Fysikerne leder stadig efter det rene ingenting

Jagten på det absolutte tomrum, hvor intet stof findes, og ingen energi eller kræfter hersker, har stået på gennem tre årtusinder. Undervejs har filosoffer og fysikere forsøgt at frembringe det totale vakuum både i praksis og i teorien – men det virker, som om naturen modarbejder dem. Bedst som det ser ud til, at tomrummet endelig viser sig for forskerne, fyldes det igen op af nye opdagelser og erkendelser.

Helt præcist 99,9999426697 procent – så sikre var fysikerne ved CERN på, at deres måling holdt stik. Derfor turde de den 4. juli 2012 annoncere, at de havde fundet det, de havde ledt efter, lige siden der i 2007 blev fyret op i den store LHC-accelerator: higgspartiklen.

Forskerne vidste på forhånd, det ville blive uhyggelig svært at finde den. Glem alt om nåle og høstakke. I LHC skabes der kun én observerbar higgspartikel ud af ti tusind milliarder sammenstød mellem de protoner, der med en hastighed tæt på lysets suser rundt i acceleratorens 27 kilometer lange rør.

Heldigvis var fysikerne vågne nok til at fange den. Den viser nemlig, at vores forståelse af, hvordan universet er skruet sammen, stadig holder. Higgspartiklen er nødvendig for, at andre partikler har en vægt. Hvis den ikke fandtes, ville alle partikler være som lysets fotoner: hurtige, men uden masse. Universet ville dermed kun indeholde elektromagnetisk stråling, men ingen elektroner, protoner, atomer, molekyler, planeter eller stjerner. Det ville med andre ord være helt tomt for stof.

Higgspartiklen giver ikke bare en forklaring på, at vi er her, men bidrager også til at finde svaret på det modsatrettede spørgsmål: Findes det absolutte tomrum?

Idéen om et rum, som er drænet for alt stof og energi, har spøgt i hovederne på filosoffer og forskere i årtusinder, og svaret har gennem tiden svinget frem og tilbage mellem nej og ja. Med opdagelsen af higgspartiklen fik vi et nyt billede af, hvad der mon findes i et område af rummet, hvor der ikke er noget som helst andet til stede.

Umiddelbart lyder spørgsmålet “Eksisterer ingenting?” enkelt, men ved nærmere eftertanke er det måske det mest komplicerede, vi kan stille os selv. Definitionen af “ingenting” må nødvendigvis være “fraværet af alt”, så hvis vi skal forstå “ingenting”, er vi også nødt til at forstå “alting”. Forskerne skulle med andre ord ud på noget af en omvej, før de fandt det endelige svar.

Vi opdrages til at acceptere ingenting

Allerede fra barnsben møder vi tanken og konceptet om intetheden, uden at vi tænker videre over det. I folkeskolen siger læreren fx: “Der ligger to appelsiner på bordet. Nu fjerner jeg dem begge. Hvad er der så tilbage?” De fleste opvakte børn vil svare “ingenting” eller “nul”, og begge dele vil tilfredsstille læreren. I gymnasiet vil svarene ikke være helt i orden.

Matematiklæreren vil bede om at få en enhed på resultatet, så det korrekte svar ville være “ingen appelsiner” eller “nul appelsiner”. Fysiklæreren vil måske gå skridtet videre og hævde, at det rigtige svar er “luft”, fordi den plads, som appelsinerne fyldte, nu er erstattet af atmosfærens ilt, kvælstof og en smule andre grundstoffer. På universitetet vil spørgsmålet nok være formuleret anderledes: “Der er to appelsiner – ikke på bordet, men ude i rummet mellem galakserne. Nu fjerner vi dem. Hvad er der så tilbage der, hvor de var?”

De astronomistuderende vil vide, at der selv i det inter­galaktiske rum findes spredte atomer af fx brint og helium, og det svar vil være rigtigt, men alligevel ikke udtømmende, for det oplagte næste spørgsmål vil jo lyde: “Hvad er der så i det rum, de spredte atomer ikke har udfyldt?”

