Vad är fysik?Åldersanpassad version

Fysik börjar med ett löfte: att vanliga saker kan ordnas och testas igen. Dagg på gräs, ekon i korridorer, termometrar och motorer, fartyg som flyter och ballonger som stiger, magneter som drar åt spikar och blixtar som sprakar över himlen. Detta är inte bara märkvärdiga saker vid sidan av livet – det är precis den materia som vetenskapen är gjord av. Vanlig kunskap är en blandning av erfarenhet och rykten; vetenskaplig kunskap ordnar den så att effekter knyts till orsaker och idéer kopplas till mätningar.

I detta arbete använder vi några enkla ord: en hypotes är en föreslagen förklaring, en teori är en väletablerad ram som binder samman många rön, och en lag är en regel som alltid gäller, ofta så tydlig att den kan beräknas. För att tala tillsammans använder vi gemensamma mått, särskilt metersystemet med dess stabila enheter. Materia upptar rum. Energi är förmågan att få något att hända.

Molekyltanken knyter ihop allt detta: alla ämnen består av otroligt små molekyler som aldrig slutar röra sig. Hur tätt de ligger och hur starkt de attraherar varandra avgör om något är fast, flytande eller gas. Värm upp dem, och molekylerna rör sig snabbare. I fasta ämnen håller de fast vid sina grannar och motstår förändringar i form.

I vätskor glider de förbi varandra. I gaser rör de sig fritt och fyller utrymmen. Vissa förändringar—smältande is, kokande vatten, upplöst socker—bevarar identiteten och kallas fysikaliska. Andra, som att bränna magnesium eller bränna socker, skapar något nytt och är kemiska. Fysiken handlar mest om fysikaliska förändringar och de mätbara samband de följer.

Bevis för molekylers rörelse finns överallt. En doft sprider sig i ett rum även om ingen blåser. Släpper du ut ångor av ammoniak och saltsyra på kort avstånd från varandra rusar de mot varandra och bildar ett synligt moln ungefär halvvägs. Gaser tränger också fram med olika hastighet genom porösa koppar: väte springer ifrån luft, sväller en behållare och kan skapa en liten stråle; när tillförseln stängs av glider väte ut snabbare än luft kan komma in, vilket skapar sug.

Trycket en gas utövar beror inte på att den är tätt packad — ånga krymper till en bråkdel av sin volym när den kondenseras — utan på att molekyler hela tiden slår mot väggarna utan uppehåll. Värme gör träffarna hårdare; trycket stiger eller gasen expanderar.

Om du tittar noga på mycket små partiklar som svävar i en vätska, dansar de ryckigt. Det är brownsk rörelse: ojämna små träffar från molekyler som slår emot dem från alla håll. Vätskor sprider också lösta ämnen, de avdunstar i torrare luft och kyler ytor eftersom de snabbaste molekylerna försvinner först. Vatten kan gå genom tunna membran och dras mot starkare lösningar. Det kallas osmos. Vätskor och gaser flyter, men inte lika lätt. Vissa är tjockare än andra, och även gaser har en liten 'tjocklek' som saktar ner flödet, precis som sirap rinner långsammare än vatten.

Molekyler dras till varandra, både inuti ett ämne och mellan olika ämnen. När liknande molekyler håller ihop kallas det kohesion. När olika ytor attraherar varandra kallas det adhesion. En tunn hinna ovanpå en vätska – ytspänning – kan göra konstiga saker: såpbubblor blir täta och glänsande, en tunn stålnål kan vila på vattenytan, våta penselhår samlas till en spets, och en liten insekt kan faktiskt färdas på en utsträckt vätskehinna.

När två vätskor med olika ytspänning möts kan den ena sprida sig plötsligt eller dra ihop sig över den andra. I trånga utrymmen vinner ibland adhesion över kohesion. Då kryper vatten upp i tunna rör, så kallad kapillärverkan.

När väggen inte blir våt, som kvicksilver i glas, dras vätskan nedåt. Så fungerar vekar, handdukar, läskpapper och svampar. Vaxad duk släpper igenom vattenånga men inte flytande vatten. Jord och skogsbotten sparar och delar fukt genom sådana små krafter, och torrjordbruk lever på dem. Upplösning och kristallisation visar att molekyler 'känner' varandra.

Med tiden och under rätt förhållanden bygger ämnen kristaller med imponerande ordning. Porösa fasta ämnen tar upp gas, och vätskor löser gaser mer eller mindre beroende på temperatur och tryck. Det gör läsk bubblig och avgör hur mycket syre fiskar får i varmt sommervatten.

Att fasta ämnen hålls ihop visar sig i styrka och fjäderande egenskaper. Om du drar i en tråd inom rimliga gränser, blir den lika lång igen. Om du trycker ner en fjäder och släpper, studsar den tillbaka. Inom en viss gräns är elasticiteten enkel att beskriva: dubbla kraften ger dubbla uttöjningen. Om du går över gränsen återfår formen sig inte helt. Elasticiteten finns i drag och tryck, i böjning och vridning, i form och i volym. Yttre krafter stör balansen mellan attraktion och värmrörelse. Om du tar bort krafterna i tid, återkommer den ursprungliga formen.

Andra egenskaper varierar kraftigt eftersom den inre strukturen varierar: guld kan hamras lika tunt som bladguld och ändå hålla ihop; fjäderstål tål plötsliga slag; glas motstår formförändring länge och ger plötsligt vika med en knall. Sådana skillnader—seghet, sprödhet, hårdhet—är inte bara ord. De avgör vad vi kan bygga och hur vi måste hantera material.

När vätskor och gaser vilar eller strömmar, trycker de mot allt omkring. Trycket ökar med djupet och beror på densiteten. Om du håller ett kort mot änden av ett rör och sänker ner det i vatten, hålls vattnet ute av lufttrycket tills krafterna inuti och utanför kortet balanserar. Mät det, och gör det igen, en regel framträder: på samma nivå i en vätska är trycket lika med vikten av vätskepelaren ovanför den nivån. Den totala kraften på en yta beror på arean, medeldjupet och hur tung vätskan är per volymenhet. Trycket i en vätska är detsamma i alla riktningar på samma punkt.

