Ända sedan antiken har man varit nyfiken på universums minsta beståndsdelar, och flera gånger har man trott sig hitta svaret – i grundämnen, atomer, protoner, kvarkar... Ju längre in i materiens innersta vi kommer, desto tydligare blir det dock hur långt vi har kvar.
Publicerad
 |
| Large Hadron Collider (LHC) i Schweiz är världens hittills kraftigaste partikelacceleratoranläggning. |
Demokritos hade en dröm. Drömmen om atomen. Han gjorde tankeexperimentet att man delar en sten på mitten om och om igen, så att man får allt mindre bitar. Demokritos menade att man då till slut kommer till en ändpunkt, där stenen inte längre kan delas ytterligare en gång. Då har man funnit atomen, den odelbara beståndsdelen som världsalltet är uppbyggt av. Enligt det synsättet är då allt som existerar och sker, både på jorden och i himlasfärerna, en följd av egenskaperna hos denna minsta enhet och de mest grundläggande naturlagarna. ”Jag vill läsa Guds tankar”, som Einstein uttryckte det.
Men hur skulle man undersöka något som är så litet att det inte ens syns? En ledtråd fick man på 1700-talet, när man studerade eld. När ett föremål brinner, ser det ut som att någon substans kastas ut ur det brinnande föremålet, men ändå väger det mer efteråt. Kanske elden i stället absorberar något ur omgivningen?
Britten John Dalton föreslog på 1800-talet att all kemi kan förklaras som omgrupperingar av en minsta enhet, som han därför kallade för ”atomen”. Alla enskilda atomer av samma slag är dock eviga och identiska. Eld skulle till exempel förklaras som att det brinnande föremålet drar till sig syreatomer.
Fler och fler grundämnen upptäcktes. År 1869 kunde ryssen Dmitrij Mendelejev presentera ”grundämnenas periodiska system”. Det var egentligen bara en lista över de då omkring 60 kända atomerna, det geniala var snarare det som inte fanns med. Mendelejev hade nämligen ordnat grundämnena efter deras periodiskt återkommande kemiska egenskaper. På det sättet kunde han lämna hål där något verkade saknas, och förutspådde därigenom existensen av helt nya grundämnen. FN har mycket välförtjänt utropat 2019 till det periodiska systemets år, till minne av Mendelejevs insats för 150 år sedan.
Sökandet efter atomen såg ut att ha fått ett lyckligt slut. Men naturvetenskapens ledstjärna har åtminstone sedan Newton varit att man alltid ska testa sina teorier. Baksidan av det myntet är att etablerade sanningar lever farligt. Den odelbara atomen var ett sådant begrepp som mötte sitt öde innan århundradet ens hunnit ta slut. 1897 var nämligen året då engelsmannen Joseph John Thomson föreslog att atomen i själva verket bestod av ännu mindre delar, som han kallade ”korpuskler”. Han hade hittat den första riktiga elementarpartikeln, som vi idag kallar ”elektron”.
Thomson leddes därför fram till sin slutsats att strålen bestod av elektroner. De gamla modellerna för atomen kastades i papperskorgen, och ett slags planetmodell för atomen utarbetades, bland annat av dansken Niels Bohr. I den modellen vandrade elektronerna i givna banor kring en hård och tung kärna, inte olikt hur planeterna kretsar runt solen. Men varför var allt så otroligt smått? Som Thomson sa om elektronen: ”Kan något vid första anblicken te sig mer opraktiskt än en kropp som är så liten att dess massa är en obetydlig bråkdel av massan hos en väteatom?”
Under 50- och 60-talen blev partikelacceleratorn, en apparat som studerar materien genom att kollidera partiklar i hög hastighet, alltmer effektiv. Om hastigheten blir tillräckligt hög kan energi enligt Einstein omvandlas i massa, och det var precis vad som hände. Inte bara protoner och neutroner, atomkärnans beståndsdelar, bildades i maskinerna. Även andra partiklar av samma slag, så kallade hadroner, skapades. Många olika sorter sprutade ut och registrerades av detektorerna. Doktoranderna sprang glatt längs universitetskorridorerna med nyheter om dagens nya partikel, medan de äldre fysikerna rev sitt hår och undrade varför världen började se så hopplöst komplicerad ut igen. Var det verkligen nödvändigt med så många elementarpartiklar?Den österrikiske fysikern Wolfgang Pauli hade en förklaring. Det berättas att Pauli under ett besök på Köpenhamns universitet hamnade i diskussion med en kollega, som satt och gungade på en stol. När Pauli tog ett steg mot honom, råkade denne tippa över baklänges. Någon lustigkurre i publiken utbrast då ”Pauliprincipen”, till allmän förnöjelse. Pauli hade nämligen insett att kvantmekaniken, teorin för det lilla, inte bara gjorde elektronerna en aning ofokuserade och dimmiga, elektronernas dimmoln tenderade även att trycka isär varandra, ungefär som två ballonger som krockar. Ingen murar ett hus med ärtstora tegelstenar, inte heller kan man bygga materia av punkter. Men tack vare Pauliprincipen sväller elektronerna upp och gör det möjligt. Det verkade som att alla pusselbitar till sist återigen föll på plats.