Her begynder det at blive rigtig svært, ikke bare for de studerende, men også for de skarpeste hjerner inden for fysik og kosmologi. Og det var det også for de græske filosoffer, som begyndte at fundere over spørgsmålet allerede for over 2500 år siden.

  • "Intet er hverken tomt eller overflødigt."

    Empedokles (ca. 490-430 f.Kr.) afviste pure, at der kunne findes et rum uden indhold.

Grækerne stempler intetheden som absurd

Faderen til den videnskabelige måde at tænke på mente, at tanken om “ingenting” var meningsløs. Thales fra Milet, som levede ca. 635-546 f.Kr., fremførte det argument, at alene det, at nogen tænkte på eksistensen af “ingenting”, ville betyde, at “ingenting” alligevel var “noget” – og dermed ville det ikke længere være “ingenting”. I hans logik kunne “ingenting” dermed kun eksistere, hvis der ikke var nogen eller noget, som kunne betragte det eller forestille sig det.

Det lyder lidt kryptisk, men Thales forsøgte også at gøre sine tanker mere håndgribelige netop ved at stille sig selv spørgsmålet om, hvad der ville være tilbage, hvis man fjernede alting fra et om­råde. Hans svar var: vand. For Thales var vand et ganske særligt stof, fordi det kunne antage forskellige former og optræde som væske, gas eller is.

Det gav ham den idé, at vand også kunne antage alle mulige andre former, og at det derfor var universets urstof, som alle materialer dybest set var lavet af. “Alt er vand,” som han er citeret for at sige, og det gav derfor også sig selv, at det nærmeste, man kunne komme “ingenting”, var vand i sin “oprindelige” form, som ifølge Thales var den flydende tilstand.

Thales’ grundlæggende tanke om, at der fandtes et allestedsnærværende urstof, levede videre i generationer af græske tænkere efter ham. For Anaximenes (ca. 585-525 f.Kr.) var urstoffet bare ikke vand, men luft, og for Heraklit (ca. 535-480 f.Kr.) var det ild – i begge tilfælde en langt mere flygtig størrelse end vand.

En senere efterfølger, Empedokles (ca. 490-430 f.Kr.), gik mere metodisk til sagen. Han satte sig for at undersøge, om luft er en substans, eller om den netop er fraværet af al substans og dermed “ingenting”. Til formålet brugte han en kolbe, dvs. en flaske med en kuglerund krop og en cylinderformet hals. Empedokles lavede små huller i kroppen på kolben og udførte derefter flere forsøg med vand. Her fandt han bl.a. ud af, at når han fyldte kolben med vand og holdt en hånd hen over halsens åbning, blev vandet inde i kolben.

Først når han fjernede hånden, begyndte vandet at sprøjte ud gennem de små huller. Empedokles indså, at luft måtte være en substans, og at den optog rummet i kolben, på samme måde som vandet gjorde det. Og hvad mere var: Vandet kunne kun forlade rummet, hvis luften fik lov at indtage det.

I dag virker forsøget banalt, men resultatet var meget vidtrækkende. Empedokles konkluderede, at naturen modsætter sig, at der dannes et tomrum, og den konklusion kom til at råde i mange århundreder frem. Empedokles udvidede sine forgængeres tanker om ét urstof til i stedet at omfatte fire grundelementer: vand, ild, luft og jord. Han fostrede også de første forestillinger om kræfter, som han kaldte “kærlighed” og “strid”, og som virkede på alle de ting, som var sammensat af grund­elementerne.

Endelig introducerede han “æteren”, som var en substans, der var endnu tyndere end luft, som var allestedsnærværende og udfyldte selv de mindste rum. På den måde udelukkede Empedokles fuldstændigt, at “ingenting” kunne eksistere.
“Intet i verden er hverken tomt eller overflødigt,” som han udtrykte det.

Først 2000 år efter Empedokles blev naturens “forbud” mod tomrum modbevist. Og også her skete det med et helt simpelt eksperiment.

Det lufttomme rum var et par tusind år undervejs

Gennem oldtiden og middelalderen var den gængse holdning, at tomrummet ikke kunne eksistere. Alle rum ville som et minimum være fyldt med luft eller med en ukendt substans kaldet “æteren”.