Om du stänger in vätskan och tillför extra tryck på en punkt, fortplantar sig detta tryck oförändrat genom hela vätskan. Denna insikt klargjordes av en tänkare som såg vad vi nu ser överallt: en liten cylinder som trycker på en vätska kan lyfta tunga laster i en bred cylinder. Hydrauliska pressar och domkrafter gör just det. Vi byter rörelselängd mot kraft, och areaförhållandet anger hur stor förstärkningen är. Det är som att använda en lång arm för att lyfta något tungt. Vattensystem åtnjuter detta – och lider av det. En artesisk brunn kan flöda av sig själv när vatten i ett sluttande lager ligger högre än hålet vi borrar långt bort.

Stora stålrör i en stad får sina flödesbehov utjämnade av höga vattentorn. Små luftkuddar vid kranarna dämpar stötarna när vi stänger av snabbt.

Vätskor bär också saker. En gammal lag säger att en kropp som sänks ned i en vätska utsätts för en uppåtriktad kraft som är lika stor som vikten av den vätska den tränger undan. Ett flytande föremål trycker ned precis lika mycket som vattnet trycker upp, och hur djupt det sjunker visar hur tung last det bär. Om du väger en sten i luft och sedan i vatten är skillnaden i vikt lika med vikten av det undanträngda vattnet, och därmed får du volymen.

Så hittar vi densitet och specifik vikt. Flytande saker sjunker djupare i lätta vätskor och grundare i tunga. De kallas hydrometrar och sitter som små spioner på densitet i allt från mjölk till syra. Gaser delar mycket med vätskor.

De flyter, de bär, men de låter sig också pressas ihop lätt. Luft har vikt. En kvicksilverpelare i ett glasrör står ungefär tre fjärdedels meter hög, uppburen av lufttrycket. Om vi tar bort luften runt omkring faller pelaren. Om vi bär instrumentet upp på ett berg faller den med höjden. Så visades en gång för alla att luft trycker. En annan regel säger att för en given mängd gas vid samma temperatur minskar volymen när trycket ökar, och vice versa. Det ger oss ett enkelt verktyg för att förstå allt från riktiga moln till att leka med sprutor.

Från dessa egenskaper växer smarta verktyg fram. En luftpump drar ut luft ur en behållare genom ventiler. En vattenstråle i ett rör kan skapa sug och tömma luft från en anordning; den kallas aspirator. Pumpar som trycker gas i flaskor eller däck använder samma spel. Lyftpumpar hämtar brunnsvatten genom att låta lufttrycket trycka vatten in i en cylinder när kolven gör luften inuti lite tunnare. Men eftersom lufttryck bara kan lyfta vatten ungefär tio meter behöver djupare brunnar cylindern nere vid vattenytan. Tryckpumpar trycker ut vatten genom ventiler. Luftkammare vid utloppet jämnar ut flödet så att det inte bara kommer i ryck.

En hävert, när den väl är fylld, transporterar vätska över en kant så länge som utloppet är lägre än ytan vi startar från. En liten glasdykare i en vattenfylld flaska visar hur trycket går överallt lika, och att gas kan pressas ihop mer än vätska. Krama flaskan, dykaren sjunker. Släpp taget, den stiger. Vattenskensning, som vi vanligtvis undviker i rör, kan ändå användas i en smart maskin: en hydraulisk vädur lyfter en del av en fallande vattenström uppåt utan annan kraft än själva fallet. Ballonger stiger för att de undantränger mer luft än de väger. Fallskärmar bromsar fall genom att ge en stor yta till luften.

Tryckluft stoppar tåg, mäter gas i hus och driver pumpar som kastar vätska uppåt med roterande blad.

En kraft är en knuff eller ett drag. Vi kan mäta den genom hur mycket den sträcker ut något elastiskt, eller genom hur mycket den förändrar rörelsen. En fjädervåg är pålitlig eftersom, inom den elastiska gränsen, ger lika stor extra knuff lika stor extra sträckning.

En kraft har storlek och riktning och verkar vid en punkt. Vi kan rita den som en pil och lägga ihop pilar.

Lika krafter i samma linje blir större tillsammans. Två krafter i en vinkel kan ersättas av en – resultanten – som pekar längs diagonalen mellan dem. Kraften som skulle hålla allt stilla pekar precis motsatt resultanten och är lika stor. Vi måste också skilja mellan massa och vikt.

Massa talar om hur mycket materia något har och hur svårt det är att ändra dess hastighet. Vikt är jordens dragning på saken och ändras lite beroende på var vi befinner oss. Rörelse förekommer i flera slag: glidning, snurrning, svängning. Hastighet är hur snabbt och åt vilket håll, acceleration är hur snabbt hastigheten ändras. Ett fallande föremål accelererar. En boll som kastas upp bromsas av samma nedåtriktade acceleration. Rörelsemängd är massa gånger hastighet. Förändringar i den mäter vad en kraft har åstadkommit.

Tre tydliga påståenden hjälper oss att förstå nästan allt som rör sig. Första: En kropp förblir i vila eller fortsätter rakt fram med samma hastighet om ingen nettokraft verkar. Det kallas tröghet. När något svänger i en cirkel måste en kraft dra inåt mot centrum, annars skulle den flyga rakt ut. Klipp av snöret på en slunga, så flyger stenen tangentiellt iväg.

Nästa: Förändringen i rörelsemängd är i kraftens riktning och proportionell mot hur stor kraften är. Två krafter verkar oberoende och adderar sin effekt. Slutligen: Kraft och motkraft är lika stora och motsatt riktade. När vi trycker på golvet, trycker golvet på oss.

En ställning drar i väggen, och väggen drar tillbaka. Allt detta innebär att vi ofta måste dela upp en kraft i delar längs riktningar vi bryr oss om. En släde som dras av ett snett rep får en del som drar framåt och en del som lyfter lite. På ett lutande plan kan vi dela upp tyngden i en del som försöker dra släden nedåt och en del som trycker den mot ytan.

För rotation använder vi vridmoment: kraft gånger det vinkelräta avståndet till axeln. När medurs vridmoment är lika med moturs, är allt i balans. Två lika, motsatta, parallella krafter bildar ett kraftpar som bara försöker vrida.

Saker drar i varandra. Vi kallar det gravitation, och bilden blir prydlig. Mellan två klumpar ökar dragningen när de blir tyngre, och minskar när de kommer längre ifrån varandra, snabbare än med avståndet ensamt. Nära jorden dras allt mot centrum; vikt mäter dragningen. Stora klot beter sig för saker utanför som om all massa vore samlad i centrum. Vikten varierar lite med latitud och höjd, eftersom jorden buktar ut vid ekvatorn och för att rotationen får vikten att verka lite mindre där. Föreställ dig ett perfekt slätt hål genom jorden, från pol till pol.

