De hemmelige partiklene

Fra de minste partikler til de største galakser, fra kvarker til sorte hull, fra dagliglivet og helt tilbake til Big Bang – dette er historien om naturens hemmelige partikler, og hvordan de former vår virkelighet.

I boken kan du lese om verdens største eksperimenter, om CERN og LHC, og om hvordan fysikere i dag benytter både dype huler, isen på sydpolen og selve verdensrommet til å studere naturen. Du møter den nyoppdagede Higgspartikkelen, nøytrinoer og atomkjerner, og dessuten mørk materie, superstrenger, sorte hull, mørk energi og universets fødsel. Du blir invitert inn i kvantenes finurlige verden, og du presenteres for Einsteins relativitetsteori, Bohrs atommodell, sammenfiltrede fotoner og andre tema fra fronten av moderne fysikk.

Bjørn H. Samset formidler partiklenes kompliserte verden på en

inspirerende og lettfattelig måte. Er du nysgjerrig på naturen, vil du ha glede og utbytte av denne boken.

ISBN 978-82-15-02185-0

ISBN 978-82-15-02185-0

Omslagsfoto gjengitt etter velvillig tillatelse fra Roy Kaltschmidt, Lawrence Berkeley National Laboratory.

9

788215 021850

Bjørn Hallvard Samset De hemmelige partiklene

Hvordan virker verden? Hvilke byggestener er vi laget av, hvilke krefter styrer naturens gang - og hvordan vet vi dette?

De hemmelige partiklene Hvordan verden er skrudd sammen

Foto: Monica Bjermeland, CICERO Senter for klimaforskning

Bjørn Hallvard Samset

Bjørn H. Samset er fysiker og fagformidler, og hyppig brukt som kommentator og skribent i norske medier. Han har doktorgrad i partikkelfysikk fra Universitetet i Oslo og har vært tilknyttet flere store internasjonale laboratorier, deriblant CERN. Nå jobber han som seniorforsker ved CICERO Senter for klimaforskning, med modellering av atmosfæren som hovedfelt. Han har tre barn og minst dobbelt så mange gitarer.

1

De hemmelige partiklene

De hemmelige partiklene.indd 1

03.09.13 12:56

2

De hemmelige partiklene.indd 2

ďťż

03.09.13 12:56

3

Bjørn H. Samset

De hemmelige partiklene Hvordan verden er skrudd sammen

universitetsforlaget

De hemmelige partiklene.indd 3

03.09.13 12:56

4



© Universitetsforlaget 2013 ISBN 978-82-15-02185-0

Materialet i denne publikasjonen er omfattet av åndsverklovens bestemmelser. Uten særskilt avtale med rettighetshaverne er enhver eksemplarfremstilling og tilgjengeliggjøring bare tillatt i den utstrekning det er hjemlet i lov eller tillatt gjennom avtale med Kopinor, interesseorgan for rettighetshavere til åndsverk. Utnyttelse i strid med lov eller avtale kan medføre erstatningsansvar og inndragning og kan straffes med bøter eller fengsel.

Forfatteren har mottatt støtte fra Det faglitterære fond.

Henvendelser om denne utgivelsen kan rettes til: Universitetsforlaget AS Postboks 508 Sentrum 0105 Oslo www.universitetsforlaget.no

omslagsdesign: Sissel Tjernstad og Bjørn H. Samset sats: Rusaanes Bokproduksjon AS trykk og innbinding: 07 Media AS boken er satt med: Stempel Garamond LT Std 10,5/14 papir: 100 g Arctic Matt 1,25

De hemmelige partiklene.indd 4

03.09.13 12:56

5

Til Kanutte, Vilde og Eldrid

De hemmelige partiklene.indd 5

03.09.13 12:56

6

De hemmelige partiklene.indd 6

ďťż

03.09.13 12:56

Innhold

7

Innhold

Forord . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Innledning Når har vi «forstått» verden? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Kapittel 1 Hvordan verden er skrudd sammen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Fra kronblad til kvark. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Atomkjernen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Naturen er bygget av atten klosser. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Kapittel 2 En reise inn i atomet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Det året atomet sprakk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Tomrom, katodestråler og elektroner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 Atomet, puddingen og solsystemet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 Relativitet og energi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 Kvantenes rare verden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 Bohrs atommodell. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 Kapittel 3 Standardmodellen for partikkelfysikk. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 Naturen = stoff + krefter + matematikk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 «Alt er partikler». . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 Kraftpartikler – også kalt bosoner. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 En veldig viktig svekling. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 Stoffpartikler – også kalt fermioner. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 Atomkjernestoff. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

De hemmelige partiklene.indd 7

03.09.13 12:56

8

Innhold

Hva kan vi bygge av kvarker?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Partiklenes matematikk – også kalt kvantefysikk. . . . . . . . . . . . . . .

Hvordan kan vi vite noe om partikler? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

En enda bedre modell for atomet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

60 61 64 66

Kapittel 4 CERN, LHC og moderne partikkelfysikk. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 Hvordan vi spør naturen om dens dypeste hemmeligheter. . . . . . . 69 Partikkelfysikk i de tusen hjem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 Større og større ringer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 Verdens største og mest kompliserte maskin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 Det er i kollisjonene det skjer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 Detektorer – kameraer som ser partikler. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 Mange, mange, mange kollisjoner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 En armé av fysikere. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 En godt utstyrt verktøykasse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 Kapittel 5 Antimaterie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 Naturen er dobbelt så spennende som vi trodde. . . . . . . . . . . . . . . . 88 Det lønner seg å stole på matematikken. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 Ta aldri en antiperson i hånden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 Bang?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 Gårsdagens oppdagelse kan bli dagens medisin . . . . . . . . . . . . . . . . 93 Å PET-scanne universet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 Savnet: Vanvittige mengder antimaterie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 Antiatomer på jorden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 Kapittel 6 Nøytrinoer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 Tusen milliarder spøkelser per sekund. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 Partikkelpest eller energikolera?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 Å oppdage det uoppdagelige. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 Nøytrinoet i moderne drakt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 Solen – en nøytrinostjerne. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 Så seiler vi på eksperimentet vårt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 Savnet: Veldig, veldig mange nøytrinoer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 En himmel full av nøytrinoer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 Budbringere om ny fysikk, i en stråle gjennom jorden . . . . . . . . . . 117 Morgendagens nøytrinofysikk. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