  • 450 f.Kr.: Naturen forbyder tomrummet

    Vand og luft kæmper om pladsen: Grækeren Empedokles udførte simple forsøg med en flaske med små huller i. Han så, at der altid ville være enten vand eller luft i flasken. Derfor konkluderede han, at naturen ikke tillader, at der opstår et tomrum.

  • 1643: Mennesket kan skabe et vakuum

    Kviksølv tvinger vakuumet frem: Evangelista Torricelli opdagede, at hvis han fyldte et glasrør med kviksølv og vendte det på hovedet i en skål med kviksølv, faldt søjlen af det flydende metal. Da intet kunne slippe ind i det lukkede rør, måtte rummet over kviksølvsøjlen være fyldt af ingenting.

Naturen overvinder frygten for tomheden

Tag et glasrør, som er en meter langt, og sæt en prop i bunden. Fyld det nu med kviksølv, og sæt en prop i toppen. Sænk bunden af røret ned i en skål, som også er fyldt med kviksølv, og fjern bundproppen. Denne enkle opskrift blev fulgt af Evangelista Torricelli i 1643 efter gode råd og anvisninger fra hans store forbillede og læremester, Galileo Galilei, som var død året før. Da Torricelli gennemførte forsøget, så han, at søjlen af kviksølv i røret begyndte at dale, og at den først faldt til ro, da den var nået ned på en højde af 76 cm.

Torricelli indså også hvorfor. Vægten af det tunge kviksølv i røret får søjlen til at falde, indtil der opstår en balance med atmosfærens tryk på overfladen af kviksølvet i skålen.

Med sit forsøg havde Torricelli opnået to ting. Han havde opfundet barometeret, og han havde skabt et vakuum. Da søjlen af kviksølv faldt, efterlod den jo et tomrum på 24 cm øverst i glasrøret, som måtte være fyldt med “ingenting”. Torricelli havde med andre ord skabt det, som alle i et par tusind år havde anset for umuligt. Alligevel var hans reaktion ret afdæmpet:

“Mange har påstået, at et vakuum ikke kan eksistere, andre har hævdet, at det kun kan findes ved at trodse naturens modvilje mod det. Jeg kender ingen, som påstår, at det kan eksistere uden modstand fra naturen.”

Til gengæld var begejstringen stor omkring ham. I de følgende år gentog flere forskere i en række forskellige lande hans forsøg og forsøgte samtidig at finde ud af, hvilke egenskaber et vakuum besidder. I Frankrig blev Torricellis eksperiment udbygget af Blaise Pascal, som placerede hele forsøgsopstillingen på en vægt og konstaterede, at vakuummets indhold, hvis der var noget, ikke vejede noget som helst.

  • "Vi må konkludere, at der ikke er nogen stationær æter."

    Albert Michelson beviste i 1887, at der ikke eksisterer en æter, som Jorden bevæger sig igennem i sit kredsløb om Solen.

I England udviklede Robert Hooke pumper, som kunne frembringe vakuum i større områder, og hans læremester, Robert Boyle, gennemførte forsøg, hvor han lukkede mus, slanger og fugle inde i vakuummet og så dem blive kvalt. Hvad der end måtte befinde sig i vakuummet, var det i hvert fald ikke luft.

Boyle placerede også en klokke i vakuummet og konstaterede, at den blev lydløs. Lyden kunne altså ikke bevæge sig gennem det lufttomme rum. Til gengæld blev lys åbenbart ikke påvirket. En lampe placeret på den ene side af en lufttom glasbeholder kunne jo ses fra den anden side. Boyle var dermed på sporet af forskellen mellem bølger i fysiske substanser som luft og vand og elektromagnetiske bølger som lys.

Vakuummets opdagelse i 1600-tallet gjorde op med den “horror vacui” – frygt for det tomme rum – der havde hersket i naturforskernes beskrivelse af verden fra oldtiden og gennem hele middelalderen. Og gennembruddet nåede langt ud over det videnskabelige miljø.