En kropp som släpptes ner skulle känna mindre dragning ju närmare mitten den kom, där den skulle vara noll, för att sedan vända och dras mot den andra sidan. Utan luft och friktion skulle den svänga fram och tillbaka på samma tid oavsett hur långt den färdades. För att samla alla små dragningar på en kropp till en enda, använder vi tyngdpunkten.

En vertikal linje genom den är gravitationens riktning. En kropp står stadigt om den linjen faller inom fotavtrycket. Sänk tyngdpunkten och gör fotavtrycket bredare, så ökar vi stabiliteten. Det är därför vi böjer på knäna när vi bär något tungt.

Släpper man saker faller de lika när luften knappast bromsar dem. Accelerationen nära jordytan är ungefär densamma överallt. Från stillastående ökar hastigheten stadigt, och på lika tid faller den mer och mer. Genom att låta saker rulla nerför ett lutande plan kan vi mäta denna stadiga acceleration långsammare och tydligare. En pendel – en liten vikt i änden av ett snöre – svänger fram och tillbaka.

För små utslag beror tiden för en hel svängning bara på snörets längd och gravitationen, inte på hur tung vikten är eller hur lite den svänger. Ett längre snöre ger en långsammare svängning. Gamla klockor mäter tiden genom att ge små knuffar i rätt rytm för varje tick.

Klockmakare uppfann sätt att hålla den 'effektiva längden' nästan konstant även om metall expanderar med värme, så att klockan inte går fort på sommaren och långsamt på vintern.

Arbete sker när en kraft får något att röra sig i sin egen riktning.

Det är produkten av kraft och sträcka i den riktningen. Energi är förmågan att utföra sådant arbete. Om vi lyfter en sten i gravitationen lagrar vi gravitationsenergi som kan frigöras när den faller. Om vi trycker ihop en fjäder lagrar vi elastisk energi. När något är i rörelse har det kinetisk energi.

En tungt block lyft högt kan göra mycket på vägen ner. I fritt fall omvandlas gravitationsenergi till kinetisk energi, och allt vi träffar pressas, böjs eller värms upp. Kinetisk energi växer med kvadraten på hastigheten, så lite mer hastighet betyder mycket mer energi. Effekt är hur snabbt arbete utförs.

En hästkraft är hur mycket arbete en stark häst ansågs kunna utföra på en minut. En watt är en joule per sekund; tusen watt är en kilowatt. Energi ändrar lätt form, men den totala mängden förblir densamma. En pendel växlar lugnt mellan höjd och fart, hög energi i läge blir hög energi i rörelse, och tillbaka igen.

Friktion dränerar den långsamt till värme. Kol lagrar gammalt solljus som kemisk energi; när det brinner blir värme till rörelse i motorer. Fallande vatten driver turbiner, en generator omvandlar rörelse till elektricitet, en motor omvandlar elektricitet till rörelse igen.

Ingen maskin skapar energi ur ingenting. Den enkla lagen för maskiner är bokföring: utfört arbete ut är lika med utfört arbete in, minus små förluster. I en perfekt maskin är ingående kraft gånger ingående avstånd lika med lastens kraft gånger lastens avstånd. Om vi vinner i kraft, förlorar vi i avstånd. En hävstång visar avvägningen öppet: vi är i jämvikt när produkten av kraft och arm på varje sida är lika.

Ett hjul och en axel är som en hävstång med många armar runt om; förhållandet mellan radierna ger den ideala multiplikationen. Trissystem kan bara ändra riktning, men kan också multiplicera kraften med hur många rep som håller. Verkliga maskiner förlorar på grund av friktion. Verkningsgrad är nyttigt arbete ut dividerat med arbete in.

Ett lutande plan byter lång sträcka mot svag kraft; en kil – ett dubbelt lutande plan – tvingar isär saker; en skruv är ett lutande plan runt en cylinder och kan ge stor kraft för ett litet handtagssvep. Friktion motverkar när ytor glider, men rullning är lättare. Vi smörjer, polerar och använder kullager för att minska förlusterna. Samtidigt behöver vi friktion: utan den halkar fötter och hjul snurrar utan fäste. Vi lever i balansen.

För länge sedan togs vattenkraft tillvara med stora hjul. Ett hjul som fångar upp vatten underifrån använder strömmens hastighet; ett påskjutet hjul högre upp låter vattnets vikt ge vridkraften. I brant terräng kan vi skicka en skarp vattenstråle mot skålformade blad på ett hjul som nästan vänder strålen och tar ut mycket av dess hastighet – ett Peltonhjul.

Moderna turbiner ligger nedsänkta och leder vattnet mjukt genom krökta blad. Vattnet ändrar riktning och avger nästan all sin energi. Elkraftverk sätter turbin och generator tillsammans. Hur mycket effekt en plats kan ge beror på hur mycket vatten per sekund som kommer och hur många meter det faller.

Hur mycket vi faktiskt får ut för lampor och motorer beror på maskinernas effektivitet och ledningarna som transporterar elen långa sträckor. Så vi höjer ofta spänningen för att minska förlusterna i ledningarna och sänker den igen där människor bor och använder den.

Värme är energi som vandrar från något varmare till något kallare. Den kan komma från solen, från förbränning, från elektricitet som strömmar genom motstånd, från friktion eller stöt, och från att komprimera gas. När vi värmer ett ämne kan det expandera, bli varmare, ändra tillstånd, förändra kemi och ibland ändra elektriska egenskaper. Värme och temperatur är inte samma sak.

Temperaturen anger hur 'varmt' eller 'kallt' något är; värme är energi. Två lika stora koppar kokande vatten har samma temperatur, men om den ena koppen har mer vatten har den mer total värmeenergi. Det finns en liten enhet som anger hur mycket värme som behövs för att höja temperaturen: en kalori värmer ett gram vatten med en grad.