De hemmelige partiklene.indd 8

03.09.13 12:56

Innhold 

9

Kapittel 7 Higgspartikkelen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 «Jeg tror vi har den». . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 Et lenge etterlengtet selskap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 To krefter blir til én. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 Og så var det en til. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 Jakten på den forsvunne partikkel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 Tevatron og LHC – skilpadden og haren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 Hva er egentlig Higgspartikkelen?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 «Alt er felt». . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 Å oppdage en partikkel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 Higgsfeltet og massene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 Kapittel 8 Kvantenes forunderlige verden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 Fra det klassiske til det kvantiserte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 Bølger, sannsynligheter og bilder av atomer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 Da Bohr og Einstein kranglet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 Sammenfiltrede fotoner og uknekkelige koder. . . . . . . . . . . . . . . . . 146 Teleportasjon og kvantedatamaskiner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 Vakuum er ikke lenger tomt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 Grensen mellom den klassiske verden og kvantenes domene. . . . . 152 Kapittel 9 Den sterke kjernekraften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 Å bygge et atom fra bunnen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 En sterkt besværlig kraft. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 Kjernemysteriene. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 Kvantefysikk og atomkjerner. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 Den uforståelige kjernekraften. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 Goliat blir til David. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 Hva smelter en atomkjerne til?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 Kvarkstjerner og universets fødsel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 Den sterke kjernekraften og morgendagens teknologi. . . . . . . . . . . 171 Alkymi i moderne drakt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 Kapittel 10 De topphemmelige partiklene. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 Hva mangler i bildet vårt?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 Kvantefysikkens nemesis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177

De hemmelige partiklene.indd 9

03.09.13 12:56

10

Innhold

Generell relativitetsteori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Kvantegravitasjon?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Mørk materie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

En massiv sprekk i modellen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Er der flere partikler der ute?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Supersymmetri. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Andre hypotetiske partikler. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Morgendagens eksperimenter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Partikkelfysikk i verdensrommet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

178 180 181 184 185 185 188 189 191

Kapittel 11 Partiklene, universet og oss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 En skapelsesberetning. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 Superkrefter og superteorier. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 13,8 milliarder år med partikler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199 Universets første klumper. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 Superstrenger og 11-dimensjonalt rom. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 Sorte hull – på jorden?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205 Mørk energi og den dårligste forutsigelsen i fysikkens historie . . . 207 Partiklene og deg, verden og fremtiden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210 Tillegg 1 Fremmedordliste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 Tillegg 2 Tidslinje for partikkelfysikk. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 Tillegg 3 Lesetips og litteraturliste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219 Bildeliste. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221 Stikkordregister. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223

De hemmelige partiklene.indd 10

03.09.13 12:56

Forord

11

Forord

Populærvitenskapelig bok – Inneholder partikler Ingredienser: Oppkvarker, nedkvarker, elektroner, fotoner, gluoner, passerende nøytrinoer, tilfeldige vakuumeksitasjoner Energifordeling per 100 sider: Energi: 8.9 PetaJoule/

2.1 PetaCalories Atomkjerner: 99.9 % Protoner 42.3 % Nøytroner 57.6 % Elektroner: 0.01 %

Velkommen til partiklenes verden. Denne boken er ment som en lett og ledig veiviser til en del av naturen de færreste av oss har noe nært forhold til, men som likevel er rundt oss og i oss hele tiden. Partiklene er oss. De forunderlige lovene og reglene de følger, har vært med på å forme universet, fra Big Bang og frem til i dag. Partiklenes historie presenteres her uten matematikk eller tekniske detaljer, på en slik måte at alle som har en interesse for naturen, skal kunne følge den.

Bokens første målgruppe er alle de interesserte og nysgjerrige personene, i alle aldre, som jeg har møtt når jeg har formidlet partikkelfysikk rundt om i Norge. Etter foredrag, i kommentarfelt under nyhetssaker, på epost og på telefon. Det er et eller annet med partiklene som fascinerer oss alle, enten vi er lærere, elever, pensjonister, lesere av en nettavis eller professorer. Denne boken er til alle dere som er nysgjerrige, og ikke har fått ha gleden av å jobbe med dette spennende faget ved et universitet i ti år.

Mer spesielt er boken rettet mot elever på videregående skole som blir nys-

De hemmelige partiklene.indd 11

03.09.13 12:56

12

Forord

gjerrige på fysikkfaget, men som ikke synes de får nok stoff om moderne fysikk fra lærebøkene. Jeg har også hatt lærere i tankene, og dekker noe pensumstoff fra både ungdomsskolen og videregående fra en alternativ vinkel. Eksempler er Bohrs atommodell, kvantefysikk, sammenfiltrede fotoner og universets tidlige utvikling.

Det har vært en stor glede å skrive denne boken. Jeg har kunnet unne meg å oppdage den utrolige bredden i faget «partikkelfysikk» på nytt, slik jeg oppdaget det for første gang sent på 1990-tallet i forelesningene til professor Alex Read ved Universitetet i Oslo (UiO). Takk, Alex – du var en glimrende foreleser, og dessuten en god sjef og kollega i årene som fulgte. Det samme gjelder mine veiledere Trine Tveter og Gunnar Løvhøiden, og alle i de to faggruppene for eksperimentell partikkel- og tungionefysikk ved UiO. Takk for kunnskap, samarbeid, nattevåk og diskusjoner om teposer.

