Watchtower ONLINE LIBRARY
Watchtower
ONLINE LIBRARY
Dansk
  • BIBELEN
  • PUBLIKATIONER
  • MØDER
  • g80 8/2 s. 17-21
  • Elementarpartikler i atomets verden

Ingen video tilgængelig.

Beklager, der opstod en fejl med at indlæse videoen.

  • Elementarpartikler i atomets verden
  • Vågn op! – 1980
  • Underoverskrifter
  • Lignende materiale
  • De første elementarpartikler findes
  • Metoder til eftersporing
  • Flugteksperter
  • Mestre i at skifte identitet
  • Energisætningen
  • Neutrinoen forudsiges
  • Klassificering
  • Findes der en mere elementær partikel?
  • Hvad man ikke kan se med det blotte øje
    Vågn op! – 2000
  • Skaberværkets byggesten
    Vågn op! – 1972
  • Hvor farlig er radioaktivitet?
    Vågn op! – 1982
  • Opstod grundstofferne ved et tilfælde?
    Vågn op! – 2000
Se mere
Vågn op! – 1980
g80 8/2 s. 17-21

Elementarpartikler i atomets verden

EN HÆR af detektiver fra mange lande er lige i hælene på deres bytte — et bytte som er mester i forklædning og hurtige forsvindingsnumre. Der er masser af spor: afslørende „fingeraftryk“, et tydeligt handlingsmønster og endda fotografier. Detektivernes tekniske udstyr bliver ustandselig forbedret, men den eftersøgte synes blot at blive endnu vanskeligere at få hold på.

Det er ikke storforbryderen de er ude efter. Tværtimod; det er den lille, ja faktisk den allermindste. Detektiverne er nemlig atomfysikere, og målet for deres søgen er elementarpartiklen, universets byggesten.

Eftersøgningen har stået på i hvert fald siden det fjerde århundrede før vor tidsregning, da den tids græske filosoffer grublede over hvad der skete når man sønderdelte noget stof igen og igen. De kom til det resultat at man ikke kunne blive ved i det uendelige; til sidst måtte man få en lille mængde stof som ikke længere kunne deles. Demokritos tillægges æren for at være den første der anvendte ordet „atom“ om denne den mindste mængde stof. Nu i det 20. århundrede arbejder man imidlertid med at finde ud af hvad der er inden i atomet.

De første elementarpartikler findes

I 1897 påviste J. J. Thomson elektronen. Han fandt ud af at elektrisk strøm består af store mængder elektroner. Disse partikler er så små at der strømmer 6.000.000.000.000.000.000 af dem gennem en 100-watts pære i sekundet. Elektronerne, som er de lettest påviselige af alle elementarpartikler, er som ustadige vagabonder der nemt skifter opholdssted, endog ved simpel gnidning. Når man går hen over et tæppe kan skoene opsamle milliarder af dem, og de breder sig over hele kroppen, kun for at samle sig og springe som en gnist fra fingerspidserne når man rækker ud mod en elkontakt.

I 1911 påviste Ernest Rutherford at hele atomets positive ladning og størstedelen af dets masse befinder sig i et lille punkt som ikke fylder mere end 1/10.000 af atomets samlede størrelse. Dette gav stødet til det almindelige billede de fleste af os har af atomet: vi forestiller os en lille central kerne omgivet af hurtige elektroner der svirrer som bier omkring et bistade.

I 1932 opdagede man at kernen bestod af protoner og neutroner. Protonerne bærer atomets positive ladning — som svarer nøjagtigt til elektronernes negative ladning. Protonens masse er cirka 1800 gange større end elektronens; det svarer til størrelsesforskellen mellem et køleskab og en småkage. Neutronen er derimod elektrisk neutral, og dens masse er en smule større end protonens. Da man nåede frem til 1940rne, havde nye teorier og forsøg afsløret mange flere partikler i atomkernen. Fysikernes opfattelse af atomkernen blev mere og mere kompliceret.