En annan enhet värmer ett pund en grad och kallas Btu. Vi använder två vanliga temperaturskalor: en med noll vid is och hundra vid kokning, och en annan som sätter is vid trettiotvå och kokning vid tvåhundratolv. Längre ner finns en botten där gaser förlorar nästan all värmrörelse. Den kallas absoluta nollpunkten. Gaser expanderar stadigt med temperaturen när trycket hålls konstant; om båda förhållandena hanteras noggrant, binder en fast regel tryck, volym och temperatur tillsammans för en given mängd gas. Vätskor expanderar mindre; kvicksilver är stabilt och därför bra för termometrar. Vatten är konstigt: det är tätast strax över fryspunkten och expanderar när det värms från den punkten – men också när det kyls därunder.

Det gör is lättare än vatten och lämnar sina spår på vintern, vattnet och klimatet. Fasta ämnen expanderar minst, men inte lika mycket. Så vi lämnar springor mellan rälsen, låter broar vila på rullager, använder två metaller som expanderar olika i termometrar och strömbrytare och väljer noga metaller som kan fästa vid glas utan att spricka när lampor tillverkas.

Värme rör sig på tre sätt. När den går från molekyl till molekyl i ett ämne kallas det ledning. Metaller leder bra. Porösa ämnen som ull fångar luft och leder dåligt, och isolerar. Luft och vatten leder dåligt.

En termosflaska använder ett vakuum och blanka väggar för att stoppa både ledning och strålning. Strålning är värme som färdas i raka linjer i tomt rum och rör sig med ljusets hastighet.

Den värmer bara när den absorberas. Polerade blanka ytor reflekterar mycket och håller sig svalare under strålningsvärmare; svärtade ytor absorberar mer och blir varmare. Om vi sätter ett litet fläkthjul i en glaskupa under en lampa, snurrar det för att gasen nära svarta ytor blir varmare och studsar tillbaka hårdare.

Konvektion är värmetransport i vätskor och gaser som rör sig. Varmt blir lättare och stiger, kallt blir tyngre och sjunker. Skorstenen drar rök eftersom varm luft stiger. Rum får luft att cirkulera runt en öppen spis eller ett element. På dagen värms land snabbare än hav; det skapar vind som ändrar riktning från dag till natt.

Att värma ett hus är alltid en balans mellan att ge värme och ventilera.

En öppen spis värmer mest genom strålning och ventilerar bra, men skickar mycket värme upp i skorstenen. En kamin och panna tillför ledning och konvektion. Varmvattensystem cirkulerar med hjälp av densitetsskillnader. Ånga värms snabbt och tolererar pauser. Luftsystem blåser ren, tempererad utomhusluft över rör och in i rum; små luftfuktare tillför fukt.

En liten remsa av två metaller som böjer sig olika med temperaturen kan styra spjäll och ventiler via luft eller elektricitet. Det är termostaten, som håller ett rum ungefär som vi vill ha det.

Vatten kräver mycket värme för att ändra temperatur. Det kallas hög specifik värmekapacitet och gör klimatet mildare, och ger värmesystem jämn värme men långsam förändring. När vi smälter is krävs mycket värme utan att temperaturen stiger. Den värmen kallas smältvärme och kommer tillbaka när vatten fryser. Om vi strör salt på is sänker vi smältpunkten, gör kallt saltvatten, och kan frysa glass utan frys. Kristaller smälter vid en fast temperatur. Oregelbundna glasögon mjuknar över ett intervall. Vatten expanderar när det fryser, is flyter och spränger stenar på vintern.

Tryck kan smälta is något under noll; en spänd tråd kan skära igenom ett isblock genom att smälta underifrån och låta vattnet frysa igen ovanför. När vätska avdunstar tar den de snabbaste molekylerna och kyler det som blir kvar. Lägre tryck sänker kokpunkten och underlättar avdunstning. Kokning sker när ångtrycket inuti små bubblor blir lika med trycket utanför. Vid havsnivån kokar vatten vid ungefär hundra grader; i bergen vid lägre temperatur; i tryckkokare som tål tryck, vid högre. Om vi medvetet omvandlar vätska till ånga och tillbaka kan vi rena och separera ämnen.

Och genom att låta en gas komprimeras, kylas ner genom att avge värme, sedan expandera och förånga en vätska igen, kan vi skapa kyla och frysa in mat ekonomiskt.

Arbete och värme är två sidor av samma mynt. När man borrade kanonpipor märkte man att det blev varmt och förblev varmt utan att sluta, och en idé föddes: Värme skapas av rörelse som stoppas. Senare mätte en tålmodig man hur mycket arbete som krävs för att värma vatten en viss mängd. Han fann ett fast förhållande. Det innebär att när vi gnuggar, slår eller komprimerar – blir det värme, och när vi låter värme strömma genom en motor kan vi få ut arbete.

Ångmaskinen är mor till många maskiner. Ånga under tryck trycker på en kolv. Ventiler öppnas och stängs i takt, en vevstake omvandlar tryck till rotation, och ett tungt svänghjul håller jämn hastighet.

En smart uppfinnare insåg att det lönar sig att kyla avloppsångan någon annanstans än i själva cylindern. Efter det blev motorerna effektivare, och fabriker och fartyg kunde växa. I en förbränningsmotor antänder en blandning inuti cylindern. Fyra takter utgör en cykel: insug, kompression, förbränning, avgas.

Ett svänghjul jämnar ut det. Sådana motorer är små, snabba och lätta att starta. Stora ångturbiner låter ånga svepa över blad som är arrangerade i rader och snurra axlar tyst och snabbt med få vibrationer.

Magneter drog till sig järn långt innan någon kunde förklara det, och en magnetnål pekade norr och söder. Om vi gnider eller lindar elektrisk ström runt järn, blir det magnetiskt. Lika poler stöter bort, olika drar till sig. Magnetism samlas mest vid ändarna. Om en magnet blir för varm, förlorar den mycket av sin styrka. Härdat stål håller magnetism bättre, medan mjukt järn tar magnetism lätt men släpper den snabbt när fältet försvinner.

Om du bryter en magnet i två delar, får du två hela magneter, var och en med sin egen nord- och sydände. Det antyder att magnetism lever i miljontals små 'molekylära magneter' som kan riktas åt samma håll.

Om vi ritar ett magnetfält ser vi krökta linjer som går från nordändan ut i rymden och in mot sydändan, och sluter cirkeln inuti magneten. Järn drar linjerna till sig. Små filspån på papper ovanför en magnet ritar mönstret. Jorden själv är en stor magnet. En kompass pekar ungefär mot en magnetisk pol.