Rummet blev tømt for stof og fyldt med bølger

I 1800-tallet herskede idéen om en æter, der fyldte rummet mellem stjerner og planeter, men en ny opfindelse viste, at det var forkert. 100 år senere afslørede samme opfindelse universets tyngdebølger.

  • 1887: Æteren forlader verdensrummet

    Skuffende måling blev æterens død: Albert Michelson opfandt sit interferometer for at måle Jordens bevægelse i forhold til æteren i rummet. Instrumentet skulle vise bevægelsen, ved at de to
    lysstråler blev påvirket forskelligt, så deres interferensmønster ændrede sig, når Michelson drejede opstillingen. Men der skete intet, fordi der ikke findes nogen æter.

  • 2015: Tyngdebølger indtager universet

    Usynlige bølger deformerer rummet: Det gigantiske LIGO-interferometer påviste i 2015 for første gang de såkaldte tyngdebølger, som blev forudsagt af Einsteins relativitetsteori præcis hundrede år tidligere. Bølgerne skabes af masser i bevægelse og deformerer rummet, når de ruller gennem universet.

Det magiske vakuum bjergtager verden

Det var et prominent selskab, som i 1654 var forsamlet i den tyske by Regensburg for at opleve et mystisk fænomen. Både kejser Ferdinand 3. og medlemmerne af rigsdagen var til stede. Manden bag den spektakulære forestilling var den tyske fysiker Otto von Guericke, som også var borgmester i Magdeburg. Von Guericke havde fået fremstillet to halvkugler af kobber med en diameter på 60 cm, som kunne sættes sammen til en hul kugle.

Med en tryllekunstners sans for dramatik bad han nu nogle frivillige fra forsamlingen om at trække halvkuglerne fra hinanden, hvilket naturligvis var let nok. Herefter samlede han igen kuglen, og ved hjælp af en pumpe, han selv havde opfundet, sugede han luften ud af den gennem en ventil. Publikum fik igen lov at trække i halvkuglerne, men nu var det helt umuligt at rokke dem. Så satte von Guericke for alvor trumf på. Som et højdepunkt på forestillingen blev to spand på hver otte heste nu spændt for hver deres halvkugle og pisket til at bruge alle deres kræfter, men de to halvkugler var stadig uløseligt forbundne.

Von Guericke havde på den måde demonstreret, hvor kraftfuldt et vakuum er – eller rettere sagt: Hvor stærke de kræfter er, som virker uden om det. Luftens tryk på halvkuglernes yderside, og på alt andet ved havets overflade, er på én atmosfære, som svarer til et kilo på hver kvadratcentimeter eller ti tons pr. kvadratmeter – langt mere end den kraft, 16 heste kan præstere.

Von Guericke gentog sin demonstration mange gange, i nogle tilfælde endda med 24 og 30 heste, og altid med samme resultat. Det var potent populærvidenskab og en fejring af den erkendelse, som Torricelli var kommet til, nemlig at vi lever “på bunden af et hav af luft”. Franskmanden Blaise Pascal havde i øvrigt fastslået, at lufthavet bliver tyndere, jo længere vi bevæger os opad. Den næste erkendelse lå i direkte forlængelse: Luft er ikke noget, som fylder hele verdensrummet.

Opdagelsen af vakuummet som et lufttomt rum betød ikke, at idéen om en allestedsnærværende æter blev forladt. Æteren kunne jo bestå af noget helt andet, ligesom allerede Empedokles havde forestillet sig. 1600-tallets allerstørste geni, Isaac Newton, havde et ret ambivalent forhold til æteren. Af hans publikationer fremgår, hvordan han skiftevis accepterede og fornægtede eksistensen af den. I 1675 fremsatte han sin teori om lys, hvor han mente, det bevæger sig gennem en æter. Fire år senere forlod han tanken om æteren for igen at vende tilbage til den i 1718 i en ny udgivelse om lysets natur.