Metoder til eftersporing

Fysikerne „ser“ partiklerne ved at undersøge de spor de efterlader sig når de reagerer eller vekselvirker med andre partikler. Denne vekselvirkning kan sammenlignes med et vanartet barns hærgen. Hvis barnet farer rundt i hele nabolaget og raserer blomsterbede, vælter skraldespande og så videre, vil naboerne snart kunne tyde sporene og udpege synderen. En ladet partikel der er frigjort fra sit atom, farer rundt og opfører sig noget nær som et uregerligt barn. Den støder ind i andre atomer, løsner nogle af deres elektroner og efterlader sig et spor i form af elektrisk ladede atomer.

Et apparat der før i tiden ofte blev anvendt til påvisning af partikler, var tågekammeret. Luften i dette kammer er mættet med vanddamp, og de ladede partikler der farer gennem kammeret efterlader sig et spor fordi vanddampen fortættes i mikroskopiske dråber om de atomer der forstyrres langs partikelbanen — noget lignende sporet af et jetfly i stor højde. Mere almindeligt i dag er boblekammeret, hvor mediet er en overophedet væske og hvor partiklens bane markeres af dampbobler.

Flugteksperter

Partiklernes hastighed er enorm. Fotonen, neutrinoen og gravitonen er de ubestridte rekordindehavere. De er alle tre uden masse og bevæger sig derfor med lysets hastighed (300.000 km/sek.), en fart der ville føre dem rundt om jorden over syv gange i sekundet.

De partikler der har masse, kan nå op på hastigheder i nærheden af lysets, men helt op på lysets hastighed kommer de aldrig. Alt hvad elektronen kan præstere i sin bane om atomkernen, er omkring 1/10 af lysets hastighed. I sammenligning med de hurtigste partikler er den som en bil på landevejen i sammenligning med et overlydsfly.

Mestre i at skifte identitet

Man taler om at partiklerne har en vis levetid. Elektroner og protoner er stabile, hvilket vil sige at deres levetid er uendelig. Men de fleste partikler „lever“ kun i meget kort tid. Myonen, for eksempel, en partikel der dannes ved den kosmiske strålings indslag i den øvre atmosfære, har en middellevetid på to milliontedele sekund. Når den „dør“, opstår der pludselig en elektron og to neutrinoer i dens sted. Det kan sammenlignes med en røver der træder ud af banken og i samme øjeblik bliver til tre andre personer der stikker af i hver sin retning.

Når partiklerne så nemt skifter identitet, er det klart at fysikerne kan have deres problemer med at studere dem nærmere. Få milliontedele sekund efter at en partikel er opstået, kan den opløses i to eller flere mindre partikler, der igen kan forvandles til andre, endnu mindre partikler. Og sådan fortsætter processen, indtil der er frembragt stabile partikler. Når en partikel skifter identitet siger man at den „sønderdeles“. Men hvad er grunden til at elektronen og protonen som de eneste partikler med masse ikke sønderdeles? Det hænger sammen med den såkaldte energisætning.

Energisætningen

Enkelt sagt går energisætningen ud på at summen af masse og energi i et lukket system altid vil være den samme, uanset hvad der sker. Den kaldes også loven om energiens bevarelse.

Som illustration kan vi forestille os et anlæg med fire tennisbaner, omgivet af et højt hegn som skal holde boldene inden for området. Når spillerne ankommer, giver vi hvert par 10 identiske bolde og siger til dem at de ikke behøver at holde regnskab med de bolde de bruger når de server. Under kampene, der altså foregår samtidig på de fire baner, vil boldene sandsynligvis nu og da flyve fra én bane ind på en anden og blive brugt dér også. På den måde vil nogle af boldene måske efterhånden blive brugt af alle spillerne. Efter at kampene er forbi, samler vi boldene sammen igen. Vi forventer at få det samme antal tilbage som vi udleverede. Hvis der er færre, vil vi uden videre mene at de manglende stadig ligger på banerne, at de er fløjet over hegnet, eller at spillerne har taget dem med sig. Der kan ikke være nogen anden forklaring, for tennisbolde forsvinder jo ikke ud i den blå luft. Her gælder altså en lov om ’tennisboldenes bevarelse’.

Hele den fysiske verden er underlagt en sådan lov. Der kan simpelt hen ikke ske noget som krænker energisætningen. Energi og masse kan ikke uden videre forsvinde. Der findes ingen lovbrydere i elementarpartiklernes verden.

