Det anbefales sterkt at du er godt kjent med elektromagnetisk stråling, elektroner, protoner, nøytroner før du leser dette
KVANTISERING
I 1900 prøvde fysikeren Max Planck å forstå matematikken som styrer energiproduksjonen til lyspærer. Han tok et punkt som, i stedet for å sende ut energi kontinuerlig, frigjør en utstrålende kropp den i pakker, eller "kvanta". Like etter foreslo Albert Einstein at alt lys er laget av udelelige, partikkellignende kvanter, som ble kjent som fotoner. Etter hvert fikk fysikere ideen om at alt kommer i diskrete pakker: energi, momentum og, selvfølgelig, partikler selv. Det mulige unntaket er tyngdekraften, men de fleste fysikere i dag mistenker at selv dette etter hvert vil vise seg å være kvantiserbart og skrevet i kvantefysikkens lover (se "Gravitons").
TILFELDIGHET
Før eller siden forfaller de fleste partikler. Det er faktisk gjennom analyse av hva de forfaller til at nye blir oppdaget. Men partikler forfaller ikke på samme gradvise måte som for eksempel en trestubbe eller den biten ost som lurer bak i kjøleskapet ditt. For eksempel kan et fritt nøytron være 1 minutt eller 100 år gammelt og fortsatt ha samme sannsynlighet for å forfalle til et proton, et elektron og et nøytrino. Riktignok er gjennomsnittlig levetid for et nøytron 15 minutter, men til enhver tid er sjansene for forfall for ett nøytron nøyaktig de samme som alle andre, uansett alder. Hvis og når det skjer, er det plutselig og uforutsigbart.
Einstein hadde ingen problemer med denne tilfeldigheten, og insisterte berømt på at Gud ikke spiller terninger med universet. Likevel, gang på gang, har eksperimenter indikert at kvanteprosesser ikke er deterministiske, men iboende tilfeldige.
USIKKERHETSPRINSIPPET
Kvanteverdenen spiller ikke etter sunne regler. Tross alt, under de rette omstendighetene, kan en partikkel lett oppføre seg som en bølge. Men selv forestillingen om en partikkel blir uklar under gransking. Prøv å lokalisere en partikkel og plutselig blir dens momentum – måten den beveger seg gjennom rommet på – uklar. Prøv å registrere partikkelens momentum, på den annen side, og du mister enhver følelse av hvor den faktisk er. Dette er kvanteusikkerhetsprinsippet, identifisert av Werner Heisenberg på midten av 1920-tallet.
Det ville være betryggende å tro at denne usikkerheten bare er en gjenstand av våre ufullkomne måleenheter. Det mer etablerte synet er imidlertid at eiendommene i seg selv er tåkete konsepter. I så fall er det vi naivt refererer til som en partikkel en kimær, og det som virkelig er "der" er noe utenfor våre vanlige forestillinger om sted og bevegelse, rom og tid.
BØLGE-PARTIKKEL DUALITET
Dobbelspalteeksperimentet er blant de mest berømte i vitenskapens historie. Det innebærer å skyte en strøm av enkeltpartikler – for eksempel elektroner – mot to smale spalter som er tett sammen. Et måleapparat bak spaltene registrerer et mønster av lyse og mørke striper, som om elektronene som passerer gjennom de forskjellige spaltene fungerer som bølger som diffrakterer og forstyrrer hverandre, som vannringer fra to steiner som slippes på en stille innsjø. Mønsteret dukker opp selv om elektronene avfyres én om gangen, noe som tyder på at et enkelt elektron kan krysse begge spaltene samtidig – igjen, som en slags spredt bølge.
Det er ikke den merkeligste delen. Sett detektorer ved spaltene for å finne ut hvilken spalte hvert elektron går gjennom, og du vil oppdage at det nå velger det ene eller det andre - og interferensmønsteret forsvinner. Elektronet ser ut til å oppføre seg som en partikkel når du sjekker, men en bølge ellers.
