Dette er et fargelagt bilde av ladede elementærpartikler som gikk gjennom det store boblekammeret hos CERN, en type partikkeldetektor. De snirklete linjene på bildet viser sporene etter partiklene gjennom kammeret. Dette boblekammeret ble lagt ned i 1984. (Illustrasjon: Science Photo Library)
Dette er et fargelagt bilde av ladede elementærpartikler som gikk gjennom det store boblekammeret hos CERN, en type partikkeldetektor. De snirklete linjene på bildet viser sporene etter partiklene gjennom kammeret. Dette boblekammeret ble lagt ned i 1984. (Illustrasjon: Science Photo Library)

Klinkekuler, energipakker eller bølger:
Hva er egentlig en elementærpartikkel?

Vi forsøker å se for oss kvantefeltene – universets minste bestanddeler.

Publisert

Illustrasjonen under viser standardmodellen. Dette er en teori om de minste bestanddelene som du, jeg og alt annet i universet er laget av.

(Bilde:MissMJ)
(Bilde:MissMJ)

Men hva beskriver denne modellen?

Når du ser på oversikten over modellen ser du en samling kuler. De har fått forskjellige farger, verdier og navn som elektroner, sjarmkvarker, gluoner og Higgs-bosonet som ble bekreftet i 2012.

Noen av disse partiklene danner atomene våre. Forskjellige atomer har ulike egenskaper som grunnstoffer, og sammensetningen av grunnstoffer danner oss og tingene rundt oss.

Selv om «atom» betyr udelelig, er de ikke det. Hvert atom er igjen satt sammen av forskjellige kvarker som danner nøytroner og protoner i atomkjernen og elektroner.

Ser du for deg små baller som de ser ut i standardmodellen, eller kanskje byggeklosser mens vi snakker om det?

– Jeg kan også ha bildet med små, idealiserte klinkekuler i hodet, sier Anders Kvellestad til forskning.no. Han er partikkelfysiker og jobber nå ved Imperial College i London.

Men det finnes en annen måte å se for seg partikler på. En mer korrekt måte hvis man følger matematikken som beskriver elementærpartiklene, om vi skal tro fysikerne.

Havoverflaten over alt

Anders Kvellestad, partikkelfysiker ved Imperial College i London. (Bilde: Kaja Berg)
Anders Kvellestad, partikkelfysiker ved Imperial College i London. (Bilde: Kaja Berg)

Se for deg havoverflaten på jorda. Den strekker seg over store deler av jordkloden, og overflaten er full av små bølgetopper og bølgedaler. En bølge inne i en bukt langs Norskekysten kan være helt lik som en bølge utenfor en stillehavsøy.

Og havet som helhet ligger stort sett fast. Bølgen beveger seg over havoverflaten.

Disse bølgetoppene kan fungere som en analogi for det vi kaller partikler.

– Det er ikke selve vannet som flytter seg, det er bølgetoppen, sier Anders Kvellstad.

Denne analogien er ikke perfekt, men det skal vi komme tilbake til. Det viktige er at havoverflaten er et eksempel på et felt - et matematisk begrep som betyr at hvert eneste punkt på havet kan beskrives med tall.

Du kan for eksempel måle bølgehøyde og retning ved hvert eneste punkt, og se hvordan verdien bølgehøyde på havoverflaten endrer seg fra et tidspunkt til et annet. Denne endringen kan vi kalle en bølge.

Havoverflaten på en rolig dag. Alle disse små bølgene er ikke selvstendige ting som eksisterer hver for seg - de er en bevegelse i feltet. (Bilde: irin-k / Shutterstock / NTB scanpix
Havoverflaten på en rolig dag. Alle disse små bølgene er ikke selvstendige ting som eksisterer hver for seg - de er en bevegelse i feltet. (Bilde: irin-k / Shutterstock / NTB scanpix

Som en bølgetopp eksisterer partikkelen som en del av et mye større system - selve feltet - som for bølgen er havoverflaten.

