John Gribbin
Når fysikerne prøver at beskrive måden, verden virker på, på det mest fundamentale niveau, er den vigtigste del i deres værktøjskasse begrebet: et felt. Det er også en af de mest velkendte ideer i fysik fra vore skoledage, da vi alle så, hvordan kraftfeltet omkring en almindelig stangmagnet kan gøres synlig ved at holde magneten direkte under et ark papir, som er blevet drysset med jernspåner eller andet magnetisk materiale. Når man så banker let på papiret, retter jernspånerne sig ind i buer, der forbinder magnetens nord- og sydpol. Og det var faktisk studiet af magnetisme (og elektricitet) der førte pioneren fra det 19. århundrede, Michael Faraday, til at indføre ideen om felter i fysik. Faradays historie er som skønlitteratur. Han var søn af en fattig smed og modtog kun den mest grundlæggende uddannelse, men kom i lære hos en bogbinder i London og blev grebet af videnskab ved at læse afsnittet om kemi i et bind af Encyclopedia Britannica, som han var ved at indbinde for en kunde. Hans fuldgode anstrengelser for at uddanne sig blev belønnet i 1813, da Faraday (21 år gammel) opnåede en stilling som assistent for Humphrey Davy på Royal Institution. Dette var det lavest mulige trin på den videnskabelige stige og indebar bogstaveligt, blandt andre ting, pligter med at vaske flasker. Men Faraday steg til at afløse Davy som leder af Royal Institution, af afslå et tilbud om at blive slået til ridder af Dronning Victoria og to gange afslå tilbuddet om at blive Præsident for Royal Society. Han var en beskeden mand, medlem af en streng religiøs sekt og gik ikke ind for personlige æresbevisninger af den slags. Skønt han begyndte som kemiker, blev Faradays interesse pirret af naturen af elektricitet og magnetisme, der begyndte at blive anerkendt som forskellige sider af et enkelt fænomen i begyndelsen af 1820'erne. Nøgleeksperimentet blev udført af Hans Christian Ørsted i Danmark, som fandt, at når et magnetisk kompas holdes nær en ledning, der bærer en elektrisk strøm, afbøjes kompassets nål (som er en lille stangmagnet) altid til et punkt vinkelret på ledningen. Så en elektrisk strøm frembringer en magnetisk kraft, der øver indflydelse på kompasnålen. Fremskridtet gik langsomt og blev hæmmet af adskillige fejlslagne begyndelser. Men det var Faraday, der i slutningen af 1831 fastslog naturen af forbindelsen mellem elektricitet og magnetisme. En elektrisk strøm, der strømmer i en ledning, forårsages af elektrisk ladning (vi ved nu, at det er selve elektronerne), der bevæger sig langs ledningen. En elektrisk ladning, der bevæger sig, skaber altid en magnetisk kraft (som, i dette tilfælde, afbøjer kompasnålen). Faraday fandt, at når en magnet på samme måde bevæges forbi en ledning, eller skubbes ind i åbningen på en spole af ledning, skaber den under bevægelsen en elektrisk strøm i ledningen. En magnet, der bevæger sig, skaber altid en elektrisk kraft, (som, i dette tilfælde, får elektronerne i ledningen til at bevæge sig). Disse to opdagelser dannede grundlaget for elektricitetsgeneratoren, eller dynamoen (i hvilken elektricitet produceres af roterende magneter, der suser forbi spoler af ledning) og den elektriske motor (i hvilken en elektrisk strøm løber gennem spoler af ledning og får et sæt magneter, fastgjort til motorens drivaksel, til at rotere). Kort efter Faraday havde opdaget dynamovirkningen i 1831, besøgte Prime Minister Robert Peel Royal Institution og så en demonstration af fænomenet. I en af de mest citerede ordvekslinger i videnskabens historie spurgte han Faraday, hvad opdagelsen skulle bruges til. Faraday svarede, ”Jeg ved det ikke, men jeg vil vædde på, at Deres regering en dag vil beskatte den.” Det er ikke nødvendigt at udpensle den praktiske vigtighed af Faradays arbejde her og det har faktisk givet en rig kilde til indtægter for regeringer. Indenfor 50 år efter han kom med den bemærkning, kørte der elektriske tog i Tyskland, England og U.S.A. Hvis han ikke havde lavet andet, ville Faraday (som var 40 år i 1831) være blevet husket som en af de mægtigste forskere i det 19. århundrede. Men i stedet for at udvikle de praktiske anvendelser af opdagelserne (som han overlod til andre), blev Faraday efter 1831 dybt interesseret i naturen af forbindelsen mellem elektricitet og magnetisme og hvordan disse kræfter kunne række ud tværs gennem rummet og påvirke objekter, som de ikke havde nogen direkte kontakt med. Og fra begyndelsen var han på det rene med ligheden mellem denne rækken ud og måden gravitation virker på, med Solen der rækker tværs over rummet for at holde planeterne i deres kredsløb. I eksperimentet med jernspånerne spredt ud på et ark papir viser de linier, som spånerne danner, den sti, som en lille magnetisk pol ville følge, hvis den var fri til at drive fra en pol på den store magnet til den anden. Dette førte Faraday til at begynde at tænke ved hjælp af ”kraftlinier” (et udtryk som han opfandt i 1831), strækkende sig fra hver pol på en magnet og, på samme måde, fra hver elektrisk ladet partikel. Hvis en ledning, i denne model, bevæger sig i forhold til en magnet, skærer den gennem kraftlinierne og det er denne skæren, der får den elektriske strøm til at strømme. Før dette tidspunkt forestillede man sig, at kræfter som gravitation fungerede som ”virkning på afstand”. Kraften, som Solen udøvede på Jorden og de andre planeter, tog ingen tid om at række ud gennem rummet. Man forestillede sig, at den virkede øjeblikkeligt, på afstand, for at holde et