscientist to impress you at a cocktail party, to awaken in you the sensation that, hmm, this person is not a buffoon?

Slik alle som har noen erfaring med undervisning kan skrive under på, er det én ting å forstå noe selv, og noe helt annet å gjøre det forståelig for andre. Begreper som for en selv virker så elementære at de er selvforklarende, kan for andre representere en alvorlig hindring på veien mot forståelse (hva betyr det for eksempel at en partikkel har "ladning"?). Det er også en vesentlig forskjell mellom å ha lært noe i teorien, og å kunne relatere det til den konkrete virkeligheten rundt oss. Kanskje den største utfordringen er å formidle en grunnleggende forståelse uten å overforenkle så mye at all substans blir borte i prosessen. I The Canon tar Angier utfordringen på strak arm væpnet med intelligens, et bredt utvalg av kreative metaforer (det som Daniel Dennett kaller "intuition pump") og en god dose humor.

Boken starter med en introduksjon i vitenskaplig tenkning generelt, foruten kapitler om sannsynlighet og skala. De øvrige kapitlene er dedikert til de mest grunnleggende konseptene innen alle hovedretninger av naturvitenskapen: fysikk, kjemi, evolusjonær biologi, molekylær biologi, geologi og astronomi. Hver enkelt av disse grenene omfatter selvsagt langt mer informasjon enn noen bok kan formidle – nok til at flere av verdens smarteste personer kan dedikere sine liv til å studere ett lite sub-fenomen uten å få med seg på langt nær alt som er å vite om saken. Hvis du ikke er en ekspert fra før, vil du heller ikke bli det av å lese The Canon, men det er heller ikke meningen. For interesserte legpersoner som meg er boken derimot et meget godt sammendrag. Følgende er mitt sammendrag av sammendraget:

Fysikken handler om hvilke grunnleggende bestanddeler som utgjør vårt univers samt kreftene som virker mellom disse. Vi vet for eksempel at alle kjente stoffer er oppbygd av atomer, og alle atomer består av de samme elementære byggesteinene: En kjerne av positivt ladede protoner og nøytrale nøytroner omgitt av en sky av negativt ladede elektroner. Antallet protoner i kjernen bestemmer atomets kjemiske grunnstoff, og er som regel identisk med antallet elektroner i skyen rundt, med det resultat at atomet som helhet fremstår som nøytralt.

Ellers koker alle kjente krefter ned til kun fire: Tyngdekraften får alle ting med masse til å tiltrekke hverandre. Selv om tyngdekraften virker mektig for den som skal flytte et piano, er dette den svakeste av alle kjente naturkrefter. Hver gang du løfter en kaffekopp, overvinner du enkelt den samlede tyngdekraften til en hel planet. Den elektromagnetiske kraften får like ladninger til å frastøte hverandre og motsatte ladninger til å tiltrekke hverandre. Dette ville fått de positivt ladede protonene i atomkjernen til å flykte skrikende i hver sin retning hvis det ikke var for den sterke kjernekraften som binder atomkjernen sammen. Slik navnet antyder, er dette den sterkeste av alle kjente naturkrefter, men virker kun over ekstremt korte avstander. Den svake kjernekraften behandles kun overfladisk, men den forårsaker i hvert fall radioaktiv nedbryting av stoffer.

Atomet selv består så godt som utelukkende av tomrom: At jeg føler tastaturet mot fingertuppene mens jeg skriver dette - i stedet for at fingrene går rett igjennom tastaturet - skyldes at elektronene i fingertuppene og elektronene i tastaturet frastøter hverandre. Faktisk er alle våre sanser - på et fundamentalt nivå - basert på elektromagnetisme:

Sight: the electromagnetic waves that we call light waves convey their message by interacting with the electrons in the atoms of our retina. Hearing: atoms of air press against the atoms of our auditory canal, and the consequent skirmishing among electrons is interpreted by the brain as Bach's sonata for oboe and harpsichord. Taste and smell: food atoms poke their electrons against the atoms of the taste buds on our tongue and of the olfactory receptors in our nose, and the specific pattern of taste and smell receptors thus chafed informs the brain, Roast chicken.

