(dette er del 4 i et kurs i kvantefysikk og partikkelfysikk. Denne delen kan fint leses uavhengig av 1-3, som det er lenket til nederst på denne siden.)
Hvordan er egentlig verden satt sammen? Hva er likt og ulikt mellom vann, en stein, en katt og en menneske?
Dette har helt sikkert blitt diskutert helt siden språkene utviklet seg for kanskje 70 000 år siden da siste oppgradering av mennesket ruslet ut av Afrika og etablert seg i mesteparten av verden på et blunk, altså noen få tusen år. .
Lenge før alfabetene en gang hadde vandret inn i Europa, hadde hinduene i sin Rigveda utviklet læren om hva alt stoffet i verden besto av. Den fysiske verden, materien eller panchamahabhutas, består av fem elementer:
1 jord (pritvi)
2 vann (jala)
3 ild (tejas)
4 vind (vayu)
5 rom (akasha)
Dette var altså 5 klasser av stoff (fabric) der jord var det mest grovmaskede og rom var det mest finmaskede, altså det edleste stoffet.
Før noen kunne lese og skrive i Europa, hadde hinduismen allerede formulert at universet (materie) forblir manifestert i en kalpa (en dag for Brahma) på 4,32 milliarder år, hvor universet blir skapt i begynnelsen og ødelagt på slutten, bare for å bli gjenskapt i en ny kalpa. En del århundrer senere utviklet grekerne sin lære om ild, luft, jord og vann - rom ble sikkert stålet av banditter en sted langs silkeveien vestover.
I fysikken sier man at stoff kan finnes i fasene fast form, væske, gass og plasma. Elementene har nå derimot steget fra å være 5 til å bli over 100. Elementene er grunnstoffene som bygger opp verden rundt oss. I universet er hydrogen og helium til sammen over 98% av alt stoff, de øvrige er særegenheter som blir dannet i for eksempel i stjerners supernova-eksplosjoner. Det er karbonet som skaper magi i form av organisk kjemi. Ingen andre stoffer kan danne flere strukturer:
Vi kan si at vi i dag har brutt ned antikkens 4 (eller 5) elementer til mindre elementer, for eksempel at luft er en blanding av ulike elementer, der nitrogen utgjør den største andelen. Mer om elementene i et eget innlegg.
Nå følger vi den tråden med å bryte elementer opp i stadig mindre enheter. I grunnskolen lærer elevene at materie består av atomer. Det greske adjektivet atomos betyr udelelig, men alt som ikke kan deles, har mindre deler inne i seg, vevet i stadig finere stoff.
I grunnskolen lærer man også om "elementærpartikler", som atomer består av. Ofte representert gjennom sky-modellen (forklares ikke her, men kan googles), men med vekt på kulemodellen, der elektroner er skall i kula og protoner og nøytroner er i sentrum. Men selv noen av disse er overhodet ikke elementære partikler. Den mest finmaskede veven som danner stoffet universet består av, består av enda mindre partikler og det er mange av dem! Veien vi nå har gått, er slik:
Panchamahabhutas = De fem elementene --> grunnstoffer --> atomer --> tre partikler --> enda mindre partikler
Grekerne forsto nok ikke hva akasha betydde, det ble for vanskelig. Vi kan si at kvantefysikk er fysikkens akasha, den mest finvevde inndelingen av verdensveven vi har i dag. De minste partiklene beskrives i "standardmodellen". Dette er en oversikt over alle elementære partikler vi kjenner i dag. Samtidig er kvantefysikk en erkjennelse av at partikler ikke finnes, men at alt egentlig består av bølger. Det rare er at disse bølgeformene ikke har en helt glatt sinuskurve, men er på en måte pikselerte. Det er disse prikkene i den sterkt forstørrede grafikken av sinuskurven som er elementærpartiklene, også kjent som kvantepartiklene.
Elementærpartiklene:
Fire farger, 4 elementer, hmm, kan det være noen sammenheng her?
Vi ser altså at de 17 elementærpartiklene som er kjent i dag består av fire familier. Familien Lepton og familien Kvark har til og med tre generasjoner. Alle er beskrevet i oversikten med egenskapene masse ("vekt"), elektrisk ladning og spinn (et begrep som blir forklart senere).