Temperatur er et annet eksempel på et felt fra vår egen hverdag. Inne i et rom kan du måle temperatur hvor som helst i rommet, og det kan være kaldt i et hjørne, men varmere midt i rommet.

Professor Are Raklev ved Fysisk institutt ved Universitetet i Oslo. (Bilde: Eivind Torgersen/forskning.no)
Professor Are Raklev ved Fysisk institutt ved Universitetet i Oslo. (Bilde: Eivind Torgersen/forskning.no)

Hver eneste partikkel du ser i standardmodellen har et eget felt, og alle disse feltene finnes overalt.

Men hva betyr dette? Vi trenger hjelp fra en fysiker.

Bølger?

– Partikkelbegrepet er egentlig ganske utdatert i moderne fysikk, sier Are Raklev til forskning.no. Han er partikkelfysiker ved Universitetet i Oslo.

– Ta for eksempel elektronet. Det finnes bare ett elektronfelt i hele universet. Vi snakker ikke om elektronfelter, men elektronfeltet.

– Ett elektron kan beskrives som en «eksitasjon i elektronfeltet».

Så dette betyr at elektronene som finnes i atomene inne i deg, i skjermen du leser dette på eller personen som sitter ved siden av deg kan sees på eksitasjoner - separate bølger eller vibrasjoner i det samme feltet.

Og feltet er der hele tiden, det finnes bare partikler der det er bølger i feltet. Ett enkelt elektron blir som en vibrasjon som beveger seg rundt i dette feltet.

En illustrasjon av bølgefunksjonen for en partikkel. I akkurat dette bildet er to helt identiske partikler satt ved siden av hverandre i feltet. (Bilde: TimothyRias/CC BY 3.0)
En illustrasjon av bølgefunksjonen for en partikkel. I akkurat dette bildet er to helt identiske partikler satt ved siden av hverandre i feltet. (Bilde: TimothyRias/CC BY 3.0)

– Og hver partikkel-type har sitt eget felt, sier Raklev.

For eksempel eksisterer alle oppkvarker i ett eneste oppkvark-felt, alle nedkvarker i ett eneste nedkvarkfelt og så videre.

Disse feltene gir partikkelvibrasjonene visse egenskaper, så elektronfeltet kan bare lage elektroner, fotonfeltet har bare fotoner og så videre.

Noen partikler - bosonene - bærer de fundamentale naturkreftene. For eksempel står fotonfeltet - lyspartikkelen - for den elektromagnetiske kraften. Dette feltet kjenner du selv, for eksempel hvis du prøver å dytte to magneter med samme pol mot hverandre.

Dette er kvantefeltteori, teorien som brukes til å beskrive hvordan elementærpartiklene og de fundamentale naturkreftene fungerer.

Ikke helt som havet

Men før vi går videre, må man bare være klar over at disse kvantefeltene er veldig annerledes enn havoverflaten som vi snakket om lenger opp i saken.

Bølgene på havet har uendelig mange mulige størrelser, de kan være bittesmå og kjempestore og alt i mellom. Bølgene i kvantefeltet er mer strukturerte - det må være et minimumsnivå med energi i feltet før det dannes en partikkel.

Selve ordet «kvante» betyr en viss mengde av noe, ifølge SNL, for eksempel energi.

Men dette betyr ikke at feltet er i ro hvis det ikke er en partikkel der. Kvantefeltene er aldri i ro - de syder og koker med energi selv når det ikke er noe som vi kan kalle «ting» der - i vakuumet.

Selv om vi tenker på vakuum som noe helt tomt, så skjer det ting i kvantefeltene. Dette kalles vakuumenergi, og det kan måles i den virkelige verden.

På videoen under kan du se en simulering av hvordan energien i vakuumet ser ut:

Hvis du vil vite mer om hvordan et kvantefelt faktisk fungerer, kan du sjekke ut fysikeren Brian Skinners svært enkle beskrivelse på hans blogg.