greb om planeterne. Men Faraday tænkte på, hvordan kraftlinierne ville spredes ud og opbygge det, der kom til at hedde et kraftfelt, når en strøm begyndte at strømme i en spole af ledning. Det er klart, sluttede han, at dette ville tage tid. En passende indrettet spole af ledning, der bærer en elektrisk strøm, producerer et magnetfelt, der på afstand ikke kan skelnes fra en stangmagnets felt. Men når der ikke strømmer nogen strøm i spolen, er der intet magnetfelt. Faraday var overbevist om, at når strømmen i spolen blev tændt, ville magnetfeltet spredes udad fra den, så kompasnåle nær spolen ville blive afbøjet først og kompasnåle længere væk senere, efterhånden som magnetfeltet spredtes udad. Vi ved nu, at denne påvirkning spredes med lysets hastighed, alt for hurtigt til at forsinkelsen kunne måles i nogen laboratorieeksperimenter i det 19. århundrede; men Faraday tænkte i de rette baner. Ideen var dog på den tid så oprørende, at han til at begynde med ikke offentliggjorde den. I stedet efterlod han i 1832 et forseglet notat i et pengeskab på Royal Society, som skulle åbnes efter hans død. Blandt andre ting forklarede noten at, når en magnet virker på en fjern magnet eller stykke jern, skrider den påvirkende årsag (som Jeg i øjeblikket kalder magnetisme) gradvist fra de magnetiske legemer og kræver tid til dens overførsel ...Jeg hælder til at sammenligne spredningen af magnetiske kræfter fra en magnetpol med vibrationer på overfladen af uroligt vand eller dem hos luft i lydfænomenet: dvs. Jeg hælder til at tænke, at vibrationsteorien vil gælde for disse fænomener, som den gør for lyd, og mest sandsynligt lys. Tolv år senere offentliggjorde han disse ideer, hvilket banede vej for James Clerk Maxwells arbejde på elektromagnetismens og lysets natur i 1860'erne. Maxwell fandt et sæt ligninger, der beskriver, hvordan elektriske og magnetiske felter vekselvirker med hinanden. Der er blot fire af disse ligninger og sammen fortæller de en alt, man nogensinde har behov for at vide om elektromagnetisme, forudsat man ikke bevæger sig ind i kvantefysikkens riger. Ethvert fænomen, der involverer elektricitet og magnetisme på det klassiske niveau, kan løses ved brug af Maxwells ligninger; og de kom med en indbygget bonus. Blandt andre ting forklarer Maxwells ligninger, hvordan en elektromagnetisk bølge bevæger sig. Tænk på en elektrisk bølge, som bevæger sig afsted i rummet, måske sat i gang af en elektron der rokker op og ned i en ledning. Når den elektriske bølge bevæger sig op og ned, varierer den. Så den skal lave en magnetisk bølge, der bevæger sig langs den elektriske bølge. Men den magnetiske bølge varierer også, fordi den elektriske bølge varierer. Så den magnetiske bølge skal skabe en elektrisk bølge, der bevæger sig langs den magnetiske bølge. Den samlede virkning, beskrevet med præcision af Maxwells ligninger, er en kombineret elektromagnetisk bølge, der bevæger sig gennem rummet, hvor de elektriske og magnetiske komponenter er i takt med hinanden. Bonusen i Maxwells ligninger er et tal, der angiver hastigheden, med hvilken bølgen bevæger sig. Dette tal kan udarbejdes fra eksperimenter, der måler egenskaberne ved isolerede elektriske og magnetiske felter. Og tallet, der kommer ud af eksperimenterne, er lysets hastighed, selv om, som Maxwell formulerede det, ”den eneste brug af lys i eksperimentet var til at se instrumenterne”. Maxwell opdagede, at elektromagnetiske bølger bevæger sig med lysets hastighed og erkendte at lys må være en form for elektromagnetisk bølge. Denne konklusion blev uundgåelig, da radiobølger, forudsagt af Maxwell og bevæger sig også med lysets hastighed, blev opdaget af Heinrich Hertz i 1880'erne. Det er derfor fysikerne blev så forbavsede, i den første del af det tyvende århundrede, da de fandt, at i kvanteverdenen skal lys sommetider behandles som en strøm af bittesmå partikler. Men måske ville Faraday ikke have været så forbavset. Faraday udtrykte først sine ideer om kraftlinier og felter offentligt i to forelæsninger han gav på Royal Institution i 1844 og 1846. Hans ideer var langt forud for deres tid – på den tid var det stadig almindeligt accepteret, at ”tomt rum” var fyldt med en mystisk substans kaldet æteren, som bar lysbølgernes krusninger på samme måde, som krusninger i en dam bæres af vandet i dammen. I hans 1846 forelæsning, hvor han mere eller mindre forklarede den model, vi lige har skitseret, men uden Maxwells matematik, sagde Faraday specielt, at hans mål var at opgive æteren, men ikke vibrationerne; i stedet foreslog han, at vibrationerne var forbundet med kraftlinierne, som klimprende guitarstrenge. Han pegede på, at udbredelsen af lys tager tid, hvilket passer med ideen, at en krusning bevæger sig langs en kraftlinie og han formodede, at gravitation må virke på en lignende måde. Men på nogen måder er det han sagde i den tidligere forelæsning, den 19. januar 1844, endnu mere fascinerende. Foruden opgivelse af begrebet om æteren ønskede Faraday at komme af med ideen om atomer – dette var før ideen om atomer var blevet fuldstændig optaget i videnskaben. I perspektivet af succesen af den model, vi beskrev andetsteds, lyder dette tosset. Men fra perspektivet af det tyvende århundredes kvantefeltteori ville det give perfekt mening, hvis vi erstatter det 19. århundredes betydning af udtrykket ”atom” med det lignende moderne udtryk ”partikel” - endnu et eksempel på behovet for at bruge forskellige modeller, når man beskriver den samme ting