Se for deg at alle 17 er i slekt og du befinner deg på et stort slektsstevne sammen med dem (ja, disse bygger jo alt materialet du består av). Siden det er mange ukjente her, så søker du først mot noen du kjenner fra før. Elektroner og fotoner, kanskje?
Elektroner
Elektroner er rundt 1800 ganger lettere enn protoner eller nøytroner, som du trodde skulle møte opp på slektsstevnet. I atomer utgjør elektroner svært lite av den totale massen av atomer. Uten elektronet ville vi imidlertid knapt ha materie i det hele tatt. Det er fordi elektroner har en negativ ladning og eksisterer i en "bane", eller sky, som omgir atomkjerner. Når du berører noe, støter ikke atomene i fingertuppen direkte mot atomene i en gjenstand. I stedet, det du føler er den gjensidige frastøtingen mellom de negative elektronene som omgir atomkjernene i fingeren og de i objektet, via kraften til elektromagnetisme.
Elektronet spiller hovedrollen i nesten alle andre aspekter av hverdagen også. I det store og hele, når atomer binder seg i faste stoffer, væsker og gasser, er det gjennom overføring eller deling av elektroner, for å balansere ladning og gjøre ting stabilt. Alle kjemiske reaksjoner – fra fotosyntese til forbrenning, i nervesystemer og i salter og syrer dreier seg egentlig om omorganisering av elektroner. De er også bærerne av elektrisiteten, strømmen av elektrisk strøm. Vi kan tenke oss en verden uten strøm, enda man ikke forsto fenomenet før på 1800-tallet.
Fotoner og elektromagnetismen
Elektronet, en materiepartikkel i hverdagsfysikken, jobber i samarbeid med bæreren av den elektromagnetiske kraften, fotonet. Når to elektroner frastøter hverandre, rekylerer de i motsatte retninger ettersom ett av dem sender ut et foton og det andre absorberer det. Arrangementet av atomelektroner gir materialer deres farge, men det er absorpsjon og re-emisjon av fotoner av et materiale som formidler fargen til netthinnene i øynene våre. Fotoner gjør også omorganisering av elektroner i kjemiske reaksjoner mulig, ved å legge energi i eller ta den bort.
Noen ganger ser vi disse fotonene som synlig lys, for eksempel flammen som produseres i en forbrenningsreaksjon. Oftere gjør vi ikke det. En flamme produserer også fotoner i form av varme (infrarød stråling). Disse er usynlige, fordi energien deres er for lav til at øynene våre kan oppdage dem. Fotoner som har enda lavere energi, utgjør radiobølger. I andre enden av skalaen finner vi høyenergifotoner. Disse blir gradvis farligere, fra ultrafiolette strålene, røntgenstrålene og til gammastrålinger.
Kvarker - bestanddeler i større enheter
Men hvorfor var ikke protoner og nøytroner med på slektsstevnet? Det er fordi hver av de er en liten kjernefamilie av tre kvarker.
Nøytrinoer består av to "opp"-kvarker og en "ned". I oversikten over ser du at det har en ladning på +⅔ + +⅔ + (–⅓) = 1. Grunnen til brøkregningen er jo at verdien på protonets ladning allerede var definert som1, lenge før kvarkene ble beskrevet. Nøyroner består av en "opp" og to "ned", derfor blir regnestykket for ladning +⅔ + (–⅓) + (–⅓) = 0. Fysikeren Murray Gell-Mann beskrev kvarkene på 1960-tallet. Noe må lime de tre kvarkene sammen, nemlig en annen type elementærpartikler som ble kalt gluoner. Du kan se i oversikten at gluoner, i likhet med fotoner, mangler masse og ladning. Sammenlikner du masse, vil du finne ut at protoner er litt mindre massive enn nøytroner. Legg nå merke til at "opp" og "ned" utgjør første generasjon av kvarkene - og at elektronet er i første generasjon av leptonene. Hva da med med elektro-nøytrinonet? Jo, det er ganske likt gjennom tre generasjoner, slik som det ofte er med nære slektninger.