Två fysiker, amerikanen Murray Gell-Mann och israelen Yuval Ne’eman, vägrade dock att låta sig begravas under partikelberget, utan försökte bringa ordning i kaoset. De skapade ett slags hadronernas periodiska system. Det var då som Gell-Mann fick en helt fantastisk idé: tänk om det i själva verket bara fanns tre slags partiklar, som sammanbundna till varandra i olika kombinationer gav upphov till den observerade mångfalden av hadroner? Ryssen George Zweig fick samma idé, oberoende av Gell-Mann. Som genom ett trollslag blev världen plötsligt mycket vackrare igen: tre byggklossar, som Gell-Mann kallade kvarkar, i stället för hundratals hadroner.
För att spektrumet skulle bli rätt hittade amerikanen Oscar Greenberg på att de tre kvarkarna, med modern terminologi, alltid har olika färger: en röd, en grön och en blå. Detta börjar låta en aning som kvacksalveri. När Greenberg bad Robert Oppenheimer, atombombens fader, kommentera hans förslag, svarade han: ”Greenberg, ditt förslag är vackert ...”. Greenberg sken upp. Men Oppenheimer fortsatte: ”... men tyvärr helt fel”. Greenberg togs ner på jorden igen, men fick snart stöd av japanen Yoichiro Nambu och koreanen Moo-Young Han, som insåg att de tre olika färgerna i själva verket var etiketter för tre olika laddningar hos en helt ny kraft.Det fanns dock ett problem – ingen hade någonsin sett en kvark. Om elektronen var den verkliga partikeln som ingen bett om, så var kvarken den fiktiva partikeln som alla ville ha. Fiktion förvandlades dock till verklighet av en forskargrupp vid Stanford Linear Accelerator Center. De rapporterade år 1969 att de hade lyckats skjuta skarpa elektroner rätt in i protonen, och hittat hårda kärnor där inne som elektronerna studsade mot. Kunde det vara kvarkarna? Detta gav en rejäl skjuts åt Gell-Manns och Zweigs idéer.
Detta är något alldeles oerhört: när man ger sig djupt in i atomkärnan, uppträder alltså en helt ny naturkraft, som kallas för den starka kraften. Det är inte konstigt att Einstein förgäves försökte hitta sin förenade fältteori – han kände inte till krafterna inuti atomkärnan, så han visste inte vad som skulle förenas. Den starka kraften är som en sovande björn: det är alltså den som resolut binder samman de tre kvarkarna till en proton eller neutron, men utifrån syns inte mycket. Lite grann av kraften läcker dock ändå ut, vilket är tillräckligt för att även binda ihop atomkärnan. Och det finns tillfällen när den visar sin fruktansvärda styrka, som i solen där den producerar all den energi som är en förutsättning för livet på jorden.
Detta kom som en total chock. Tron att mållinjen var inom räckhåll förbyttes i insikten om hur lite vi egentligen visste. Kanske upplevde fysikerna under slutet av 1800-talet en liknande känsla när upptäckten att den odelbara atomen kunde slås i bitar plötsligt ställde deras världsbild på ända. Wiechert spekulerade till och med i om någon minsta nivå över huvud taget fanns: ”Universum är oändligt i alla riktningar, inte bara ovanför oss i det stora, utan även under oss i det lilla.” Det är som de ryska dockorna, där varje docka innehåller en ny, mindre docka.Tänk om vi med kvarkarna äntligen nått fram till slutstationen? Ytterligare några kvarkar utöver de ursprungliga tre visade sig visserligen behövas. År 1995 dök den sjätte och förmodat sista upp, toppkvarken. Hade vi lagom till millennieskiftet betvingat universum, och avslöjat dess sista byggsten? Men naturen hade fortfarande ett kort kvar att spela ut. Och det skulle visa sig att den sparat det bästa till sist. År 1998 gjordes stora framsteg i försöken att väga universum, och senare mätningar har kompletterat och preciserat de revolutionerande resultaten: den materia som kvarkar, protoner och atomer är exempel på verkar inte utgöra mer än ynka fem procent av universums totala vikt. 95 procent tycks bestå av något annat, något totalt okänt.
Det finns alltså fortfarande frågor kvar att besvara, fler partiklar att frambringa, djupare sanningar att upptäcka. Det europeiska partikellaboratoriet Cern tillhör i alla fall dem som ännu inte kastat in handduken: i januari i år föreslog de att vi bygger en ny partikelaccelerator, sex gånger mer kraftfull än den nuvarande. Cerns nya maskin har potentialen att återigen bli en upptäcktsmaskin, ett mikroskop som tränger längre in i materiens innersta än vi någonsin gjort tidigare, och avslöjar nya och helt oväntade lager av verkligheten. Drömmen om atomen lever vidare.
