Eðlisfræðingar leita ennþá að hreinu ekkerti

Leitin að hinu algjöra tómarúmi, þar sem ekkert efni er að finna og engin orka eða kraftar ráða ríkjum, hefur staðið í brátt þrjú þúsund ár. Heimspekingar og eðlisfræðingar hafa á þessari vegferð leitast við að laða fram algjört tómarúm bæði í reynd og í kenningum – en það virðist vera eins og náttúran stríði gegn þeim. Engu er líkara en að um leið og það virðist birtast hjá fræðimönnum fyllist það upp af nýjum uppgötvunum og betri skilningi.

BIRT: 18/10/2021

LESTÍMI:

18 mínútur
Share on facebook

LESTÍMI: 28 MÍNÚTUR

 

Nákvæmlega 99,9999426697% – svona vissir voru eðlisfræðingar við CERN um að mælingar þeirra væru hárréttar. Þess vegna leyfðu þeir sér þann 4. júlí 2012 að tilkynna að þeir hefðu fundið það sem þeir hefðu leitað eftir allt frá því að hinn stóri LHC – öreindahraðall var ræstur árið 2007: sjálfa Higgseindina.

 

Vísindamennirnir vissu fyrirfram að það yrði ótrúlega erfitt að finna hana. Það má gleyma öllu tali um nálar og heystakka í því samhengi. Í LHC skapast einungis ein Higgseind sem hægt er að greina út frá 10 þúsund milljörðum árekstra milli þeirra róteinda sem þeytast um í hraðlinum nálægt ljóshraða á fleygiferð um 27 km löng göng.


Sem betur fer voru eðlisfræðingnarnir nægjanlega vakandi til að fanga þennan einstaka atburð. Tilvist eindarinnar sýnir nefnilega að skilningur okkar á því hvernig alheimur er samsettur er fyllilega áreiðanlegur. Higgseindin er nauðsynleg til þess að aðrar öreindir hafi þunga. Ef hann væri ekki að finna myndu allar öreindir vera eins og ljóseindir: örskjótar, en án massa. Alheimur myndi þar með einungis innihalda rafsegulmagnaða geislun en engar róteindir, atóm, sameindir, plánetur eða stjörnur. Hann væri m.ö.o. algjörlega laus við allt.

 

Higgseindin veitir ekki aðeins skýringu á því að við erum hér, heldur leggur einnig sitt til málanna við að finna svarið við öndverðri spurningu: Fyrirfinnst algert tómarúm?

 

Hugmyndin um rúm sem er laust við allt efni og alla orku hefur vafist fyrir heimspekingum og fræðimönnum í meira en tvö þúsund ár og svarið hefur í gegnum tíðina ýmist verið játandi eða neitandi. Með uppgötvun Higgseindarinnar fengum við nýja mynd af því hvað geti verið að finna á svæði í geimnum þar sem ekkert er annars til staðar.


 Við fyrstu sýn hljómar spurningin „Er ekkert til?“ harla einföld, en við nánari umhugsun er þetta kannski ein flóknasta spurning sem við getum ímyndað okkur. Skilgreining á „ekkerti“ hlýtur nauðsynlega að vera „fjarvera alls“, þannig að ef við eigum að geta skilið „ekkert“ erum við jafnframt nauðbeygð til að skilja „allt“. Vísindamenn þurftu m.ö.o. að leita andstæðunnar við „ekkert“ áður en þeir fundu haldbær svör.

 

Okkur er kennt að sætta okkur við ekkert

Þegar í barnsæsku kynnumst við hugmyndinni og hugtakinu um ekkert án þess að hugsa frekar um það. Í grunnskólanum segir kennarinn t.d.: „Það eru tvær appelsínur á borðinu. Nú fjarlægi ég þær báðar. Hvað er þá eftir?“ Flest athugul börn myndu svara „ekkert“ eða jafnvel „núll“ og hvort tveggja væri kennarinn sáttur við. Í menntaskóla væru svör þessi einnig fullkomlega í lagi.

 

Stærðfræðikennarinn myndi kannski biðja um einingar til viðbótar við niðurstöðuna þannig að rétt svar yrði „engar appelsínur“ eða „núll appelsínur“. Eðlisfræðikennarinn myndi kannski ganga öllu lengra og staðhæfa að rétt svar sé „loft“ því það rými sem appelsínurnar fylltu er nú orðið fullt af súrefni, köfnunarefni og öðrum frumefnum andrúmsloftsins. Í háskóla yrði spurningin þó sett fram með öðrum hætti: „Það eru tvær appelsínur – ekki á borðinu heldur úti í geimnum milli stjörnuþokanna. Nú fjarlægum við þær. Hvað er þá eftir þar sem þær áður voru?“.

 

Nemendur í stjarnfræði myndu vita að jafnvel á tóma svæðinu milli stjörnuþoka finnast dreifð atóm af t.d. vetni og helíum og það svar myndi vera rétt, en kannski ekki alveg tæmandi því næst liggur við að spyrja: „Hvað er þá í því rúmi þar sem dreifð atóm er ekki að finna?“

 

Nú flækjast málin verulega. Ekki bara fyrir nemendurna heldur einnig fyrir skörpustu heila innan eðlisfræði og heimsfræðinnar. Og sú var einnig raunin fyrir forngríska heimsspekinga sem tóku að velta vöngum yfir þessari spurningu fyrir meira en 2500 árum.