Her er en modell hvor du selv kan leke deg med interferens-eksperimenter:
SAMMENFILTRING (ENTANGLEMENT)
Hvis du og vennen din mottok en serie terninger i innlegget over flere dager og dere snudde dem til samme tid hver dag, ville dere ikke forvente at resultatene skulle korrelere med hverandre. Resultatene vil ikke ha sammenheng. Men hvis du kunne gjenta dette med par av sammenfiltrede elektroner, er det nettopp det som ville skje. Hver gang du mottar et elektron som er spin-up – spinn er en kvanteegenskap som ligner på vinkelmomentum – vil vennen din oppdage at elektronet deres er spin-down, og omvendt. Det er fordi når to slike partikler bringes sammen på en bestemt måte og deretter separeres, ser det ut til at målinger på den ene øyeblikkelig påvirker resultatet av målingene på den andre - selv om det ikke er noen tenkelig måte paret kunne kommunisere.
Einstein kalte nedsettende denne "skummel handling på avstand", fordi informasjon ikke kan reise raskere enn lys. Men sammenfiltring, ellers kjent som ikke-lokalitet, har siden blitt demonstrert i utallige eksperimenter. Det har ikke bare transformert hvordan fysikere tenker om virkeligheten, men det danner også grunnlaget for alle slags kvanteteknologier, fra kryptografi og informasjonsteleportering til kvanteberegning.
SUPERPOSISJON OG BØLGEFUNKSJONENS KOLLAPS
Det sies ofte at partikler kan være to steder samtidig, men det stemmer ikke helt. Det som egentlig skjer er at et kvanteobjekt eksisterer i en superposisjon av tilstander, en omstendighet der en partikkel er samtidig i alle mulige posisjoner, for eksempel til den er målt. På det tidspunktet kollapser en matematisk enhet kjent som bølgefunksjonen, som koder for alle mulige utfall av målingen. Plutselig har partikkelen bestemte egenskaper som vi vil beskrive som ekte (se "Hvem eller hva kollapser bølgefunksjonen?").
Det er da mer nøyaktig å si at partikler ser ut til å være på to steder samtidig - og skillet er viktig. En superposisjon er en matematisk måte å gi mening om det vi observerer, for eksempel at partikler også oppfører seg som bølger. Vi observerer ikke superposisjoner i seg selv. Hvorvidt de er reelle eller ikke, avhenger av om du tror at matematikken i seg selv er virkeligheten eller bare et verktøy vi bruker for å beskrive det.
Kvantesuperposisjon er et grunnleggende prinsipp for kvantemekanikk. I klassisk mekanikk er egenskaper som posisjon eller bevegelse alltid veldefinerte. Vi vet kanskje ikke disse til enhver tid, men det er et spørsmål om vår forståelse og ikke det fysiske systemet. I kvantemekanikk kan en partikkel være i en superposisjon av forskjellige tilstander. En måling finner den imidlertid alltid i én tilstand, men før og etter målingen samhandler den på måter som bare kan forklares ved å ha en superposisjon av forskjellige tilstander.
Matematisk, omtrent som med bølger i klassisk fysikk, kan hvilke som helst to (eller flere) kvantetilstander legges sammen ("overlagt") og resultatet vil være en ny gyldig kvantetilstand; omvendt kan hver enkelt kvantetilstand representeres som en sum av to eller flere andre separate tilstander. Matematisk refererer det til en egenskap for løsninger til Schrödingers ligning. Siden denne er lineær, vil enhver lineær kombinasjon av løsninger også være en løsninger.
Et eksempel på en fysisk observerbar manifestasjon av bølgenaturen til kvantesystemer er interferenstoppene fra en elektronstråle i et dobbeltspalteeksperiment. Mønsteret er veldig likt det som oppnås ved diffraksjon av klassiske bølger.
En av de mest oppsiktsvekkende egenskapene til kvantefysikk er de knappe egenskapene som trengs for å definere en partikkel: i hovedsak alt du trenger er dens masse, ladning og vinkelmomentum, eller "spinn". Når du kjenner disse, er det mulig å løse en matematisk ligning og ende opp med et begrep som beskriver partikkelen i sin helhet – bokstavelig talt alt som kan være kjent om den. Dette er bølgefunksjonen, og den forteller deg sannsynligheten for at partikkelen oppfører seg på en bestemt måte til enhver tid. Den er nært knyttet til fenomenene bølge-partikkel-dualitet og superposisjon: overlatt til sine egne enheter eksisterer en partikkel i et rolig, bølgelignende område av mulige tilstander, men når den først er observert, "kollapser" dens bølgefunksjon og partikkelen adopterer en spesifikk tilstand, som okkuperer et lokalisert sted i tid.