Nøytrinoer
Leptoner er avledet av det gresk ord for liten. Nøytrinoer er klassifisert som leptoner, et ord avledet fra gresk for "liten". Vi er vant til å si at elektronets masse er "veldig liten", fordi vi ofte sammenlikner det med protoner og nøytroner. Elektronet blir derimot en gigant dersom vi sammenligner det med nøytrinoene, som antas å ha en million ganger mindre masse. Siden nøytrinoer er elektrisk nøytrale, og derfor heller ikke påvirkes av elektromagnetiske krefter, så har de den spøkelsesaktige egenskapen at de kan skli gjennom all materier uten at noen merker det. La du kanskje, merke til at mens du leste dette så strømmet milliarder av nøytrinoer – produsert via kjernefysisk fusjon i solen – gjennom øyeeplene dine? Ikke jeg heller!
Likevel samhandler nøytrinoer med materie en sjelden gang, og da via den svake kraften (se "W & Z-bosoner: Den svake kraften") som er involvert i forskjellige typer kjernefysisk forfall, også kjent som radioaktiviteten. Men vi ser ikke på forhånd alltid det vi forventer i disse hendelsene. Det er fordi kvantelover (og ikke jantelover) tillater nøytrinoer å svinge mellom forskjellige generasjoner.
Et elektron nøytrino kan forvandles til et myon nøytrino eller et tau nøytrino. På denne måten er nøytrinoer et utstillingsvindu for det merkelige faktum at materie forekommer i det partikkelfysikere omtaler som tre generasjoner. Heldigvis dekker første generasjon, leptoner og kvarker, stort sett all materie vi forholder oss til alle andre steder enn i CERN! De to andre kan vi se på som en form for duplikater. Noen av partiklene har veldig sære egenskaper, for eksempel er muonene ekstremt massive! Ellers er disse etterkommerne, så vidt vi vet, temmelig identiske med sine første generasjons forfedre på de fleste måter. Ingen vet hvorfor de eksisterer. Faktisk ser de ikke ut til å ha en veldig aktiv rolle i universet i det hele tatt, annet enn å få partikkelfysikere til å gruble på hvorfor de i det hele tatt eksisterer.
Det vi kan si er at de gjør ting mer komplisert. Med totalt seks forskjellige kvarker, kan naturen nemlig tillate mer enn 150 komposittpartikler, i tillegg til det velkjente protonet og nøytronet. Vi har oppdaget mange to- og tre-kvark-kompositter tidligere og finner nå fire- og fem-kvark kompositter. Har disse sære komposisjonene noe å si, når naturen foretrekker kun to av dem? Svaret er at de kan ha nøkkelen til svaret på hvorfor naturen foretrekker materie framfor anti-materie. Halvparten av komposittene bygger opp anti-materie, som ser ut til å være uhyre sjeldent i universet. Håpet er at små variasjoner i frekvensen av hendelser som produserer disse komposittpartiklene vil forklare hvorfor det ikke er en 50-50 fordeling.
OK, vi har vært innom de partiklene som bygger opp materie, kvarker og leptoner, og samtidig forklart en del om fotoner. Hva da med gluoner? Nå blir det betydelige vanskeligere...
Gluoner: Den sterke kraften og hvitt som 3-kompositt av rød, grønn og blå (RGB)
Fysikerne har altså funnet fire fundamentale naturkrefter. Sortert fra sterkest til svakest er dette:
Den sterke kjernekraften (som holder atomkjernene sammen, til tross for at protonene frastøter hverandre)
Den svake kjernekraften (radioaktiviteten)
Den elektromagnetiske kraften
Tyngdekraften
Den sterke kjernekraften, som holder "opp" og "ned" sammen i 3-komposittene protoner og nøytroner, leveres av gluoner. Dette er partikler uten masse og ladning, men som, ulikt det meste i partikkelverdenen, er i stand til å oppdage farger. Gluoner ser det som sin jobb å skape hvitt, de ser at kvarkene i likhet meg selv har farger. RGB er jo det som bygger opp farger på alle skjermene vi ser på hele tiden. ⅓ av hver farge gir som kjent hvitt lys. Gluoner ser det som sin oppgave å blande rød, grønn og blå til hvitt hele tiden. Dersom et passerende gluon ved et uhell endre fargen på en kvark, vil et annet gluon endre fargen på en nabokvark, slik at hvit forblir 3-komposittens samlede blanding. For eksempel kan et protons tre kvarker i ett øyeblikk være røde, blå og grønne; på en annen kan de være grønne, blå og røde. Ingen sa at partikkelfysikk var enkelt.