Skillnaden mellan geografisk nord och magnetisk nord kallas missvisning och varierar från plats till plats. Nålen lutar också nedåt i nordliga trakter och uppåt i sydliga. Stora järnkonstruktioner blir magnetiska av jordens fält; vertikala stolpar i vårt område får oftast en sydände i toppen.

Om vi gnuggar vissa pinnar, drar de till sig lätta saker. Det är statisk elektricitet från friktion. Det visar sig att det finns två sorters laddning, som attraherar och repellerar parvis. Ett litet instrument med två tunna blad kan visa om något är laddat; bladen spretar när de får samma laddning. När vi laddar genom gnuggning blir de två ytor vi gnuggade lika laddade med motsatta tecken. Beröring kan flytta laddning. Om vi håller ett laddat föremål nära en ledare utan att vidröra, trycker det elektroner runt i ledaren och ändrar laddningsfördelningen där. Det kallas induktion. Idag säger vi att små partiklar, elektroner, bär negativ laddning. Positiv laddning sitter i mer stabila atomkärnor.

Metaller låter elektroner röra sig lätt och kallas ledare. Glas och vax håller dem på plats och kallas isolatorer. Laddning samlas på en ledares yttre ytor och hopar sig extra vid skarpa punkter. Där kan den läcka ut i luften med ett tyst väsande och ett svagt ljus. Blixten är en enorm urladdning mellan moln och mark eller mellan moln. Den värmer luften så plötsligt att vi hör en smäll, och den kan skada och döda. Åskledare leder laddningen säkert ner i marken. Spänningsskillnad är som ett höjdhopp för laddning. Kapacitans är förmågan något har att hålla laddning vid en given spänning. Om vi placerar en annan ledare i närheten utan att röra, ökar kapacitansen.

Två plattor nära varandra kan hålla mycket motsatt laddning. Det är så en kondensator lagrar laddning. Ett gammalt glas med metall inuti och utanpå var det första. Om vi laddar ur det över en spole, svänger det fram och tillbaka några gånger. Sådana svängningar sänder ut osynliga vågor.

Det finns maskiner som skapar statisk elektricitet genom att vidröra och använda induktion. En enkel platta kan ge en skiva laddning gång på gång. Sluga anordningar med roterande skivor och små kammar samlar många små laddningar till en stadig ström av gnistor. Om vi vill ha jämn ström över tid använder vi en kemisk cell – ett batteri. Zink och koppar i en syralösning skapar en spänning mellan dem. Om vi förbinder dem med en tråd flyter strömmen. Små bubblor på elektroderna gör strömmen svagare efter ett tag; vi kan förhindra det med andra ämnen som 'äter' bubblorna innan de hindrar. Oren zink bryts ner lokalt; ett tunt kvicksilverskikt kan skydda den.

För korta och tillfälliga arbeten är en saltvattencell med mangandioxid praktisk.

Kompakta versioner utan vätska blev 'torrbatterier'. Där vi behöver stadig ström under lång tid används andra sammansättningar som hellre avsätter metall än bildar gas. Där ström flyter föds ett magnetfält. Runt en rak tråd är fältlinjerna cirklar. Om vi pekar med tummen i strömriktningen kröker sig fingrarna på samma sätt som fältet. En spole beter sig som en stavmagnet. Mjukt järn i mitten gör magneten mycket starkare. Vi kan arbeta på avstånd med många trådvarv. Fler varv eller mer ström ger mer dragkraft.

Så fungerar telegrafens tickande: en tangents långt borta öppnar och sluter kretsen så att en elektromagnet drar en liten arm. Signalen från en svag ström kan starta en annan magnet som sluter en stark ström lokalt; det kallas ett relä. En ringklocka får sin egen ström att avbryta sig själv och slå på klockan om och om igen. Och en enda kraftig gnista över en spole kan göra en liten stålnål magnetisk under lång tid.

För att kunna använda elektricitet väl, vill vi mäta den. En magnetnål i ett fält från en ström svänger ut och stannar. En lätt spole upphängd mellan starka poler svänger ut i en vinkel som står i fin relation till strömmen. Detta är grunden för amperemätare och voltmetrar. En coulomb är en laddningsenhet. En ampere är en coulomb per sekund. Hur stor en ampere är kan bestämmas genom hur mycket silver den avsätter på en platta under en given tid i ett flytande bad. Resistans hindrar strömmen, beror på längd, tvärsnitt, material och temperatur, och mäts i ohm. Spänning mäts i volt. En enkel lag binder dem: strömmen är lika med spänningen dividerad med resistansen.

Om vi kopplar motstånd i serie adderas resistanserna. Om vi kopplar dem parallellt delar de strömmen på ett sätt som gör den totala resistansen mindre. Battericeller kan seriekopplas för att få högre spänning, eller parallellkopplas för att få lägre inre resistans och mera ström. Vi kan mäta okända resistanser genom att se hur ström och spänning förhåller sig, eller använda en brygga där en väl vald justering hjälper oss att hitta en punkt där nålen är stilla. Ström kan flytta materia. I en lösning med metalljoner går positiva joner mot en negativ platta och avsätts som metall. Negativa joner går till den positiva och antingen avgår som gas eller binder sig.

Hur mycket som rör sig är snyggt proportionellt mot hur mycket ström och hur länge. Vi kan använda det för att plätera, raffinera metaller, men också som en fara: rör i marken kan korrodera om 'vandringsströmmar' går in och ut ur dem. Vissa batterier kan laddas om. Lagringsbatterier lagrar elektrisk energi som kemisk och ger tillbaka den senare. De med bly och syra är tunga, har låg inre resistans, levererar mycket ström och ger cirka två volt per cell. Andra, med olika kemikalier, byter vikt, kostnad och livslängd på andra sätt. Elektrisk värme är vanlig: ström i en resistans blir värme. Hur mycket beror på ström, resistans och tid.

Vi skyddar ledningar med tunna trådar som smälter först när strömmen blir för hög. Lampor lyser eftersom en tunn tråd blir glödhet i vakuum. Volfram tål hög temperatur och ger mer ljus per watt än kol. En ljusbåge mellan två kolstavar brinner starkt. I likströmsbågar slits den positiva staven snabbare, och vi måste flytta dem. I slutna kammare håller kolet längre, men kräver särskilda strömkällor.

