Denna pdf-fil är nedladdad från Illustrerad Vetenskaps webbplats ( och får ej lämnas vidare till tredjepart.

Transkript

1 Käre användare! Denna pdf-fil är nedladdad från Illustrerad Vetenskaps webbplats ( och får ej lämnas vidare till tredjepart. Av hänsyn till copyright innehåller den inga foton. Med vänlig hälsning Redaktionen

2 FYSIKEN står vid en skiljeväg Lasrar testas och utvecklas i laboratorier. De kan bland annat skära i stål, reparera synskador och överföra extremt stora datamängder. shutterstock

3 Stort tema Fysiken har firat närmast ofattbara triumfer. Trots det står vetenskapen nu inför ett växande dilemma. Skall fysikerna fortsätta jakten på teorin om allting? Eller skall de gå in i laboratoriet och fokusera på att skapa konkreta uppfinningar till nytta för oss alla? Den sista vägen är klart billigare än den första och dessutom den mest frestande för politiker och industri, men det är inte många fysiker som har lust att ge upp där Einstein slutade. Läs här om fysikens stora utmaningar och om den utveckling som startade, då Newton formulerade sin lag om tyngdkraften och kanske kommer att kulminera med fysikernas förståelse av just denna kraft. Handgriplig fysik blir till abstrakt matematik: den svåra världsbilden Den klassiska fysiken: Från urverk till värmedöd Den moderna fysiken: Från atomen till universum 2000 Framtidens fysik: bortom oändligheten Enorma försök som på CERN är enda vägen, om fysikerna skall hitta de partiklar som kan avslöja sanningen om till exempel Big Bang. m. brice/spl/scanpix

4 Handgriplig fysik blir till abstrakt matematik: den stora världsbilden F ysiken står inför ett vägskäl. Den ena vägen kan leda till helt nya och oväntade upptäckter om materiens minsta byggstenar, naturkrafter och kanske andra dimensioner och universum. Den vägen kan vi följa bara om vi bygger enorma acceleratorer som den på CERN. Den andra vägen är mindre ambitiös men kanske av större betydelse för samhället. Den består i det arbete som sker i laboratorier världen över, bland annat med att utveckla kraftfulla kvantdatorer, nya supraledande material samt ny och bättre optisk kommunikation. Egentligen borde det inte vara något vägskäl, för det naturliga är att göra båda delarna. Modern forskning är dock dyr, och samhället måste här som på alla and ra ställen prioritera. Det är en grundmurad vetenskaplig princip att varje teoris hållbarhet skall kunna testas genom försök. I praktiken kan vi dock snart tvingas lita på en teori, om den på ett övertygande sätt är matematiskt logisk och det är en konsekvens av att det i bästa fall kräver enorma kostnader och i värsta fall är omöjligt att testa dess hållbarhet experimentellt. I fysikens barndom var fysiken lätt att förstå, och den ledde till uppfinningar som gav välstånd och tillväxt. I dag är den mer abstrakt och kan sluta med att bli ren matematik och, märk väl, en matematik som är så komplicerad att endast ett fåtal kan förstå den helt och fullt. Även om fysiken därmed blir mer och mer världsfrånvänd, har den fortfarande en enorm betydelse för samhället. Ett gott exempel är klimatdebatten. Klimatet styrs av fysikens lagar, men jordens klimat är en så komplicerad företeelse att man är tvungen att ställa upp stora datormodeller för att förutsäga klimatets utveckling. Dessa modeller är vår enda möjlighet att fatta de nödvändiga besluten, men modellerna har också sina begränsningar, och den allra största begränsningen är nog att varje modell bara visar en del av sanningen. Det är med andra ord oerhört svårt att avgöra vilken väg fysiken bör gå. Till syvende och sist kan valet komma att ligga hos de politiker som skall bevilja medel till framtidens forskning. Därmed är det också viktigare än någonsin att inte bara några få experter utan ett brett utsnitt av befolkningen har inblick i fysikernas sätt att arbeta på och därmed kännedom såväl om fysikens möjligheter som om dess begränsningar. den osynliga verkligheten Fysiken navigerar i en skuggvärld För över år sedan beskrev Platon fysikens största dilemma. bridgeman/scanpix Den världsbild som fysikerna i dag kommit fram till bygger på tankar som formulerats under år. De grekiska filosoferna har här haft stor betydelse. En av dem är Platon ( f Kr), som var elev till Sokrates. Platon är känd för sin grottanalogi, som handlar om människor som sitter fjättrade i en grotta och bara kan se en vägg. Bakom dem finns ett bål, och allt de kan se är skuggorna av det som passerar bakom dem eller utanför grottan. För de fjättrade människorna är skuggorna verkligheten. Vi borde med hjälp av fysikernas mätningar och experiment vara bättre ställda än de fastkedjade grottmänniskorna. Det var så den klassiska fysiken tog sin början. Man mätte på saker vi kunde ta på, till exempel rörelsen hos ett klot eller trycket i en ångpanna. Efter införandet av kvantmekaniken är det som om Platons idéer åter blivit aktuella. Vi mäter och beräknar men den kvantmekaniska verkligheten bakom beräkningarna är helt ogenomtränglig och kanske till och med obegriplig för oss människor. Teorin fungerar varje gång vi testar den, men det är som om den berättar för oss att det vi ser bara är skuggor av en djupare liggande verklighet. claus lunau De människor som sitter kedjade i Platons grotta ser inte verkligheten utan enbart skuggor av den. 64 Av Helle och Henrik Stub Illustrerad Vetenskap nr 10/2011