W & Z-bosoner: Den svake kraften
Bærerne av den svake atomkraften, som styrer noen typer radioaktivt forfall (radioaktiv stråling), er giganter. I motsetning til fotonet og gluonet, som er masseløse og beveger seg med lysets hastighet, er W- og Z-bosonene trege som tankskip. Sammenlignet med fotoner og gluoner, er effekten som W- og Z-bosonene har på andre partikler hundrevis av milliarder ganger svakere. Det er fordi, i kvantefysiske termer, tilsvarer masse ikke styrke, men rekkevidde. Siden disse tankskipene er så trege så har den svake kraften kun en rekkevidde på mindre enn en kvadrilliondel av en millimeter (10^15 mm).
Likevel kan de få kraftige konsekvenser. I fusjonen av hydrogen til helium i solen, endres en av "opp" kvarkene i hydrogenets proton til en "ned". Dermed har protonet blitt omvandlet til et nøytron – et nødvendig skritt i fusjon av hydrogen til helium, for i motsetning til hydrogen er nøytroner nødvendig for å bygge helium. Det tidligere protonets positive ladning føres bort ved utstråling av en W+-partikkel. På denne måten holder det ydmyke W-bosonet solen skinnende – og gjør livet på jorden, og deg, mulig.
Higgs-bosonet
Masse er en term som i dagliglivet likestilles med vekt, men det er egentlig et mål for hvor sterkt gravitasjon virker. En riktig definisjon av masse er relatert til treghet, i betydningen hvor mye et objekt motstår akselerasjon når en gitt kraft påføres det. En sykkel har en viss treghetsmasse; et hangarskip har mye, mye mer. Higgs-partiklene er det som styrer de andre partiklenes treghetsmasse.
Mange spørsmål stilles rundt denne mektige, men knapt observerbare partikkelen. Kan den samhandle med seg selv, altså tilegne seg sin egen masse? Er det bare én type Higgs eller er det flere? Den målte massen av Higgs-bosoner er høyere enn over 100 protoner. Dette tilsvarer massen til et molekyl av moderat størrelse. Higgs-bosonet er tilsynelatende nøyaktig innstilt for å gjøre livet mulig: Hvis det bare var noen få ganger mer massivt, ville atomkjerner vært ubalansert, hydrogen ville vært det eneste stabile grunnstoffet og universet ville vært veldig kjedelig. Hadde det vært litt for lett, så kunne ikke atomkjernene vært i stand til å danne seg i det hele tatt.
Dette har vært en reise fra det "lette" til det vanskelige, fra de første diskusjonene om hva verden består av til hvor vi står i dag - fortsatt uten endelige svar. De skarpeste leserne har kanskje lagt merke til at jeg ikke har nevnt tyngdekraften. Finner du tilfeldigvis en partikkel som kan knyttes til hvordan tyngdekraften overbringes, så vanker det en Nobels pris. Fysikerne har ikke funnet det, etter å ha lett i nærmere 100 år. Higgs-partikkelen er altså ikke en vektor-partikkel som frakter en egenskap, slik vektor-bosonene gjør. Den er mer en gravitasjonstoll som styrer hvor mye gravitasjon er er lov å ha med seg på reise mellom kvantefeltene.
Forstår du delvis partikkel-modellen, er det på tide å rive den ned igjen. Partikler finnes ikke, det vi har beskrevet er i praksis felter eller bølger, to ord som beskriver aspekter ved kvantefysikken. "Partikler" er det vi observerer når flere felter er i interaksjon - eller bølgetopper der flere bølgetog møter hverandre. "Partikler" er en samhandling mellom ulike krefter. Her er en visuell analogi for verdensveven:
Se også:
Comments