Parallelt med å lære meg partikkelfysikk har jeg fått anledning til å drive mye med fagformidling. Jeg vil berømme Fysisk institutt ved UiO for så tydelig å se nytten og verdien av formidling av fag, både for samfunnet og for den som formidler, og at de tar konsekvensen av dette ved å oppmuntre og støtte opp om unge formidlere. Måtte alle Norges institutter tenke som dere gjør – da ville samfunnet vårt snart ha blitt rikere på kunnskap.

Det er mange som bør nevnes når en anledning som denne byr seg. Jeg klarer ikke å nevne alle, men her er i hvert fall noen det har vært en glede å samarbeide med, eller som har gitt meg en arena til å formidle både fysikk og partikler: Hilde Lynnebakken, Jonas Lange, Yngve Vogt, gjengen rundt bloggen kollokvium.no, Hanne Finstad og Forskerfabrikken, forskning.no, redaksjonene til Ekko, Verdt å vite og Newton hos NRK, Geir Barstein, Forskningsrådets Nysgjerrigperprosjekt, Norsk Fysikklærerforening, Norsk Fysisk Selskap.

Takk, alle sammen.

Boken er støttet av Norsk Faglitterær Forfatter- og Oversetterforening, og forhåndsinnkjøpt av Naturfagsenteret ved UiO. Tusen takk til dere begge.

Takk også til fagkonsulent Egil Lillestøl, og til Anna Blix for å ha lest og kommentert manus.

Sist, men ikke minst: Takk til min kone Elise, som ikke engang sukket tungt da jeg fortalte at jeg hadde planer om å skrive bok ved siden av full jobb.

Ås, august 2013 Bjørn H. Samset

De hemmelige partiklene.indd 12

03.09.13 12:56

Forord

De hemmelige partiklene.indd 13

13

03.09.13 12:56

14

ďťż

To av den moderne fysikkens fedre, Wolfgang Pauli og Niels Bohr, studerer en snurre­ bass. Med litt nysgjerrighet innabords slutter naturen aldri ü fascinere.

De hemmelige partiklene.indd 14

03.09.13 12:56

Når har vi «forstått» verden?

15

Innledning

Når har vi «forstått» verden?

Er verden rund, eller er den flat og hviler på ryggen til en skilpadde? En vandrehistorie blant forskere sier at en fysiker en gang ble konfrontert med det sistnevnte synet etter en forelesning om universets utvikling.

«Vi vet jo,» sa tilhøreren, «at skilpadden er der.» Foreleseren repliserte med et typisk fysikerargument: «Ja men, hva står i så fall skilpadden på?» Tilhøreren smilte og svarte: «Det er da ikke noe problem. Det er skilpadder hele veien ned.»

Hvordan virker naturen? Dette spørsmålet stiller vi oss alle, helt fra vi er små.

Vi føler, lukter, smaker, hører, ser, og samler erfaringer om hvordan omgivelsene henger sammen. Innen vi er voksne, har vi fått en ganske god oversikt over hva verden består av. Trær og blomster, dyr og fugler, andre mennesker, biler, mobiltelefoner, fotballer, bunadsskjorter og Rubiks kuber. Men er dette alt?

Har vi «forstått verden» hvis vi klarer å ramse opp alle tingene den inneholder?

Et av de mest grunnleggende spørsmålene vi mennesker stiller oss, er hvordan alle disse tingene er skrudd sammen. Hva er verden laget av? Hvordan virker den, sånn innerst inne? Virker vi mennesker på samme måte som biler og tog og bunadsskjorter? Kan man i det hele tatt gjøre en sånn sammenligning?

Hvis vi tar en bit av verden, uansett hva, og deler den i mindre og mindre biter, hva ender vi opp med? Kommer vi ned til noe grunnleggende som alle disse tingene er laget av? Og hvis det er sånn, og vi skjønner hvordan disse minste tingene oppfører seg, har vi da «forstått verden»? Kan vi da starte fra enkle byggeklosser og jobbe oss oppover til vi har satt sammen trær og blomster, dyr og fugler, andre mennesker, biler, mobiltelefoner, fotballer, bunadsskjorter og Rubiks kuber?

Muligens har vi selv ikke da «forstått verden», men vi har i hvert fall kommet et godt steg videre.

De hemmelige partiklene.indd 15

03.09.13 12:56

16

Innledning

Forskere og filosofer har stilt denne typen spørsmål så langt tilbake som vi har skriftlige kilder, og antakeligvis lenger. Vi har hatt ulike svar til ulike tider.

Lenge var svarene begrenset til hva vi kunne erfare med våre fem menneskelige sanser, og det vi kunne tenke oss frem til ut fra det vi sanset. Vi kan alle ta en blomst og plukke et kronblad fra den, og så dele kronbladet i to igjen. Så deler vi den biten i to, og så i to til. Ganske snart klarer vi ikke rive mer med fingrene. Da kan vi ta en kniv og dele biten i enda finere biter, men til slutt må også den metoden gi tapt. Alle barn har gjort dette, og vi har alle erfart det samme: Vi ender bare med bittesmå biter av blomsterblad. Ingenting vi kan dele oss frem til blir noe vi kan bygge noe helt annet av, noe som er like annerledes fra et kronblad som en PC eller en fugl er. Er vi lure og tenkende, kan vi kanskje resonnere oss frem til at selv om vi ikke får det til, så betyr ikke dette at det ikke går an. Vi er store vesener med store fingre og store verktøy.