Kjemien på sin side handler om å danne eller bryte elektromagnetiske bindinger for å skape ulike typer molekyler. Kovalente bindinger - det vi vanligvis forbinder med kjemiske bindinger - fungerer ved at to eller flere atomer deler elektroner for å fylle opp sine ytterste elektronskall. Atomer som mangler et elektron for å oppnå et fullt ytre skall, kan av og stjele dette fra et annet atom som kun har ett elektron i sitt ytterste skall. Førstnevnte atom får dermed et overskudd av elektroner (og følgelig negativ ladning) mens sistnevnte får et underskudd (altså positiv ladning). Siden motsatte ladninger tiltrekker hverandre, danner disse en kraftig binding - kjent som en ionebinding - som vi bl.a. finner i alminnelig bordsalt. Krystallstrukturen skyldes at molekylene kun tiltrekker hverandre i den ene enden (dvs. enden med motsatt ladning) og frastøter hverandre i den andre, med det resultat at molekylene automatisk arrangeres i et regelmessig, repeterende mønster. Metallbindinger kjennetegnes ved at elektroner deles av mange atomer samtidig og forklarer bl.a. metallers strømledende egenskaper.

Andre typer bindinger er langt svakere, slik som hydrogenbindinger: Hvis vi tenker oss vannmolekylet som et Mikke-Mus-hode hvor selve hodet er et oksygenatom og ørene er hydrogenatomer, så legger oksygen-hodet beslag på de felles elektronene en uforholdsmessig stor del av tiden med det resultat at hodet får en svak negativ, og ørene en svak positiv ladning. Dette er nok til å få vann til å danne dråper eller forårsake overflatespenning. Den svakeste formen for bindinger er kjent som Van der Waal-bindinger, og oppstår ved at elektronene i et atom søker over mot en side av elektronskyen for å komme seg lengst mulig vekk fra elektronene i et nabo-atom. Dette gjør atomet meget svakt polarisert, men nok til f.eks. å binde sammen flakene av grafitt i en blyant.

I kapitlet om evolusjonær biologi kommer det til å handle mye om bevisene for at evolusjonslæren er mer enn en ”teori” i den folkelige betydningen av ordet, samt hvorfor intelligent design er en bløff. Dette er forståelig i en bok som primært er skrevet for et amerikansk publikum. Jeg kunne likevel ikke helt la være å irritere meg over de obligatoriske forsikringene om at det ikke er noen konflikt mellom evolusjon og religiøs tro, spesielt ettersom en profilert ateist som Angier selv åpenbart ikke står helt inne for et slikt syn.

Men uansett lykkes kapitlet godt i å vise hvor mange uavhengige bevisrekker som alle peker mot et felles genetisk opphav for alt liv: Allerede før Darwins tid var det klart for biologer at arter kunne klassifiseres i grupper og undergrupper etter graden av likhet på en måte som til forveksling liknet et slektstre, f.eks. at hvaler og delfiner hørte hjemme blant pattedyr, mens likhetene med fisker var av mer overfladisk art. Virveldyr oppviser f.eks. mange av de samme knoklene på de samme stedene, men bøyd og strukket i ulike former for å tilpasses ulike funksjoner, nærmest som variasjoner over samme "grunntema". Vi ser også at arter som avviker sterkt fra hverandre i fullt utviklet form, likner hverandre til forveksling tidlig i fosterutviklingen. Fossilrekken viser entydig at fossilene blir gradvis mer primitive, samt mer forskjellige fra nålevende arter, jo dypere vi leter, og likhetene på protein og molekylnivå - inkludert defekter i vårt DNA som vi deler med sjimpansene - vitner om biologisk slektskap like definitivt som noen farskapstest. Det er heller ikke riktig at vi aldri observerer evolusjon i sanntid: Vi observerer evolusjon hver gang bakterier utvikler resistens mot antibiotika og hver gang et insektmiddel slutter å virke.