5 Den skeva verkligheten Varje karta förvränger världen s. dalton/nature pl Felaktig matematik skapade myten om humlans flygoförmåga. den falska verkligheten Humla påstods trotsa naturen En av de mest seglivade historierna om fysikernas bristande förmåga att förklara världen omkring oss är myten om att humlan inte kan flyga. Naturligtvis kan den det, och dess flygning strider inte mot fysikens lagar. Myten visar hur fel det kan bli, om man väljer en felaktig modell. Historien har säkert börjat med en snabb beräkning på baksidan av ett kuvert. Den enklaste modellen är att jämföra humlors vingar med vingarna på ett flygplan. Det är matematiskt genomförbart, då ett flygplans vingar sitter fast och det gör det lätt att räkna ut vingarnas lyftkraft. Vingarna på en humla är dock inte fastlåsta. De rör sig i ett mycket komplicerat mönster upp och ned. Vingarna påminner i sin funktion mycket mer om den enorma rotorn på en helikopter än om en flygplansvinge. Deras rörelse skapar komplexa luftströmmar, och resultatet är att vingarna ger lyftkraft, både när de rör sig uppåt och när de rör sig nedåt. Humlans flygning är inte något som kan klaras av med en snabb beräkning. Det kräver en mycket komplicerad modell och en massa datorkraft. Det har vi tillgång till i dag, men det är fortfarande inte mer än drygt 20 år sedan som gåtan om humlan slutgiltigt löstes. När vi skall orientera oss använder vi kartor. En karta över en stad är överskådlig, eftersom den visar enbart den information vi behöver, till exempel om vägar och järnvägar. Verkligheten med dess otal detaljer skulle bara göra oss totalt förvirrade. Vi måste välja vad som betyder mest för oss. Som varje sjökapten vet, finns det inget sjökort som täcker hela världen. Antingen är kartan exakt vid ekvatorn och alla områden vid polerna förvrängda eller tvärtom. På 1800-talet bevisades det matematiskt att det inte går att rita en platt karta över hela vårt runda klot, på vilken alla avstånd är korrekta. Liksom geograferna ritar kartor, ritar fysikerna kartor över den verklighet som omger oss. En fysikkarta är en uppsättning ekvationer och lagar, som beskriver en del av världen. Fysikerna föredrar att tala om modeller i stället för om kartor, men tanken är även här att få överblick genom att bara ta med de delar av verkligheten vi behöver. Många fysikaliska beräkningar kan bara genomföras, därför att de modeller man använder är mycket förenklade. Möjligtvis står fysikerna med sina modeller i precis samma situation som sjökaptenen att det inte finns en enda modell som korrekt beskriver hela det enorma universum som omger oss. Vi har i dag många bra modeller för små delar av verkligheten, men ännu har vi ingen teori som täcker allt och frågan är om det överhuvudtaget finns en sådan perfekt modell för hela universum det som fysikerna gett namnet TOE, Theory of Everything. En avståndskorrekt avbildning av ett klot på en platt yta är matematiskt omöjlig. Därför blir platta kartor felaktiga vid polerna. shutterstock & alamy Illustrerad Vetenskap nr 10/2011

6 Den klassiska fysiken cirka : FRÅN URVERK TILL VÄRMEDÖD I fysikens barndom har orsak alltid en verkan, och naturen är mätbar. Fysiken kan omsättas till en ström av praktiska uppfinningar och får enorm popularitet, då den verkar göra världen allt bättre. De största utmaningarna: Hur kan vi skapa elektricitet? Vilket är sambandet mellan värme och energi? Vad är värme? Ångmaskinen satte bokstavligt talat tryck på produktionen. Här en bo mullsfabrik på 1830-talet. scanpix P å 1700-talet formuleras fysikens världsbild framför allt av en enda fysiker, nämligen Isaac Newton, som med sin banbrytande tyngdlag ger den första vetenskapliga förklaringen på hur planeterna rör sig. Det är nu möjligt att genomföra exakta beräkningar av planeternas banor många år in i framtiden. Newtons universum kan närmast uppfattas som ett urverk, välordnat och styrt av matematikens lagar. Det himmelska urverket är dock en sak för astronomerna. I 1700-talets salonger är det andra delar av fysiken som de välbärgade roar sig med i synnerhet elektriciteten, där det alltid gör succé att kunna få gnistor från människor som har blivit elektriskt laddade. För de rika är elektriciteten en leksak man kan underhålla med för fysikerna är den nästa stora utmaning. Den franska revolutionen ligger ännu 20 år in i framtiden, när James Watt 1769 tar patent på sin ångmaskin och därmed skapar grundvalen för industrisamhället. Överallt byggs fartyg och fabriker drivna av ångmaskiner, och en av de stora 66 Illustrerad Vetenskap nr 10/2011

7 Epokens profiler bridgeman/scanpix Tyngdlagen gav en förklaring på planeternas rörelser, som bland annat astronomen Tycho Brahe hade observerat. Universum verkar arbeta som ett välsmort urverk. utmaningarna för ingenjörerna är att göra dem bättre och effektivare. Det saknas helt klart kunskap om ett så grundläggande begrepp som värme, och det blir inledningen till ett viktigt samarbete mellan fysiker och ingenjörer. Fysikerna börjar nu intressera sig för sambandet mellan värme, energi och arbete, och långsamt utvecklas den moder na värmeläran eller termodynamiken. Den gamla teorin om värme som ett osynligt ämne, calor, som flyter från värme mot kalla föremål, ersätts av den moderna beskrivningen av värme som energin i molekylernas rörelser. Termodynamiken får sina två huvudlagar, som är grunden för modern fysik. Första lagen är lagen om energins bevarande. Den andra är lagen om entropins tillväxt. År 1820 tar fysiken en helt ny vändning då H C Ørsted upptäcker elektromagnetismen. Ørsted finner under en föreläsning att elektrisk ström kan påverka en magnetnål, men det är fysiker som Ampère i Paris och Faraday i London som bygger vidare på Ørsteds upptäckt. Med Faradays upptäckt av induktionslagen är grunden lagd för produktion av elektricitet i stor skala. För att producera elektricitet behöver man bara ha några turbiner, som snabbt snurrar runt och Illustrerad Vetenskap nr 10/2011 det är en uppgift för ångmaskinen, som har genomgått en enorm utveckling. Endast 60 år efter upptäckten av elektromagnetismen byggs de första elektricitetsverken omkring 1880, och därmed har termodynamiken och elektromagnetismen funnit varandra. Kablar skapar det första Internet Elverken och de telegrafkablar som nu förbinder det mesta av jorden och skapar vad man kan kalla för dåtidens Internet, är 1800-talets höjdpunkter inom ingenjörskonsten. Teknologin är dock bara den synliga delen av framstegen. Termodynamiken och elektromagnetismen utgör också grunden för en ny världsbild och det är här vi möter en av de största vetenskapsmännen i historien. Den skotske fysikern James Maxwell sammanfattar 1865 mer än 40 års experiment med elektromagnetismen i endast fyra ekvationer. Maxwells ekvationer är i linje med Einsteins senare relativitetsteori, och liksom termodynamikens lagar har de överlevt 150 års utveckling utan att ändras. Maxwells ekvationer visar det väldigt nära sambandet mellan elektriska fält och magnetfält. Ekvationerna beskriver hur elektriska fält skapas av ladd scanpix Isaac Newton ( ) lade med sin tyngdlag och sina rörelselagar grundstenen till den klassiska fysiken. Han visade bland annat att alla himlakroppar lyder under tyngdkraften. Med sina optiska studier visade han att vitt ljus är sammansatt av alla spektrets färger. Han uppnådde stor ära bland annat dubbade engelska drottningen honom till riddare. spl/scanpix Lord Kelvin ( ) började på universitetet som tioåring och blev professor vid 22. Han insåg bland annat att värme orsakas av rörelse och uppfann den temperaturskala som fortfarande bär hans namn. Han ställde dessutom upp en teori för hur elektriciteten breder ut sig i kablar och var själv med och lade de första kablarna mellan USA och Europa. Ludwig Boltzmann ( ) gav ett gigantiskt bidrag till fysiken med sin formel för entropi, som visade att oordningen i universum kommer att växa, och att det därför inte kan existera för evigt. Han var säker på existensen av atomer och molekyler men mötte stort motstånd. I ett depressivt anfall hängde han sig året efter att Einsteins påvisat atomernas existens. James Clerk Maxwell ( ) ses i dag som en av de största fysiker som har levt. Med sin fyra ekvationer om elektriska och magnetiska fält förutsade han bland annat det vi i dag kallar radiovågor. Tillsammans med Boltzmann beskrev han molekylers rörelse i en gas och namngav som den förste en metod för att framkalla färgfoton. spl/scanpix bridgeman/scanpix