En bølge og en partikkel

Opp gjennom det siste århundret har det blitt gjort flere eksperimenter som viser at lys både oppfører seg som små energipakker - partikler- som kalles fotoner, og som bølger.

Det mest kjente eksempelet på hvordan dette ser ut i den virkelige verden er det berømte dobbeltspalte-eksperimentet. Dette går ut på å sende lys gjennom spalter i en plate, for så å måle lyset på andre siden av spalten.

Lyset danner et mønster som tilsier at det brer seg som bølger, som kalles interferensmønster - du vil få et tilsvarende mønster hvis du sender bølger av vann gjennom to spalter.

Illustrasjon som viser hva som skjer i dobbeltspalte-eksperimentet med lys som bølger, eller eventuelt vann. Du vil få et interferensmønster på andre siden av de to spaltene på bunnen av bildet. (Bilde:
Illustrasjon som viser hva som skjer i dobbeltspalte-eksperimentet med lys som bølger, eller eventuelt vann. Du vil få et interferensmønster på andre siden av de to spaltene på bunnen av bildet. (Bilde:

Einstein lanserte senere teorien om at lys oppfører seg som om det er satt sammen av små pakker - partikler - som inneholder en viss mengde energi. Dette ble bekreftet i senere eksperimenter, og ga Einstein en nobelpris i 1921 og forskeren Robert Andrews Millikan en nobelpris i 1923.

Dette viser hvordan et bølgemønster bygger seg opp over tid når du skyter individuelle elektroner mot en dobbelspalte. Det siste bildet viser et klart interferensmønster. (Bilde; Belsazar/CC BY-SA 3.0)
Dette viser hvordan et bølgemønster bygger seg opp over tid når du skyter individuelle elektroner mot en dobbelspalte. Det siste bildet viser et klart interferensmønster. (Bilde; Belsazar/CC BY-SA 3.0)

Men det skjer noe veldig mystisk når du prøver å skyte individuelle fotoner mot disse spaltene, og måler hvor de treffer på den andre siden. Først virker det som om fotonene lander på tilfeldige steder, men etterhvert vil det bygge seg opp et mønster - det samme mønsteret som du fikk da du sendte alt lyset på en gang.

Det er som om partiklene selv vet hvor de skal lande for å danne et bølgemønster, selv om de tilsynelatende ikke er del av et større bølgesystem. PBS Spacetime går dypere inn i dette eksperimentet i en svært informativ video her.

Og forvirringen stopper ikke her. Dette bølgemønsteret dukker opp hvis du gjør det samme eksperimentet med elektroner, som du kan se til høyre. Alle elementærpartiklene viser disse egenskapene.

– Jeg har nye studenter som spør meg om lys er en partikkel eller en bølge, sier Raklev.

– Og svaret er nei, det er ingen av delene.

Kvantefeltteori beskriver ikke elektroner eller fotoner som hverken partikler eller bølger, men som vibrasjoner i et kvantefelt - som en del av et større system.

Dette er et svært lite intuitivt bilde av verden, og hvis du vil dykke enda dypere ned i det, kan du ta for deg lange diskusjoner om disse temaene mellom folk som har dypere kjennskap til matematikken bak kvantefeltteori på fysikkforumet StackExchange.

Et nytt felt - i hele universet

– Når vi tolker partiklene som vibrasjoner i kvantefeltene, gir vi en helt bokstavelig beskrivelse av hva matematikken forteller oss, sier partikkelfysiker Anders Kvellestad.

Og denne matematikken bak kvantefeltteori har tidligere gitt hint om at det finnes nye, uoppdagede partikler. Og det har vist seg å stemme igjen og igjen, selv om fysikerne er på vei til å gå tom for nye hint. I 2012 ble Higgs-bosonet, eller Higgs-feltet endelig funnet, etter flere tiår med forsøk.

I en partikkelakselerator som LHC sendes partikler mot hverandre i nær lyshastigheten for å prøve å finne nye partikler. Men det de egentlig leter etter er spor etter nye felt som eksisterer i hele universet.