under forskellige sæt omstændigheder. Faraday hævdede, at der ikke kunne være nogen virkelig forskel mellem det såkaldte rum og atomerne (”partikler”) i rummet. Han sagde, at atomer (partikler) kun skulle betragtes som koncentrationer af kræfter og at i stedet for at forestille sig et atom (partikel) som oprindelsen til et net af kræfter (feltet), der strækker sig ud omkring det, burde vi forestille os selve kraftfeltet som den fundamentale virkelighed, hvor partiklerne simpelthen behandles som koncentrationer i kraftlinierne – knuder i nettet. For at overbevise sine tilhørere bad Faraday dem om at forestille sig et ”tankeeksperiment”, i hvilket Solen sidder for sig selv i rummet. Hvad ville der ske med Jorden, hvis den pludselig, på magisk vis, blev anbragt i sin passende afstand fra Solen? Ville en eller anden kraft skulle bevæge sig udad fra Solen og gribe fat i Jorden, før den kunne begynde at mærke Solens gravitation? Eller ville den mærke Solens gravitation trække øjeblikkeligt? Faraday sagde, at selv hvis Solen var alene i rummet, ville dens gravitationspåvirkning spredes overalt, inkluderende gennem det rum, hvor Jorden snart ville dukke op. Jorden ville ikke blive smidt ind i ”tomt rum” men ind i et net af kræfter (feltet) og den ville reagere øjeblikkeligt på feltets natur på selve Jordens position. Det, der betyder noget for Jorden, er feltets natur på Jordens placering, ikke naturen af feltets kilde (i dette tilfælde, Solen), hvis ideen om en kilde til feltet faktisk var korrekt. For Faraday var feltet virkeligheden og stof var bare et område, hvor feltet var koncentreret, eller blevet knudret. I løbet af disse to forelæsninger skaffede han sig af med både ideen om en æter og ideen om stofligt virkelige partikler efterladende et billede af Universet som intet mere (eller mindre) end et net af vekselvirkende felter, der er knudrede her og der. Dette er næsten eksakt den måde, en moderne kvantefelt-teoretiker ville beskrive Universet på. Det klassiske eksempel er selvfølgelig selve fotonen. En foton kan betragtes som en knude i det elektromagnetiske felt, en lille sammenfiltring af elektromagnetiske bølger. Men husk, at fysikerne i det 20. århundrede opdagede, at selv det, vi er vant til at forestille os som stoflige partikler, ting som elektronen, også har en bølgeside af deres natur. I kvantefeltteori har hver slags partikel sit eget felt – så der er, f.eks., et elektronfelt, som fylder universet. Hvad vi opfatter som partikler (elektroner, eller hvad som helst) er knuder i det behørige felt, på samme måde som fotoner er knuder i det elektromagnetiske felt. Det er mærkeligt at tænke på, at der findes et elektronfelt, som fylder hele universet og som vi almindeligvis ikke bemærker. Det er endnu mærkeligere at tænke på, at der findes et forskelligt slags felt for hver slags partikel såvel som de mere velkendte elektriske og magnetiske felter og så videre. Det lyder som om Universet skulle være tæt pakket med en forvirrende sammenfiltring af felter (som det er i denne model) og at vi burde være opmærksomme på det (hvilket vi ikke er). Men husk, at man ikke bemærker de elektromagnetiske felter der gennemtrænger miljøet – i dette øjeblik går der signaler fra dusinvis af radio og TV stationer lige gennem dig. Situationen med alle disse stoffelter, som de kaldes, er lidt ligesom måden vi opfatter – eller snarere, ikke opfatter – Jordens atmosfære på. På en stille dag lægger man slet ikke mærke til, at man er nedsænket i et hav af luft. Fordi det er det samme overalt, er der overhovedet ingen måde, hvorpå man kan mærke, at det er der. Man bemærker kun luften, når den er i bevægelse og bevægelsen er forårsaget af uregelmæssigheder, der strækker sig fra små hvirvler til mægtige stormsystemer og hvirvelvinde. De stoflige partikler vi bemærker – elektronerne og så videre – svarer til hvirvler i stoffelterne og ligesom hvirvler strækker deres indflydelse sig et lille stykke ud i deres omgivelser. Vi opfatter kun uregelmæssighederne, ikke felternes rolige, milde ensartethed, der fylder resten af Universet. Dette viser sig at være en meget nyttig model, når man undersøger de dybere lag af kvanteverdenen; men til vore formål er det nok at vide, at dette er måden, hvorpå kvantefelt teoretikerne ser verden og at blive imponerede over Faradays indsigt. Med hensyn til at få et overordnet billede, af hvad der foregår dybt inde i atomer, kan vi stadig arbejde med en model, der er en blanding af partikler og felter og forklare disse entiteters adfærd ved at sammenligne med elektroners måde at vekselvirke med elektromagnetiske felter og hinanden på. Ideen med partikler er stadig nyttig, om man så tænker på dem som knuder i et felt eller ej. Når to elektroner kommer nær hinanden, bliver de frastødt fra hinanden, fordi de hver har den samme (i dette tilfælde, negative) elektriske ladning. Men hvordan virker frastødningen? Ved at holde fast i billedet af elektroner som partikler og anvende kvanteteori på de elektromagnetiske felter, der omgiver disse partikler, kan vi få et klart billede af, hvad der foregår. Vekselvirkningen mellem de to elektroner indebærer en strøm af fotoner (bærere af den elektromagnetiske kraft), som bevæger sig fra en elektron til den anden (og faktisk fra den anden elektron til den første). Tænk på disse som en strøm af maskinkanon kugler. Hver elektron udsender en strøm af partikler og viger tilbage (rekylerer, o.a.), mens hver elektron samtidigt rammes af en strøm