8 bridgeman art library ningar och hur magnetfält skapas av elektriska strömmar. Maxwells ekvationer öppnar ett nytt universum för oss. Det förutsäger existensen av radiovågor och visar att alla strålar från röntgenstrålning till ultraviolett strålning, synligt ljus, infrarött ljus och radiovågor är av samma fundamentala typ. De är alla elektromagnetisk strålning framkallad av svängande elektriska och magnetiska fält, och de har en gemensam utbredningshastighet på kilometer i sekunden. Etern visar sig vara varm luft Denna hastighet kan inte bara mätas utan dyker av sig själv upp i Maxwells ekvationer. Det är en stor triumf för Maxwell, men han begår ett fel, som först 40 år senare korrigeras av Einstein. En hastighet måste mätas i förhållande till något, och Maxwell föreslår att de kilometrarna i sekunden skall mätas i förhållande till ett osynligt ämne, som H C Ørsted finner under en föreläsning att elektricitet påverkar en magnetnål. fyller universum och som han kallar etern. Stämmer detta, skulle dock vi här på jorden under ett år få olika värden för ljushastigheten, när jorden på sin väg runt solen rör sig i förhållande till etern. Det borde gå att mäta, och det försöker fysikerna Edward Morley och Albert Michelson göra. I ett av fysikens viktigaste experiment, utfört i Ohio 1887, hittar de ingen variation i ljusets hastighet. Förklaringen kommer först 1905 med Einsteins spe ciella relativitetsteori. Termodynamiken ger ett helt annat bidrag till den nya världsbilden. Med lagen om energins bevarande blir det klart att universum inte bara kan existera i all evighet. Stjärnorna producerar en otrolig mängd energi, men universum som vi känner det kommer att dö, när dessa energikällor tömts. Stjärnorna kommer att kylas av, och världen att bli en aning varmare men till sist kommer det att råda samma temperatur överallt, och utan temperaturskillnader kan vi enligt andra huvudlagen om entropins tillväxt inte utnyttja den energi som stjärnorna under miljarder år pumpat ut i rymden. Fenomenet har kallats universums värmedöd. Det eviga universum ersattes alltså av ett universum, som utvecklas från ordning till kaos för att till sist dö entropidöden, när värmen är jämnt fördelad överallt. Denna förutsägelse ingår även i den moderna kosmologin. Efter elektromagnetismens upptäckt blir det möjligt att sända signaler jorden runt. Här placeras en boj ut under utläggningen av den transatlantiska kabeln stapleton historical collection/scanpix Fysikern John Dalton använde på 1800-talet denna modell för att visa att materia består av atomer. science & society picture library Atomer ersätter värmeämne Den kanske viktigaste idé vi har ärvt från den klassiska fysiken är att all materia är uppbyggd av atomer och molekyler. Atomteorin var känd i det gamla Grekland, men kunde bli en del av fysiken först efter att man genomfört experiment som bara kunde förklaras utifrån atomteorin. Teorin om värmeämnet calor var mycket utbredd långt in på 1800-talet, även om det utfördes talrika försök, som man bäst kunde förklara utifrån teorin om att all materia är uppbyggd av atomer och molekyler, och att värme bara är en effekt av energin i molekylernas rörelser. Problemet är att atomer är små och osynliga, även i de starkaste mikroskop, och många fysiker gillade inte att bygga en teori på atomer som ingen kunde se. Det slutgiltiga argumentet för atomernas existens kom först 1905 med Einsteins berömda analys av den så kallade brownska molekylarrörelsen. Den hade upptäckts 1828 av den skotske naturforskaren Robert Brown. Han såg i sitt mikroskop att minimala pollenkorn i vatten utförde några tillsynes helt slumpmässiga sick sackrörelser. Einstein kunde på ett matematiskt övertygande sätt argumentera för att de brownska rörelserna berodde på att de små pollenkornen hela tiden får knuffar från molekylerna i vattnet.

9 DE STORA GENOMBROTTEN Ingen kan skapa energi bara omforma den I dag har tanken på att energi inte kan uppstå eller försvinna utan bara omvandlas från en form till en annan blivit en fast del av vår världsbild. Lagen går också under namnet termodynamikens första huvudlag och den gör det dessvärre fullständigt omöjligt att konstruera en evighetsmaskin. Lagen formuleras första gången av läkaren Julius von Mayer Under en resa till holländska Ostindien Indonesien ser han att hans patienters blod har en djupare röd färg än han är van vid från Europa. Han tolkar det som att patienterna förbrukar mindre syre och därför mindre energi för att upprätthålla kroppstemperaturen i Indonesiens klimat. Det ledde honom på spåret av att värme och mekaniskt arbete båda är former av energi. Oberoende av Mayer får James Joule samma idé 1843, då han mäter hur mycket mekaniskt arbete som krävs för att öka temperaturen i en liter vatten med en grad. Modern fysik är helt baserad på energins bevarande. Skillnaden är nu att vi känner till betydligt fler energiformer än man gjorde på 1800-talet och att vi nu vet att materia kan omvandlas till energi, så som till exempel sker i ett kärnkraftverk. Tiden går från ordning mot kaos Det kan diskuteras vilken lag som är fysikens mest fundamentala. Många säger att det är energilagen, medan andra menar att äran bör tillskrivas termodynamikens andra huvudlag: Entropin i universum kommer alltid att växa. Det är just andra huvudlagen som är anledningen till att vi måste spara på energin, även om energi enligt första huvudlagen inte bara kan försvinna. I princip är entropi ett mått på graden av oordning i ett fysikaliskt system. Blandar vi två gaser som syre och kväve, växer entropin. Före blandningen hade vi en viss grad av ordning, då syret och kvävet var skilda från varandra. Efter blandningen rör sig molekylerna huller om buller. Vi har förlorat information om var molekylerna är, och det har blivit större oordning. I princip kan slumpmässiga kollisioner mellan molekylerna leda till att syre- och kvävemolekyler åter åtskiljs. Denna motsatta process har dock blivit osannolik vi måste kanske vänta längre än universums livstid för att se det ske. I praktiken kommer vi därför aldrig se att blandningar separeras, så att entropin avtar. Andra huvudlagen kan uttryckas som att naturen avskyr skillnader. Energin kommer att försöka sprida sig, tills det till sist inte finns några temperaturskillnader. När det skett, har vi ingen nytta av energin längre. Så även om mer energi inte kan gå förlorad, försvinner den användbara energin: den dyra kemiska energin i kol och olja blir till oanvändbar värmeenergi i luften Vi har eldat för kråkorna. Mer filosofiskt sätter entropin en pil på tidsaxeln, då universum alltid kommer att utvecklas mot ett tillstånd med högre entropi, mer oordning. När vi blandar grädde i kaffet, skapar vi oordning, och de båda elementen kan aldrig skiljas åt igen. spl/scanpix claus lunau Naturen hatar skillnader Vänster rum är fullt med luft, medan det råder vakuum i det högra. Luftmolekylerna i det vänstra rummet susar runt, och när de träffar väggen studsar de tillbaka. Öppnar vi en passage mellan rummen, åker molekylerna bit för bit in i rummet till höger. Därifrån färdas en del genom passagen tillbaka till vänster rum. Så länge det finns färre molekyler till höger, kommer det att vara färre som susar in i vänster rum, och till sist kommer det att vara lika många molekyler i rummen.