Hva om de minste partiklene er mye, mye mindre enn noe vi kan lage? Mye, mye mindre enn noe vi kan se? Hva er de i så fall da? Det er en besnærende, spennende tanke, men ikke en vi lett kan forfølge. Faktisk var den umulig å forfølge, annet enn i tankene, frem til den moderne vitenskapen ble født, og vi lærte oss til å lage instrumenter som kan se for oss, som kan dele for oss, og som kan utvide sansene våre.

Det er nemlig noe der inne. Noe bitte lite. Noe som for oss er hemmelig – hemmelig fordi naturen fungerer slik at vi ikke merker det til daglig. Vi kan ikke se det eller erfare det, men likevel er vi laget av det. Egenskapene våre avhenger av hvordan det oppfører seg. Egenskapene til trær og blomster også, og dyr og fugler, biler, mobiltelefoner, fotballer, bunadsskjorter og Rubiks kuber. Det der inne er bitte små deler som ikke kan deles videre, bitene i det fantastiske puslespillet vi kaller verden. De er elementære partikler, og kalles derfor elementærpartiklene – blant venner bare partiklene.

Partiklene har fascinerende egenskaper. I tillegg til å vite omtrent hva som finnes i vår store verden, har vi mennesker også en følelse for hva som «går an» og ikke. Vi kan bevege oss frem til en vegg, men ikke gjennom den. Det kan derimot partiklene. Vi må gå hele veien frem til veggen. Partiklene kan teleportere direkte dit. Vi er bare ett sted på en gang. Partiklene er mange – faktisk alle – steder på en gang. Hvis to av oss bumper hardt inn i hverandre, så sier vi unnskyld og går videre. Partiklene kan isteden bli til hver sin skur av andre partikler, som flyr videre som et fargerikt fyrverkeri. Riktignok ikke med farger slik vi kjenner dem, men med en variasjon i egenskaper som er like stor som fargene i nyttårsraketter.

I denne boken skal vi bli kjent med disse hemmelige partiklene. Vi skal se hvordan verden er skrudd sammen, og dessuten hvordan vi har gått frem for å finne ut at det er slik. Vi skal ta naturen rundt oss og dele den i mindre og mindre

De hemmelige partiklene.indd 16

03.09.13 12:56

Når har vi «forstått» verden?

17

biter, og når vi har kommet langt nok inn, skal vi se på alle de overraskende og fascinerende tingene som partiklene er og kan. Vi skal også se på hvordan forskere i dag går frem for å avsløre enda flere av naturens mysterier, og komme innom noen av de mest avanserte laboratoriene i verden i dag. Forskning på partikler – partikkelfysikk – foregår i dag ikke bare i mørke kjellere på støvete universiteter, men også på satellitter over hodene våre, i dype gruver, dypt nede i havet og til og med nede i isen på Sydpolen.

Deretter, når vi er blitt kjent med byggesteinene som finnes, skal vi teste hvor god forståelsen vår av verden er. Kan vi, ut fra det vi vet om partiklene, bygge oss andre veien igjen, opp til trær og blomster, dyr, og så videre? Vi kan allerede nå avsløre at svaret er nei – men det åpner igjen en hel hærskare av nye, spennende spørsmål. Hvorfor ikke? Hva mangler? Kan vi i dag si noe om hva vi forventer å oppdage i årene fremover? Har vi nådd målet og må bare pusse litt på detaljene, eller er vi nesten like langt fra svaret som da vi ikke kunne rive kronbladet i mindre biter lenger?

Vi skal se at dagens forståelse av hvordan verden «er», er nødt til å være ganske god, samtidig som vi vet at den langt fra er fullstendig. Vi har kommet langt, men ennå er det mange mysterier igjen å løse. Hvordan vet vi det? Interessant nok er det ikke det bitte lille – partiklene og mikrokosmos – som forteller oss hvor vi står, men det helt motsatte, nemlig universet selv. Vi er blitt ganske flinke til å studere hvordan verdensrommet oppfører seg, men skal vi «forstå verden», så bør det vi ser og oppdager ute, stemme overens med det vi finner der nede i partikkelland. Slik er det ikke helt i dag – og det er inspirerende.

Når vi hører om slike uoverensstemmelser, spør vi instinktivt om hvorfor, og dermed er moroa i gang. Vi er allerede i gang med å tenke, med å forske. På slutten av denne boken skal vi trekke opp de mulige linjene fremover for både partiklene og universet, siden de to henger tettere sammen enn man skulle tro.

Mikrokosmos er gjerne regnet som fysikeres domene, en verden man trenger mange år på et universitet for å forstå. Dette stemmer ikke. Du trenger ikke en grad i biologi for å sette pris på dyre- og plantelivet i naturen, og du trenger ikke kunne komplisert matematikk for å bli kjent med partiklene. Alt du trenger, er en guide til å vise deg hvor severdighetene er. Denne boken en slik guide. Vi skal se hvordan verden er skrudd sammen og bli kjent med hver eneste partikkel naturen har å by på, og vi skal trekke opp grensene for hva vi vet i dag. Jeg håper du vil bli med på turen, og at du vil oppdage hemmeligheter ved vår fantastiske natur som du ikke visste om fra før.

De hemmelige partiklene.indd 17

03.09.13 12:56

18

Innledning

Vår fantastiske planet. Hav og land, skyer, isbreer, dyr, planter, og milliarder av men­ nesker. Hva er naturen satt sammen av? Er alt på jorden – og jorden selv – bygget opp av de samme byggesteinene?

De hemmelige partiklene.indd 18

03.09.13 12:56

Hvordan verden er skrudd sammen

19

Kapittel 1

Hvordan verden er skrudd sammen Da ­ jeg tok fysikk på videregående, fortalte læreren, som var partikkel­ fysiker, at det gikk millionvis av usynlige, hemmelige partikler rett gjen­ nom kroppene våre hvert eneste sekund. Vi kunne aldri oppdage dem, men like fullt var de der og måtte regnes som en del av naturen. Noen av oss syntes dette hørtes rart ut, og spurte og grov litt. Hva var de i så fall, disse små, usynlige spøkelsene? Dessverre – eller kanskje heldigvis – greide han ikke å gi noen god forklaring på det.