När magnetismen i en kärna förändras uppstår en spänning i en spole runt den. Tryck in en stavmagnet i spolen, mätarnålen hoppar till. Dra ut den, nålen hoppar åt andra hållet. Lämna magneten stilla, händer lite. Rotera en spole i ett konstant fält, vi ändrar ständigt hur mycket fält som passerar genom spolen och skapar växelspänning. Riktningen är sådan att den motverkar den förändring som skapade den. Energi bevaras även här. Små generatorer med starka magneter kan ge växelspänning. Större maskiner låter magnetfältet skapas av ström i sina egna spolar.

På så sätt är både spänning och ström större. Hur vi ansluter spolarna avgör hur spänningen håller när vi ansluter en last.

Växelspänning tas ut genom släpringar, medan likriktning av spänningen inuti rotorn sker med en kommutator som växlar anslutningen precis när strömmen vänder inuti, så vi får ut likström. Många spolar och segment gör att allt flyter jämnt. En motor är samma maskin som går baklänges: ström i ett fält skapar krafter som får spolen att vridas. Om vi vänder riktningen på fältet eller strömmen, vänder motorn också. En spole med få varv och en stor sekundärspole kan skapa korta höga spänningar när vi snabbt bryter strömmen i den första. En kondensator över brytpunkten dämpar gnistan och skärper brytningen.

En transformator är idén lyft till elegans: en primärlindning skickar växelström i en sluten järnkärna som är laminerad för att förhindra virvelströmmar. Magnetismen som växlar inducerar spänning i en sekundärlindning proportionell mot antalet varv den har. På så sätt transformerar vi spänningar upp och ner med små förluster. Vissa rör och bågar leder lätt åt ena hållet och blockerar det andra, och skulle kunna göra jämn ström av växelström.

Stora kvicksilverbågar var en sådan lösning. En telefon bär tal genom att omvandla ljud till små variationer i ström och omvandla dem tillbaka till rörelse långt borta. En tunn järnskiva över en spole nära en liten magnet dras närmare och längre bort när strömmen genom spolen ändras, vilket skapar ljud.

I den andra änden befinner sig små kolkorn under tryck. Ljudförändringar komprimerar och släpper på trycket, vilket ändrar resistansen. En liten ström som går genom dem moduleras därmed i takt med ljudet. En spole kan lyfta dessa variationer för att sända dem långt. Små omkopplare och ringklockor styr anslutning och signalering, och med en gemensam källa för mikrofonen kan hela städer prata med varandra.

Ljud är ordning i rörelse. Det behöver materia för att färdas genom. En sträng, en stämgaffel, stämläppar – allt som vibrerar rytmiskt skapar kompressioner och rarefaktioner i luften. I vatten och järn går ljudet snabbare än i luft. Luft bär det ett par hundra meter per sekund, lite snabbare när det är varmt. I vatten och järn går det många gånger så fort. Vågor kan vara transversella eller longitudinella. I vatten ser vi vågtoppen färdas medan vattnet går upp och ner. I luft rör sig molekylerna fram och tillbaka. En hel svängning är en kompression följd av en rarefaktion. Hur stor förskjutningen är, uppfattar vi som ljudstyrka. Hur ofta svängningarna kommer, uppfattar vi som tonhöjd.

Avståndet mellan två toppar gånger hur ofta topparna kommer är hastigheten. Ljud reflekteras. Utvinkeln är lika med invinkeln. Ett rop mot en klippvägg kommer tillbaka endast om rundturen är tillräckligt längre så att örat inte blandar ihop början och slutet. Inomhus hjälper reflektioner oss att höra bättre. Gamla örontrumpeter och ljudtavlor samlar och sänder ljudvågor. Musik är rytmisk och periodisk rörelse; buller är oregelbundet. Ton har styrka, tonhöjd och klang. Styrkan ökar med amplituden och med större vibrerande ytor via ljudtavlor, och avtar med kvadraten på avståndet. Tunn luft bär ljud sämre. Tonhöjd beror på frekvensen. Vackra intervall följer enkla talkvoter: dubbel, tre-halva, fyra-tredjedelar.

För att kunna spela i alla tonarter kompromissas dessa förhållanden något i det som kallas liksvävande temperatur. Resonans förstärker rörelsen när drivkraften och egenfrekvensen matchar. Två identiska stämgafflar väcker varandra. Ett luftrör under en stämgaffel kan ljuda starkt när dess kvartsvåg matchar gaffelns frekvens, med en liten justering för änden. Två nästan lika toner kan skapa mjuk-ljudlig-mjuk-mönster, svävningar, i takt med frekvensskillnaden. Instrument delas grovt in i membran och plattor (trummor), luft (flöjter, orgel, kornett) och strängar (piano, violin). Strängar har enkla lagar: dubbla längden ger halva tonhöjden, mer spänning höjer tonhöjden med kvadratroten, tjockare sträng sänker den.

Riktiga strängar sjunger inte bara sin grundton utan har många övertoner i heltalsförhållanden. Blandningen av dessa ger klangfärg.

Sandmönster på plattor kan rita vackra former på de ställen som inte rör sig. Små lågor och nålar på vax kan göra ljud synligt och bevarat, så att det kan analyseras och spelas igen. Luft i rör liknar strängar, med öppna rör som innehåller en halv våg och slutna rör en fjärdedel. Blås hårdare, och högre vibrationsmönster uppträder. Ventiler och hål ändrar effektiv längd. Örat självt är ett filter; små, fint avstämda delar i en snäckformad del svarar var och en på sin egen ton och skickar en signal vidare till hjärnan.

Ljus är också en sorts rörelse, men det behöver inte materia. Det kommer från något som lyser, och vi ser det när det reflekteras eller släpps igenom något. Vanligtvis färdas ljus rakt. En liten öppning ritar en uppochnedvänd bild på motsatta väggen. Ljusets styrka minskar med kvadraten på avståndet. Speglar följer en regel: infallsvinkeln är lika med utfallsgångsvinkeln. Grova ytor sprider åt många håll; släta samlar och sänder prydligt. En planspegel skapar en bild som verkar stå bakom spegeln lika långt som föremålet står framför. Stora glasskivor och smart belysning lurade en gång teaterpublik med 'spöken'. Krökta speglar kan samla eller sprida.