10 Den moderna fysiken cirka : Från atomen till universum När fysiken tränger ned i det atomära universum och ut i det kosmologiska, hamnar hela vår världsbild i uppror. Orsak och verkan hänger inte längre ihop, och tid och rum blir relativa storheter. Denna nya fysik kan inte i samma omfattning som tidigare omsättas till praktiska uppfinningar, och över Hiroshima förlorar den sin oskuld. De största utmaningarna: Hur utsänds värmestrålning? Hur uppstår ljus? Hur skall vi förstå tid och rum? I början av 1900-talet träffades fysiker från hela världen ofta för att möta den nya fysikens utmaningar. Här hos Niels Bohr i Köpenhamn. spl/scanpix O mkring år 1900 är man helt på det klara med att det finns olösta problem inom fysiken, men många räknar med att de kan lösas inom de befintliga ramarna. Man vet ju att den klassiska fysiken fungerar och vilar på stabil, experimentell grund. Lord Kelvin håller år 1900 en föreläsning med titeln Nineteenth-Century Clouds over the Dynamical Theory of Heat and Light. I den kommer han in på några av de moln på fysikens himmel, som han anser utmanar den klassiska fysiken och väljer just de två problem som inom några år kommer att lägga grunden för en helt ny fysik. Kelvins första problem är värmestrålningen från en kropp. Värmestrålning är ett välkänt fenomen, som det är lätt att göra exakta mätningar på. Vi vet alla hur en bit järn vid uppvärmning först glöder rött, sedan orange och gult, för att till sist bli vitglödande. Vid varje temperatur utsänds ljus med många olika våglängder, och resultatet kan ses på en kurva, som visar hur det utsända ljuset fördelas på de olika våglängderna. Dock kan inte ens 70 Illustrerad Vetenskap nr 10/2011

11 DE STORA GENombrottEN alamy Vid värmestrålning sänds det ut ljus av olika våglängder. Det sker i bestämda portioner kallade kvanta. Maxwells ekvationer förklara kurvans utseende utifrån den klassiska fysiken. Det visar sig att detta lilla moln på fysikens himmel kommer att välta hela den klassiska fysiken. Lösningen kommer från den tyske fysikern Max Planck, som i december 1900 förklarar kurvan genom att anta att strålningsenergi bara kan sändas ut i bestämda portioner eller kvanta. För strålning med frekvensen f har varje kvantum energin E = h x f, där h nu kallas för Plancks konstant. Härmed inför Planck energikvantum, som bryter mot hela den klassiska fysiken. Planck ser först kvantum som ett matematiskt trick för att förklara värmestrålning och inte som en fysikalisk storhet. Den förste som använder Planks energikvantum som ett fysikaliskt begrepp är Albert Einstein. Det gör han i sin avhandling från 1905 om den fotoelektriska effekten. Energikvantum tas senare upp av Niels Bohr för att förklara vätespektret i hans atomteori från Universum får hastighetsgräns Kelvins andra problem handlar om det fåfänga sökandet efter etern, och det kommer att bilda grundvalen för Einsteins speciella relativitetsteori från Relativitetsteorin ger inte bara universum en hastighetsgräns, nämligen ljusets hastighet. Ännu viktigare är det att hela vår uppfattning av tid och rum förändras. I den klassiska fysiken är tid och rum den scen på vilken fysiken utspelas, men Einstein visar att tid och rum båda är dynamiska storheter, som i stället påverkas av den fysik som sker. I dag talar vi om tiden som 30 år som skakade fysiken. Under claus lunau claus lunau Massa är frusen energi Formeln E = mc 2 anses av de flesta som själva kärnan i Einsteins relativitetsteori men är egentligen mer en konsekvens av teorin. Relativitetsteorin slår fast att ljusets hastighet i vakuum alltid är densamma, och att alla andra fysiska teorier måste anpassas så att de stämmer med detta. Därmed kan bland annat massa och energi, som hittills har varit ojämförbara storheter, nu förenas. Formeln beskriver massa som frusen energi, och när massa omsätts till energi, kan energitillväxten beskrivas med precis denna formel, där E är energin, m är massan och c ljusets Ljusets hastighet är en konstant, vars värde inte beror på huruvida vi rör oss i förhållande till ljuskällan. Enligt relativitetsteorin kommer varje iakttagare att mäta ljusets hastighet till kilometer i sekunden, oavsett om han till exempel rör sig mot ljuskällan med en hastighet av kilometer i sekunden. Konsekvensen är att vi måste ändra vår uppfattning av tid och rum. Tiden går långsammare för kroppar, som rör sig med hastigheter nära ljusets. Det bekräftas dagligen på CERN, som ju sänder runt partiklar i den stora acceleratorn med en hastighet som är 99,99 procent av ljusets. Här mäter man också en annan konsekvens av relativitetsteorin, nämligen att massan av en partikel växer med hastigheten. Det motsatta gäller för längder. Kunde CERN skicka runt en liten rund stålkula i centrets accelerator, skulle vi se den som en platt pannkaka på grund av den så kallade längdförkortningen. Den speciella relativitetsteorin gav också anledning att införa den så kallade Beger sig den ena av två tvillingar iväg på en lång rymdresa, upplever han tiden normalt, men då tiden i hans snabba rymdskepp går långsammare än på jorden, är han yngre än sin bror, när de möts efter hemkomsten. hastighet. Det är denna omvandling som bland annat får stjärnorna att lysa. Ekvationen säger dock också att energi kan omvandlas till massa. När partiklar kolliderar med hastigheter nära ljusets, frigörs så mycket energi att det uppstår nya partiklar, som inte finns i naturen. Det är det som bland annat sker på CERN. Tid och rum smälter samman corbis/polfoto För en kropp i rörelse går tiden långsammare. Det mättes då Harold Lyons uppfann atomuret. fyrdimensionella rumtiden, där tiden behandlas som en fjärde dimension. I dag räknar många fysiker med ett universum som har tio eller elva dimensioner. Illustrerad Vetenskap nr 10/2011