To år senere begynte jeg på fysikkstudiet ved Universitetet i Oslo.

Ett av mange mål var å bevise for meg selv, eventuelt for verden, at det ikke kunne ha seg sånn. Naturen kunne da ikke være så rar, så spøkel­ sesaktig, så hemmelig?

Så feil kan man ta.

Fra kronblad til kvark Tenk deg at du har fått en stor, hard, firkantet gave. Du pakker opp, og finner til din store glede akkurat det du hadde ønsket deg: Et byggesett. Og ikke et hvilket som helst byggesett heller, men det ultimate settet som heter «Virkeligheten – verden i en boks». Det inneholder alt du trenger for å bygge naturen fra bunnen av. Alle de nødvendige klossene, lim til å sette dem sammen, maling til å farge dem, og en stor og tykk instruksjonsbok. Med skjelvende fingre tar du av plastikktrekket, åpner lokket og finner – hva for noe?

Hva må det være i en slik boks for at den skal holde det esken lover? Hva hadde stått i instruksjonsboken, hvilke klosser ville vært der og hvordan ville limet ha fungert? Det er spørsmålene som blir stilt i faget som kalles partikkelfysikk, og som forskere i hundrevis av år har prøvd å finne svar på gjennom eksperimenter, matematikk og tenking. For omtrent hundre år siden fikk

De hemmelige partiklene.indd 19

03.09.13 12:56

20

Kapittel 1

vitenskapen nettopp en slik flott gave i hendene, akkurat det de ønsket seg.

Teknologien var endelig blitt god nok til faktisk å begynne å studere verdens minste byggesteiner i detalj. Boksen kalt «virkeligheten» kunne sakte, men sikkert åpnes. Hva fant de der? Hva sa bruksanvisningen? Hvor langt har vi kommet i byggingen av modellen? Mangler det noen deler, eller ser det ut til at vi har alt vi trenger?

Det du nå holder i hånden, er historien om det som er i byggesettet: naturens hemmelige partikler. I dette første kapitlet skal vi ta et raskt overblikk over hva boksen inneholder og hvordan vi mener at verden er skrudd sammen. Vi møter alle elementærpartiklene, de minste byggesteinene i naturen, og ser på noen naturlover som utgjør rammene partiklene må leve innenfor. Regler som alt i naturen må adlyde. I neste kapittel begynner vi å se på hvordan vi har kommet frem til denne erkjennelsen. Utover i boken skal vi se hva alle de ulike byggesteinene faktisk er godt for, enten rundt om på jorden, ute i verdensrommet eller gjennom universets historie.

Se på et kronblad fra en vakker blomst. Det er kanskje et par centimeter langt.

Vi tar det mellom fingrene og prøver å rive av en så liten bit som mulig. Biten blir vel på rundt en millimeter, men kan fortsatt lett kjennes igjen som en del av et kronblad. Så tar vi en kniv og skjærer av en så liten del som mulig, og får noe som er 0,1 millimeter langt. Vi kunne neppe identifisert biten med øynene, men en biolog med et mikroskop kunne ha gjort det med letthet.

Hver deling av bladet har gitt oss en bit som er en tidel så stor som den forrige. Lar vi nå biologen med mikroskopet forstørre enda ti ganger, til vi ser en bit som er 0,01 millimeter – ti mikrometer – skjer det noe spennende. Vi ser plutselig at kronbladet, som vi så som en glatt, fin plante, egentlig er satt sammen av mange, ganske like klumper. Vi har funnet plantecellen, byggesteinen i planteliv. Ser vi på vår egen hud på samme måte vil vi finne noe tilsvarende – dyreceller, som ligner på planteceller, men likevel med markert forskjellige egenskaper.

Vi lar biologen forstørre enda ti ganger, og ser nå ting som er omtrent en mikrometer store, 0,000001 meter. Her ser vi alt som er inne i cellen – en cellekjerne, mitokondrier og så videre – og som kunne fylt en bok i seg selv. Vi sier derimot takk til biologen for nå, og går til en kjemiker isteden. Det delene i cellen igjen er bygget opp av, tilhører kjemien. Først forstørrer vi ti ganger til vi ser ting som er 0,1 mikrometer, så ti ganger til, ned til 0,01 mikrometer.

Omtrent her begynner den neste store forandringen. Vi kan legge merke til at uansett hvor på kronbladet vi begynte, så kom vi til ganske like celler, og uansett hvor i plantecellen vi forstørret oss innover, så kommer vi nå til noen ganske like strukturer. Lange bånd av det som ser ut som små klumper som henger sammen på en eller annen usynlig måte. De kalles molekyler, og er byggesteine-

De hemmelige partiklene.indd 20

03.09.13 12:56

Hvordan verden er skrudd sammen

21

ne i alt stoff vi ser rundt oss. Noen molekyler er enkle. Hadde vi for eksempel sett på vann, ville vi ha funnet mange helt like strukturer av tre klumper satt sammen i en slags trekant. I kronbladet er det derimot lengre, mer kompliserte strukturer. Mens biologi (blant annet) handler om hvordan plantecellen virker, og hvordan cellene til sammen blir en plante, handler kjemi (blant annet) om hvordan molekylene virker, og hvordan de til sammen kan bli en celle.