Darwins innsikt var at ikke alle individer av samme art stiller like sterkt i kampen for å overleve. I vill tilstand dør de fleste individer før de får sjansen til å reprodusere seg, mens de få som lykkes viderefører de samme egenskapene som hjalp dem å lykkes til avkommet. Prosessen er kjent som naturlig utvalg, og forklarer hvordan nye arter utvikler seg over tid: Tilfeldige mutasjoner fører til genetisk variasjon. De genetiske kodene som resulterer i de best utrustede individene vil lettere – og derfor oftere – gå i arv enn andre, og akkumuleres derfor i populasjonen over tid, mens konkurrerende gener fortrenges og blir borte. Over veldig lang tid akkumuleres så store genetiske endringer at vi kan snakke om en ny art.

Molekylær biologi handler om maskineriet inne i en celle. Eukariotiske celler, som danner basisen for flercellede organismer, kjennetegnes ved en kjerne som rommer cellens genetiske kode. Mellom kjernen og cellens ytre membran finner vi cytoplasmaen som omgir cellens "indre organer", deriblant kjemiske energifabrikker kalt mitokondrier som opprinnelig har vært selvstendige organismer, og fremdeles har sitt eget DNA. De fleste celler er for små til å se med det blotte øye, men noen er også digre. Faktisk er et strutse-egg - eller i det minste plommen i et strutseegg - en enkelt celle!

Med noen ganske få unntak inneholder alle våre celler et fullstendig sett med instruksjoner for å bygge den ferdige personen, kodet i DNA. DNA-molekylet likner en "spiraltrapp" hvor hvert "trappetrinn"* består av et bestemt par av kjemiske forbindelser kalt baser. I alt finnes det fire slike baser kjent som Adenin, Tymin, Guanin og Cytosin - som regel forkortet til A, T, G og C, og hver base har sin komplementære motpart: A opptrer alltid i kombinasjon med T, og G i kombinasjon med D. Basene kan forstås som "bokstavene" i den genetiske koden og rekkefølgen de forekommer i utgjør "ordene". Når cellen skal dele seg, splittes DNA-molekylet på midten nærmest som en glidelås, og hver halvdel fungerer som mal for en fullstendig ny kopi av det opprinnelige molekylet.

* Takk til Bill Bryson for den analogien.

Foruten å lage kopier av seg selv, er hovedfunksjonen til DNA-molekylet å kode proteiner. Og proteiner er langt mer enn hamburger: Det er de som omsetter den genetiske koden i praksis og holder cellens vitale funksjoner i gang. En enkelt celle kan inneholde så mye som 50 000 ulike typer proteiner, alle med sine helt spesielle funksjoner. De fleste er ensymer som kontrollerer cellens kjemiske prosesser. Andre utgjør cellens "skjelett", og gir cellen dens struktur. Alle proteiner er laget ved å kobinere de samme 20 aminosyrene i forskjellige rekkefølger, mens et proteins spesifikke funksjon. følger av dets form Når et nytt protein skal produseres, må DNA-molekylet atter splittes for å avdekke den genetiske oppskriften for det aktuelle proteinet. Andre proteiner lager deretter en kopi av oppskriften i RNA som deretter transporteres ut av cellekjernen til en av cellens mange proteinfabrikker kjent som ribosomer.

Geologien handler om jordens oppbygning og kreftene som er med å forme den. Jordens indre kjerne er ca. på størrelse med månen, og består hovedsaklig av jern og nikkel. På tross av en temperatur nær solens overflatetemperatur, holder den indre kjernen seg solid på grunn av det enorme trykket. Den ytre kjernen er ca. på størrelse med Mars og flytende. Strømninger i denne flytende massen genererer jordens magnetfelt som får kompassnålen til å peke mot nord og beskytter oss mot farlige solvinder. Over den ytre kjernen ligger jordens mantel, hovedsaklig bestående av silisium, oksygen og div. metaller. I motsetning til det mange (inkludert meg) alltid har trodd, består mesteparten av mantelen ikke av flytende lava, men solid eller ekstremt seigtflytende stein. Selve jordskorpen utgjør bare en halv prosent av jordens masse og en prosent av dens volum.