12 DE STORA GENombrottEN Partiklar kan uppträda som vågor En av de viktigaste upptäckterna i den moderna fysiken är att naturen på det atomära planet inte skiljer mellan partiklar och vågor. Ljus kan uppföra sig både som partiklar (fotoner) och som en vågrörelse. En partikel som elektronen kan uppträda som både partikel och våg. Det är inte svårt att påvisa denna dubbelnatur experimentellt. Ett sätt att göra det är att sända en elektronstråle genom ett gitter mot en skärm, som lyser upp när elektronerna träffar den. Resultatet blir ett interferensmönster, som tydligt avslöjar att elektronerna uppfört sig som vågor efter att de passerade gittret. Avlägsnar man detta, uppför sig elektronerna som partiklar, som bildar en liten lysande fläck, när strålen träffar skärmen. På motsvarande sätt har man utfört berömda försök med dubbelspalter, som visar att ljus kan uppföra sig som både partiklar och vågor. Enligt Niels Bohr är det därför inte meningsfullt att fråga vad en elektron är i verkligheten. Det enda vi kan veta är att den i en del försök kommer att uppföra sig som en våg spl/scanpix När elektroner sänds genom ett gitter och träffar en fluorescerande skärm, visar interferensmönstret att de har uppfört sig som vågor. och i andra som en partikel. Däremot är det omöjligt att utföra ett försök, där elektronen har båda egenskaperna på en och samma gång. I sin yttersta konsekvens säger Bohr att vi faktiskt inte kan veta hur världen är, så länge vi inte observerar den, för vi kan avgöra hur den reagerar först i det ögonblick vi utför en mätning. Varje mätning förvränger Att utföra mätningar i atomernas värld är inte lätt. Varje gång vi gör det, stör vi det vi mäter på. Vill vi till exempel mäta hastigheten av en elektron, är vi tvungna att iaktta den genom att sända ljus mot den. Ljuset puffar dock till den lilla elektronen, så att den nu inte längre har sin ursprungliga hastighet. Det kan undvikas genom att använda ljus med mycket lite energi och därmed mycket stor våglängd men den stora våglängden gör det omöjligt att veta var elektronen befinner sig när vi utför mätningen. Heisenbergs osäkerhetsrelation summerar dilemmat. Det är omöjligt att på samma gång utföra exakta mätningar av en partikels position och hastighet. Detta har ingen betydelse för mätningar i vardagen, men det utgör en gigantisk barriär för att tränga in i atomernas värld. Partiklar är evigt förbundna Den kanske allra mest oförståeliga sidan av naturen som kvantmekaniken tillfört oss är den så kallade entanglement. Det engelska ordet betyder hoptrassling, och begreppet gäller partiklar eller fotoner som bara en enda gång har varit i kontakt med varandra. Den kontakten glömmer de aldrig. Låt oss tänka oss att en radioaktiv atom sönderfaller till två andra partiklar. Var och en av dessa partiklar bildas med ett så kallat spinn ett slags rotation kring sin egen axel. Nu följer enligt naturlagarna att summan av partiklarnas spinn skall vara noll, så om den ena partikeln roterar åt ena hållet ( uppspinn ), måste den andra partikeln rotera åt motsatt håll claus lunau Har två partiklar en gång varit i kontakt, kommer de alltid att ha motriktade spinn, oavsett var de är. ( nedspinn ). Vi låter alltså den radioaktiva partikeln sönderfalla, så att partiklarna flyger åt varsitt håll. Vi vet inget om deras spinn, och denna egenskap är inte definierad förrän vi mäter den. När partiklarna nått långt från varandra, mäter vi den förstas spinn. Det är 50 procents sannolikhet för uppspinn och 50 procent för nedspinn. Mätningen finner uppspinn. Därmed har den andra partikeln med säkerhet nedspinn. Det avgörs, då mätningen på den första partikeln utförs. Låt oss anta att de båda mätningarna sker på månen och Mars. Det tar det snabbaste vi känner, nämligen ljuset, flera minuter att komma från det ena klotet till det andra, men mäter vi klockan uppspinn på månen, så kommer fysiker på Mars i samma ögonblick med säkerhet att mäta att den andra partikeln har nedspinn trots att en ljussignal från månen kan nå fram till Mars först klockan Man kan lugnt säga att ingen förstår entanglement. Effekten är dokumenterad i laboratoriet, och matematiskt hör den ihop med att de båda partiklarna fortfarande delar den så kallade vågfunktionen, men därifrån och till att passa in fenomenet i vår världsbild är det långt.

13 Så ser fysikerna världen i dag Epokens profiler spl/scanpix denna korta tid formulerades de två stora teorier som bildar grundvalen för den moderna fysiken: relativitetsteorin och kvantmekaniken. Båda teorierna bryter på avgörande sätt med den klassiska fysiken, och teorierna utvecklas utan stora och dyrbara försök. Den nya fysiken skapas i synnerhet av ikoniska vetenskapsmän som Einstein, men den är även ett resultat av det informella samarbete som förekommer mellan världens fysiker. Man känner varandra och deltar i samma kongresser och så skapar Niels Bohr en unik miljö på Institut for Teoretisk Fysik i en danska huvudstaden Köpenhamn. Det är här som stora delar av kvantmekaniken utvecklas. Verkan förlorar sin orsak Kvantmekaniken tvingar fysikerna att ge upp den gamla drömmen om en åskådlig världsbild. Bland annat för att den bryter mot principen om kausalitet. Begreppet täcker den vanliga erfarenheten att varje verkan måste ha en orsak. Således flyger en fotboll genom luften för att en spelare sparkat till den, Den moderna fysiken har gjort det möjligt för oss att släppa lös kolossala krafter. men i kvantmekanikens förunderliga värld kan en radioaktiv atomkärna sönderfalla utan någon som helst orsak. Det bara sker, och därmed bryter kvantmekaniken mot kausaliteten. Det blir emellertid ännu värre. Vi kan inte ens beräkna om en viss kärna kommer att sönderfalla. Konsekvensen är att fysiken blir så svårtillgänglig att den inte längre kan ge de enkla förklaringarna på världen omkring oss, något som hittills har gjort den förståelig i breda kretsar av befolkningen. Samtidigt förlorar fysiken under 1900-talet i och med atombomben sin oskuld. På gott och ont tvingas fysikerna nu diskutera konsek venserna av sin forskning. Denna debatt upptar många fysiker under det kalla kriget, men i dag är det inte lika mycket kärnfysik som ITteknik som präglar den militära teknologin. På många sätt har kärnvapnen förlorat sin betydelse på grund av GPSteknologin. Kan man träffa med en meters exakthet, kan ett ton vanligt sprängmedel vara precis lika effektivt som en atombomb. Max Planck ( ) var upphovsman till kvantteorin. Med sin teori om att strålningsenergi bara utsänds i kvanta skapade han en avgörande förståelse för ljusets utbredning. Han försökte förgäves förhindra nazisternas ingrepp i forskningen. Albert Einstein ( ) har blivit arketypen för en vetenskapsman. Visade att ljus kan uppföra sig som partiklar, påvisade existensen av atomer och lade fram de båda relativitetsteorierna samt formeln om sambandet mellan massa och energi, E = mc 2. Han flydde 1933 från Tyskland och levde sedan i USA. spl/scanpix Niels Bohr ( ) gav 1913 ett avgörande bidrag till kvantmekaniken med sin atomteori, enligt vilken elektroner kan hoppa från en bana till en annan och därvid utsända ljus. På 1920-talet samlade han världens ledande fysiker på sitt institut, där man i nära samarbete utvecklade kvantmekaniken. Werner Heisenberg ( ) visade att kvantmekaniken hade ett problem, då man inte kan mäta på en partikel utan att samtidigt påverka den. Trots att han ofta var på kant med nazisterna, stannade han i Tyskland under kriget. Richard Feynman ( ) utförde de komplicerade beräkningar som föregick atombomben. Efter kriget gav han bland annat stora bidrag till forskningen om supraledning. Var med i den kommission som undersökte Challengerolyckan. bridgeman/scanpix bridgeman/scanpix scanpix t. harvey/brookhaven natl. lab.