af partikler og skubbes væk. Det er intet under, at de to elektroner frastøder hinanden. Det er vanskeligere at forestille sig, hvorfor modsat ladede partikler (for eksempel, en elektron og en proton) skulle tiltrække hinanden, men det er præcis, hvad der sker. En analogi, som hjælper en smule, er at tænke på en gruppe atleter, der er i gang med en træningsøvelse, hvor de jogger afsted, mens de kaster en tung bold fra den ene til den anden. De er nødt til at holde sig tæt sammen, fordi de ikke kan kaste bolden særlig langt. Men sommetider virker denne tiltrækning, i partikelverdenen, selv når der udveksles meget lette partikler. En strøm af fotoner fra en elektron, der ankommer til en proton, skubber den ikke væk, men trækker den i stedet mod elektronen og omvendt. Alt dette kan foregå på en betydelig afstand, fordi fotoner er nemme at lave. De har slet ikke nogen masse, så selv om de bærer nogen energi, er der ingen masseenergi involveret og ladede partikler kan lave strømme af fotoner uden at tabe særlig megen energi. Når den en gang er lavet, kan en foton i princippet rejse for evigt tværs gennem rummet. Så elektromagnetisme er en meget langtrækkende kraft og kan i princippet række helt ud tværs over Universet (ligesom gravitationen gør og af den samme grund – gravitonen har også nul masse). Faktisk begrænses rækkevidden af elektriske og magnetiske kræfter af deres tendens til at blive udbalancerede på en mindre skala. Da der er en elektron for hver proton i et atom, er der ingen samlet elektrisk ladning til at influere på verden i sin helhed. Tingene er betydelig anderledes, når vi kommer ned på atomkernens skala. Der holdes protonerne og neutronerne sammen af en anden kraft, den stærke kernekraft, som forhindrer koncentrationen af al den positive ladning i kernen i at sprænge den fra hinanden. Men denne kraft er ikke direkte forbundet med neutroner og protoner, men med et dybere lag af struktur inde i dem, på kvarkernes niveau. Der er alle slags vidnesbyrd om kvarkernes eksistens, men det bedste og mest direkte kommer fra eksperimenter udført i slutningen af 1960'erne og i 1970'erne, da meget energirige stråler af elektroner blev affyret mod atomkerner og man studerede måden, som elektronerne kastedes væk fra (spredtes fra) partiklerne i kernen. På en måde, der mindede slående om måden Ernest Rutherfords hold havde fundet struktur inde i atomet på, ved at sprede alfapartikler fra kernen, viste disse eksperimenter, som først blev udført af forskere på Stanford University i Californien, struktur inde i protoner og neutroner ved at man spredte elektroner fra partiklerne der. Protoner og neutroner består af kvarker – i begge tilfælde, tre kvarker. Men der behøves kun to forskellige typer kvark for at forklare protoners og neutroners struktur. De har fået tilfældige navne, som kun regnes for mærkater – en type kvark kaldes ”op” og den anden mærkes ”ned. Men dette betyder på ingen måde, at de peger i forskellige retninger eller sidder i forskellig højde – mærkaterne kunne ligeså godt have været Gert og Daisy. Hver op kvark bærer en mængde elektrisk ladning, der er positiv og svarer til to tredjedele af en elektrons ladning. Hver ned kvark bærer en mængde elektrisk ladning, der er negativ og svarer til en tredjedel af en elektrons ladning. En proton er sammensat af to op kvarker og en ned kvark, hvilket tilsammen giver den 1 enhed af positiv ladning (2/3 + 2/3 – 1/3 = 1), mens hver neutron er sammensat af to ned kvarker og en op kvark og derfor ikke har nogen samlet ladning (2/3 – 1/3 – 1/3 = 0). Den mest interessante egenskab ved kvarker er, at de aldrig ses i isolation, kun tre sammen eller som par. Parrene af kvarker er faktisk altid et kvark/antikvark par, kaldt meson og det er mesoner, der holder atomkerner sammen, idet de konstant udveksles mellem protonerne og neutronerne, der udgør kernen (nukleonerne), på en måde, der er analog til den måde, fotoner bærer den elektromagnetiske kraft på. Men ulig fotoner har mesoner masse. Så det kræver en masse energi at lave en meson. Den eneste grund til at mesoner kan laves inde i atomkerner er, at kvanteubestemthed kommer i spil. Denne gang involverer den relevante ubestemthed mængden af energi, som er forbundet med hver af nukleonerne. Ligesom en kvanteentitets position og impulsmoment ikke kan bestemmes præcist, så kan mængden af energi, der er fastlåst i en kvanteentitet, ikke bestemmes præcist – ikke på grund af unøjagtigheder ved vore måleinstrumenter, men fordi selve Universet ikke ”ved” præcist, hvor megen energi der sidder dér i ethvert øjeblik. I kort nok tid (en tid der hænger sammen med Plancks konstant og som derfor virkelig er meget kort) kan energi dukke op fra slet ingenting, forudsat at den forsvinder igen indenfor dens tildelte tidsrum. Jo mere energi der dukker op, jo kortere tid kan den blive. Men hvis man har nok energi, kan den midlertidigt blive til partikler under sin korte levetid. Det er herfra mesonerne, der holder sammen på et atoms kerne, kommer. De dukker op fra slet ingenting som såkaldte vakuumfluktuationer af kvantefelterne. Når dette sker, siger kvantereglerne, at hver partikel, der produceres, skal ledsages af dens antipartikel modpart. I stedet for at isolerede kvarker dukker op fra vakuumet, får man kvark-antikvark par. Med andre ord, mesoner. Men de kan kun leve i meget kort tid, tiden bestemt af kvanteubestemthed, før de giver deres lånte energi tilbage til vakuumet og forsvinder endnu en