Men hvem, eller hva, trengs egentlig for å observere for at dette skal skje? Vil en detektor gjøre det, eller trenger en person å passe på den? Kvantefysikere er hjemsøkt av deres manglende evne til å si sikkert og har kommet med utallige tolkninger. Kanskje menneskelig bevissthet er nødvendig. Eller kanskje bølgefunksjonskollaps skjer ikke i det hele tatt, men ser bare ut til å – kanskje alle mulige tilstander fortsatt eksisterer i todelte parallelle universer, den såkalte mange verdener-tolkningen av kvanteteori. Det er ikke noe enkelt svar.
INTERAKSJONER I ELLER MELLOM KVANTEFELT
Er virkeligheten laget av partikler eller felt? Vi snakker om partikler, det vil si ting som opptar "punkter" (mer eller mindre) i rommet – likevel er partikler bare "energiske pigger", "bølgetopper" eller "eksitasjoner", i underliggende kvantefelt. Et foton, for eksempel, som bærer av elektromagnetisme, er en eksitasjon av et underliggende elektromagnetiske feltet. Disse feltene gjennomsyrer hele universet, også i vakuum "tomt" for partikler. Her vil såkalte virtuelle partikler dukke opp flyktig og deretter forsvinne, dette selv når det ikke er nok energi til å manifestere en skikkelig partikkel.
Felt anses derfor vanligvis som mer grunnleggende. Matematikken fungerer rett og slett ikke uten dem. Men den ambivalente kvantenaturen til et felt betyr at det ikke kan observeres direkte: enhver observasjon krever en dose energi som faktisk tvinger feltet til å vise seg i form av å produsere en partikkel. Av denne grunn virker det umulig å kutte ut begrepet, partikler er det vi ser og observerer.
KREFTER
Uten fysiske krefter ville ikke universet eksistert. Krefter gjør at alt er i evig forandring, og ikke evig stillstand. I naturen er det fire grunnleggende krefter:
Den sterke kjernekraften (fargekraften mellom kvarker)
Den elektromagnetiske kraften
Den svake kjernekraften (også kalt den svake vekselvirkningen)
Gravitasjonskraften
Kjernekreftene opererer bare innenfor mikroavstander i et subatomært perspektiv, elektromagnetisme og gravitasjon i hele universet. Det meste tyder på at dette er fire forskjellige manifestasjoner av en helt grunnleggende naturkraft.
DEN IRRELEVANTE TIDEN SOM IKKE FINNES
Isaac Newtons tenkte seg tid som en slags universelt tikkende klokke med en mekanikk som kun kan bevege seg i én retning. Dette er fortsatt vår daglige oppfattelse av tid: Tidens pil beveger seg kun fremover, og frarøver oss dermed enhver mulighet til å se fortiden vår på nytt. Albert Einstein tok derimot ikke dette som gitt. Hans teori om spesiell relativitet fra 1905 uttrykte at tid er en illusjon som beveger seg i forhold til en observatør. Nærmer man seg lysets hastighet, vil tiden gå mye saktere i forhold til en observator som holder seg i ro (vel og merke er alt i universet i evig bevegelse).