 

 

,,Neindin er hvorki tóm né yfirfull.”

Empetókles (um 490 – 430 f.Kr.) hafnaði því að finna mætti rými án innihalds.

 

Grikkir töldu ekkertið fáránlegt

Faðir vísindalegrar aðferðar hugsunar taldi hugmyndina um „ekkert“ vera merkingarlausa. Þales frá Milet, sem var uppi um 635 – 546 f. Kr., kom fram með þau rök að það eitt að einhver hugsaði um tilvist á „engu“ myndi fela í sér að „ekkert“ væri samt sem áður „eitthvað“ – og þar með gæti það ekki lengur verið „ekkert“. Í hans rökfærslu gat „ekkert“ þar með einungis verið til ef það væri ekkert eða að enginn gæti athugað það eða ímyndað sér það.

 

Þetta hljómar dálítið undarlega en Þales leitaðist einmitt við að gera hugmyndir sínar skiljanlegri með því að spyrja sjálfan sig hvað væri afgangs, ef maður fjarlægir allt frá tilteknu svæði. Svar hans var: Vatn. Fyrir Þalesi var vatn harla merkilegt efni því það getur tekið á sig mismunandi form og verið sem vökvi, gas eða ís.

 

Þannig fékk hann þá hugmynd að vatn gæti einnig tekið á sig öll möguleg önnur form og að því væri ljóst að það hlyti að vera eiginlegt grunnefni alheims, sem öll önnur efni væru leidd af. „Allt er vatn“ er haft eftir honum og því er það sjálfgefið að það næsta sem maður getur komist að því að skilja „ekkert“ var vatn í sínu „upprunalega“ formi, sem samkvæmt Þales var í fljótandi ástandi.


 Hugmynd Þalesar um að það fyrirfyndist einhvers konar grunnfrumefni, sem væri alls staðar nærverandi, lifði áfram í kynslóðum grískra hugsuða löngu eftir hans dag. Fyrir Anaximenesi (um 585 – 525 f. Kr.) var frumefnið þó ekki bara vatn, heldur einnig loft og Heraklítos (um 535 – 480 f.Kr.) taldi eld veigamikið grunnefni það – í báðum tilvikum langtum hverfullri efni en vatn.


 Síðari eftirrennari þeirra, Empedókles (um 490 – 430 f. Kr.) tók á þessum málum með kerfisbundnari hætti. Hann einsetti sér að rannsaka hvort loft væri eiginlegt efni eða hvort það væri einmitt fjarvera alls efnis og þar með „ekki neitt“. Til þess notaði hann svonefnda kolbu, þ.e.a.s. flösku með kúlulaga búk og rörlaga hálsi. Empedókles gerði lítil göt á búkinn og framkvæmdi síðan margar vatnstilraunir. Þá fann hann m.a. út að þegar hann fyllti kolbuna með vatni og hélt höndinni yfir op hálsins, þá hélst vatnið inni í kolbunni.

 

Það var ekki fyrr en hann tók höndina frá að vatnið rynni út í gegnum litlu götin. Empedókles ályktaði fyrir vikið að loft hlyti að vera efni og það fyllti upp í rúmið í kolbunni með sama hætti og vatn myndi gera. Og það sem meira væri um vert: Vatnið gæti einungis sloppið út úr rýminu, ef loftinu væri hleypt að.


Núna virðist þessi tilraun kannski nokkuð barnalega sniðin, en niðurstaða hennar hafði margvíslegar afleiðingar í för með sér. Empedókles ályktaði sem svo að náttúran væri alfarið mótfallin því að það myndist tómarúm, og sú hugmynd kom til með að ráða ríkjum margar næstu aldir. Empedókles smættaði með þessum hætti hugmyndir fyrirrennara sinna um fjögur grunnefni niður í eitt og þá kom hann einnig fram með nýstárlegar tilgátur um andstæða krafta, sem hann kallaði „kærleika“ og „stríð“, en þessa krafta kvað hann virka á alla hluti sem væru samsettir úr frumefnunum.

 

Loks kynnti hann til sögunnar hugmyndina um „eterinn“ (eða það sem Jónas Hallgrímsson nefndi „ljósvakann“), sem væri mun þynnri en loft, en alls staðar til staðar og fyllti upp í jafnvel hið minnsta rými. Með þessum hætti útilokaði Empedókles fullkomlega að „ekkert“ gæti verið til.
 „Ekkert í heiminum er tómt eða yfirfullt,“ eins og haft er eftir honum.


 Fyrst 2000 árum eftir Empedókles var „bann náttúrunnar“ gegn tómarúmi afsannað. Og einnig það gerðist með nokkuð einfaldri tilraun.

 

Lofttæmt rými var 2000 ár á leiðinni

Í fornöld og á miðöldum var algengasta skoðunin sú að tómarúm gæti ekki fyrirfundist. Allt rúm myndi í minnsta lagi vera fullt af lofti eða með óþekktu efni sem kallað var „eter“.