14 Atomernas värld Här dominerar kvantmekaniken Processer kan ske utan orsak. Vi kan inte beräkna om de kommer att ske, bara sannolikheten för att de kommer att göra det. Vi kan ej heller se vad som sker i en atom, bara beskriva den med begrepp från vår egen värld. claus lunau & shutterstock Materia Atomens kinesiska ask Universums minsta byggstenar är de så kallade elementarpartiklarna (kvarkar och leptoner). Kvarkarna ingår i de tunga partiklarna i atomkärnan. Leptoner är däremot små lätta partiklar som elektroner och neutriner. Tre kvarkar Kvark Strängar Partikel Strålning Partiklar kan vara strängar. I verkligheten är kvarkar och leptoner kanske inte partiklar utan strängar, som vibrerar i rum som har mer än tre dimensioner, de så kallade Calabi- Yau-rummen. Calabi-Yau-rum bildar nukleoner, som är de neutroner och protoner som utgör atomkärnan. Atomkärnan bildar tillsammans med de elektroner som kretsar runt den atomerna, som i kombinationer med varandra bildar materia. Atomkärna Kärnor lever sitt eget liv. En instabil atomkärna sönderfaller genom att avge partiklar eller elektromagnetisk strålning. Det sker utan yttre orsak, och vi kan inte beräkna om en kärna kommer att sönderfalla inom en viss tid, bara sannolikheten för att det skall ske. Atom Atomer har molntäcke. En atom (här kol) består av en kärna, som omges av elektroner. I verkligheten kretsar elektroner inte kring kärnan i banor. I stället fördelar de sig i orbitaler, moln eller skal, där det är 90 procents chans att hitta dem. y Elektroner x Orbital Materia kan vara både ordning och kaos och den finns i ett otal former från den levande cellen till kristaller. Levande celler är enormt komplicerade, medan en bergkristall är mycket enkel med sina atomer placerade i regelbundna gitter. I ett plasma far atomerna runt och har till och med förlorat många av sina elektroner. Kristallstruktur Atomstruktur i plasma Henning dalhoff All materia i universum består av 2 x 12 byggstenar Enligt den så kallade standardmodellen består all materia i universum av 24 slags partiklar: sex typer av kvarkar och sex typer av leptoner med varsin antipartikel. Utöver materiepartiklarna finns det också kraftpartiklar (bosoner). De förmedlar de fyra naturkrafterna, nämligen den elektromagnetiska kraften, den starka och svaga kärnkraften samt tyngdkraften. Dessa kraftförmedlare kallas foton, gluon, W- och Z-boson samt graviton. Gravitonerna är ännu inte experimentellt påvisade. Det gäller också den så kallade Higgspartikeln, som enligt teorin måste existera för att några av bosonerna skall kunna ha massa. Materiepartiklar LEPTONER Kvarkar Elektron Elektronneutrino Upp Ned Myon Myon- Charm Sär neutrino Tau Tau- Topp Botten neutrino Kraftpartiklar Fotoner förmedlar den elektromagnetiska kraften. Gluoner förmedlar den starka kärnkraften. W- och Z-bosoner förmedler svaga kärnkraften. Higgspartikel förklarar bland annat varför vissa bosoner har massa. Gravitoner förmedlar tyngdkraften. ej PÅVISad ej PÅVISade

15 DEN Nära OMVärlDEN Här dominerar den klassiska fysiken Allting har en orsak (kausalitet). De flesta processer vi kan iaktta följer en grundläggande ordning. De kan beräknas och förutsägas, men trots den ordning som verkar råda finns det ändå en viss oberäknelighet. claus lunau & shutterstock Solförmörkelse på klockslaget. Solens, månens och andra himlakroppars banor kan beräknas med hjälp av tyngdlagen. Därför kan vi också helt exakt förutsäga solförmörkelser. Vattenfallet följer lagen. Vattnet lyder i sitt fall tyngdlagen. Det betyder att vi bland annat kan beräkna dess acceleration. Kulan håller en rak kurs. När jägaren avfyrar sitt skott mot hjorten, följer kulans bana tyngdlagen och är i princip lätt att beräkna. Bålet omvandlar energi. Enligt termodynamikens första lag om energins bevarande kan energi varken skapas eller gå förlorad, bara omvandlas från en form till en annan. I ett kärnkraftverk kan materia omvandlas till energi. I ett bål friges den kemiska energi som är bunden i träet till värme och ljus. Kulan förvandlar liv till död. När kulan träffar hjorten dör den. Ett exempel på att verkan i vår omvärld har en orsak. Liv beror på en tillfällig ordning. Liv, t ex träd, är beroende av att materia med solenergi kan organisera sig (här via fotosyntes), så att det kan bildas liv. Strömvirvlar är rena anarkin. När vattnet i floden snor sig mellan stenarna, uppstår det kaotiska virvlar. Deras förlopp kan inte beräknas. Dödens lagar segrar till slut. Hela universum rör sig obönhörligt mot stigande oordning (entropins tillväxt). Med tiden blandas allt, tills alla skillnader är utjämnade. När hjorten dör, löses kadavret upp och blandas med omgivningen.

