En hel värld av nästan ingenting?
Göran Jarlskog,
Lunds universitet
Liv och
Universum.
Liv och Universum
– hur ofta förundras vi inte av dessa ytterligheter. Blommor, småkryp, barn -
hur har Naturen med hjälp av några få materiebyggstenar kunnat skapa stabila
system och sådana under av komplexitet och liv? Hur kan små små atomer förenas
till komplicerade biologiska system och till varelser där generna styr livet
och i någon mening låter föräldrarna bli odödliga? När vi lyfter våra blickar
mot skyn en kall klar natt och ser de tindrande stjärnorna upplever vi en annan
känsla – kanske av litenhet och isolering i denna oändliga rymd som omger oss.
Men allt hör samman, har samma rötter i den mikroskopiska värld som normalt är
dold för oss. För att få en glimt av mysteriet ursprunget till materia och
universum krävs dessvärre mycket avancerade hjälpmedel, som kan se de
extremt korta avstånd som gäller i elementarpartiklarnas värld, eller de
extremt långa avstånd till Universums utkanter som avslöjar dess historia.
Materia och
Universum.
En av
hörnstenarna i fysiken värld är lagen om energins bevarande. Detta betyder att
oberoende av vilken process som studeras så måste i slutändan den den totala
energin vara oförändrad. All den energi som ryms i dagens Universum måste en
gång för cirka 13 miljarder år sedan ha funnits lagrad i en ofattbart liten
volym när den stora smällen inträffade (Big Bang). Einstein insåg att massan
var en del av den totala energin och skrev ned detta som E = m c2,
där m är en effektiv massa och c är ljushastigheten. En tydligare och mera
modern formel är E2 = m2 + p2, där m är så kallad vilomassa och där vi satt
c = 1. Detta uttryck visar ännu klarare att energi är en kombination av massa
och rörelse. Men även denna formel lider av samma problem som Einsteins formel
– vi skall snart se att massan inte är ett väl definierat begrepp i
elementarpartiklarnas värld.
Världen är en
märklig kombination av tomrum och rörelse. Universum är i stort sett tomt.
Atomen är i stort sett tom, liksom atomkärnan. Vår observation av makroskopiska
skenbart stabila och mycket påtagliga system beror väsentligen på den
mikroskopiska rörelsen. Atomens storlek på ca 10-10 meter bestäms av
elektronernas febrila banrörelse runt en kärna med en skenbar storlek av endast
10-15 meter. Kärnan är uppbyggd av kvarkar och storleken bestäms av
kvarkarnas rörelse. Både elektronerna och kvarkarna har själva en helt
försumbar storlek, säkerligen mycket mindre än den experimentella gränsen 10-18
meter. Slutsatsen är att inte bara den yttre rymden väsentligen är tomrum; även
vår allra närmaste omgivning domineras helt av tomrum! Det vi upplever som
massivt och ogenomträngligt beror på den rörelsesköld som elektronerna eller
kvarkarna genererar. För att se vad som finns dolt under skölden krävs
kraftfulla mikroskop som genererar partiklar som kan tränga igenom denna.
Den s.k.
obestämdhetsrelationen säger att produkten av energi och rumsupplösning DE Dx
alltid måste vara större än ett tal som bestäms av Plancks fundamentala
konstant (en hörnpelare i kvantmekaniken). Partikelstrålarna kan vara fotoner, elektroner eller
protoner. Deras inverkan kan skala av
elektronerna i atomen, spränga kärnan, och till och med spränga kärnpartiklarna
(protonen och neutronen). Protonens kvarkinnehåll exponerades för första gången
i slutet av 1960-talet i Stanford när de träffades av högenergetiska
elektroner. Många nya elementära partiklar har sedan dess upptäckts som alla
fått sin plats i Standardmodellens menageri.
1900-talet har
varit en guldålder för den vetenskap som forskat om materiepartiklar och
naturkrafter. Resultaten sammanfattas nu i en Standardmodell som växte fram
under 1970-talet och som väl beskriver hur partiklar skapas, växelverkar och
bildar materiesystem. De teoretiska modellerna tillåter oss att göra noggranna
beräkningar av hur mer eller mindre stabila aggregat kan konstrueras. Man kan
förledas till att tro på att vi förstår det mesta, i princip, genom alla de
noggranna mätningar som redan utförts i laboratoriet med hjälp av alltmer
avancerade acceleratorer. Naturen gillar symmetrier! Exempel på detta är att
processer skall fortlöpa identiskt vid speglingar i rum och tid, liksom vid
laddningsbyten. Detta har varit vägledande när nya teorier läggs fram. Men det
finns viktiga avvikelser från denna regel - den svaga kraften respekterar inte
vissa symmetrier, och en subtil obalans existerar mellan materia och
antimateria vilket har medfört att Universum idag uteslutande tycks bestå av
materia.