450 f. Kr.: Náttúran fyrirbýður tómarúm

Vatn og loft berjast um plássið

Grikkinn Empedókles framkvæmdi einfalda tilraun með flösku sem var með litlum götum. Hann sá að það myndi ævinlega vera annað hvort vatn eða loft í flöskunni. Því ályktaði hann sem svo að náttúran leyfi ekki tómarúm.

1643: Maðurinn getur skapað tómarúm.

Kvikasilfur þvingar tómarúm fram

Evangelista Torrricelli uppgötvaði að þegar hann fyllti glasrör með kvikasilfri og sneri því á hvolf í skál með kvikasilfri féll súlan af fljótandi málminum. Þar sem ekkert gat sloppið inn í lokað rörið hlaut rýmið fyrir ofan kvikasilfurssúluna að vera fullt af engu.

Náttúran sigrast á óttanum við tómið

Takið glerrör sem er eins metra langt og setið tappa í botninn á því. Fyllið það nú með kvikasilfri og setið tappa í toppinn. Sökkvið síðan botninum á rörinu niður í skál sem einnig er full af kvikasilfri og fjarlægið tappann. Þessari einföldu uppskrift fylgdi Evangelista Torricelli árið 1643 að ráðum lærimeistara síns og helstu fyrirmyndar, Galíleó Galílei, sem hafði látist einu ári áður. Þegar Torricelli framkvæmdi tilraunina sá hann að súla af kvikasilfri í rörinu tók að lækka og stöðvaðist þegar að hún var komin niður í 76 cm hæð.

 

Torricelli skildist af hverju þetta væri svo háttað. Þungi kvikasilfursins í rörinu fær súluna til að falla þar til það hefur náðst jafnvægi milli þrýstings lofthjúpsins á yfirborð kvikasilfursins í skálinni.


Með tilraun sinni hafði Torricelli afrekað tvennt. Hann hafði fundið upp loftvogina og hann hafði skapað tómarúm. Þegar kvikasilfurssúlan í rörinu lækkaði skildi hún jú eftir sig 24 cm tómarúm efst í glerrörinu sem hlaut að vera fullt af „engu“. Torricelli hafði m.ö.o. skapað það sem allir höfðu um rúmlega tveggja árþúsundaskeið talið ómögulegt. Engu að síður voru viðbrögð hans fremur fremur hófleg:


 „Margir hafa haldið því fram að tómarúm geti ekki verið til. Aðrir hafa staðhæft að það geti einungis fyrirfundist með því að ganga þvert gegn vilja náttúrunnar. Ég þekki engan sem heldur því fram að það geti verið til án mótstöðu frá náttúrunni.“


 Í fyrstu var hrifningin mikil yfir þessu afreki hans. Á næstu árum endurtóku margir fræðimenn í fjölmörgum löndum tilraun hans og leituðust jafnframt við að finna út hvaða eiginleika tómarúmið hefði til að bera.
 Í Frakklandi var tilraun Torricellis þróuð frekar af Blaze Pascal, sem kom allri tilrauninni fyrir á vog og staðhæfði að innihald tómarúmsins, væri það eitthvað, myndi samt ekki vega neitt.

 

,,Við hljótum að álykta að ekki fyrirfinnist nokkur staðbundinn eter.”

Albert Michelson sannaði árið 1887 að það fyrirfinnst enginn eter sem jörðin hreyfist í á braut sinni um sólu.

 

Í Englandi þróaði Robert Hooke dælur sem gátu framkallað tómarúm á stærra svæði og lærifaðir hans, Robert Boil, framkvæmdi tilraun þar sem hann lokaði mýs, slöngur og fugla inni í tómarúmi og sá dýrin kafna hvert af öðru. Hvað sem mátti finna í tómarúminu var það allavega ekki loft.

 

Boil staðsetti einnig klukku í tómarúminu og staðfesti að hún væri hljóðlaus. Hljóð gat ekki farið í gegnum tómarúm. Hins vegar hafði þetta tómarúm engin áhrif á ljós. Lampi, sem var komið fyrir öðrum megin við tómarúm glerílátsins, sást greinilega frá gagnstæðri hlið. Boil var þannig kominn á sporið á muninum milli bylgna í eiginlegu efni, eins og lofti og vatni, og rafsegulbylgjum eins og ljósi.


Uppgötvun tómarúmsins á 17. öld afsannaði þannig „horror vacui“ – hið hræðilega tómarúm – sem hafði ríkt í lýsingum náttúrufræðinga allt frá fornöld og í gegnum allar miðaldir. Og þetta viðhorf náði langt út fyrir vísindalegt samfélag.

 

Rýmið var tæmt af öllu efni og fyllt með bylgjum.

Á 19. öld ríkti hugmynd um eter ríkjum, sem fylla átti rýmið milli stjarna og pláneta, en ný uppgötvun sýnir þetta vera rangt. 100 árum seinna afhjúpaði sama uppfinning þyngdarbylgjur alheims.