I dag sier fysikere som Julian Barbour, som har skrevet en bok om illusjonen tid, at forandring er ekte, men at tiden ikke finnes. Tid er bare en refleksjon av endring. Fysikere har gjort forsøk som viser at kvantesystemer kan bevege seg både fremover og bakover i tid. I 2022 fikk to forskerteam fotoner til å virke som om tiden fløt i begge retninger samtidig, noe som kunne peke mot en måte å øke kvanteenheter på. "Quantum time flip"-kretsen er som en metronom som svinger begge veier samtidig. Fysikere har lokket lyspartikler til å gjennomgå motsatte transformasjoner samtidig, som et menneske blir til en varulv samtidig som varulven blir til et menneske. I nøye konstruerte kretsløp fungerer fotonene som om tiden flyter i en kvantekombinasjon av forover og bakover. Gjennom eksperimentene, som ble utført av to uavhengige team i Kina og Østerrike, fortsatte laboratorieklokkene å tikke jevnt og trutt fremover. Bare fotonene som fløy gjennom kvante-kretsløpet opplevde tidsmessige uregelmessigheter. Forskerne diskuterer om vendingen av tidens pil i eksperimentet er ekte eller simulert. Uansett kan nye studier av dette forvirrende fenomenet føre til nye typer kvanteteknologi.
Vi mennesker er makroskopiske systemer. Vi kan ikke oppfatte kvantesuperposisjoner eller kvantesystemer som kan bevege seg både fremover og bakover i tid. I vår verden går tiden virkelig fremover. Det betyr at vår bevisshet skaper et feil bilde av den fysiske verden vi lever i. Tid betyr mye for oss, men tid er ikke et kvantefysisk fenomen, det er en non-fysisk artifact. Ramakrishna Podila, assisterende professor ved Institutt for fysikk og astronomi ved Clemson University i South Carolina, sier at flerpartikkel-statistikk versus enkeltpartikkelstatistikk er en mer nøyaktig måte å beskrive ting på. Selv en enkelt partikkel har sine egne, unike mikrotilstander. Podila tror at i vår søken etter å forstå tid, setter vi ligninger foran fysisk virkelighet og glemmer hele poenget. Å assosiere tidens pil med entropi (universet er på vei fra en tilstand der alt er heterogent til en endelelig tilstand der alt er homogent) eller et kvantemekanisk system som kollapser er kun populærvitenskapelige forenklinger. At tiden utvikler seg som en pil mot fremtiden, er en teori som astrofysiker Arthur Eddington lanserte i 1927. Tid er et av de universelt aksepterte aksiomene i fysikk, men aksiomer (også kalt postulater) er ikke det samme som sannhet.
Andre eksempler på postulater i fysikken som aldri er bevist:
Relativitetsprinsippet: Fysikkens lover er de samme i alle treghetsreferanserammer.
Konstansen til lyshastigheten: Lyshastigheten i vakuum er den samme for alle observatører, uavhengig av deres bevegelse i forhold til lyskilden.
Ekvivalensprinsippet: Effektene av tyngdekraften kan ikke skilles fra effektene av akselerasjon.
Usikkerhetsprinsippet: Det er umulig å måle den nøyaktige posisjonen og momentumet til en partikkel samtidig.
Pauli eksklusjonsprinsippet: Ingen to identiske fermioner kan okkupere samme kvantetilstand.
Disse postulatene er grunnlaget for ulike fysiske teorier, som spesiell relativitet, generell relativitet, kvantemekanikk og kvantestatistikk. De er ikke avledet fra andre lover, men antas å være sanne og konsistente med eksperimentelle observasjoner.
DET ANTROPISKE PRINSIPPET
Det antropiske prinsippet, også kjent som "observasjonsseleksjonseffekten", er en hypotese først foreslått i 1957 av Robert Dicke. Hen hevdet at rekkevidden av mulige observasjoner av universet er begrenset til at observasjoner som kan utføres av intelligent liv. Tilhengere av det antropiske prinsippet hevder at det forklarer hvorfor universet har sin alder og de grunnleggende fysiske konstantene som er nødvendige for å fostre bevisst liv. Dersom de fysiske konstantene bare hadde vært litt annerledes, ville ingen ha vært i nærheten for å gjøre observasjoner fordi intelligent liv ikke ville ha vært mulig. Antropisk resonnement brukes ofte for å håndtere ideen om at universet ser ut til å være finjustert for eksistensen av liv.
UTELUKKINGSPRINSIPPET
De fleste tror nok de vet hva materie er. Faktisk er en sunn fornuftsdefinisjon ikke åpenbar. Ta et eple. Det meste av stoffet består av kvarker, men ingen har noen gang sett, følt eller smakt en kvark. Enhver sans du har for eplet på en eller annen måte innebærer – mellom deg og eplet – en utenkelig kompleks utveksling av de letteste elementære materiepartiklene, nemlig elektroner, og masseløse kraftbærere, nemlig fotoner.