Inåtböjda speglar samlar ljus från långt avstånd till en punkt halvvägs mellan spegelns centrum och yta. Om vi placerar ett föremål innanför den punkten får vi en upp- eller nedvänd bild beroende på var det står. Utåtböjda speglar skapar alltid upprätta, små bilder som verkar ligga bakom. När ljus går från ett ämne till ett annat böjs det. Rakt på går det nästan rakt igenom, men i vinkel böjs det mot normalen i ett tätare ämne och bort från normalen när det lämnar. Hur mycket bestäms av brytningsindex. Vatten ungefär en och en tredjedel, vanligt glas ungefär en och en halv, diamant mycket mer. I en skiva förskjuts strålen bara lite åt sidan.

I ett prisma böjs strålen mot basen och bryts igen på andra sidan. Om vi sätter två prismor mot varandra, fungerar de som en konvex lins och samlar ljus. Bortom en viss vinkel ut ur ett tätt ämne slipper ljuset inte ut i det tunnare; det totalreflekteras inuti. På så sätt kan prismor vända och reflektera utan silver. Luftlager med olika täthet och temperatur kan böja ljus så att vi ser himlen i öknen som en 'sjö' eller fartyg speglade i himlen. Det är hägringar som lurar hjärnan men lyder enkel fysik.

Linser gör bilder skarpa. En konvex lins samlar parallellt ljus till en brännpunkt. En konkav lins sprider det. Små hål ger suddiga fläckar eftersom många strålar från samma punkt inte möts igen. Linsen för samman dem vid en punkt. Om vi placerar ett objekt närmare än brännvidden får vi en upprätt, förstorad bild. Placerar vi det längre bort får vi en upp-och-ned-vänd, verklig bild som kan fångas på en skärm.

Ögat är en lins och en skärm. Hornhinnan och linsen fokuserar en verklig, upp-och-ned-vänd bild på näthinnan. I vila är det inställt för att se långt. För att se nära drar små muskler ihop sig och linsen blir tjockare.

De flesta människor kan inte se skarpt närmare än ungefär tjugo till trettio centimeter. Ett förstoringsglas låter oss hålla föremålet närmare utan att anstränga oss. Ett närsynt öga fokuserar avlägset ljus för tidigt och behöver konkav korrigering. Ett översynt öga fokuserar för sent och behöver konvex. Ojämn krökning ger förvrängda bilder, korrigerade med cylindriska linser.

Instrument använder samma enkla regler. En kamera fokuserar verkliga bilder på en ljuskänslig yta; kemi gör dem permanenta. En projektor skickar en förstorad, uppochnedvänd bild mot en duk. Ett mikroskop har en kort brännvidd framtill och skapar en liten men verklig bild, som ett okular förstorar. Ett teleskop för avlägsna objekt har en lång brännvidd framtill och låter ett okular förstora en liten, skarp bild. En kort version, som används i fickkikare, skapar upprättstående bilder genom att kombinera en konvex front och en konkav bakdel. Kikare med prismor använder totalreflektion för att vika ljusvägen, göra tuberna kortare och vända bilden rättvänd. Ett prisma visar att vitt ljus är en blandning.

En smal springa genom ett prisma lägger ut färgerna snyggt. Ett annat prisma placerat rätt kan samla dem tillbaka till vitt. Kortvågigt ljus böjs mer än långvågigt; violett separeras mer än rött. Det är därför en enkel lins har färgade kanter: olika färger fokuseras på olika ställen. Om vi kombinerar en konvex kronglaslins med en konkav flintglaslins kan vi neutralisera färgspridningen samtidigt som samlingen behålls. Det kallas akromatiskt och är nödvändigt för bra bilder. Färgerna vi ser beror på vad ytan gör. Ett svart objekt absorberar nästan allt. Ett vitt objekt sänder ut igen nästan allt det fick. En röd trasa sänder ut mestadels rött och absorberar resten.

En grön flaska släpper mestadels igenom grönt och stoppar mer av de andra. Om vi blandar ljus kan två färger bli vita om de är rätta motsatser. Om vi blandar färg tar vi bort och slutar ofta med grått och brunt. En regnbåge är ett prisma i naturen: solljus böjs in i droppar, reflekteras en gång inuti och böjs ut igen.

Strålarna går i specifika vinklar till ögat – violett lägst, rött högst. Om vi tittar på solen genom en smal springa och ett prisma uppträder mörka linjer där gaser i solens yttre lager har absorberat specifika våglängder. Samma gas, het och tunn, sänder ut ljusa linjer precis där. Det är så vi kan läsa stjärnornas 'kemi' på avstånd.

Vi ser färg som en blandning av tre grundläggande känsligheter. Vissa saknar en av dem och blandar ihop vissa färger. Tryckning med tre tryckplåtar – varje gjord med ljus som passerar genom specifika filter – kan imitera många färger genom att trycka med rätt bläck. Det är magi byggd på mätning.

Vad är egentligen ljus? Tidigt föreställde sig vissa små bollar som flög i raka linjer. En annan tänkare föreställde sig vågor i något osynligt som fyllde allt. Två problem plågade vågidén: vad är detta 'något', och varför verkar ljus färdas rakt? Mycket senare föll pusselbitarna på plats. Ljus böjer sig runt skuggan av mycket små saker, men bara lite – eftersom våglängden är så liten.

Och elektriska gnistor verkar skicka ut vågor i ett fält som innehåller både elektricitet och magnetism, ett fält som även bär ljus och radio. När två ljusstrålar möts, händer det att de förstärker varandra – eller tar ut varandra.

Om vi trycker två glasskivor nästan mot varandra, så att bara en tunn kil av luft finns mellan dem, ser vi färgade ränder i reflekterat ljus. Reflektioner från de övre och nedre ytorna möts och antingen förstärker de varandra eller motverkar, beroende på tjockleken. Med monokromatiskt ljus blir det ljust och mörkt i rader. Med vitt ljus försvinner en färg vid en viss tjocklek, och vi ser en antydan till den motsatta färgen där – och den förändras utåt.

Ljud i luft är longitudinell. Om vi försöker stoppa det med galler som är ställda på tvären, går det ändå igenom. Ljus å andra sidan kan försvagas och till och med stoppas genom att få det att vibrera i endast en riktning. Två kristaller kan visa detta. Om vi släpper igenom ljus genom båda när de har samma orientering, går det bra.

Om vi roterar en nittio grader, blir det mörkt. Ljus har transversella vibrationer. Det stöder vågtanken mot den gamla partikelbilden. Osynlig strålning vidgar bilden. Om vi sluter en kondensator med en liten krets, oscillerar den inte bara en gång utan många gånger, snabbt. En liknande krets i närheten, avstämd till samma frekvens, tar emot energi och 'gnistor' också.