Netop spørgsmålet om, hvad lys består af, blev diskuteret heftigt blandt fysikere på Newtons tid og i de følgende årtier. Var lys partikler eller bølger? Striden fortsatte gennem et helt århundrede og blev først afgjort, da den britiske fysiker Thomas Young i 1804 offentliggjorde sit banebrydende forsøg, hvor han lod lys passere gennem to smalle spalter, så det dannede et stribet interferensmønster på en plade bagved. Mønsteret var et bevis på, at lyset opførte sig, på samme måde som bølger på en vandoverflade gør, når de mødes. To bølgetoppe forstærker hinanden, mens en bølgetop og en bølgedal udligner hinanden.

Forståelsen af lys som bølger støttede idéen om æteren. Når lys kunne trænge igennem Torricellis vakuum, måtte det være, fordi vakuummet indeholdt en æter, som lyset kunne bølge sig igennem. Tilsvarende måtte det lufttomme rum mellem stjerner og planeter være fyldt op med den samme æter, som sikrede, at Solens lys kunne nå os her på Jorden. Der skulle gå endnu et århundrede, før det stod klart, at det var helt forkert.

Det skete, da den amerikanske fysiker Albert Michelson opfandt en genial forsøgsopstilling, der i dag er kendt som interferometeret. Kort fortalt er princippet i opstillingen at splitte en lysstråle i to og sende dem i hver sin retning og tilbage igen ved hjælp af spejle. Når strålerne igen samles, danner de et interferensmønster. Michelsons idé var at bruge opstillingen til at måle Jordens bevægelse i forhold til æteren. Hvis Jorden sejlede gennem æteren som en båd gennem vand, ville mønsteret ændre sig, når han drejede opstillingen, fordi Jordens bevægelse gennem æteren ville påvirke de to lysstråler forskelligt.

Med hjælp fra sin kollega Edward Morley lykkedes det i 1887 Michelson at sætte opstillingen så præcist op, at de endelige målinger kunne gennemføres. De to fors­ke­­re begyndte eksperimenterne og drejede løs på forsøgsopstillingen, men intet skete. Uanset hvordan den vendte, var interferensmønsteret det samme. Det kunne kun betyde én ting, og Michelson erkendte det straks:

“Vi må konkludere, at der ikke er en stationær æter, som Jorden bevæger sig igennem i kredsløbet om Solen.”

I brintatomet, som består af en proton og en elektron, er der en enorm afstand mellem de to partikler. Hvis vi forstørrer atomet op, så protonen får en diameter på 2,2 cm, vil afstanden ud til elektronen blive på 541 meter. Langt det meste af atomet er altså tømt for stof.

Tyngdekraften bliver en del af rummet

Uden æteren var det pludselig muligt at forestille sig et rumligt område fyldt af “ingenting”. Som et tankeeks­periment kunne vi konstruere en lille beholder, fx i form af en terning på én kubikcentimeter, og suge alle atomer ud af den, så ville den være tømt for stof. Hvis vi derudover kunne skærme den mod lys og anden elektromagnetisk stråling, ville den også være tømt for energi. Tilbage ville så være “ingenting”. Eller hvad?

Det spørgsmål fik fysikerne ikke ret lang tid til at tænke over, for allerede i 1915, bare 28 år efter aflivningen af æteren, blev spørgsmålet vendt fuldstændigt på hovedet, da Albert Einstein introducerede sin generelle relativitetsteori med en helt ny beskrivelse af verden.

I den newtonske forståelse af rummet er det noget, som eksisterer uafhængigt af indholdet. Vi kan derfor, i hvert fald i teorien, godt fjerne alting fra et rumligt område, og området vil stadig være der. Anderledes er det i det univers, Einstein tegnede for os.

For det første er det ikke tredimensionelt som Newtons univers, men fire­dimensionelt, hvor tiden er den fjerde dimension. For det andet defineres rummet af dets eget indhold. Massen i rummet bestemmer, hvordan rummet former sig, og rummet bestemmer, hvordan massen bevæger sig. Masse og rum er dermed uløseligt forbundne størrelser i Einsteins rum-tid, og alene derfor er det meningsløst at tænke sig det ene uden det andet.

Desuden fortæller relativitetsteorien os, at masser i bevægelse skaber såkaldte tyngdebølger, som ruller gennem hele universet og deformerer rum-tiden, så uanset hvad vi gjorde med vores lille terning af “ingenting”, ville tyngdebølger skylle igennem den på kryds og tværs.

