teorien om alting - Viden (JP)

10
A k t u e l N a t u r v i d e n s k a b | 5 | 2 0 0 4
N O B E L P R I S E N I F Y S I K
På vej mod
teorien om alting
Nobelprisen i fysik er netop blevet uddelt til tre amerikanske fysikere,
der har bidraget afgørende til forståelsen af en af de fi re fundamentale
naturkræfter – den stærke vekselvirkning. Deres arbejde er et vigtigt
skridt på vejen mod en samlet teori, der beskriver
alle fi re naturkræfter.
Af Carsten R. Kjaer, Aktuel Naturvidenskab
■ Der ligger en stensikker
Nobelpris og venter på den fysiker,
som kan opstille en samlet
beskrivelse af de fi re fundamentale
naturkræfter. Det ville være
en teori, som gælder på alle skalaer
– fra de mindste distancer i
atomkernerne til de umådelige
afstande i Universet. Den Store
Forenede Teori kalder man denne
drøm, som fremstår som en af
fysikkens helt store udfordringer.
Vejen mod dette ultimative
mål er dog allerede brolagt
med Nobelpriser – og dette års
Nobelpris kan ses som et af de
vigtige skridt på vejen. De tre
amerikanske fysikere David
Gross, David Politzer og Frank
Wilczek har bidraget afgørende
til forståelse af en af de
fi re naturkræfter – den stærke
vekselvirkning. Deres teoretiske
arbejde har været afgørende for
formuleringen af den såkaldte
Standard Model inden for partikelfysikken.
Standard Modellen
er en på mange måder imponerende
teori, der forener tre af
de fi re naturkræfter i en samlet
beskrivelse af de mindste elementer
i naturen, og hvordan
disse vekselvirker med hinanden.
Standard Modellen
Tyngdekraften er den fundamentale
naturkraft, det umiddelbart
er lettest at forholde sig
til. For os mennesker kan tyngdekraften
virke ganske overvældende
– tænk f.eks. på de kræfter,
der udløses ved en kollision
mellem himmellegemer. På de
allermindste skalaer er tyngdekraften
imidlertid ekstremt svag
sammenlignet med de øvrige
naturkræfter, eller vekselvirkninger,
som fysikere foretrækker at
kalde naturkræfterne. F.eks. er
de elektromagnetiske kræfter,
der holder sammen på en elektron
og en proton i et brintatom
umådeligt mange gange stærkere
(10[41] gange stærkere!) end
den kraft, tyngdekraften påvirker
de samme elementer med.
Den svage og den stærke vekselvirkning
udgør de sidste to i
kvartetten af fundamentale naturkræfter.
Det er de to sidstnævnte,
der sammen med den elektromagnetiske
vekselvirkning, beskrives
samlet i Standard Modellen.
Det teoretiske grundlag for Standard
Modellen er meget stærkt,
fordi det er den eneste matematiske
beskrivelse, som både tager
hensyn til Einsteins relativitetsteori
og kvantemekanikken.
Elastik i atomkernerne
Mere specifi kt beskriver Standard
Modellen de fundamentale
byggestene i Universet, nemlig
kvarker, elektroner (leptoner) og
såkaldte kraft-bærende partikler,
som er de partikler, der formidler
naturkræfterne.
Siden 1960erne har man
vidst, at atomkernernes grundelementer
– den positivt ladede
proton og den neutrale neutron
– var opbygget af endnu mindre
bestanddele, nemlig kvarker.
Den stærke vekselvirkning, som
dette års nobelpristagere har
arbejdet med, virker netop mellem
disse kvarker.
En umiddelbar besynderlighed
ved kvarkerne er, at de
optræder i grupper af tre i tilsyneladende
ubrydelige enheder;
protonen og neutronen. Selvom
en kvark kan defi neres som en
grundlæggende byggeklods, skal
der en umådelig mængde energi
til at løsrive dem fra deres fangenskab
og få dem til at opføre
sig som frie partikler. Dette har
vist sig at hænge sammen med
en særlig egenskab af den stærke
vekselvirkning, som bedst kan
sammenlignes med en elastik
med uendelig brudstyrke. Jo
længere væk fra hinanden kvar-
ker kommer, jo kraftigere vil
den stærke vekselvirkning således
påvirke dem. Omvendt vil
den stærke vekselvirkning virke
svagere, jo tættere kvarkerne
kommer på hinanden. Hermed
er også sagt, at vil man studere
frie kvarker, er metoden at
presse kvarkerne så tæt sammen
som overhovedet muligt.
Kvarker har en elektrisk ladning,
som er bestemte brøkdele
af protonens ladning, nemlig
–1/3 eller +2/3 – en egenskab,
der endnu ikke er forklaret.
Endvidere har kvarker endnu en
“indre” egenskab, som man kalder
deres ”farve-ladning”. Kvarker
kan have farve-ladningerne
rød, blå eller grøn.
Når tre kvarker er bundet i en
proton eller neutron udligner
disse farve-ladninger hinanden,
så den samlede farve-ladning
bliver neutral (eller hvid). Det
er altså kun aggregater med en
farve-neutral ladning, der kan
eksistere som frie partikler..
Frihed ved høje energier
I mange år troede fysikere ikke,
at det var muligt at fi nde en
teori, hvormed man kunne
regne på effekterne af den
stærke vekselvirkning mellem

De fi re fundamentale naturkræfter
Tyngdekraften kender
vi alle fra hverdagen,
hvor den er ansvarlig for,
at ting falder ned mod
Jorden, når vi taber dem.