1887: Eterinn yfirgefur himingeiminn

Óvænt niðurstaða markaði endalok etersins

Albert Michelson fann upp víxlmælinn til að mæla hreyfingu jarðar miðað við eterinn í geimnum. Mælitækið átti að sýna hreyfinguna með því að verka á tvo ljósgeisla með mismunandi hætti þannig að víxlunarmynstrið breyttist þegar Michelson sneri til uppstillingu tilraunarinnar. En slíkt gerðist ekki því það er ekki til neinn eter.

2015: Þyngdarbylgjur koma til sögunnar

Ósýnilegar bylgjur afmynda geiminn

Hin risastóra LIGO rannsóknarstofnun sýndi árið 2015 í fyrsta sinn fram á tilvist svokallaðra þyngdarbylgja sem Einstein sagði fyrir um af mikilli nákvæmni í afstæðiskenningunni nákvæmlega 100 árum áður. Bylgjurnar skapast af massa á hreyfingu og sveigja geiminn þegar þær þeytast í gegnum alheim.

Hið undraverða tómarúm heltekur heiminn

Það var ansi háttvirtur selskapur sem árið 1654 hafði safnast saman í þýska bænum Regensburg til að upplifa dularfullt fyrirbæri á merkilegri sýningu. Bæði Ferndinand 3. keisari sem og fjölmargir meðlimir þingsins voru þar til staðar. Maðurinn sem stóð að baki þessari stórbrotnu sýningu var þýski eðlisfræðingurinn Otto von Guericke, en hann var einnig borgarstjóri í Magdeburg. Von Guericke hafði stillt upp tveimur hálfkúlum úr kopar með 60 cm þvermáli sem hægt var að leggja saman í eina heila kúlu.

 

Með tilþrifum galdramanns bað hann nokkra sjálfboðaliða meðal áhorfenda um að toga hálfkúlurnar í sundur sem eðlilega reyndist létt verk. Þessu næst setti hann kúlurnar aftur saman og með hjálp dælu, sem hann hafði sjálfur útbúið, sogaði hann loftið úr heilu kúlunni í gegnum ventil. Áhorfendur fengu aftur færi til að toga í hálfkúlurnar í sundur, en nú reyndist ómögulegt að hagga gripnum. Svo bætti Von Guericke heldur um betur. Hápunktur sýningarinnar var þegar tvö hestaeyki, hvort með sína tvo hesta, voru látin reyna að toga hálfkúlurnar í sundur, en þær reyndust áfram vera rígfastar saman.

 

 Von Guericke hafði með þessum hætti sýnt fram á hve öflugt tómarúm getur verið – eða öllu heldur: Hve sterkir þeir kraftar eru sem eru að verki utan við tómarúmið. Þrýstingur loftsins á yfirborð hálfkúlanna – og alls annars við yfirborð hafsins – er ein loftþyngd, sem samsvarar einu kílói á hvern fersentimetra, eða tíu tonnum á fermetra – langtum meira en það afl sem 16 hestar ráða yfir.


 Von Guericke endurtók sýningu sína mörgum sinnum, í sumum tilvikum með allt að 30 hestum og ævinlega með sama árangri. Þetta reyndust ákaflega vinsæl alþýðuvísindi og hylling til þeirrar ályktunar sem Torricelli hafði komist að, nefnilega þeirri að við lifum „á botni hafs úr lofti“ Frakkinn Blaze Pascal hafði einnig slegið því föstu að lofthafið verður þynnra þess lengra sem upp er haldið. Næsta ályktun leiðir beint af þessu: Loft er ekki eitthvað sem fyllir upp allan geiminn.  

 

Uppgötvunin á neindinni sem tómarúmi fól ekki í sér að hugmyndin um ljósvakann alltumlykjandi hyrfi. Eterinn gæti jú vel samanstaðið af einhverju allt öðru, rétt eins og Empedókles hafði ímyndað sér. Einn helsti hugsuður 17. aldar, Isaac Newton, hafði ákaflega tvíbentna afstöðu til etersins. Af ritum hans má ráða hvernig hann stundum meðtók eða hafnaði tilvist þessa fyrirbæris. Árið 1675 kom hann fram með kenningu sína um ljós þar sem hann taldi að það hreyfðist í gegnum eterinn, eða ljósvakann eins og Jónas Hallgrímsson nefndi fyrirbærið. Fjórum árum síðar hafnaði hann hugmyndinni um eter, en snéri síðan aftur að honum árið 1718 í nýrri útgáfu um eðli ljóssins.


 Það var einmitt spurningin úr hverju ljósið samanstæði sem var mikið rædd meðal eðlisfræðinga á tímum Netwons á þessum árum. Var ljós öreind eða bylgja? Þessar deilur héldu áfram heila öld og voru fyrst afráðnar þegar breski eðlisfræðingurinn Thomas Young opinberaði árið 1804 byltingarkennda tilraun sína, þar sem hann lét ljós fara í gegnum tvær litlar rifur svo að þær mynduðu röndótt víxlunarmynstur á plötuna fyrir aftan. Mynstrið var sönnun þess að ljósið hegðar sér með sama hætti og bylgjur á yfirborði vatns þegar þær mætast. Tveir bylgjutoppar styrkja hvor annan meðan bylgjutoppur og bylgjudalur jafna hvort annað út.