Eksistensen af tyngdebølger blev bevist i 2015, da forskere ved LIGO-detektorerne i USA målte en forvrængning af rum-tiden, som var skabt af to sorte huller, der smeltede sammen langt ude i universet for over en milliard år siden. LIGO-detektorerne er interferometre, som til forveksling ligner den forsøgsopstilling, Michelson brugte til at give æteren dødsstødet.

Hans lampe er dog skiftet ud med en laserkanon, og hele opstillingen er nogle tusind gange større for at opnå den nødvendige følsomhed. Tyngdebølger er nemlig så svage, at vi kun kan måle dem, der skabes af de mest dramatiske begivenheder i universet. Men efter fundet i 2015 ved vi, at de må være til stede overalt.

I sit arbejde med den generelle relativitetsteori stødte Einstein i øvrigt på et helt andet problem. For at få sine ligninger til at passe med det univers, vi kan observere, måtte han indføre en konstant. Han var ikke selv vild med idéen og kaldte den siden sin “største fejltagelse”, men senere observationer viser faktisk, at der er en såkaldt kosmologisk konstant i spil i universet. Astronomerne har klarlagt, at universet udvider sig, og at udvidelsen endda accelererer.

Det betyder, at der må være en kraft til stede, som virker modsat af tyngdekraften. Hvad der skaber denne kraft, er stadig en stor gåde, men indtil videre har den fået navnet “mørk energi”. I vores lille terning ville den mørke energi også være til stede, som den er det alle andre steder i universet.

Med relativitetsteorien beskrev Einstein universet i den helt store skala. Andre fysikere i 1900-tallet gik den modsatte vej. De zoomede ind på det allermindste og gik på opdagelse i atomet. Resultatet var helt nye erkendelser af, hvad der foregår i områder, hvor der ikke er noget stof til stede.

Moderne fysik propper tomrummet med aktivitet

Både relativitetsteorien og kvantemekanikken har givet os ny viden om, hvad der foregår i et vakuum. Der er alt andet end stilstand. Det tilsyneladende tomme rum gennemstrømmes af energi og sitrer af flygtige partikler – og bag det hele ligger higgsfeltet som rummets allestedsnærværende æter.

1. Virtuelle partikler

Opstår og forsvinder konstant, selv i et vakuum med et minimum af energi.

2. Tyngdebølger

Ruller på kryds og tværs gennem hele universet, også gennem et tomt rum.

3. Mørk energi

Er den mystiske kraft, som udvider selve universets rum og er på spil overalt.

Atomets tomrum er fyldt med energi

Se godt på punktummet, der slutter denne sætning. Tryksværten i det består af omkring 100 milliarder atomer. Hvis vi ville se et af dem med det blotte øje, skulle vi forstørre punktummet op til at have en diameter på 100 meter. Og hvis vi ville se atomkernen, måtte vi forstørre det op til en diameter på 10.000 kilometer – svarende til afstanden mellem ækvator og Nordpolen.

I det mest simple atom, brintatomet, består kernen kun af én proton, som omkredses af én elektron. Afstanden mellem de to partikler er enorm sammenlignet med deres størrelse. Hvis vi rejser fra centrum af protonen ud til elektronen, har vi kun tilbagelagt en titusindedel af rejsen i det øjeblik, vi når til kanten af protonen. Da elektronen er meget mindre end protonen, står det klart, at langt det meste af atomet består af rum, som ikke er optaget af stofpartiklerne. Faktisk udgør dette rum 99,99999999999999 procent af atomets rumfang.

Det ville dog være forkert at sige, at det var helt tomt. De magnetiske kræfter mellem elektronens negative ladning og protonens positive ladning skaber nemlig et intenst elektrisk felt, som fylder rummet imellem dem.
På samme måde forholder det sig, hvis vi zoomer yderligere ind på protonen.

Den består af mindre elementarpartikler kaldet kvarker. Kvarkerne udgør kun en lille del af protonens samlede masse, ca. ni procent. Res­ten er energi, som skabes af de kræfter, der virker mellem kvarkerne og de gluoner og andre masseløse partikler, som protonen består af.