16 UNIVERSum Här dominerar relativitetsteorin I universum råder en grundläggande ordning men det är en ordning som kan vara mycket svår att förstå. Framför allt beror det på att både tid och rum blir dynamiska storheter. Det medför bland annat att tiden går långsammare för kroppar i snabb rörelse. claus lunau spl/scanpix Tiden går snabbare i satelliten Tiden i en GPS-satellit följer inte alltid tiden på jorden. GPS-uret fortar sig varje dygn 45 mikrosekunder i förhållande till ur på jorden, eftersom satelliten rör sig i ett svagare tyngdfält. I gengäld saktar sig GPS-uret 7 mikrosekunder på grund av satellitens hastighet. Totalt fortar sig GPS-uret alltså varje dygn 45-7 = 38 mikrosekunder. Solen kröker rummet och bildar en gravitationsbrunn. Tid och rum smälter samman Enligt relativitetsteorin är tiden en extra dimension, som tillfogas de tre kända dimensionerna från den klassiska fysiken. Tid och rum slås därmed samman i en rumtid, som böjs runt tunga kroppar. I vårt solsystem är det till exempel solens böjnig av rumtiden som håller fast planeterna i deras banor kring vår egen stjärna. Planet Solen Brunnen håller fast planeterna i deras omloppsbanor. Stjärnas position Stjärnas observerade position Bild A Kvasar Solen böjer ljuset Då tyngdkraften från solen böjer rummet, avböjer den också ljuset. Därför kommer en iakttagare på jorden (under en total solförmörkelse) att kunna se en stjärna, även om den egentligen är dold bakom solen. Solen Galaxer fokuserar Himlakroppars avböjning av ljuset innebär att stjärnor, och i synnerhet galaxer, kan fungera som enorma tyngdlinser, som kan skapa helt fantastiska bilder av kvasarer. Tyngdkraften från galaxen ger här inte bara två bilder av samma kvasar den fokuserar också ljuset, så att det förstärks och ger en mycket klar bild. Iakttagare på jorden Galax fungerar som lins. Bild B Svarta hål slukar allt ljus omkring sig Om till exempel en tung stjärna kollapsar, kommer tyngdkraften omkring den att böja rummet så kraftigt att det uppstår ett hål, som fångar in allt ljus omkring sig. Resultatet är att detta område för en iakttagare på jorden blir kolsvart. Därav har beteckningen svart hål uppstått. De allra flesta galaxer tros ha svarta hål i sitt centrum. Universum har växtvärk Enligt Einsteins allmänna relativitetsteori kan universum inte vara statiskt, och man har sedan länge slagit fast att det utvidgar sig. Det sker dock med ökande hastighet, vilket tyder på existensen av en kraft som motverkar tyngdkraften, den så kallade mörka energin.

17 Kan de tre världarna bli en? Atomernas värld, den nära omvärlden och universum utgör tillsammans fysikens världsbild. Den första kan vi inte se utan bara beskriva utifrån den värld som vi känner. Enbart med hjälp av enorma acceleratorer som den på CERN kan vi studera de minsta byggstenarna och försöka förstå de krafter som de lyder. I vår nära omvärld känner vi oss därmed naturligt hemma med dess förutsägbara växlingar mellan natt och dag och den handgripliga skillnaden mellan en sten och en våg på vattnet. Bakom denna bild av ordning råder dock kaos och oförutsägbarhet, och världen runt oss är i mångt och mycket så komplicerad att vi aldrig kommer att kunna ange den i formler. Det gäller inte minst för livet, som sett med en fysikers ögon är en oas, där naturen undantagsvis går mot lagen om entropins tillväxt tack vare solens ständiga energiström. Ute i universum möter vi åter lagar, som vi har svårt att förhålla oss till. Framför allt för att rum och tid, som i vår vardag är den scen som allting utspelar sig på, nu har blivit relativa storheter. Att tiden till exempel inte går lika snabbt överallt verkar helt obegripligt. Vad som kan verka oöverskådligt för de flesta är i gengäld en stor triumf för fysiken. Den tredelade världsbilden är resultatet av tusentals experiment, matematiska beräkningar och inte minst stora fysikers förmåga att tolka dem. Trots det är det ultimata målet för den teoretiska fysiken fortfarande att samla fysikens tredelade världskarta till en. Här står emellertid två stora hinder i vägen. För det första måste relativitetsteorin och kvantmekaniken förenas. Den förstnämnda handlar om vad som sker vid höga hastigheter nära ljusets, och hur tunga kroppar kan ändra själva rummets form. Trots sin stora komplexitet är relativitetsteorin dock djupast sett en klassisk teori, då vi i princip kan beräkna vad som sker i framtiden. Gentemot den står så kvantmekaniken, där allt utspelar sig på en passiv scen av tid och rum. Rummet är fyllt av virtuella partiklar, som bildas och försvinner i ett mönster som bara kan förutsägas med en viss sannolikhet. De båda teorierna är olika som natt och dag. Den andra utmaningen är standardmodellen, vars 24 byggstenar styrs av fyra naturkrafter. Man arbetar hårt på att ställa upp en gemensam teori för de fyra krafterna, men det är lång väg kvar. De fyra naturkrafterna är svåra att samla Det närmaste fysikerna kommit att samla naturkrafterna under en gemensam hatt är en teori som förenar elektromagnetismen med den svaga kärnkraften. Det finns hopp om att utvidga teorin till att omfatta även den starka kärnkraften i en Grand Unified Theory (GUT). I gengäld ligger slutmålet att få med tyngdkraften i teorin och förena relativitetsteorin och kvantmekaniken i en Theory Of Everything (TOE) långt in i framtiden. Den elektromagnetiska kraften växelverkar mellan elektriskt laddade partiklar. Den svaga kärnkraften får tunga elementarpartiklar att sönderfalla till lättare. Den starka kärnkraften håller samman kvarkar och atomkärnor. Den svaga kärnkraften och den elektromagnetiska kraften är förenade i en teori om den elektrosvaga kraften. GUT (Grand Unified Theory) skall förena den starka kärnkraften med den elektrosvaga kraften. Detta mål ligger inom räckhåll. TOE (Theory Of Everything) skall bland annat förena GUT med tyngdkraften. Detta mål är vi ännu långt ifrån. claus lunau Tyngdkraften är en dragningskraft mellan allt som har en massa. Det är till exempel tyngdkraften som håller ihop stjärnorna i en galax, men den har överhuvudtaget ingen betydelse på partikelnivå.