 Skilningur á ljósi sem bylgju studdi við hugmyndina um ljósvakann. Þegar ljós gat farið í gegnum tómarúm Torricellis hlaut það að vera vegna þess að tómarúmið innihéldi eter sem ljósið gat bylgjast í gegnum. Með samsvarandi hætti hlaut tómarúmið milli stjarna og pláneta að vera fyllt upp með sama eter sem sér til þess að sólarljósið náði hingað niður til jarðar. Það átti eftir að líða enn ein öld áður en að í ljós kom að þetta er kolrangt.

 

Það átti sér stað þegar bandaríski eðlisfræðingurinn Albert Michelson fann upp snjalla tilraunauppstillingu sem núna er þekkt sem víxlmæling. Í stuttu máli er grunnreglan í uppstillingunni sú að kljúfa ljósgeisla í tvennt og senda hvorn geisla í sína átt og aftur til baka með aðstoð spegla. Þegar geislarnir ná aftur saman mynda þeir víxlunarmynstur. Hugmynd Michelsons fólst í að nýta þessa uppstillingu til að mæla hreyfingu jarðar miðað við sjálfan eterinn. Ef jörðin væri á ferð í gegnum eterinn, eins og bátur á vatni, myndu mynstrin breytast þegar hann sneri til uppstillingunni, því hreyfing jarðar í gegnum eterinn myndi verka með mismunandi hætti á ljósgeislana tvo.


 Með aðstoð kollega síns, Edward Molle, tókst Michelson árið 1887 að stilla tilrauninni svo nákvæmlega upp að endanlegar mælingar náðust. Vísindamennirnir tveir framkvæmdu tilraunirnar með ítrustu nákvæmni og sneru uppstillingunni til, en ekkert gerðist. Óháð því hvernig tilraunaruppsetningunni var snúið reyndist víxlunarmynstrið ævinlega vera hið sama. Þetta gat einungis þýtt eitt og Michelson viðurkenndi það strax:


 „Við hljótum að álykta sem svo að það sé enginn staðbundinn eter sem jörðin fer í gegnum á braut sinni um sólu.“

 

Í vetnisatómi, sem samanstendur af einni róteind og einni rafeind, er gríðarleg fjarlægð milli öreindanna tveggja. Ef við stækkum atómið upp þannig að róteindin fái eins sentimetra þvermál mun fjarlægðin til rafeindarinnar verða 541 metri. Langmest af atóminu er þannig laust við efnið.

Þyngdarkraftur verður hluti af rúminu

Án etersins var skyndilega mögulegt að ímynda sér geiminn sem fullan af „engu“. Ein hugarþraut gæti falist í að við búum til lítið ílát, t.d. í formi tenings sem er einn rúmsentimeter, og sjúgum allar frummeindir úr honum þannig að hann verði laus við allt efni. Ef við getum auk þess skermað hann af fyrir ljósi og annarri rafsegulsgeislun myndi hann einnig vera laus við orku. Eftir stæði þá „ekkert“. Ekki satt?


 Eðlisfræðingar fengu þó ekki langan tíma til að velta þessari spurningu fyrir sér því þegar árið 1915, einungis 28 árum eftir að eterinn var lagður á hilluna, var spurningunni snúið gjörsamlega á hvolf þegar Albert Einstein kom fram með almennu afstæðiskenninguna sína með algjörlega nýja lýsingu á heiminum.


 Í hinum newtoníska skilningi á geiminum er eitthvað sem er til óháð innihaldi. Við getum því, allavegana fræðilega, vel fjarlægt allt frá rými og rýmið myndi samt vera þar áfram. Málum er öðruvísi háttað í þeim alheimi sem Einstein teiknaði upp fyrir okkur.

 

Í fyrsta lagi er hann ekki þrívíður eins og alheimur Newtons heldur fjórvíður þar sem tíminn er fjórða víddinn. Í öðru lagi skilgreinist rúmið af eigin innihaldi. Massinn í rúminu ákvarðar hvernig rúmið mótar sig og rúmið ákvarðar hvernig massinn hreyfir sig. Massi og rúm eru þannig órjúfanlega tengdar stærðir í tímarúmi Einsteins og því er merkingarlaust að hugsa sér annað án hins.

 

Auk þess segir afstæðiskenningin okkur að massi á hreyfingu skapi svokallaðar þyngdarbylgjur sem rúlla í gegnum gjörvallan alheim og afmynda tímarúmið og því má einu gilda hvað við gerum með litla teninginn okkar með „engu“, þá myndu þyngdarbylgjur rúlla í gegnum hann þvers og kruss.


 Tilvist þyngdarbylgja var sönnuð árið 2015 þegar vísindamenn við LIGO rannsóknarstofnunina í BNA mældu bjögun rúmtímans sem orsakaðist af tveimur svartholum sem runnu saman langt út í heimi fyrir meira en einum milljarði ára. LIGO – skynjararnir eru víxlmælar sem líkjast um margt tilraunauppstillingunni sem Michelson notaði til að veita eternum náðarhöggið.