gang. De lever lige længe nok til at blive udvekslet med nukleonen ved siden af og holde kernen sammen (det er her analogien med den tunge bold måske er hjælpsom). Men den resulterende stærke krafts rækkevidde er så begrænset, at intet udenfor kernen, ikke engang kernen i atomet ved siden af, nogensinde kan mærke den. Men hvorfor kommer kvarker kun tre af gangen eller som par? Fordi de, for deres vedkommende, holdes sammen af udvekslingen af endnu en anden slags kvantefelt partikel. Når det kommer til navngivningen af disse partikler tillod fysikerne sig en lille spøg – partiklerne kaldes gluoner, fordi de limer kvarkerne sammen (glue = lim, o.a.). Gluoner er kvanter i forbindelse med endnu et andet felt og virker næsten på samme måde som alle de andre kræfter, vi har diskuteret. Men der er en afgørende forskel. Gluekraften mellem to kvarker bliver stærkere, når kvarkerne er længere fra hinanden. I stedet for at tænke på udvekslingen af gluoner mellem to kvarker som en strøm af partikler, der sparker dem fra hinanden, så tænk på den som et kraftigt stykke elastik, der holder de to kvarker sammen. Når kvarkerne er tæt sammen er elastikken løs og slap og kvarkerne ryster omkring. Men når kvarkerne prøver at bevæge sig fra hinanden (blot så langt fra hinanden som fra en side af en proton til den anden), så strækkes ”elastikken” og trækker dem sammen igen. Jo mere de bevæger sig fra hinanden, jo mere strækkes elastikken og jo mere stærkt trækkes de tilbage sammen. Den eneste måde en kvark kan slås ud af en nukleon eller en meson på er, hvis noget rammer den så hårdt – med så megen energi – at den ”sprænger elastikken”. Dette kan faktisk ske, når en elektron, der bevæger sig med næsten lysets hastighed, smadrer ind i en proton i den slags eksperimenter, vi lige beskrev. Men det kan kun ske, hvis den tilførte energi ved elektronens sammenstød er stor nok til at blive lavet til to nye kvarkers masse (strengt taget, et kvark-antikvark par). Der hvor ”elastikken” springer, fastgør hver brudte ende sig til en af de to nye kvarker. En ende smutter tilbage ind i protonen og gør den normal igen. Den anden ende forbinder den nye antikvark med den flygtende kvark – i stedet for, at en enkelt kvark flygter fra stedet for sammenstødet, ser vi en meson. Vi ser aldrig, under nogen omstændigheder, en enlig kvark. Så gluekraften er den virkelige kraft, der holder kerners komponenter sammen, inkluderende de kvark-antikvark par der udgør mesoner. Den stærke kernekraft, der virker mellem nukleoner, er faktisk en relativt svag levning af gluekraften og de betragtes ikke som to ægte adskilte naturkræfter. Sammen med elektromagnetisme og gravitation betyder det, at vi indtil nu har nævnt tre ægte forskellige slags kræfter, der virker i partikelverdenen. Der er kun en mere at nævne, den såkaldte svage kraft (fordi den er svagere end den stærke kraft). Den er den, der mindst ligner vor dagligdags forståelse af, hvad der menes med udtrykket ”kraft” og i erkendelse af dette henviser fysikere ofte til de fire naturkræfter som de fire ”vekselvirkninger”. Den svage vekselvirkning holder ikke så meget ting sammen, som den bryder dem fra hinanden. Især vekselvirker den med neutroner, omdanner dem til protoner. Dette kaldes beta henfald og det involverer, at neutronen udsender en elektron og en partikel kaldet en neutrino (strengt taget, en antineutrino). Mere nøjagtigt vekselvirker neutronen med feltet forbundet med den svage vekselvirkning og udsender et af det felts kvanter. Disse feltkvanter kaldes vektorbosoner og de har en masse så deres rækkevidde (den svage vekselvirknings rækkevidde) begrænses af kvanteubestemthedens regler. Bosonen bliver så til en elektron og en anti-neutrino. (Der er andre måder, hvorpå det svage felt kan vekselvirke med andre partikler, men vi behøver ikke diskutere dem her). Det tilfredsstillende ved alt dette er, at det efterlader fysikerne med en meget elegant, fundamental symmetri i partikel verdenen. Der er fire slags fundamentale kræfter og også fire slags fundamentale partikler (op og ned kvarker, elektronen og neutrinoen). Dette er absolut alting, man behøver for at forklare alt, man kan se i Universet. Uheldigvis, af grunde ingen har fattet, synes der at være en slags duplikering (endda triplikering) i arbejde i fysikkens love. I eksperimenter, der involverer højenergi kollisioner mellem partikelstråler, finder fysikerne to familier af partikler mere, med højere og højere masser. Disse er ikke partikler, der i nogen forstand var ”inde i” de partikler, der blev smadret sammen i disse eksperimenter, på den måde som kvarker er inde i nukleoner. I stedet er de partikler, som er blevet skabt ud af ren energi (som kvark-antikvark parrene på det sted, hvor gluon elastikken springer), og i ekstreme tilfælde inkluderer de partikelvarianter, der måske ikke har eksisteret naturligt i Universet siden Big Bang. Der er et tungere modstykke til elektronen, som er forbundet med sin egen slags neutrino og tungere modstykker til både op kvarken og ned kvarken. Og så, som om det ikke var nok, er der et endnu tungere sæt – af alting. Ingen af disse tungere versioner af de grundlæggende partikler spiller nogen rolle i den måde Universet virker på i dag (skønt de måske har været vigtige i Big Bang). De er alle ustabile, henfalder og bliver med tiden til deres lettere modstykker, mens de frigiver energi. De forsyner partikelfysikerne med masser af interessante ting at undersøge og perspektiv til at