Op gennem første halvdel af 1900-tallet blev en ny gren af fysikken, kvantemekanikken, udviklet, og dens opgave er netop at beskrive, hvad der foregår på atomart og subatomart niveau. Kvantemekanikken indeholder en række pointer, som umiddelbart strider mod vores normale håndgribelige måde at opfatte verden på. En af dem er at beskrive alle partikler, inklusive stofpartikler, som bølger, og det har nogle vigtige konsekvenser

. I 1927 formulerede den tyske fysiker Werner Heisenberg sit såkaldte usikkerhedsprincip. Kort fortalt betyder det, at det er umuligt både at bestemme en partikels position og bevægelse samtidig. Vi kan se princippet for os, når vi tegner en bølge på et stykke papir. Vi kan nu definere bølgens position ved at vælge et bestemt punkt på dens kurve. Men ud fra dette punkt kan vi jo ikke vide noget om bølgens størrelse eller retning. Eller omvendt: Hvis vi i stedet vælger at bestemme bølgens størrelse og retning, kan vi ikke samtidig angive dens præcise position.

Usikkerhedsprincippet har også konsekvenser for tankeeksperimentet med vores lille terning af “ingenting”. Vi har tømt den for atomer og dermed for stofpartikler, og vi kan derfor angive deres præcise position som “nul”. Men det betyder, at deres energi ikke også kan være “nul”. Det ville simpelthen stride mod usikkerhedsprincippet. Faktisk siger kvantemekanikken, at der i vores terning altid vil være en ganske lille smule energi til stede – kendt som “nulpunktsenergien”. Et rum med nulpunktsenergi kaldes derfor også for et “kvante­vakuum”. Længere kan vi ikke nå ned rent energimæssigt. Tættere på “ingenting” kan vi aldrig komme.

Tomrummet syder af aktivitet

Partikler opstår af ingenting, eksisterer et øjeblik og vender igen tilbage til intetheden. Det lyder som ren magi, men er faktisk også en konsekvens af kvantemekanikken. Den tillader nemlig, at to partikler med modsat ladning kan opstå spontant i et kvantevakuum og udslette hinanden efter ganske kort tid. Fysikerne taler om fluktuationer af “virtuelle partikler”.

Jo større og tungere partiklerne er, desto kortere tid får de lov at eksistere. For eksempel kan en elektron og dens antipartikel, en positron, på denne måde springe ind i virkeligheden og forsvinde igen efter 10-21 sekund. Det er så hurtigt, at lys på den samme tid kun ville nå at rejse en strækning, der svarer til en tusindedel af diameteren på et brintatom.

De virtuelle partikler er altså meget flygtige, men til gengæld opstår de konstant. Det gælder overalt i universet – og altså også i vores lille terning med “ingenting”. Vi kan betragte kvantevakuumet som en sydende suppe af virtuelle partikler, der med alle tænkelige bølgelængder ruller rundt i alle retninger i terningen.

Eksistensen af de virtuelle partikler blev forudsagt allerede tidligt i 1900-tallet, men først i 1996 blev de bevist i eksperimenter, som den hollandske fysiker Hendrik Casimir havde foreslået tilbage i 1948. Idéen var at placere to metalplader i et kvantevakuum og langsomt lade dem nærme sig hinanden. Når afstanden bliver meget lille, vil de to plader begynde at tiltrække hinanden.

Årsagen er, at afstanden mellem pladerne nu kun passer til de virtuelle partikler, som har korte bølgelængder, mens alle mulige bølgelængder kan eksistere i resten i vakuummet. Resultatet er, at virtuelle partikler udøver et højere tryk på pladernes yderside end på deres inderside, så pladerne bliver presset ind mod hinanden. Fænomenet er kendt som casimir-effekten.

De eksperimentelle bekræftelser af kvantemekanikkens forudsigelser er et vigtigt grundlag for den såkaldte standardmodel, som er fysikernes beskrivelse af alt i universet. Den indeholder både de partikler, som udgør stoffet, og de partikler, som bærer kræfterne.
Efterhånden er næsten alle partiklerne i standardmodellen blevet påvist, men frem til 2012 var der et alvorligt hul i puslespillet. En meget central brik, higgspartiklen, manglede og dermed også en forklaring på, hvorfor der findes masse i universet.