18 Framtidens fysik cirka 2000 bortom oändligheten Fysiken står inför ett vägskäl. Den experimentella fysiken kommer att sluka enorma resurser, om vi skall sträva efter den kompletta världsbilden. Därmed kan den sluta i ren matematik. Vi kan emellertid också välja att satsa på praktiska resultat i laboratorierna. De största utmaningarna: Hur förenas kvantmekanik och relativitetsteori? Vad gör vi med tyngdkraften och finns det fler dimensioner, universum och naturlagar? F ysikens betydelse för samhället har förändrats mycket de senaste 200 åren. Under 2000-talet har den blivit abstrakt och svårtillgänglig, och det kan vara svårt att se det nära samband som trots allt finns mellan fysik och teknik. I stället är det fysikens mer filosofiska aspekter som är dess ansikte utåt. Experimenten på CERN är spännande just för att de rör vid de stora frågorna om huruvida det finns andra dimensioner och universum utanför det universum vi känner. Denna kanske mer spekulativa uppfattning av fysiken visar sig i jakten på den mycket omtalade Higgspartikeln, som i pressen ofta omtalas som the God particle. Dagens utveckling av fysiken har kommit gradvis, och det är ännu för tidigt att säga om fysikens framtid ligger i teoretiska studier av andra dimensio Minst en Higgspartikel måste finnas för att standardmodellen skall stämma, men det kräver enorma mängder energi att skapa sådana, kanske mer än CERN kan klara. En partikel skall rädda standardmodellen Higgspartikeln är utan tvivel den mest omtalade elementarpartikeln i fysikens historia. Den har ännu inte hittats, men sökandet på CERN och Fermilab i USA har skapat rubriker över hela världen. Är våra nuvarande teorier korrekta, måste den helt enkelt existera. Annars har standardmodellen allvarliga problem. Inom fysiken har vi en typ av partiklar kallade bosoner, som förmedlar naturkrafterna. Den masslösa fotonen förmedlar elektromagnetismen, medan den svaga kärnkraften bärs av de tunga W- och Z-bosonerna. Teoretiskt borde alla dessa bosoner sakna massa, så för att förklara varför en del bosoner är tunga, uppfann Peter Higgs och andra forskare en mekanism (i dag kallad Higgsmekanismen), som ger partiklarna massa. En konsekvens av denna teori är att minst en så kallad Higgspartikel måste existera. När partiklar växelverkar med Higgs, får de sedan massa. Ju mer de växelverkar, desto tyngre blir de. Teorin löste många problem, men skapade även nya. För det första har vi fortfarande inte sett Higgs, och för det andra vet vi inte hur tung den är. Förutsättningen för att skapa Higgs är att låta protoner kollidera med hastigheter nära ljusets. Då frigörs enorma mängder energi, som åter kan omsättas till massa, men är Higgs mycket tung, kan inte ens CERN leverera tillräckligt med energi för att skapa partikeln. Då kanske vi aldrig får svar på om den finns. spl/scanpix Supersträngar är en flott matematisk teori men kräver nio rumsdimensioner. claus lunau Strängar vibrerar i flera dimensioner En av fysikens största utmaningar är att finna en kvantteori för tyngdkraften. Ett av de bästa förslagen är den så kallade strängteorin. Den grundläggande idén är enkel. Många elementarpartiklar har en mycket kort livstid, innan de sönderfaller till mer kända partiklar. Det kan tolkas som att de befinner sig i ett uppskruvat tillstånd med hög energi. När de sönderfaller, gör de sig av med sin överskottsenergi genom att utsända partiklar. Det motsvarar att även en fiolsträng befinner sig i olika energitillstånd, när den svänger med olika frekvenser. Denna analogi kan utvecklas matematiskt, så att det blir meningsfullt att tala om elementarpartiklar som endimensionella strängar, som kan vibrera med olika frekvenser motsvarande olika energier. Priset är dock att strängarna inte vibrerar i vårt tredimensionella rum utan i ett rum som har nio dimensioner utöver en tidsdimension.

19 ner och universum. Det är en väg som är farlig att beträda, då vi inte kan utföra försök som kan testa teorierna. År 1949 inleder den brittiske science fiction-författaren Arthur C Clarke sin roman The Wall of Darkness med orden: Many and strange are the universes that drift like bubbles in the foam upon the River of Time. Clarke kunde inte veta det, men det är en mycket god beskrivning av den nya världsbild som vissa fysiker anser att vi närmar oss att vårt universum bara är ett bland många, som något poetiskt uttryckt driver som bubblor i skummet på tidens flod. Kanske på väg mot en ny fysik Vill vi förutsäga utvecklingen inom 2000-talets fysik kan vi göra detsamma som lord Kelvin gjorde år 1900 att titta på de olösta problem som vi har ärvt från föregående århundrade. Dem finns det många av, men precis som för 100 år sedan vet vi inte vilket problem som innehåller början på en ny fysik och vilka problem som kan lösas med en känd teo ri. Det råder inga tvivel om att det största problemet är att relativitetsteorin och kvantmekaniken står som två separata teorier, som gäller för varsitt område. Relativitetsteorin gäller framför allt i universum och bygger trots sin omedelbart svårförståeliga sammanblandning av tid och rum dock fortfarande på förlopp som vi kan beräkna. Kvantmekaniken utspelar sig däremot i atomernas mikrokosmos, är oberäknelig i klassiskt avseende och opererar med byggstenar, som vi i bästa fall kan se skuggor av i stort upplagda experiment. Problemen med tyngdkraften och standardmodellen har lett till den så kallade strängteorin, som formulerades Strängteorins grundläggande idé är att elementarpartiklarna inte är små punktliknande partiklar utan snarare små strängar, som vibrerar i ett rum med hela nio dimensioner. Teorin har till viss del införts för att lösa några matematiska problem hos standardmodellen men framför allt för att göra det möjligt att föra in tyngdkraften i modellen. De matematiska problemen med att skapa strängteorin var enorma och har utmanat många av världens bästa fysiker. Den klassiska strängteorin är nu avlöst av den så kallade M-teorin, som har ökat antalet rumsdimensioner från nio till tio. Även om teorierna är matematiskt eleganta, har de det gemensamma problemet att de är omöjliga att undersöka experimentellt. Det kräver nämligen ener gier som är betydligt större än allt som även den 27 kilometer långa CERNacceleratorn LHC kan producera vi måste faktiskt ha acceleratorer stora som FRAMTIDENS MÅL Vårt universum är ett av många Huruvida strängteorin kommer att visa sig vara ett av fysikens bästa påhitt eller om den kommer att kasseras som 1700-talets teori om värmeämnet calor är för tidigt att säga, men åtminstone har den gett matematikerna möjlighet att lägga fram teorier utan att hämmas av experimentella fakta. Resultatet har blivit M-teorin, där M ursprungligen stod för membrane, men i dag tolkas på många sätt, till exempel magic och master. M-teorin innehåller alla strängteorier och ersätter de endimensionella strängarna med figurer, som kan svänga i flera dimensioner som tvådimensionella membran och andra figurer i ännu fler dimensioner. M-teorin kräver en extra rumsdimension, så att vi nu måste hålla ordning på inte mindre än tio rumsdimensioner och en tidsdimension, alltså elva dimensioner. De dolda dimensionerna kan veckas på många sätt, och varje sätt motsvarar en uppsättning naturlagar och naturkonstanter. En möjlig tolkning av M-teorin är att det till vart och ett av de sätt som de dolda dimensionerna kan veckas på finns ett universum med helt egna lagar. Stämmer det, är det inte så märkligt att det också finns plats för ett universum som vårt med de lagar och naturkonstanter som här gör det möjligt att hysa liv. Det måste dock understrykas att hela idén om ett multiversum bestående av minst universum är rena teorier. Det kan diskuteras om M-teorin överhuvudtaget kan kallas för en fysikalisk teori, då den saknar koppling till mätningar och experiment. M-teorin opererar med universum vart och ett med sina egna naturlagar. spl/scanpix