När det öppet visades att sådana svängningar sänder ut vågor som färdas med ljusets hastighet, försvann tvivlet. Ett litet rör med metallfilspån var känsligt: när en våg kom, kohererade spånen och ledde ström. Det gjorde trådlös telegrafi möjlig. Gnistsändare laddade och urladdade kondensatorer många gånger per sekund, och antenner avstämda precis rätt sände ut. Mottagare avstämda till samma frekvens och fångade upp. Om vi leder ström genom luft i ett nästan tomt glasrör, glöder glaset där strålarna träffar. De kom från den negativa elektroden och böjdes av magneter. Det visade att de var elektroner, små bärare av negativ laddning.

Och där de stannade abrupt i glas eller metall, uppträdde en annan strålning som gick rakt fram, svärtade fotografiska plåtar, gick igenom mjuk vävnad och fick vissa kristaller att lysa, men knappt böjdes eller reflekterades. Den kallades röntgenstrålning. Idag vet vi att det är ljus med mycket hög frekvens – vågor som skapas av elektroners snabba retardation.

Vissa mineraler dimmade fotografiska plåtar av sig själva, utan ljus och utan gnista. De sände ut något hela tiden. Från en mörk malm separerades en liten del som gjorde samma sak, men mycket, mycket starkare. Denna del kunde sända ut tre slags saker. Det första var tunga, positiva bitar som stoppades av tunt papper. Det andra var mycket lätta och snabba, negativa bitar. Det tredje var strålar som gick igenom mycket och liknade röntgenstrålar i styrka. En enkel skärm med ett ämne som flimrar när något träffar visade små blixtar när en av de tunga träffade.

Allt detta pekade mot att atomer inte är odelbara klot, utan små system med delar och starka bindningar som ibland brister och avger energi mycket större än vanlig förbränning. Rösten blev så småningom trådlös, inte bara punkter och streck. En telefon med tråd omvandlar ljud till förändringar i strömmen genom kolet i sändaren. Stora, rena svängningar vid hög frekvens kan fungera som en 'bärvåg', och vi kan variera deras storlek i takt med ljudet.

Ett litet rör med tre delar gjorde detta möjligt. En liten glödande tråd frigör elektroner, en platta attraherar dem, och strömmen kan styras av en fin tråd mellan dem. Små variationer i denna fina tråds spänning orsakar stora variationer i strömmen till plattan.

Ansluten till en oscillerande krets och en antenn producerar röret stadiga, rena vågor. Ljud kan rida som en ryggsäck på dessa och tas bort igen i mottagaren. Samma rör kunde både detektera och förstärka. Den hörbara energin i hörluren kom från röret och strömförsörjningen, inte från själva vågen i luften.

Växelström gör mer än att bara vända varje halvcykel. När fältet runt en tråd växer och krymper, alstrar det spänning i närliggande trådar. Transformatorn lever på det. Men det innebär också att växelström möter två slags motstånd: ett som faktiskt använder energi som värme, och ett som inte förbrukar energi men som trycker strömmen bakom eller före spänningen. Det från spolar kommer från en egenskap som kallas induktans. Det från kondensatorer kommer för att de tar emot och avger laddning i takt med oscillationen och släpper igenom växelström lättare än likström. Tillsammans kallas detta motstånd för impedans. Lagen vi lärde oss gäller fortfarande, men nu med detta kombinerade motstånd istället för det gamla.

Förlusterna i kraftnät växer med kvadraten på strömmen. Därför höjer vi spänningen när vi sänder långt, så att strömmen kan vara mindre för samma effekt, och sänker den innan vi använder den. När spänning och ström inte svänger i takt, uppstår en skillnad mellan hur mycket 'skenbar' effekt vi beräknar (spänning gånger ström) och hur mycket verklig effekt vi använder i arbete och värme. Förhållandet anger hur väl vi utnyttjar nätet. Växelström kan levereras på en fas, som till hus, eller tre faser, tre liknande svängningar förskjutna med en tredjedel av en period. De tre skapar ett roterande fält i ett stationärt lindningssystem, vilket får en rotor att snurra.

Generatorer för sådan har ofta fältet roterande med likström och lindningarna som ger ström fasta. Motorer finns i flera typer. En seriemotor, som går åt samma håll oavsett riktning, fungerar för verktyg och små apparater. En asynkronmotor utan borstar lever på fältet som roterar och inducerar ström i en 'ekorrhjulsrotor'; den går nästan lika snabbt som fältet, bara lite efter. En synkronmotor låser sig till fältets svängning och går med en exakt hastighet som bestäms av hur snabbt nätet svänger och hur många poler den har.

När vi ser tillbaka på alla dessa ämnen är tillvägagångssättet detsamma. Vi letar efter orsaker i naturen, inte efter nycker. Vi mäter, vi använder samma mått, vi knyter ord till konkreta handlingar och tal. Materia och energi ändrar form, men summan förblir densamma. Molekyler dansar osynliga och uppenbarar sig i tryck och diffusion, avdunstning och kristallglans. Krafter kombineras, balanserar, böjer rörelse och lånar och återbetalar i lika stora mängder. Vätskor bär, trycker och rusar, och tydliga lagar ger pumpar och skepp, barometrar och bromsar. Värme smyger sig, strömmar och strålar, gömmer sig i fasändringar, byter med arbete på en fast bana och styr klimat och komfort.

Elektricitet och magnetism vävs samman, från gnistor i ett rum till blixtar över land, från jordens konstanta fält till maskinnätverk. Tillsammans, som elektromagnetism, bär de budskap genom tråd och tom luft, lyser upp gator och rum, snurrar motorer och turbiner, och låter röster och musik korsa oceaner utan en tråd. Ljud och ljus skiljer sig åt i om de behöver ett medium och i sin vibrationsriktning, men båda är vågor som reflekteras och bryts, som överlappar och avslöjar avlägsna källor genom fasta lagar. Och slutligen når blicken, som började med dagg och ekon, in i atomen, där energier långt bortom eld och låga visar sig i stilla glimtar.

Från första till sista sidan är ämnet inte en lista utan en kedja där varje länk stärker de andra, så att välbekanta saker belyser det allmänna, det allmänna förklarar det välbekanta, och världens fakta blir ett mönster som både kan förstås och användas.