I et større perspektiv er
det også tyngdekraften,
der styrer bevægelserne
af planeter, stjerner og
galakser. Tyngdekraften
formidles i teorien af en
speciel partikel – gravitonen
– der dog endnu
ikke er blevet påvist i
eksperimenter.
Den elektromagnetiske
vekselvirkning virker
mellem ethvert par af
artikler, der har en elektrisk
ladning, og spiller
dermed en helt afgørende
rolle for f.eks. dannelsen
af kemiske forbindelser
og for udsendelsen af lys.
Vekselvirkningen formidles
af fotoner (lyspartikler). To
partikler, der tiltrækker hinanden,
vil således holdes
sammen af en konstant
udveksling af fotoner.
kvarker på samme måde, som
man kunne regne på de to andre
vekselvirkninger indeholdt i
Standard Modellen. Det var
dette års nobelprisvindere, der
for alvor knækkede nødden ved
at forklare, hvordan kvarkerne,
pga. den specielle ”elastik-egenskab”
ved den stærke vekselvirkning,
kan opføre sig som frie
partikler ved meget høje energier.
Fænomenet kaldes ”asymptotisk
frihed”.
I øvrigt har gluonerne også en
farve-ladning, hvilket er med til
at gøre den stærke vekselvirkning
så kompleks og forskellig
fra den elektromagnetiske vekselvirkning.
Den stærke vekselvirkning
mellem kvarkerne formidles
af såkaldte gluoner (efter
det engelske ord ”glue” – dvs.
lim). Nobelpris-trioen kunne
vise, at gluonerne måtte have
den unikke og ganske uventede
egenskab, at de ikke bare vekselvirker
med kvarkerne, men også
Graviton?
Solsystemer og galakser
Tyngdekraften
Vandmolekyle
Foton
Protoner og
neutroner
Den elektromagnetiske
vekselvirkning
Atomer
Lys
Kemi
Elektronik
med hinanden. Denne egenskab
kan forklare, hvorfor den stærke
vekselvirkning bliver svagere, jo
tættere kvarker kommer på hinanden
og omvendt.
Opdagelsen af fænomenet
asymptotisk frihed og formuleringen
af en teori på denne baggrund
(kaldet Kvante Chromo-
Dynamik), har gjort det muligt
at lave beregninger af effekterne
af den stærke vekselvirkning,
som er helt i overensstemmelse
med eksperimentelle resultater.
Mod det store mål
De tre nobelpristageres arbejde
var med til at lukke afgørende
huller i Standard Modellen.
Deres arbejde har givet nyt håb
om, at det faktisk vil lykkes at
nå det store mål: at få tyngdekraften
med i det eksklusive
selskab af naturkræfter, der
beskrives af Standard Modellen.
Dog er der lang vej endnu,
og fl ere modifi ceringer af Stan-
Elektron
A k t u e l N a t u r v i d e n s k a b | 5 | 2 0 0 4
up
kvark
Den stærke vekselvirkning
up
kvark
anti-
neutrino
up
kvark
N O B E L P R I S E N I F Y S I K
down
kvark
Elektron
W-kraftbærende
partikel
Den svage
vekselvirkning
Gluoner (8)
Kvarker
Mesoner
Baryoner
down
kvark
down
kvark
dard Modellen vil være nødvendige
for at nå dertil. Den sidste
Nobelpris er derfor næppe blevet
uddelt på denne spændende
rejse i fysikkens verden. ■
Nobelpristagerne
David J. Gross er 63 år og professor
ved University of California,
Santa Barbara.
H. David Politzer er 55 år og
professor ved California Institute
of Technology (Caltech), i
Pasadena.
Frank A. Wilczek er 53 år og
professor ved Massachusetts
Institute of Technology (MIT),
Cambridge, USA.
Det bør nævnes, at to af
nobelpristagerne, Politzer og Wilczek,
var unge ph.d.-studerende
på hhv. Princeton og Harvard
universiteterne, da de udførte
det arbejde, de nu er blevet
belønnet med Nobelprisen for.
Den stærke vekselvirkning
holder sammen
på de grundlæggende
byggestene i atomkernerne,
nemlig kvarkerne.
Atomkerner består af et
varierende antal af den
positivt ladede proton
og den neutrale neutron,
og begge disse er igen
opbygget af kvarker.
Den stærke vekselvirkning formidles af
såkaldte gluoner, og har den specielle
egenskab, at jo længere væk to kvarker
er fra hinanden, jo kraftigere vil den
stærke vekselvirkning påvirke kvarkerne.
Bosoner (W,Z)
Neutronhenfald
Beta-henfald
Neutrino-vekselvirkninger
Solfusion
Gross
Politzer
Wilczek
Den svage vekselvirkning
formidles af nogle
specielle partikler kaldet
W- og Z-bosoner, som
i modsætning til den
masseløse foton har
meget store masser.
Det betyder, at den
svage vekselvirkning
kun virker over meget
korte afstande. Den
svage vekselvirkning er
ansvarlig for visse typer
af radioaktivt henfald, og
er tæt knyttet til den elektromagnetiske
vekselvirkning. Man siger, at disse to
kræfter er forenet i den såkaldte elektrosvage
vekselvirkning.
11