Den nya
Standardmodellen innehåller de sedan länge kända naturkrafterna,
elektromagnetisk, svag och stark kraft. Man ser ett klart släktskap mellan de
två första av dessa tre krafter, och anar ett släktskap även med den tredje
kraften. Man har funnit en fungerande modell för hur krafterna förmedlas av
utbytespartiklar. Gravitationen hamnar än så länge utanför schemat. Experiment
har visat att det finns tre familjer av urpartiklar eller materiebyggstenar som
man placerat i två grupper, leptoner (dit elektronen hör) och kvarkar (som
bygger upp protonen). Alla dessa partiklar är nu väl kända. Det senaste
bidraget till modellen är att man nu (2001) funnit säkra bevis på att även
neutrinopartiklarna har en liten ändlig massa (Nobelpriset i Fysik 2002),
vilket betyder att alla materiebyggstenar är mer eller mindre massiva. Två av
förmedlarpartiklarna, W och Z, är också massiva medan fotonen och gluonen antas
vara masslösa. Man har ännu inte funnit vad det är som förenar leptoner och
kvarkar, men troligtvis finns det en symmetri som relaterar dem i ett gemensamt
ursprung? De förenas t.ex. av den elektriska laddningen, där elektronen exakt
balanseras av den positiva laddningen hos en proton. Vi vet nu att protonen
väsentligen byggs upp av kvarkar som är bärare av elektriska 1/3- eller
2/3-laddningar, så vad är egentligen enheten för elektrisk laddning?
Den mest
fundamentala kvantiteten för naturkrafter och materia är spinnet – endast
partiklar med det inre spinnet ½ kan bilda större materiesystem genom att två
partiklar inte kan samsas i samma sits (eller tillstånd). Naturkrafternas
förmedlarpartiklar däremot har alla heltaligt inre spinn och kan leva tätt
tillsammans i samma sits. I processer har man observerat att det totala spinnet
(inre spinn plus banrörelsespinn) alltid bevaras. Men vad är egentligen spinn?
Enligt s.k. strängteorier kan ursprunget till olika spinn hänföras till olika
geometrier i en mikrovärld som vi aldrig kan studera experimentellt. En just nu
mycket populär modell, baserad på behovet av en högre symmetri för att återföra
alla krafter till en gemensam urkraft,
är s.k. supersymmetri där alla partiklar med halvtaligt spinn har en
spegelvärld av partiklar med heltaligt spinn, och tvärtom. Denna modell fördubblar
antalet elementarpartiklar. Experimentellt har man ännu inga indikationer som
skulle kunna bekräfta modellen, vilket eventuellt kan skyllas på att alla dessa
supersymmetriska partiklar är tunga.
Gravitationen är
en mycket svag naturkraft som inte kan studeras vid acceleratorer – vi har
främst varit hänvisade till studier av mycket stora och tunga system. Men vi
har hitintills misslyckats med att mäta effekter av förmedlarpartikeln
gravitonen. En storsatsning pågår emellertid för att söka detektera gravitoner
som sänds ut i de relativt sällsynta supernovaexplosionerna. I det enormt stora
Universum blir även små partiklar påverkade av gravitationen och man har nu
mycket klara bevis för att den masslösa fotonen påverkas av gravitationen genom
observation av linseffekter när ljus passerat massiva objekt. Gravitationen är
alltså inte kopplad till massan (fotonen är masslös) utan till den energi som
fotonen bär, allt i överensstämmelsen med Einsteins allmänna relativitetsteori.
Spiralgalaxernas rototionskurva, som anger hastigheten i rörelsen som funktion
av avståndet från centrum, ger klara bevis på att den synliga materian
(stjärnorna) bara utgör en liten bråkdel av totala massan, eller mera exakt av
den totala energin. Även om det finns 1011 stjärnor i en typisk
galax och minst 1012 galaxer så ger detta bara ca 5% av Universums
massa. Universum består till en del av ännu ouppäckt mörk materia där neutriner
och små ”mörka” stjärnor skulle kunna ge ett litet men otillräckligt bidrag
(här skulle finnas utrymme för en massiv och stabil supersymmetrisk partikel).
Huvuddelen av massan tyckts dock vara den energi som döljs i den kosmologiska
konstanten som är en del av Einsteins allmänna relativitesteori. Universums
skapelse i form av en Big Bang är allmänt accepterad men det är fortfarande en
gåta om vad som utlöste Big Bang? Hur kan en så ofantlig energi koncentreras i
en mikroskopisk punkt?
Rörelse.
Det är ingen
tillfällighet att teorin för elektronernas växelverkan heter
kvantelektrodynamik (QED) och teorin för kvarkarnas växelverkan heter
kvantkromodynamik (QCD). Själva rörelsen genereras av utväxlade kvanta, fotonen
för QED och gluonerna för QCD. Fotonerna utväxlas mellan elektriska laddningar
medan gluoner utväxlas mellan kvarkarnas (och gluonernas) färgladdningar.
Färgladdningarna kan inte isoleras på samma sätt som de elektriska
laddningarna. Detta gör att alla kärnpartiklar blir komplexa system där
färgladdningen totalt måste vara noll. Samtidigt uppfylls villkoret att den
totala elektriska laddningen blir heltalig. Partiklar som byggs upp av kvarkar
kallas hadroner. Hadroner av olika slag har skapats i ett stort antal
experiment vid acceleratorer och man har av dessa mätningar funnit att u- och
d-kvarkarnas massor är endast ca 10 gånger större elektronens massa.