Elektronen er stabil fordi den ifølge energisætningen ikke kan være andet. Den er nemlig den letteste partikel med elektrisk ladning. Ganske vist findes der andre partikler som er lettere end elektronen, men de er alle sammen uden undtagelse elektrisk neutrale. Hvis elektronen skulle sønderdeles og blive til en af disse lettere partikler, måtte den skille sig af med sin elektriske ladning, men det kan den ikke fordi det ville være et brud på loven om den elektriske energis bevarelse. Den kan heller ikke ved sønderdeling blive til tungere partikler med elektrisk ladning, for det ville være i modstrid med en anden side af energisætningen: loven om massens bevarelse — det ville være lige så umuligt som at skære topunds skiver af et brød som kun vejer ét pund. Elektronen kan altså ikke sønderdeles fordi der simpelt hen ikke er nogen mulighed for det.

Protonen er stabil fordi en sønderdeling af den ville bryde energisætningen på et andet punkt. Neutronen, derimod, er kun stabil så længe den har en proton at klynge sig til. Hvis neutronen „sættes i enecelle“ sønderdeles den i løbet af et kvarters tid.

I sin bog The World of Elementary Particles (Elementarpartiklernes verden) understreger Kenneth Ford energisætningens betydning med disse ord: „Det ’normale’ er at en partikel gennemgår en sønderdeling og forvandler sig til lettere partikler. Af grunde som man ikke helt forstår, findes der to ’unormale’ partikler, protonen og elektronen, som er afskåret fra sønderdeling. Ifølge denne bredere opfattelse af partiklerne er der visse naturlove (loven om de forskellige energiformers bevarelse) som tilfældigvis forhindrer en sønderdeling af disse to partikler. På grund af denne tilfældighed er opbygningen af en fysisk verden mulig.

Eftersom der kun findes ét univers og kun ét sæt naturlove er der naturligvis ikke megen mening i at sige at en bestemt tingenes tilstand i verden er opstået tilfældigt. Denne forståelse af partiklernes mangfoldighed fortsætter imidlertid en proces der begyndte med Kopernikus og som går ud på at mennesket gøres mere og mere ydmygt når det konfronteres med naturens plan og orden. Vi og vor verden eksisterer i kraft af visse naturlove som gør nogle få partikler stabile og tillader at der opbygges en ordnet struktur af det normale kaos i den submikroskopiske verden.“

Neutrinoen forudsiges

Ved tidlige forsøg under studiet af de subatomare partikler så det ud til at neutronen blev omdannet på en måde der var i strid med loven om energiens bevarelse. Forskerne lagde mærke til at når en neutron blev omdannet til en proton og en elektron, var energien efter sønderdelingen langt mindre end den havde været før sønderdelingen. Dette var tilsyneladende et brud på energisætningen. Denne konklusion kunne atomfysikerne ikke acceptere.

For at opretholde loven om energiens bevarelse sagde man at der fandtes en neutrino og tillagde den alle de egenskaber som var nødvendige for at den kunne passe ind i neutronens sønderdelingsproces. Fysikerne kunne ikke „se“ den, men de antog at den fandtes fordi de troede på energisætningen, som erfaringen havde lært dem at fæste lid til.

I 25 år troede forskerne på neutrinoen uden at „se“ den. Så, endelig, i 1956, lykkedes det dem at påvise den. Intet under at det var så svært at få hold på den; den har hverken ladning eller målelig masse, og den bevæger sig med lysets hastighed. Så sjældent vekselvirker neutrinoer med andre partikler at de fleste farer tværs gennem jorden så let som en revolverkugle gennem et stykke papir. I et forsøg på at få bekræftet neutrinoernes eksistens sendte fysikerne et beregnet antal af 100.000.000.000.000 neutrinoer gennem en 13 meter tyk jernvæg til et påvisningskammer — hvor der alligevel kun blev registreret 29! Det ville svare til at man lod hele verdens befolkning gå gennem et lille rum med en badevægt, og der alligevel kun blev registreret 100 gram på vægten!