Materie og kraft henger uløselig sammen. Likevel er det en egenskap som skiller dem: All materie tar plass. På grunn av en grunnleggende asymmetri i matematikken som beskriver materiepartikler, kan ingen to gå inn i samme kvantetilstand. Kjent som eksklusjonsprinsippet forhindrer dette fenomenet at elektroner som omgir atomkjerner overlapper i samme bane, noe som igjen forhindrer atomkollaps og gir opphav til volumet av objekter.
ANTIMATERIE - HVOR ER DEN?
Stort sett hver partikkel vi kjenner har en dobbeltgjenger, eller antipartikkel. Disse har samme masse som deres standard motstykker, og de faller også i et gravitasjonsfelt. Forskjellen er at de har motsatt ladning OG at det er forsvinnende få av dem rundt omkring! Antimaterie genereres av oss i partikkelkollisjoner, men det synlige universet er laget av materie, ikke det motsatte. Og ingen vet hvorfor.
Hvis de var enkle motsetninger, ville materie og antimaterie blitt produsert i like store mengder av big bang og utslettet hverandre kort tid etterpå. Likevel ser det ut til at naturen foretrekker materie.
De fleste fysikere tror forklaringen på dette er at fysikkens lover ikke er perfekt symmetriske. Kanskje en liten asymmetri betyr at normal materie alltid får overtaket. Eksperimenter har oppdaget en viss mengde av dette "symmetribruddet", men ennå ikke nok til å forklare hele omfanget av materiens dominans.
ET ENDA DYPERE LAG AV VIRKELIGHET?
Det er minst fire grunnleggende krefter, men hvorfor fire? Faktisk håper fysikere at de vil vise seg å være fasetter av én enkelt, enhetlig kraft – et universelt sett med ligninger som beskriver oppførselen til alt i universet. Suksess avhenger av å forene de to største fysiske teoriene fra det 20. århundre: kvanteteorien og Einsteins gravitasjonsteori. På tide å begi seg inn i det dypeste ukjente. Først en liste med partikler og fenomener det er god grunn til å utforske videre, eventuelt for å avkrefte eksistensen av dem.
X bosoner og leptokvarker
Kombinasjonen av de elektromagnetiske og svake kreftene ga det teoretiske grunnlaget som gjorde at vi forutså eksistensen av Higgs-bosonet, så det følger videre at en kombinasjon også av den sterke kraften vil medføre nye partikler. En av mulighetene for en slik «grand unified theory» er at kvarker, styrt av den sterke kraften, kan omdannes til elektroner, nøytrinoer og andre leptoner styrt av de elektromagnetiske og svake kreftene. Slike konverteringer må formidles av nye kraftbærende partikler, kjent som X-bosoner og leptokvarker.
Spartikler
Når det gjelder partikkelfysikk, er materie og kraft forskjellige bare i den grad materiepartikler tar opp plass, mens kraftpartikler ikke gjør det. I flere tiår har imidlertid fysikere arbeidet med en dypere, "supersymmetrisk" teori som gjør materie og kraft til to sider av samme sak. Hver kjent materiepartikkel har en tilsvarende, tyngre kraftpartikkel, og omvendt, betegnet med et "s"-prefiks eller "ino"-suffiks i standardmodellen. Kraftpartneren til en kvark er for eksempel en tung "squark", mens materiepartneren til en gluon er en tung "gluino", og så videre.
Supersymmetri har lenge blitt påberopt som en potensiell storslått, enhetlig teori. Det gir også en fin måte å forklare hvorfor Higgs-bosonet er mye, mye lettere enn teoretiske spådommer ellers ville tilsi: de ekstra, tunge partiklene balanserer likningene. Problemet er at verdens største partikkelknuser, Large Hadron Collider ved CERN nær Genève, ikke har funnet bevis for supersymmetri.