Men hva er disse molekylene satt sammen av? Vi kan vel forstørre oss inn på klumpene de er laget av og se hva de er for noe? Her gir vi ordet til en fysiker, for det som er enda mindre enn molekyler, hører tradisjonelt fysikken til. Vi forstørrer oss først ned til 0,001 mikrometer – en nanometer – og så ned til 0,1 nanometer, 0,0000000001 meter. Da ser vi bare disse klumpene som molekylene var satt sammen av. Klumpene kalles atomer, og uansett hva i naturen vi valgte å forstørre opp – trær og blomster, dyr og fugler, andre mennesker, biler, mobiltelefoner, fotballer, bunadsskjorter eller Rubiks kuber – så ville vi ha funnet dem. Alt rundt oss er satt sammen av atomer.

Har vi da funnet naturens enkleste byggesteiner?

Det periodiske system. En oversikt over alle grunnstoffene i naturen, og hvilke av dem som ligner på hverandre. Frem til slutten av 1800-tallet, da atomet sprakk, var dette de minste delene vi visste om i naturen. I dag er alle naturlig forekommende grunnstoffer oppdaget, men nye lages kunstig med noen års mellomrom. Periode­ systemet er ikke lenger så mystisk som det opprinnelig var, for vi har forstått de dypere hemmelighetene som ligger bak det.

De hemmelige partiklene.indd 21

03.09.13 12:56

22

Kapittel 1

Ordet atom kommer fra det greske atomos, som betyr udelelig, og frem til sent på 1800-tallet mente man at disse nettopp var naturens minste, udelelige puslespillbiter. Slik var det likevel ikke. Vi skal i neste kapittel se på hva som gjorde at dette bildet sprakk – og hvordan man i det hele tatt kunne mene noe om atomer på 1800-tallet, da det ikke fantes mikroskoper som var i nærheten av å kunne ta bilde av et. Nå skal vi derimot fortsette å forstørre, og få en forsmak på hva vi finner inne i atomet.

Hadde vi i sett utover i verdensrommet istedenfor innover i det vi er laget av, ville vi funnet solsystemet. Der ligger en stor, tung sol i midten, og planetene beveger seg i pene baner rundt den. Det vi nå finner inne i atomet er nesten overraskende likt solsystemet. Atomet består av to ting: små partikler som kalles elektroner, som går i baner rundt en stor og tung kjerne. Vi skal se senere at dette bildet er altfor forenklet, men det får holde foreløpig. Hvis du slår opp i en lærebok, vil du se at størrelsen til atomer er omtrent 0,1 nanometer, slik vi nå har forstørret oss inn til. Det betyr bare at skyen av elektroner som svirrer i baner er så stor, akkurat som vi kan si at solsystemet er så stort som avstanden ut til de ytterste tingene som går i bane rundt solen.

Elektronene er de første virkelige elementærpartiklene vi møter. Vi kommer ikke til å dele dem opp i mindre biter, hverken her eller senere i boken. Vi har klart å forstørre oss inn til noe som vi, per i dag, regner som en av de virkelig grunnleggende bitene i naturen, og som er med på å bygge opp alt stoff vi ser rundt oss. Som navnet antyder bærer elektronene elektrisk ladning, og det som skjer når vi sier at det «går en elektrisk strøm» eller at det lyner, er at elektroner flytter seg henholdsvis i en ledning eller mellom skyer og bakken. Allerede her har vi med andre ord oppdaget en partikkel som lar oss forstå flere fenomen i naturen på en enkel måte, og vi skal se senere at dette også er tilfelle for de fleste av de andre partiklene vi finner.

Atomkjernen Atomkjernen, derimot, viser seg å ikke være så enkel. Først må vi forstørre ganske grundig for i det hele tatt å kunne se den. Der atomet er omtrent 0,1 nanometer, er atomkjernen 0,000001 nanometer – bare en titusendel så stor som selve atomet. Når vi kommer inn til den, ser vi også at den er satt sammen av mindre partikler igjen – to typer, kalt protoner og nøytroner. I likhet med elektronet bærer protonet elektrisk ladning – akkurat like stor, men motsatt.

Nøytronet, derimot, har ingen elektrisk ladning.

Protoner, nøytroner og elektroner er dermed partiklene som bygger opp atomet. Hvis et atom er forskjellig fra et annet, er det fordi de to har forskjellig antall av disse partiklene. Det enkleste atomet vi kan bygge, har en kjerne

De hemmelige partiklene.indd 22

03.09.13 12:56

Hvordan verden er skrudd sammen

23

bestående av bare ett proton, og bare ett elektron rundt seg. Dette atomet er hydrogen, det letteste av alle grunnstoffene. Det nest letteste er helium, med to elektroner, to protoner og to nøytroner. Det tyngste grunnstoffet vi har klart å lage, heter i skrivende stund Livermorium og har 116 protoner og 177 nøytroner i kjernen, og 116 elektroner rundt til å balansere protonene. Imellom disse lette og tunge ytterpunktene ligger mange kjente navn: Gull, sølv, titan, neon, oksygen, helium, uran, plutonium, og så videre. Alle disse er grunnstoffer. Et «grunnstoff» er bare en samling atomer der alle har kjerner med like mange protoner i seg.

Likevel er vi ennå ikke kommet til bunns. Hvis vi forstørrer oss enda mer inn på protonene og nøytronene, ser vi at også disse består av enda mindre partikler.

Protonet består av tre mindre biter, kalt kvarker, og det gjør nøytronet også.

Protonet har to opp-kvarker og en ned-kvark, nøytronet har to ned-kvarker og en opp-kvark. Disse to partiklene – opp-kvarken og ned-kvarken – skal vi heller ikke dele opp mer i denne boken. Kvarker er, så vidt vi i dag vet, elementære akkurat som elektronet.