 

Lampa hans er búið að skipta út fyrir öfluga leysibyssu og uppstillingin er nokkrum þúsund sinnum stærri til að ná nauðsynlegri nákvæmni. Þyngdarbylgjur eru nefnilega svo veikar að við getum einungis mælt þær sem verða til við einhverja ógnarlegustu atburði í alheimi. En eftir að þær fundust árið 2015 vitum við nú að þær hljóta að vera til staðar út um allt.


Þegar Einstein vann að almennu afstæðiskenningu sinni rakst hann annars á allt annað vandamál. Til þess að fá jöfnur sínar til að passa við þann alheim sem við sjáum þurfti hann að innleiða fasta. Honum þótti þetta sjálfum ekkert sérlega góð hugmynd og kallaði hana seinna „sín stærstu mistök“ en síðari athuganir hafa reyndar sýnt að það er svokallaður heimsfasti stöðugt að verki í alheiminum. Stjarnfræðingar hafa sýnt fram á að alheimur þenst út og útþenslan verður sífellt hraðari.

 

Það þýðir að það hlýtur að vera kraftur til staðar sem virkar gegn þyngdarkraftinum. Hvað það er sem skapar þennan kraft er ennþá fullkomin ráðgáta, en fram til þessa hefur hann fengið nafnið „hulduorka“. Í litla teningnum okkar myndi þessi hulduorka einnig vera til staðar rétt eins og alls staðar annars staðar í alheiminum.


 Með afstæðiskenningunni lýsti Einstein stærstu fyrirbærum alheimsins. Aðrir eðlisfræðingar á 20. öld héldu í gagnstæða átt. Þeir gaumgæfðu hið allra minnsta og uppgötvuðu margvíslegt um atómið. Af þessu leiddi nýja þekkingu á því hvað á sér stað á svæðum þar sem ekkert efni er að finna.

 

Eðlisfræði nútímans fyllir tómarúmið með virkni

Bæði afstæðiskenningin og skammtafræðin hafa veitt okkur nýja þekkingu um hvað á sér stað í tómarúmi og það er allt annað en kyrrstaða. Að því er virðist tómt rúm verður fyrir gegnumstreymi af orku og iðar af hverfulum öreindum – og bakvið allt þetta er að finna Higgs – sviðið eins og allsumlykjandi ljósvaka geimsins.

1. Sýndaröreindir

Kvikna og hverfa í sífellu, jafnvel í lofttæmi með lágmarks orku.

2. Þyngdarbylgjur

Rúlla þvers og kruss í gegnum alheim, einnig í gegnum tómarúm.

3. Hulduorka

Er dularfullur kraftur sem þenur út sjálfan alheim og er að verki alls staðar.

 

Tómarúm atóms er fullt af orku

Horfðu nú á punktinn sem endar þessa setningu. Prentsvertan samanstendur af 100 milljón atómum. Ef við gætum séð eina þeirra með beru auga þyrftum við að stækka punktinn upp þannig að þvermál hans væri 100 metrar. Og til að geta séð atómkjarna þyrftum við að stækka hann upp í þvermál sem nemur 10.000 km – sem samsvarar fjarlægð milli miðbaugs og Norðurpólsins.


 Í einfaldasta atóminu, vetnisatóminu, samanstendur kjarninn af einungis einni róteind sem er með eina rafeind á braut um sig. Fjarlægðin milli þessara tveggja öreinda er gríðarleg miðað við stærð þeirra. Ef við höldum frá miðju róteindar út til rafeindarinnar höfum við einungis lagt að baki 10 þúsundasta hluta ferðarinnar á því augnabliki sem við náum til jaðars róteindarinnar. Þar sem rafeindin er langtum minni en róteindin er ljóst að lang stærstur hluti frumeinda samanstendur af rúmi þar sem engar efnisöreindir er að finna. Í reynd er þetta um 99,99999999999999% af rúmtaki atómsins.

 

Það væri þó rangt að segja að frumeindin væri alveg tóm. Þeir segulkraftar milli neikvæðrar hleðslu rafeindarinnar og jákvæðrar hleðslu róteindarinnar skapa nefnilega öflugt rafsvið sem fyllir rúmið milli þeirra.
 Því er svipað farið ef við lítum frekar inn í róteindina.

 

Hún samanstendur af minni grunnöreindum sem nefnast kvarkar. Kvarkarnir eru samt einungis lítill hluti af öllum massa róteindarinnar, eða um 9%.

 

Afgangurinn er orka sem myndast af þeim kröftum sem virka milli kvarkanna og þeirra límeinda og annarra massalausra öreinda sem róteindin samanstendur af.
 Fram til miðbiks síðustu aldar þróaðist ný grein eðlisfræðinnar, skammtafræðin, en verkefni hennar felst einmitt í að lýsa hvað eigi sér stað í öreindum. Skammtafræðin inniheldur fjölmörg atriði sem við fyrstu sýn virðast stríða gegn því hvernig við upplifum yfirleitt heiminn. Eitt þeirra felst í að lýsa öllum öreindum, þar með töldum efnisöreindum, sem bylgjum. Þetta hefur ýmislegar mikilvægar afleiðingar í för með sér.