– Det vi gjør på LHC er å få feltene til å riste på hverandre, som Kvellestad beskriver det. Han har også gitt en forelesning om kvantefeltene ved UiO, hvor han går dypere inn i dette verdensbildet.

Det krever mye energi å få noen av disse feltene til å riste. Vi tar elementærpartikkelen muonet som et eksempel.

Dette er en partikkel som ligner på elektronet, men den er over 200 ganger mer massiv. Men partikkelen er ustabil. Hvis du klarer å framprovosere en bølge i moun-feltet med en partikkelkollisjon, varer den bare i gjennomsnitt to milliondeler av et sekund.

Men energi bevares i kvantefeltene, så den forplanter seg til andre kvantefelt. Energi kan ikke oppstå eller forsvinne, bare ta nye former, som det heter i energilovene. Hvis man tar kvantefeltteori bokstavelig, er hele universet bygget opp av disse feltene, så energien kan bare eksistere i forskjellige felt.

Dermed går energien i muon-partikkelen over til andre felt som danner mer stabile partikler i elektronfeltet og nøytrinofeltet.

Verden vi kan oppfatte rundt oss består stort sett av helt stabile partikler i feltene. Elektronet kan avgi energi som fotoner, men det vil fortsatt være en vibrasjon igjen i elektronfeltet. Energien har nådd et slags gulv i universet, hvor den ikke kan forsvinne andre steder.

– Energien i elektronfeltet har ikke noe annet sted å gå, sier Kvellestad.

Dette fører til at visse partikler, som elektronet, i praksis kan eksistere for alltid. Også de som finnes i atomene som utgjør deg - de vil bare få nye arbeidsoppgaver etterhvert.

Hva består feltene av?

Et spørsmål som er naturlig å stille er hva disse feltene er laget av. Bildet av bølger på havoverflaten er lett for oss å forstå - de er bevegelser i selve vannet.

Kvantefeltteori sier ingenting om hva feltene er dannet av, eller hvilken form de egentlig tar ute i den virkelige verden. Hvis kvantefeltene tas bokstavelig er alt laget av kvantefeltene – de bare eksisterer som noe helt grunnleggende i universet.

– Disse feltene eksisterer delvis inne hodene våre som matematiske konstruksjoner, men de gir ekstremt presise beskrivelser av det vi ser der ute, sier partikkelfysiker Are Raklev.

Og dette er meget komplisert matematikk for oss som ikke har forutsetningene for å forstå det. Partiklene og feltene oppfører seg på måter som vi ikke skal gå inn på i denne saken. Vi skal heller ikke gå inn på tolkningene av kvantefysikk i denne omgangen.

Om vi mennesker, jorden, stjernene og alt annet i universet er et resultat av forskjellige felt som påvirker hverandre, er kanskje ikke et spørsmål som fysikken kan svare på helt enda.

– Om disse feltene faktisk eksisterer er egentlig et filosofisk spørsmål, sier Raklev.

– Et mer interessant spørsmål er hvorfor det fungerer på denne måten, og hvordan dette oppsto.

Samtidig er det flere ting som ikke stemmer overens med det som skjer ute i den virkelige verden. Blant annet finnes det ikke en god beskrivelse av tyngdekraften som et kvantefelt, en av de grunnleggende naturkreftene.

– Så det er noe som mangler her, sier Raklev.

En egen partikkel med tilhørende felt for tyngdekraften kalt gravitonet ble foreslått for lenge siden, men den er foreløpig kun hypotetisk.

Dette er bare en av manglene, hvis dette er den mest grunnleggende beskrivelsen av verden. Mørk materie må også kunne forklares ut fra disse teoriene, og denne mystiske materien står for rundt 83 prosent av all masse i universet, som forskning.no tidligere har skrevet om.

For kort siden ble det lagt fram nye planer for en mye større partikkelakselerator ved CERN kalt FCC. Hvis den blir bygget vil den begynne å lete etter nye, universomspennende felt en gang på 2040-tallet.