Vi har forresten også møtt vår første store gjenværende hemmelighet i naturen. Kvarkene har elektrisk ladning, akkurat som elektronet – men ikke like mye av den. Nedkvarken har en tredjedel av ladningen til elektronet. Oppkvarken har to tredjedeler av elektronladningen – men med motsatt fortegn. Når to opp og en ned setter seg sammen, får de dermed en ladning som er akkurat like stor som elektronladningen, men med motsatt størrelse. Vi pleier for enkelhets skyld å si at protonet har ladning «pluss en» og elektronet har «minus en». Det er dette som gjør at et atom som hydrogen kan henge sammen, siden positive og negative elektriske ladninger trekkes mot hverandre. Hvorfor de gjør det, skal vi straks se på – men hvorfor er ladningen fra tre kvarker og ladningen fra ett elektron akkurat like store? Hele universet avhenger av at det er sånn, men vi vet ennå ikke grunnen. Det kommer flere slike herlige mysterier etter hvert som vi blir mer kjent med partiklene og den verden de lever i.

Oppkvarken, nedkvarken og elektronet. Til sammen bygger de opp alle atomer, som er byggesteinene i alt stoff rundt oss. Dyr og fugler, bunadsskjorter og Rubiks kuber er, i det bildet vi nå har tegnet, i grunnen ikke annet enn store, kompliserte strukturer av disse tre partiklene. Har vi ikke da funnet alt vi trenger? Har vi «forstått verden»?

Svaret på det er «nei og nei».

Det første nei-et kommer av at partiklene i seg selv ikke er nok. Vi har sett at noe får positive og negative elektriske ladninger til å trekkes mot hverandre.

Hva er det? Dette må vi finne en forklaring på. Atomkjernen består dessuten, som vi har sett, av en klump av protoner. Hvert av disse har positiv elektriske ladninger, og derfor frastøter de hverandre. Hvorfor rives ikke atomkjernen i

De hemmelige partiklene.indd 23

03.09.13 12:56

24

Kapittel 1

Atomet, den minste biten av et grunnstoff. En sky av elektroner beveger seg rundt en bitteliten, men veldig tung kjerne. Kjernen er satt sammen av protoner og nøytroner, og disse er igjen satt sammen av kvarker. Hvor mange protoner som er i kjernen, bestemmer hvilket grunnstoff det er. Hydrogen har ett proton, helium har to, og så videre.

stykker? Noe må holde den limt sammen. Hva er det? Detaljene kommer senere, men det korte svaret er at det også er partikler. Naturen består av stoff, og dessuten av krefter som binder stoffbitene sammen eller dytter dem fra hverandre.

Atomkjernen holdes sammen av partikler som kalles gluoner, mens atomet holdes sammen av fotoner. De sistnevnte fotonene kjenner vi egentlig veldig godt fra før – de er nemlig det vi til daglig kjenner som lys. Det samme fenomenet som lar deg lese denne boken gjør altså at atomene dine henger sammen.

Det andre nei-et sørger naturen selv for. Det viser seg nemlig at det rett og slett er mange flere partikler der ute enn dem vi har møtt til nå, og naturen må vel selv få lov til å bestemme hvor mange partikler den trenger. Mange av de senere kapitlene i denne boken skal handle om disse ekstra partiklene – de som ikke i utgangspunktet ser nødvendige ut, men som skal vise seg å være både spennende og helt avgjørende for at verden er som den er.

Naturen er bygget av atten klosser Grovt regnet er det 18 typer av partikler i naturen – så vidt vi vet i dag i hvert fall. En oversikt over alle byggesteinene som trengs i universet får dermed plass på et frimerke, dersom noen skulle ha lyst til å trykke et sånt. Vi har alt møtt elektronet. Det finnes i tillegg to tyngre partikler, kalt myon og tau, som bortsett fra å være tyngre oppfører seg akkurat som elektronet. Hver av disse har dessuten en spøkelsesaktig slektning kalt et nøytrino. Vi har elektronnøytrinoet, myonnøytrinoet og taunøytrinoet. Sammen kalles disse seks leptoner.

Kvarkene har også tyngre slektninger. Vi har møtt paret opp og ned. Litt tyngre

De hemmelige partiklene.indd 24

03.09.13 12:56

Hvordan verden er skrudd sammen

25

enn dem er paret sjarm og sær, og enda tyngre enn dem igjen er paret topp og bunn. Med disse tolv (seks leptoner, seks kvarker) har vi møtt alle stoffpartik­ lene. Resten av de 18 har med naturkreftene å gjøre. Vi har sett fotonet, eller altså lys, som er det som gjør jobben når det vi til daglig kaller elektrisitet og magnetisme er på ferde. Gluonet har den tilsvarende jobben for den sterke kjernekraften, den kraften som får atomkjerner til å holde seg sammen og et kjernekraftverk til å virke. Dessuten finnes det en tredje naturkraft, kalt den svake kjernekraften, som har hele tre partikler. Disse kalles W+, W- og Z0. Og til slutt finnes det en siste plagsom rakker, en som fysikere har lett etter, blødd for og grått over i nærmere 50 år. Den kalles Higgsbosonet, og skal få et helt eget kapittel litt senere.

Dermed har vi ramset opp alle naturens byggesteiner slik vi kjenner dem i dag. Tolv stoffpartikler, fem kraftpartikler og en raring. To kvarker, elektronet, fotonet og gluonet lot oss bygge atomene, som igjen bygger oss. Til sammen bygger alle disse 18 nesten hele universet. Fysikeres drøm har lenge vært å forstå så mye som mulig ut fra så få ting eller regler som mulig. Med denne forståelsen, som på fint kalles «standardmodellen for partikkelfysikk», er vi kommet ganske langt mot det målet.

Men har vi «forstått verden», slik vi sa vi ville?