 

Árið 1927 kom þýski eðlisfræðingurinn Werner Heisenberg með svokallað óvissulögmál sitt. Í stuttu máli felur það í sér að ógjörningur er að afráða í senn stöðu öreindar og hreyfingu hennar. Við getum séð þessa reglu fyrir okkur þegar við teiknum bylgjur á pappír. Við getum skilgreint staðsetningu bylgjunnar með því að velja tiltekin punkt á kúrfu hennar. En út frá þessum punkti getum við samt ekki vitað nokkuð um stærð bylgjunnar eða stefnu. Svo þessu sé snúið við, ef við veljum þess í stað að ákvarða stærð bylgjunnar og stefnu, getum við ekki á sama tíma skilgreint nákvæma staðsetningu hennar.

 

 Óvissulögmálið hefur einnig afleiðingar fyrir hugarþraut okkar varðandi litla teninginn sem inniheldur „ekkert“. Við getum tæmt hann af öllum frumeindum og þar með efniseindum og við getum sagt nákvæma staðsetningu þeirra vera „núll“. En það felur í sér að orka hans getur heldur ekki verið „núll“. Það myndi einfaldlega stríða gegn óvissulögmálinu. Reyndar segir skammtafræðin að í litla teningnum okkar muni ævinlega vera að finna örlítið af orku – þekkt sem „núllpunktsorka“. Rýmið með núllpunktsorku er þannig sagt vera „skammtatóm“. Lengra komumst við ekki hvað orkuna varðar. Nær „engu“ munum við heldur aldrei komast.

 

Tómarúmið iðar af orku

Öreindir verða til úr engu í örskamma stund og snúa síðan aftur til neindarinnar. Þetta hljómar eins og hreinir galdrar en þetta í reynd ein afleiðing skammtafræðinnar. Hún leyfir nefnilega að tvær öreindir með gagnstæða hleðslu geti myndast samstundis í skammtatómi og jafnað hvor aðra út eftir skamma stund. Eðlisfræðingar tala hér um sveiflur „sýndareindarinnar“.

 

Því stærri og þyngri sem öreindirnar eru þess skemmri tíma geta þær verið til. Sem dæmi getur rafeind og andeind hennar, jáeindin, með þessum hætti stokkið fram í raunveruleikanum og horfið aftur eftir 10-21 sekúndu.

 

Þetta er svo skjótt að ljós á sama tíma gæti einungis ferðast spottakorn sem samsvarar til þúsundasta hluta af þvermáli vetnisatóms.
 Sýndaröreindirnar eru þannig afar hverfular en á móti kemur að þær eru stöðugt að myndast. Þetta á við alls staðar í alheiminum – og einnig í litla teningnum okkar með „engu“ innan í. Við getum þannig litið á skammtatómið eins og sjóðandi súpu af sýndareindum sem á öllum hugsanlegum bylgjulengdum rúlla um í allar áttir í teningnum.


Sagt var fyrir um tilvist sýndaröreinda snemma á 20. öldinni. En það var ekki fyrr en árið 1996 sem tilvist þeirra var sönnuð í tilrauninni sem hollenski eðlisfræðingurinn Hendrik Casimir hafði sagt fyrir um árið 1948. Hugmynd hans fólst í að staðsetja tvær málmplötur í skammtatómi og láta þær hægt og rólega nálgast hvor aðra. Þegar fjarlægðin milli þeirra er orðin örlítil munu plöturnar taka að toga hvor aðra til sín.

 

Ástæðan er sú að fjarlægðin milli platnanna hentar nú einungis þeim sýndaröreindum sem hafa stuttar bylgjulengdir meðan allar aðrar mögulegar bylgjulengdir geta fyrirfundist í restinni af tómarúminu. Af þessu leiðir að sýndaröreindir verka með hærri þrýstingi á ytri hliðar platnanna á innri hliðarnar þannig að plöturnar þrýstast saman. Fyrirbæri þetta er þekkt sem Casimir – áhrifin.

 

Slíkar staðfestingar í tilraunum á forsögnum skammtafræðinnar eru mikilvægur grunnur fyrir svonefnt viðtekið líkan heimsfræðinnar þar sem eðlisfræðingar lýsa öllu í alheimi. Það inniheldur bæði þær öreindir sem mynda efnið sem og þær öreindir sem bera kraftanna.
 Smám saman hefur tekist að sanna nánast allar öreindir í viðteknu líkani en fram til ársins 2012 var eitt alvarlegt gat í púsluspilinu. Higgs – eindina skorti og þar með einnig skýringu á því hvers vegna það fyrirfinnst massi í alheimi.  

 

,,Stundum er bara skemmtilegt að hafa rétt fyrir sér.”

Peter Higgs eftir að eðlisfræðingum við CERN tókst að finna eind sem hann sagði fyrir um og veitir öðrum öreindum massa.