Massan upplevs
såsom något mycket påtagligt. Vi vet att elektroner är mycket lättare än kärnor
(ca 2000 gånger lättare än protonen) så atomernas vikt är koncentrerad till den
lilla kärnan, medan atomens alla makroskopiska egenskaper styrs av elektronskalet.
Protonens egenskaper ges väsentligen av tre stycken s.k. valenskvarkar, uud,
där u (upp) har laddningen 2/3 e och d (ner) har laddningen –1/3 e. Kvarkar har
en färgladdning som existerar i tre varianter som vi kan kalla röd, grön, blå.
De tre kvarkarna i protonen måste bära varsin av dessa tre laddningar för att
resultatet skall bli färglöst (noll). Protonen är den enda stabila hadronen –
neutronen är också långlivad, speciellt när den är bunden inuti en kärna.
P.g.a. att neutronen är något tyngre än protonen kan vi dra slutsatsen att d är
litet tyngre än u. De tre valenskvarkarnas sammanlagda massa bör vara mindre än
20 MeV vilket är mycket mindre än protonens 938 MeV. Skillnaden är
rörelseenergi som svarar för bindningen av kvarkarna genom utväxlandet av
gluoner. Huvuddelen av protonmassan är alltså rörelse.
Vakuum.
Tomrummets
egenskaper har diskuterats sedan antiken. Var tomrum detsamma som ingenting,
eller finns den någon för oss okänd form av eter? Michelsen-Morleys experiment
1887, som mätte ljushastigheten i ortogonala riktningar, och Einsteins
speciella relativitetsteori avvisade tidigare etermodeller som skulle ge ett
absolut referenssystem i vilket jorden färdas. I Einsteins speciella
relativitetsteori från 1905 postuleras att fotonen (ljuset) har en fixerad
hastighet i vakuum, som 1883 definierats till 299792458 meter per sekund. Vad
är det som egentligen begränsar ljusets hastighet?
Eterteorierna dog
mer eller mindre ut efter Einsteins speciella relativitetsteori. Möjligen
återinförde Einstein (mot sin vilja) själv någon form av eter genom
introduktionen av den kosmologiska konstanten i sin generella
relativitetsteori. Man försökte eliminera denna obehagliga term genom att sätta
den till noll, men nya rön inom kosmologin visar att det faktiskt krävs en
ändlig och relativt stor kosmologisk konstant. De senaste data tyder på att
hela 75% av Universums massa ligger i den kosmologiska konstanten, dvs i
vakuum. Att vakuum är mera dynamiskt än bara tomrum visas kanske också av det
ändliga värdet på ljushastigheten?
Ett annat
senkommet bidrag till en ny eterteori är Standardmodellens symmetribrott som
genererar de tunga vektorbosonerna W och Z genom Higgsmekanismen. Det faktum
att W och Z väger nästan 100 gånger mera än protonen är förklaringen till att
den svaga växelverkan är svag vid låga energier – radioaktiviteten är exempel
på svag växelverkan där Heisenbergs obestämdhetsrelation beskriver hur även en mycket tung
förmedlarpartikel under ett mycket kort ögonblick kan skapas och orsaka t.ex.
ett elektron-sönderfall av en kärna (en neutron omvandlas till en proton).
Higgsmekanismen antas verka i vakuum och generera en tröghet som uppfattas som
en massa. Teorin förutsäger också att (minst) en Higgspartikel skall finns som
kan produceras i accelatorexperiment vid mycket höga kollisionsenergier.
Hitintills har teorin testats bäst vid partikelfysiklaboratoriet CERN i Geneve
utan att vi funnit någon Higgspartikel med lägre massa än 115 000 MeV. Teorin
kräver att Higgs-massan skall vara relativt nära denna undre gräns. Finns det
något sammanhang mellan Higgsmekanismen och den kosmologiska konstanten?
Vidare mot
mikrokosmos.
Nästa steg mot
nytt vetande kommer att tas mot slutet av detta årtionde när Large Hadron
Collider i CERN i Geneve startat upp (2007). I detta acceleratormikroskop, där
högenergetiska protoner bringas att kollidera, kommer man drygt en faktor 10
djupare in i mikrovärlden än tidigare. Med hjälp av detta nya instrument kan
man vänta sig svar på två av frågorna som berörts ovan – finns det Higgspartiklar? finns det
supersymmetriska partiklar? Om svaren är ”ja” har vi tagit ett jättekliv i
förståelsen av massans och naturkrafternas urspung, liksom av kosmologin där
frågorna om vakuumegenskaperna och mörk materia skulle belysas. Om svaren är
”nej” krävs ett nytänkande som t.ex. kan innebära oväntade egenskaper hos
gravitationen och den rymd som vi hitintills betraktat som 4-dimensionell (rum
och tid).
Nature shows us only the tail of the lion.... (A.
Einstein)
Lästips