Magnetiske monopoler
Hver magnet har to poler: nord og sør. Noe som er rart når du tenker etter. Elektriske terminaler kommer også ofte i par – positive og negative – men det er mulig å lage en enkelt negativ eller positiv elektrisk pol på egen hånd, ved å konsentrere elektronene på ett sted eller ta dem bort. Magnetisme er relatert til elektrisitet - de er begge styrt av elektromagnetisme. Så hvorfor kan vi ikke produsere magnetiske monopoler?
Fysiker Paul Dirac var en av de første som antydet at magnetiske monopoler kunne eksistere, på begynnelsen av 1930-tallet. Bare tiår senere besøkte fysikere dem med noen overbevisning, drevet av matematikk som antydet at de må eksistere hvis vi skal bringe alle de fire naturkreftene innenfor en enkelt teori om alt. Vi har ennå ikke funnet dem.
Strenger
Den mest kjente utfordreren for en teori om alt, kjent som strengteori, sier at de mest elementære tingene i naturen ikke er punktlignende partikler, men vibrerende strenger. Alle disse strengene er laget av det samme, men mønsteret som en streng vibrerer i, bestemmer hva slags partikkel den manifesterer seg som. Som en musikalsk streng, som kan uttrykke forskjellige toner, kan en partikkelstreng "høre" ut som en kvark, eller et elektron, eller et foton, eller en hvilken som helst annen partikkel i dagens standardmodell. Den kan til og med vibrere som den mest unnvikende kraftbæreren, gravitonen (se "Gravitons"). Haken er at strenger må vibrere i 11 dimensjoner...
Tilhengere sier at dette ikke er så fantastisk som det høres ut, ettersom de ekstra dimensjonene kan krølles sammen rundt strengene så tett at de er utenfor våre evner til å oppdage. Likevel har strengteorien fått juling de siste årene fordi den fungerer som en mesterteori for supersymmetri og dens mangfoldige avkom, men ingen av disse har blitt funnet.
Løkker
Utgangspunktet for en annen teori, kjent som loop quantum gravity, er at den fjerde kraften aldri kan behandles som de tre andre. Det er på en måte mer grunnleggende. Følgelig fokuserer denne teorien utelukkende på å forene kvantefysikk og gravitasjon ved å foreslå at rom-tid selv har noe som en atomstruktur. Spesielt står det at rom-tid kommer i endelige løkker, som klamrer seg sammen for å skape en ny scene for virkeligheten å spille ut på kalt en spininfoam. Sløyfekvantetyngdekraften er langt fra å inkludere alt det vi vet og beskriver i standardmodellen for partikkelfysikk, og det er ikke bedre enn strengteori til å lage testbare spådommer.
Twistor-teorien
Twistor-teorien fra 1660-tallet er i stor grad underdogen blant teorier om alt. Ideen til nobelprisvinneren Roger Penrose, sier at rom-tid og dens kraftmanifestasjon, tyngdekraften – for ikke å nevne andre felt og partikler – bare er gjenskinnet av en dypere virkelighet som består av kjeder av årsak og virkning. Selv om lenkene i seg selv aldri kan brytes, er den tilsynelatende plasseringen og tidspunktet for hendelsene i dem varierende, slik at deres fullstendige beskrivelse er noe bredt og forvrengt: en vridning.
Hvis det høres forvirrende ut, er du i godt selskap. Twistor-teorien er så konseptuelt vanskelig at til og med Penrose viker unna å forklare den i intervjuer. Men selv om det har vært upopulært i flere tiår, har det opplevd en renessanse de siste årene, med teoretikere som har funnet spennende forbindelser til strengteori.
Nærmer vi oss en teori om alt?
Det er god grunn til å tro at forskjellene i de grunnleggende kreftene kun er overfladiske. I lang tid ble elektrisitet og magnetisme ansett som separate krefter, helt til fysikeren James Clerk Maxwell viste på 1860-tallet at de egentlig er to aspekter ved et enkelt fenomen: elektromagnetisme. Så, fra 1950-tallet, ble elektromagnetisme og den svake kraften sett på som et enkelt fenomen, om enn bare forent ved energier funnet i naturen 1 milliarddels sekund etter big bang. Ut av regnestykket til denne "elektrosvake" kraften dukker Higgs-bosonet opp.