udvikle masser af teorier om grundene til deres adfærd. Men i denne bog vil vi koncentrere os om måden det dagligdags Univers er på, ikke på de mere eksotiske muligheder af, hvordan det kunne have været og vi vil ikke sige mere om disse tungere versioner af de fundamentale partikler nu. Før vi vender tilbage fra den subnukleare fysiks dybder til verdenen af molekyler, vil vi gøre op med disse fire fundamentale naturkræfter og hvordan fysikerne prøver at udvikle et overordnet billede – en forenet teori – for at forklare disse kræfters (eller felters) opførsel og det grundlæggende sæt på fire partiklers opførsel, i en pakke. Gravitation er den svageste af de fire kræfter, men den er den mest indlysende i hverdagens tilværelse og var den første til at blive studeret videnskabeligt, på grund af måden den adderes på og på grund af dens meget lange rækkevidde. I enhver klump stof lægges alle de individuelle partiklers gravitation sammen. Der er ingen udligning på den måde som positive og negative ladninger i et atom udligner hinanden. Gravitationens rækkevidde er, som elektromagnetismens rækkevidde, i princippet, uendelig, fordi de relevante feltkvanter (gravitoner) har nul masse som fotoner. Men det betyder ikke, at kraften fra en klump stof er af samme styrke overalt. Faktisk aftager gravitationskraften fra et objekt som én divideret med kvadratet på afstanden fra objektet (den berømte ”omvendt kvadrat lov”); så hvis man er dobbelt så langt væk, er kraften en fjerdedel så stærk, tre gange længere væk er kraften en niendedel, og så videre. Elektromagnetisme er meget stærkere end gravitation, men det er ikke indlysende i hverdagens verden på grund af den måde, som både elektricitet og magnetisme kommer i to udgaver – positiv og negativ ladning, nord og syd poler – som ophæver hinanden. Men, som gravitation, adlyder både elektricitet og magnetisme omvendt kvadratlove, når som helst de ikke ophæver hinanden fuldstændigt. Som Maxwells ligninger viste, er de forskellige sider af en enkelt kraft og begge sider bæres i kvantefeltmodellen af masseløse fotoner. Det bedste indblik i de relative styrker af gravitation og elektromagnetisme kommer fra at tænke på, hvad der sker, når et æble falder ned fra et træ. Kraften, der prøver at holde æblet fast på grenen, hvor det voksede, er den elektromagnetiske kraft, der virker mellem nogle få atomer i stilken, som holder æblet til grenen. Kraften, der trækker æblet ned, er den samlede gravitationskraft, fra hvert atom i Planeten Jorden, en masse på lige under 6 x 1024 kilogram. Gravitationen fra hele den massekoncentration, arbejdende sammen, er kun lige i stand til at bryde den elektromagnetiske binding mellem nogle få atomer i æblets stilk. De relative styrker af alle fire naturkræfter kan udtrykkes ved hjælp af den stærke krafts styrke. Hvis man sætter styrken af den stærke kraft til 1, er styrken af den elektromagnetiske kraft meget afrundet omkring 10-2 (en procent så stærk som den stærke kraft), styrken af den svage kraft er 10-13 (en hundrede-milliarddel af en procent af den stærke krafts styrke) og gravitationens styrke er blot 10-38. Den stærke kraft er et hundrede milliarder milliarder milliarder milliarder gange stærkere end gravitation. Selv den svage kraft er ti millioner milliarder milliarder gange stærkere end gravitation. Men husk, at den svage kraft og den stærke kraft kun har meget begrænsede rækkevidder og virker på en skala, der er meget mindre end størrelsen af et atom. Universet ville være et meget anderledes sted, hvis de havde samme rækkevidde som gravitation og elektromagnetisme. Men det er nøjagtigt, hvad fysikerne tror, der skete i Big Bang, da Universet var meget ungt. Vi vil have mere at sige om dette i kapitel tolv, men det hænger sammen med den måde, hvorpå fysikerne prøver at finde en måde at kombinere alle kræfterne i en matematisk pakke på, en forenet feltteori. I én forstand er de allerede mindst halvvejs der. Elektromagnetisme og den svage vekselvirkning er allerede blevet kombinerede i en enkelt pakke, som kaldes den elektrosvage teori. Den blev udviklet i 1960'erne og er rollemodel for næsten alle efterfølgende forsøg på at udvikle en forenet feltteori. Grundlaget for den elektrosvage teori er ligheden mellem rollerne, der spilles af feltkvanterne i elektromagnetisme (fotoner) og i den svage vekselvirkning (vektorbosoner). Elektromagnetisme er en særlig simpel vekselvirkning at beskrive matematisk, fordi der kun er en slags feltkvant, fotonen, og den har ingen ladning eller masse. I den svage vekselvirkning kommer vektorbosonerne i tre varianter. En har positiv ladning, en negativ ladning og den anden nul ladning; og de har alle masse. Ellers er de dog ligesom fotoner. Hvis de ikke blev hæmmet af begrænsningen i deres rækkevidde påført (på grund af deres masse) af kvanteubestemthed, ville de opføre sig nøjagtig, som fotoner gør. Hvis, imidlertid, Universet var varmt nok, ville vektorbosonerne ikke skulle være afhængige af kvanteubestemtheden for deres eksistens. Universets baggrundsenergi ville være nok til at lave virkelige vektorbosoner ud af den hede stråling, der fyldte Universet. De ville kunne leve for evigt og have uendelig rækkevidde, ligesom fotoner. Den elektrosvage teori beskriver, hvordan partikler ville have vekselvirket under disse forhold, med fotoner og vektorbosoner på lige fod. Afgørende, beskriver den også, hvordan de forskellige kræfter ville have spaltet sig fra hinanden, da Universet