Eter alheims snýr aftur

Það var ómögulegt fyrir Peter Higgs að halda aftur af tárunum þegar hann heyrði fyrst frá nýjustu tíðindum vísindamanna við CERN. Að sú öreind sem hann hafði sagt fyrir um árið 1964 skyldi finnast á hans ævi var einfaldlega of mikið fyrir þennan 83 ára gamla eðlisfræðing. Og hann var ekki einn um það. Um heim allan deildu eðlisfræðingar gleði hans því með sönnuninni á Higgs – eindinni var búið að bjarga viðtekna líkaninu.


 „Stundum er bara gaman að hafa rétt fyrir sér,“ eins og Peter Higgs sagði þegar hann hafði jafnað sig svolítið. Higgseindin myndar svið sem ræður ríkjum hvarvetna í alheimum og er því alls staðar nærverandi með sama hætti og eterinn sem heimsspekingar og vísindamenn höfðu trúað á í árþúsundir áður en hann hlaut náðarhöggið árið 1887.


 Higgs – sviðið skilur sig frá öðrum sviðum í heimi eðlisfræðinnar með því að það er ekki breytilegt í styrk né hefur það nokkra stefnu. Því er stundum líkt við sýróp sem klístrast við sumar öreindir en ekki við aðrar. Efniseindir eins og rafeindir og róteindir verða fyrir áhrifum Higgs – sviðsins sem veitir þeim massa fyrir vikið. Ljóseindirnar þjóta hins vegar í gegnum sviðið og þess vegna hafa þær engan massa.


Líkingin við sýróp veitir myndræna skýringu á Higgs – sviði, en reyndar er Peter Higgs ekki hrifinn af henni því hún getur leitt til þess misskilnings að efniseindirnar tapi orku og missi hraða þegar þær fara í gegnum sviðið. Þannig er málum ekki háttað. Higgs – sviðið stendur fyrir lægstu orku sem getur verið til staðar í tómarúmi og því er ekki hægt að yfirfæra orku frá sviðinu til öreinda né öfugt.

 

Peter Higgs vill því fremur líkja sviðinu við þann hátt þegar ljós brotnar þegar það fer í gegnum efni eins gler eða vatn.


 Samkvæmt kenningunni um Higgs – sviðið er það aðeins til við hitastig undir 1017 gráðum og það felur reyndar í sér að sviðið hefur ekki alltaf verið til. Á einni örskotsstundu, eftir að tími og rúm fæddust í Miklahvelli var hitastig alheims mun hærra. En sé litið burt frá þessum allra fyrsta milljarðasta hluta úr sekúndu hefur Higgs sviðið fyllt hvern krók og kima alheims á öllum tímum – og það á að sjálfsögðu einnig við okkar litla tening með „engu“.


 Hvað varðar spurninguna „er ekkert til?“ hljótum við að svara henni neitandi miðað við þá þekkingu sem við búum yfir núna. Nútímaeðlisfræði hefur kennt okkur að þrátt fyrir að við fjarlægjum allt efni frá svæði í alheiminum og einangrum það frá rafsegulgeislum utan frá mun Higgs sviðið samt sem áður vera til staðar – fyrir utan þyngdarbylgjur, núllpunktsorku, sýndareindir og að líkindum einnig hulduefni.


 Sumir munu vafalítið staðhæfa að „ekkert var til fyrir Miklahvell“ eða að „ekkert er til fyrir utan alheiminn“. En að staðsetja „ekkert“ í tíma og rúmi sem samkvæmt skilningi eðlisfræði okkar er einmitt skilgreint með því að vera ekki til staðar, getur varla veitt „ekkertinu“ tilvist. Því eru þessi tvö svör alveg jafn fáránleg eins og gríski heimsspekingurinn Þales leit á spurninguna um „ekkert“ fyrir meira en 2500 árum.

 

 

 

Birt: 18.10.2021

 

 

 

 JENS E. MATTHIESEN

 

 

 

BIRT: 18/10/2021

vinsælustu greinarnar

Lifandi vísindi

Lyf

Lifandi saga

Ertu áskrifandi að tímaritinu?

Áskrifendur að tímaritinu geta fengið frían aðgang að vefnum hér.

Innskráning

Ertu með áskrifandi að blaðinu?

Áskrifendur geta fengið áskrift af vefnum hér

FÁÐU AÐGANG AÐ VÍSINDI.IS

Viltu lesa greinina?

Fáðu aðgang að visindi.is

Ókeypis í 2 vikur!

Eftir það kostar eingöngu 1.390 kr. á mánuði og enginn uppsagnarfrestur.

Innifalið er aðgangur að öllum greinum á vefnum ásamt rafræna útgáfu af nýjustu tölublöðunum.

  • Fullur aðgangur að visindi.is
  • Frábærar myndir og myndbönd
  • Aðgengilegt í öllum snjalltækjum
  • Fullur aðgangur að gríðarlegu magni eldri greina
  • Nýjustu tölublöðin í rafrænu formi

Núverandi áskrifendur að tímaritinu fá að sjálfsögðu ókeypis aðgang að vefnum og þurfa bara að virkja aðgang sinn hér.

Ef þú ert þegar áskrifandi að visindi.is