Dessverre må det her komme en tilståelse: Alt vi har vært gjennom til nå, er galt. Beklager. Det er feil, og alle vet det. Ikke feil på samme måte som 2 + 2 = 5 er feil, men feil på den måten en dårlig forfalskning av Edvard Munchs maleri Skrik er feil. Det er samme bilde, og gir kanskje et grovt inntrykk av det Munch ville formidle, men det er likevel ikke originalen i all sin prakt. En ekspert vil se at detaljene ikke stemmer. For å kunne beskrive naturen så raskt som vi har gjort, har vi kuttet noen hjørner og gjort forenklinger. Noen av forenklingene er gjort fordi vi hadde det travelt, og er enkle å rette opp. Det finnes egentlig åtte gluoner og ikke ett, det finnes i tillegg til det vi har nevnt noe som heter antimaterie, og så videre. Senere skal vi beskrive dette grundig. Antimaterie skal vise seg å være både gøy, eksplosivt og nyttig. Andre forenklinger er mer krevende å gjøre noe med. De kommer ikke av hastverk, men av at vi mangler ferdigheten til å male bildet slik det skulle ha vært. Vi vet i dag at det trengs mer enn disse 18 partiklene for å beskrive hele universet. Hvor er det blitt av tyngdekraften – kanskje den første naturkraften vi blir klar over i livet? Vi har ikke glemt den, bare stille forbigått den for en stund. Hvorfor beveger stjernene seg på en slik måte at det er nødt til å finnes mer stoff ute i verdensrommet enn vi i dag vet om? Dette problemet har vi visst om helt siden 1931. Listen over hemmeligheter naturen fortsatt har for oss, er like lang som dem vi har avslørt, om ikke enda lenger.

Slik er situasjonen i dag. Vi vet at det er en flott, komplisert og rik natur der

De hemmelige partiklene.indd 25

03.09.13 12:56

26

Kapittel 1

ute, og vi vil gjerne vite hvordan den er skrudd sammen. Hvordan den virker.

Dessverre er naturens byggesteiner hemmelige for oss til daglig. De er for små til at vi kan erfare dem direkte, og vi må gjøre bruk av verktøy og klokskap for å finne ut hva og hvordan de er. Når vi forsker på partiklene, danner vi oss et prikk-til-prikk-bilde av naturen, men uten tall på. Dermed er det vanskelig å trekke linjer mellom prikkene. Hvor skal vi begynne, og hvilke prikker hører sammen? Det bildet vi så lager oss, blir en forenkling, en skisse av det ekte bildet, men, akkurat som en forfalskning av et maleri, kan det likevel gi oss hovedinntrykket av hva maleren ville si. Det gjelder bare å være klar over at det hele faktisk er en forenkling, en modell, og at det kan komme til nye opplysninger, nye prikker, som gjør bildet klarere, bedre og annerledes.

Vi har nå sett den modellen vi i dag har for hvordan verden virker. Mange hemmeligheter er alt avslørt, men størsteparten står igjen. I neste kapittel skal vi svare på det helt naturlige spørsmålet nå: Hvordan vet vi alt dette? Hva har skjedd de siste hundre årene som gjør at vi har kunnet tegne et så mye mer detaljert bilde enn hva oldeforeldrene våre kunne? Deretter, i resten av boken, skal vi møte partiklene og naturkreftene en for en, og i prosessen reise universet rundt i både tid og rom. De hemmelige partiklene er perfekte kosmiske turistguider.

De hemmelige partiklene.indd 26

03.09.13 12:56

Hvordan verden er skrudd sammen

De hemmelige partiklene.indd 27

27

03.09.13 12:56

28

Kapittel 1

Tidsutvikling av forståelsen av atomet. Fra den jevne klinkekulen John Dalton så for seg i 1803, til Bohrs atommodell fra 1913, og videre til dagens forståelse ut fra kvantefysikk. Ingen av disse bildene er «riktige», eller for så vidt heller «gale». De blir bare gradvis bedre og bedre modeller av det egentlige atomet, som fortsatt skjuler en rekke hemmeligheter for oss.

De hemmelige partiklene.indd 28

03.09.13 12:56

Fra de minste partikler til de største galakser, fra kvarker til sorte hull, fra dagliglivet og helt tilbake til Big Bang – dette er historien om naturens hemmelige partikler, og hvordan de former vår virkelighet.

I boken kan du lese om verdens største eksperimenter, om CERN og LHC, og om hvordan fysikere i dag benytter både dype huler, isen på sydpolen og selve verdensrommet til å studere naturen. Du møter den nyoppdagede Higgspartikkelen, nøytrinoer og atomkjerner, og dessuten mørk materie, superstrenger, sorte hull, mørk energi og universets fødsel. Du blir invitert inn i kvantenes finurlige verden, og du presenteres for Einsteins relativitetsteori, Bohrs atommodell, sammenfiltrede fotoner og andre tema fra fronten av moderne fysikk.

Bjørn H. Samset formidler partiklenes kompliserte verden på en

inspirerende og lettfattelig måte. Er du nysgjerrig på naturen, vil du ha glede og utbytte av denne boken.

ISBN 978-82-15-02185-0

ISBN 978-82-15-02185-0

Omslagsfoto gjengitt etter velvillig tillatelse fra Roy Kaltschmidt, Lawrence Berkeley National Laboratory.

9

788215 021850

Bjørn Hallvard Samset De hemmelige partiklene

Hvordan virker verden? Hvilke byggestener er vi laget av, hvilke krefter styrer naturens gang - og hvordan vet vi dette?

De hemmelige partiklene Hvordan verden er skrudd sammen

Foto: Monica Bjermeland, CICERO Senter for klimaforskning

Bjørn Hallvard Samset

Bjørn H. Samset er fysiker og fagformidler, og hyppig brukt som kommentator og skribent i norske medier. Han har doktorgrad i partikkelfysikk fra Universitetet i Oslo og har vært tilknyttet flere store internasjonale laboratorier, deriblant CERN. Nå jobber han som seniorforsker ved CICERO Senter for klimaforskning, med modellering av atmosfæren som hovedfelt. Han har tre barn og minst dobbelt så mange gitarer.