afkøledes og udvidede sig væk fra Big Bang og den forudsiger, at denne spaltning ville producere lige de forskelle mellem de to kræfter, som vi ser i dag – givet at vektorbosonerne har en bestemt masse. Vektorbosoner blev fremstillet ud af ren energi i partikelkollision eksperimenter på CERN, nær Geneve, i de tidlige 1980 'ere og man fandt, at de havde præcis de masser, som blev forudsagt af den elektrosvage teori. Det næste trin vil være at finde den samme slags teori, som indbefatter den stærke kraft med den elektrosvage vekselvirkning. Det betyder, at bringe gluoner ind på lige fod med fotoner og vektorbosoner. I princippet burde den samme indfaldsvinkel virke. Men fordi gluoner er endnu mere massive end vektorbosoner, virker det kun ved endnu højere temperaturer, svarende til endnu tidligere tider i Big Bang. Måden, man afprøver disse ideer på, er, selvfølgelig, at slå partikler hårdt sammen i acceleratorer og derved kort genskaber den slags forhold, hvorunder de fundamentale kræfter er på lige fod. Sådanne eksperimenter er, som vi har nævnt, kraftige nok til at afprøve den elektrosvage teori fuldt ud og sikre, at teorien nøjagtigt beskriver måden, som virkelige partikler opfører sig på. Man kan ikke bygge acceleratorer, der er kraftige nok til at afprøve forudsigelserne fra de ækvivalente teorier, der også bringer den stærke kraft ind (sædvanligvis kaldet Grand Unified Theories (GUT), selv om de ikke inkluderer gravitation). Det er ikke særlig vanskeligt at fremkomme med teorier af denne slags, men en teori, der ikke er afprøvet gennem eksperimenter, er nytteløs - ”hvis den ikke stemmer med eksperimenter, er den forkert”. Det er særlig vigtigt i dette tilfælde, da der også er flere komplikationer at afprøve end i den elektrosvage teori, da der er otte forskellige slags gluon at tage hensyn til. Forskelligheden af de involverede partikler gør det muligt for fysikerne at konstruere forskellige slags GUT, som hver giver forskellige forudsigelser om måden, som stoffet burde opføre sig på ved meget høje energier. Men for at afprøve disse teorier og finde ud af hvilken, om nogen, der er rigtig, ville vi behøve en accelerator, der er et tusinde billioner (1012) gange kraftigere end de acceleratorer, der blev brugt i 1980 'erne til at afprøve den elektrosvage teori. En accelerator på størrelse med Solsystemet ville stadig være for lille til at gøre arbejdet. Det er derfor, som vi vil se i kapitel 12, partikelfysikere retter megen af deres opmærksomhed mod kosmologi, bruger deres teorier til at forudsige, hvad der skete i Big Bang og så sammenligne deres forudsigelser med den måde, som Universet i virkeligheden ser ud på. Og selv da, har vi ikke inkluderet gravitation i pakken. Den teoretiske fysiks Hellige Gral er en slags Super Grand Unified Theory, som også ville bringe gravitationen indenfor. Selv om gravitoner har nul masse, er dette ikke nemt; man er igen nødt til at gå til endnu højere energier, for at gøre gravitationen så stærk som de andre kræfter. Fordi gravitationen er så svag er det involverede trin op i energi, for at få den samme indfaldsvinkel til at virke, så enormt, at det er vanskeligt at se, hvordan man nogensinde kan gøre det. Den fremgang, der er, kommer da også fra en helt anden retning – en teori der erstatter den velkendte ide med partikler som punkter, hvorpå feltkvanterne er placeret, med ideen om små løkker af ”streng”. Disse strenge danner løkker, som er meget mindre end størrelsen af en partikel som en proton, men det afgørende punkt er, at de har en bestemt størrelse; de er ikke matematiske punkter. I standard kvantefeltteori forestiller man sig, at de virkelig fundamentale entiteter, som kvarker og elektroner (der synes fundamentale i dag, om ikke andet), har størrelse nul. Den typiske størrelse af en løkke af streng ville være meget meget lille – de eksisterer nede på skalaen, hvor kvanteubestemtheden er vigtig, hvilket betyder, at de har en diameter på omkring 10-33 cm. En løkke streng er så meget mindre end et atom, som et atom er mindre end Solsystemet. Selv om der ikke er nogen måde at afprøve strengteoriens forudsigelser på direkte – der er ingen tænkelige eksperimenter, som undersøger strukturer på så lille skala som dette – er der to grunde til, at mange fysikere i dag mener, at strenge udgør den endelige sandhed og er stoffets grundlæggende byggesten. Den første er, at de fjerner uvelkomne uendeligheder, der plager enhver teori, baseret på ældre ideer, der forestiller sig partikler som fundamentale punkter. Det ville betyde, at partiklerne har nul rumfang og som resultat ender man et eller andet sted i rækken af beregninger op med at dividere med nul. For eksempel adlyder den elektriske kraft en omvendt kvadrat lov. Dens styrke på en bestemt afstand fra kilden er proportional med en over kvadratet på afstanden fra kilden. Så når man nærmer sig kilden til et elektrisk felt, stiger styrken som afstanden daler. Men hvis kilden har størrelse nul, kan afstanden dale hele vejen til nul. Hvis kilden – f.eks., en elektron – har størrelse nul, mærker selve kilden en kraft, der er proportional med en divideret med nul (værre – en divideret med kvadratet på nul!). Med andre ord, uendelig. Der findes måder at undgå dette på, ved brug af et trick kaldet renormalisation. Det virker ved at dividere en uendelighed med en anden for at give et fornuftigt (endeligt) tal. Ved første gæt kunne man tro, at uendeligt divideret med uendeligt er 1, ligesom 2/2 er 