Beregninger tyder på at ved ekstremt høye energier er styrken til den elektrosvake kraften og den sterke kraften identiske. Det er derfor teoretikere mistenker at også disse kan forenes til en enkelt kraft, som kan beskrives av en storslått enhetlig teori. De fleste av disse kverner ut såkalte supersymmetriske partikler (se "Spartikler").
Hva så med tyngdekraften? Den fjerde kraften er mye vanskeligere å omfavne i kvanteteorien fordi den er knyttet til rom-tid, selve scenen som partikler går på. Av denne grunn antar "teorier om alt" som inkluderer gravitasjon vanligvis at partikler er kun er fasader for enheter som er enda mer elementære og utfordrende for tenkningen vår, for eksempel strenger eller løkker.
Hvorfor alle disse forslagene til nye partikler? Fordi fysikken strever med en lang liste med uløste problemer. Se liste her:
MER EKSOTISKE PARTIKLER
Listen over kjente partikler er rundt 30, avhengig av hvordan du teller dem. Men nå må vi gå inn i det virkelig ukjente – krattet av hypotetiske partikler som er blitt foreslått for å løse de tingene vi ennå ikke helt forstår, fra tyngdekraften og det store smellet til de mystiske tilstedeværelsene av mørk materie og mørk energi.
Gravitoner
Tyngdekraften i seg selv er det ikke vil om. Den er regnet som den fjerde (og svakeste) grunnleggende kraften. Problemet er at den ikke har noen kraftbærer blant kvantepartiklene. Gravitonen, forblir en hypotetisk partikkel. Ingen er sikre på om tyngdekraften i det hele tatt kan kvantiseres. Tyngdekraftens kvantepartikkel vil være utrolig vanskelig å oppdage.
Dette er fordi tyngdekraften er så uutholdelig svak. Jorden produserer et gravitasjonsfelt som er sterkt nok til å holde føttene våre på bakken mesteparten av tiden, men til og med barn kan et øyeblikk unnslippe draget hver gang de hopper. Feltet må være mye sterkere for å manifestere en enkelt graviton. Hvor sterkt? Vel, fysikere har sett for seg å plassere en gravitondetektor med massen til Jupiter i bane rundt en nøytronstjerne, som er notorisk tett og som sådan kanskje den største enkeltkilden til tyngdekraft foruten sorte hull. De spår at en detektor kunne registrere én graviton hvert 10. år. Hvis detektoren var 100 prosent effektiv...
Inflatoner
Universet vi observerer er overraskende ensartet. Zoomer vi inn på en liten flekk av himmelen (uansett hvor), ser vi en kontinuerlig tapet av stjerner og galakser, nesten som om disse objektene jevnet seg ut under utvidelsen etter big bang. Men det er umulig, ifølge Einsteins spesielle relativitetsteori, ettersom det ville kreve informasjon for å reise raskere enn lyset.
Kanskje universet vi ser bare er en flekk av et primordialt superunivers, en flekk som et kort øyeblikk blåste seg opp mye raskere enn den generelle ekspansjonen. Snarere som å blåse opp en enkelt piksel fra et digitalt bilde, var kosmos fylt av et rom som var relativt ensartet og uten funksjoner. I denne ideen ble denne kosmiske inflasjonen drevet av en partikkel kjent som inflatonet, som har noen av de samme egenskapene som Higgs-bosonet. Faktisk tror noen teoretikere at Higgs kan være selve inflatonet, men i så fall oppførte det seg veldig annerledes i det tidlige universet.
Kvintessens
Vi har kommet langt siden "steady state"-teorien, populær frem til midten av 1900-tallet, som mente at rommet i hovedsak ikke endrer seg. Observasjoner tyder på at det en gang var et big bang og at universet har utvidet seg siden den gang. Mange fysikere tror det var et tidlig utbrudd av spesielt rask ekspansjon kalt kosmisk inflasjon. Nå ser det ut til at utvidelsen av verdensrommet igjen akselererer, selv om det er langt langsommere enn i det tidlige universet, på grunn av en mystisk kraft rett og slett kjent som mørk energi.