  • "Nogle gange er det bare rart at få ret."

    Peter Higgs, efter at det var lykkedes fysikere på CERN at finde hans forudsagte partikel, som giver andre partikler masse.

Universets æter får comeback

Det var umuligt for Peter Higgs at holde tårerne tilbage, da han fra sin plads på tredje række i auditoriet på CERN lyttede til forskernes nyhed. At den partikel, han havde forudsagt eksistensen af i 1964, skulle blive fundet i hans levetid, var simpelthen for overvældende for den 83-årige fysiker. Og han var ikke alene. Over hele verden delte fysikere hans overraskelse og glæde, for med beviset på higgspartiklen var standardmodellen reddet.

“Nogle gange er det bare rart at få ret,” som Peter Higgs udtalte, da han havde sundet sig lidt. Higgspartiklen skaber et felt, der hersker overalt i universet, og det er derfor allestedsnærværende på samme måde som den æter, filosoffer og videnskabsmænd havde troet på i årtusinder, indtil den blev aflivet i 1887.

Higgsfeltet adskiller sig fra andre felter i fysikkens verden, ved at det ikke varierer i styrke eller har nogen retning. Det beskrives ofte som en sirup, der klistrer sig til nogle partikler, men ikke til andre. Stofpartikler som elektroner og protoner påvirkes af higgsfeltet, som derfor giver dem masse. Lysets fotoner farer derimod upåvirkede igennem feltet, og derfor har de ingen masse.

Sammenligningen med sirup giver en billedlig forståelse af higgsfeltet, men faktisk er Peter Higgs ikke selv fan af den, fordi den kan lede til den misforståelse, at stofpartiklerne taber energi og mister hastighed, når de bevæger sig gennem feltet. Sådan er det ikke. Higgsfeltet repræsenterer den laveste energi, som kan forekomme i vakuum, og derfor kan det ikke lade sig gøre at overføre energi fra feltet til partiklerne eller omvendt.

Peter Higgs vil derfor hellere sammenligne feltet med den måde, lys brydes på, når det bevæger sig gennem et medie som glas eller vand.

Ifølge teorien om higgsfeltet eksisterer det kun ved temperaturer under 1017 grader, og det betyder faktisk, at feltet ikke har eksisteret altid. I et splitsekund, efter at tiden og rummet blev født ved big bang, var universets temperatur endnu højere. Men ser vi bort fra denne allerførste billiontedel af et sekund, har higgsfeltet fyldt hver en afkrog af universet til alle tider – og det gælder selvfølgelig også vores lille terning af “ingenting”.

Til spørgsmålet “Eksisterer ingenting?” må vi derfor svare nej med den viden, vi har i dag. Den moderne fysik har lært os, at selvom vi fjerner alt stof fra et område i universet og isolerer det fra elektromagnetisk stråling udefra, vil higgsfeltet stadig være der – foruden tyngdebølger, nulpunktsenergi, virtuelle partikler og formentlig også mørkt stof.

Nogle vil sikkert hævde, at “ingenting eksisterede før big bang”, eller at “ingenting eksisterer uden for universet”. Men at placere “ingenting” i tider og på steder, som i vores fysiske forståelse netop er defineret ved at være ikkeeksisterende, kan vel ikke give “ingenting” en eksistens. Så disse to svar er nok mindst lige så absurde, som grækeren Thales anså selve spørgsmålet om ingenting for at være for over 2500 år siden.

Læs også:

Naturlove

Et kilo vejer nu endelig et kilo

2 minutter
Naturlove

Lys ser ind i din krop

1 minut
Naturlove

Lys er en skizofren naturkonstant

3 minutter

Log ind

Fejl: Ugyldig e-mailadresse
Adgangskode er påkrævet
VisSkjul

Allerede abonnement? Har du allerede et abonnement på magasinet? Klik hér

Ny bruger? Få adgang nu!