1, eller 51234/51234 er 1; men uendeligt er drilsk stof og man kan få omtrent det svar, man ønsker fra denne slags deling. Tænk, f.eks., på et tal, der repræsenterer totalen af heltal (1 + 2 + 3 + . . . ). Indlysende, det er uendeligt. Nu fordobler vi hvert tal i rækkefølgen og adderer dem igen. Det er klart, at svaret igen er uendeligt. Men hvordan er denne anden uendelighed sammenlignet med den første? Man kunne forvente, at da hvert tal i den anden uendelige rækkefølge er dobbelt så stort som dets modstykke i den første uendelige rækkefølge, at uendeligheden, man får som resultat af at addere dem alle, vil blive dobbelt så stor som den første uendelighed. Men tænk igen. Ens anden sum inkluderer kun alle de lige tal (2 + 4 + 6 + . . . ). Den inkluderer ikke nogen af de ulige tal overhovedet, så den kan kun være halvt så stor som den første uendelighed! Divider den anden uendelighed med den første uendelighed og svaret man får er 0,5, ikke 2 (og bestemt ikke 1). Ved brug af denne slags lurendrejeri i standardteorien kan renormalisation bringes til at virke og give endelige svar, der stemmer med eksperimentelle målinger af sager som styrken af den elektriske kraft. Men det er en procedure, der er påtvunget fysikerne af omstændighederne og en, som mange fysikere hader. Problemet med at behandle uendeligheder på denne måde forsvinder dog i strengteori, fordi man ikke længere skal behandle matematiske punkter, der har størrelse nul. Der er ingen af disse ubehagelige punktkilder (også kaldet singulariteter) og intet behov for renormalisation. Den anden mægtige ting ved strengteori er, at den forudsiger gravitation. Som vi nævnte, ser det i den ældre indfaldsvinkel til GUT fysik meget vanskeligt ud at finde en måde at bringe gravitation ind i folden på, fordi gravitation er så meget svagere end de andre kræfter. Da folk begyndte at fuske med strengteori og prøvede at bruge den til at give en beskrivelse af de kendte kræfter og partikler, antog de, at gravitation ville vise sig ligeså umedgørlig i den nye teori og prøvede ikke engang at at tage den i betragtning i begyndelsen (dette var i 1970'erne). Men måden strengteori virker på, er ikke at have en forskellig slags strengløkke for hver slags fundamental partikel eller feltkvant, men at betragte alle de fundamentale partikler og feltkvanter som forskellige former for vibration på den samme slags streng, i retning af den måde en enkelt violinstreng kan spille mange forskellige noder på. I midten af 1970'erne, da nogle få matematiske fysikere legede med denne ide som en abstrakt teoretisk begrebsdannelse, fandt de måder at beskrive alle de kendte fundamentale entiteter (kvarker, fotoner, og så videre) sådan på. En foton ville svare til én node på en violin, en elektron ville svare til en anden vibration (lig med en forskellig tone på violinstrengen), og så videre. Men de fandt også, at der er en anden måde, som løkkerne af streng kunne vibrere på, der ikke passede med nogen af de partikler og felter, de prøvede at beskrive. Til at begynde med prøvede de at slippe af med den uønskede form for vibration. Så erkendte de, at den svarede eksakt til gravitonen, gravitationsfeltets kvant. Strengteori inkluderer automatisk gravitation, om man så beder om det eller ej. Dette betyder ikke, at fysikerne nu har deres Hellige Gral, deres teori om alting. De matematiske kompleksiteter, underforståede i strengteori, gør det vanskeligt at udvikle ideerne helt og der er stadig frustrationen over ikke at kunne afprøve ideerne med eksperimenter. Sammenlignet med den måde, hvorpå fremskridt i partikelfysik tidligere var blevet gjort, er opdagelsen af strengteori sket baglæns. Før, lige siden Rutherfords pionerarbejde, havde folk undersøgt atomets struktur og så de mere fundamentale partikler og udviklet teorier til at forklare deres eksperimenter. Men denne gang er teorien kommet fra ren matematik, uden noget eksperimentelt fundament at bygge på. Der har aldrig været et eksperiment, i hvilket man har fået partikler til at støde sammen og springe væk fra hinanden på en måde, som automatisk antyder, at det, der springer, er små løkker af vibrerende streng. Strengteori er blevet mindeværdigt beskrevet som et stykke fysik fra det 21. århundrede, der faldt ned i skødet på fysikere fra det 20. århundrede. Men den betragtes vidt og bredt som et levedygtigt alternativ til den ældre feltteoris indfaldsvinkel med brug af punktpartikler og den fjerner afgjort (eller snarere: oplever aldrig) vanskelighederne, som synes at gøre drømmen om en kvantefeltteori for gravitation umulig i de teorier. Hvordan tingene så end udvikler sig i løbet af de næste hundrede år er én ting dog sikker. I skrivende stund, slutningen af det tyvende århundrede, er dette så langt vi kan gå med hensyn til at undersøge stoffets allerinderste struktur. Det er også sandt, at ingen af disse ideer, fascinerende som de er, har nogen direkte forbindelse med naturen af den verden, vi bebor. For at få en forståelse af hverdagens verden omkring os behøver vi kun forstå adfærden af atomer og deres komponenter, behandle både protoner og neutroner, såvel som elektroner som fundamentale partikler. Og vi behøver kun bekymre os om to af de fire fundamentale kræfter – gravitation og elektromagnetisme. _____________________________________ Fra Particles and Fields, Almost Everyone's Guide To Science, siderne 48-64, Weidenfeld & Nicholson, London 1998. ISBN 0 297 82000 1 _____________________________________ |