Mørk energi er en sterk kandidat til å være den mest mystiske tingen der ute. Ingen vet hva det er, og fysikere sliter med å finne ut nøyaktig hvordan det oppfører seg, gitt at effektene finner sted over milliarder av år. Likevel er det noen få kandidater. Den ene er at det i tillegg til de fire kjente grunnleggende kreftene finnes en femte kraft, eller "kvintessens". Den relaterte, hypotetiske partikkelen har ikke fått et navn. Det vi vet er at kvintessensen nødvendigvis må være svakere enn tyngdekraften, så det er vanskelig å se hvordan vi noen gang skulle oppdage en av partiklene.
Svakt samvirkende massive partikler
Mennesker, planeter, stjerner: disse er bare en liten brøkdel av universets ting. Faktisk må det være minst fem ganger mer materie enn vi kan se, ellers ville ikke galakser generere nok tyngdekraft til å stoppe seg selv å fly fra hverandre. De ekstra tingene kalles mørk materie, men hva er det egentlig?
Mørk materie er usynlig, i den forstand at den ikke absorberer eller reflekterer lys. Likevel kan vi utlede noen få ting om egenskapene. Det må samhandle med synlig materie, men bare svakt, ellers ville vi ha oppdaget det allerede. Og den består sannsynligvis av massive partikler – opptil 10 ganger så stor som Higgs – ellers ville den blitt skapt for lett i dagens univers og gjort ting ustabile. Svakt samvirkende massive partikler, eller WIMPs, har lenge vært favorittkandidatene for mørk materie, men til tross for mye leting har slike hittil ikke blitt oppdaget.
Axioner
Kanskje består mørk materie ikke av materiepartikler i det hele tatt, men av kraftbærere. I så fall kan partiklene være så svakt i samspill at de, i motsetning til WIMP-er, danner en stabil populasjon i dagens univers uansett masse. Basert på disse kriteriene er bookmakernes favoritt axion. Oppkalt etter et merke vaskemiddel, ble axionet opprinnelig introdusert for å "rydde opp" et annet problem: hvorfor den sterke kraften påvirker kvarker og antikvarker på nøyaktig samme måte, når den grunnleggende teorien tillater vill forskjellsbehandling. Feltet til axionet ville fremtvinge likevekt i den sterke kraften, som en finger på balansen. Hvis partikkelen løser mørk materie også, desto bedre.
Sterile nøytrinoer
Den enkleste kandidaten for mørk materie er uten tvil en som ikke gjør annet enn å øke tyngdekraften til galakser og andre store strukturer. I motsetning til sine kjente motstykker - elektron-, myon- og tau-nøytrinoene - ville den sterile nøytrinoen være likegyldig, eller "steril", til den svake kraften. Den ville samhandle via tyngdekraften, og tyngdekraften alene, stille, men likevel fast holde galaksene intakte. En overvekt av sterile nøytrinoer kan lett være mørk materie, og kanskje løse noen andre problemer. Feltene deres kan blandes med feltene til de kjente nøytrinoene, noe som forklarer hvorfor disse har en veldig liten, men endelig masse. Og fordi sterile nøytrinoer ville forfalle for å produsere mer materie enn antimaterie, kunne de forklare hvorfor universet vårt er dominert av materie (se "Hvor har all antimaterie blitt av?").
Mørke fotoner
Hva om det mørke universet er like komplekst som vårt eget? Kan det være mørke stjerner? Mørke planeter? Mørke sivilisasjoner? Det er ingen bevis for noe av dette, men det er likevel fristende å tro at mørk materie ikke bare er en tom klatt. Kanskje, som synlig materie, har den minst én naturkraft den kan kalle sin egen. Gå inn i den mørke kraften og dens bærer: det mørke fotonet. Dette ville få mørk materie partikler til å samhandle med hverandre, i et lukket samfunn. Skulle det eksistere, er konsekvensene av et mørkt foton fristende, gitt det utrolige mangfoldet av fenomener som det normale fotonet er ansvarlig for. Det kan binde mørk materie partikler til atomer, eller danne grunnlaget for en mørk kjemi.
Comments