Som de fleste sikkert vet fra før, er jordskorpen og den øvre mantelen delt opp i såkalte tektoniske plater som er i kontinuerlig bevegelse. Drivkraften bak denne aktiviteten er varme fra jordens indre som forsøker å flykte ut i rommet. Mesteparten av dette er restvarme fra jordens fødsel for ca. 4,55 milliarder år siden, mens resten kommer fra radioaktive stoffer som brytes ned. Varmen fra jordens kjerne varmer opp steinmassene i den nedre mantelen slik at disse utvider seg og blir lettere med det resultat at de begynner å stige. Etter hvert som trykket reduseres, blir steinen også mer flytende og beveger seg enda lettere. Men idet massen fortsetter å stige avgir den varme til de kjøligere omgivelsene rundt helt til steinen trekker seg sammen og begynner å synke igjen.

Noe av denne massen trenger gjennom jordskorpen i form av magma, og forårsaker vulkaner. En del av magmaen trenger gjennom sprekker i havbunnen, og fortrenger eldre havbunn som til slutt tvinges ned i mantelen igjen via såkalte subduksjonssoner. Slik "resirkuleres" havbunnen fortløpende, slik at denne over alt fremstår som vesentlig yngre enn kontinentene. Fordi kontinentalplatene hovedsaklig består av lettere materialer, flyter de for det meste oppå subduksjonssonene. Bevegelser i kontinentalplatene forårsaker kontinentaldrift, mens jordskjelv skyldes plutselig frigjøring av oppbygd spenning mellom to plater som ligger og gnisser mot hverandre. Når en kontinentalplate dukker under en annen og ned i mantelen, løftes den andre også oppover, hvilket gir opphav til fjellkjeder som Himalaya.

I kapitlet om astronomi kan vi lese at hele vårt univers oppstod fra et virtuelt intet for ca. 13,7 milliarder år siden i en hendelse kjent som the Big Bang. Vi har lett for å tenke på universets fødsel som en kolossal eksplosjon i rommet, skjønt det ville vært mer korrekt å si at rommet selv begynte å eksistere og utvide seg med ufattelig hastighet, slik det fremdeles utvider seg i dag. Umiddelbart etter the Big Bang var universet i totalt kaos, alt var ren energi og ekstremt varmt. På så godt som ingen tid hadde tyngdekraft, sterk kjernekraft, svak kjernekraft og elektromagnetisme skilt seg til separate krefter, og kort tid etter begynte energi å "stivne" til de kjente elementærpartiklene og danne atomer.

Mesteparten av all kjent materie i universet består av det enkleste atomet, kjent som hydrogenatomet, med ett proton i kjernen og ett elektron i bane rundt. I tillegg til alt hydrogen i universet ble en viss mengde helium og små mengder lithium og beryllium skapt i selve Big Bang, mens alle andre grunnstoffer er skapt ved å smelte sammen atomer i en prosess kalt fusjon som foregår inne i stjerner hvor trykket og temperaturen er sterke nok til å overvinne elektromagnetismen og bringe protonene tett nok sammen til at den sterke kjernekraften kan gjøre seg gjeldene. Når dette skjer, frigjøres store mengder energi som er kilden til stjernens lys og varme. De tyngste stoffene skapes når en supermassiv stjerne eksploderer i en av de mest dramatiske hendelser i universet, kjent som en supernova.

Stjernene selv oppstår ved at tyngdekraften får enorme skyer av gass til å trekke seg sammen til roterende skiver. I sentrum av skiven øker trykket og temperaturen til hydrogen begynner å fusjonere til helium, og stjernen begynner å lyse. Dette er nøyaktig den samme prosessen som foregår når en hydrogenbombe eksploderer, og ville sprengt stjernen i filler på et øyeblikk hvis det ikke var for den enorme tyngdekraften som virker motsatt vei. Planeter og asteroider dannes av det som blir til overs av den opprinnelige skiven. Merk for øvrig at selv om universet er mørkt, er så godt som alt vi vet om det lært ved å studere lys.

Hvis The Canon faller i smak, kan jeg også anbefale A Short History of Nearly Everyting av Bill Bryson som tar for seg mye av det samme og mer. Bryson er ellers mest kjent for sine reisebøker, og legger opp stoffet på en litt annen måte enn Angier, men begge skriver elegant, morsomt og med en smittsom entusiasme for stoffet. Hvis du i tillegg får med deg Carl Sagans klassiske Cosmos-serie, bør du etter hvert ha et ganske brukbart grep på det mest grunnleggende innen vitenskapen.