Klassificering

I 1960 var der dukket så mange partikler op at forskerne nemt kunne føle sig som skibbrudne zoologer der var skyllet i land på en ø med et rigt varieret dyreliv de aldrig før havde set. I et forsøg på at bringe lidt orden i partikelverdenen begyndte fysikerne nu at inddele partiklerne i grupper på grundlag af ligheder i deres egenskaber — på samme måde som zoologer har inddelt dyrene i pattedyr, krybdyr og så videre.

De tungere partikler kaldes hadroner. Ekstra tunge hadroner kaldes baryoner. Baryonerne (protoner, neutroner og andre) er „elefanterne“ i elementarpartiklernes zoologiske have. Lettere hadroner kaldes mesoner (pioner, kaoner og andre) og er mere af „tigerstørrelse“. Leptonerne (elektroner, myoner, neutrinoer) er i regelen „insekterne“ i partiklernes verden.

Inddelingen beror ikke på partiklernes størrelse og vægt, men på deres evne til at vekselvirke med andre partikler inden for samme hovedgruppe. Elefanter har et nærmere forhold til andre elefanter end de har til insekter. Faktisk er det ikke engang sikkert at elefanten og insektet lægger mærke til hinanden, medmindre elefanten begynder at gumle på et blad som insektet allerede er i færd med at sætte til livs. De elefantlignende hadroner er stærkt vekselvirkende; de udøver en relativt stærk gensidig påvirkning. Denne påvirkning rører imidlertid ikke de insektlignende leptoner: hvad bekymrer en græshoppe sig om at to elefanter slås? Elektrisk ladede leptoner, som er svagt vekselvirkende, er derimod følsomme over for de elektromagnetiske kræfter, og deres vekselvirkning med hadronerne vil følge reglerne for disse kræfter, ligesom begge dyr nok vil opdage det hvis insektet flyver ind i øjet på elefanten.

Findes der en mere elementær partikel?

Siden man begyndte at undersøge atomet og plukke det i stykker, har man opdaget omkring 300 partikler, hovedsagelig hadroner. Leptonerne synes at være elementære eller grundlæggende i ordets egentligste forstand — de har ikke nogen målelig størrelse og synes ikke at have nogen indre struktur. Desuden kender man kun til seks leptoner, et pænt lille antal som tyder på enkelhed og simpelhed. Hadronerne er ikke så simple. De har en størrelse man kan måle, og der findes i hundredvis af dem. Når en hadron sønderdeles, sprutter der andre hadroner ud af vragresterne.

I 1960erne foreslog Murray Gell-Mann og George Zweig at der fandtes endnu en partikel, kvarken. Deres teori gik ud på at alle hadroner bestod af to eller tre kvarker i en eller anden kombination. Ved at tillægge de påståede kvarker visse egenskaber kunne Gell-Mann og Zweig gøre rede for at alle kendte kernepartikler (hadroner) var opbygget af blot tre forskellige kvarker, som de kaldte „op“, „ned“ og „mærkelig“. Teorien førte til forudsigelsen af en hidtil uopdaget partikel, der senere blev fundet og viste sig at have de forventede egenskaber. Tilliden til teorien blev hermed styrket. Nyere forsøg tyder nu stærkt på at der findes endnu tre slags kvarker, der betegnes med ordene „charme“, „sandhed“ og „skønhed“.

Mens dette skrives har man stadig ikke med sikkerhed fundet enkelte kvarker; nogle mener at det aldrig vil lykkes at isolere dem. Men teorien om kvarkerne er et fast grundlag som alle partikelfysikere nu bygger på. Ligesom i tilfældet med neutrinoen tror forskerne på kvarkerne uden at se dem, fordi kvarkerne sætter dem i stand til at forudsige hvordan atomets påviselige partikler vil opføre sig under givne omstændigheder.

Vil teorien om kvarkernes antal også kunne forklare eventuelle nye partikler som man opdager? Vil man afsløre flere kvarker? Vil det nogen sinde lykkes at isolere en kvark? Er kvarkerne i egentligste forstand atomkernens elementarpartikler? Hvis ikke, hvad består kvarken da af?

Ja, hvad består den af? Dette spørgsmål vil muligvis aldrig blive fuldstændig besvaret. Hver gang man trænger et skridt dybere i sagen, synes den såkaldte „elementarpartikel“ at være sammensat af noget der er endnu mere simpelt. (Nu taler man for eksempel om „gluoner“.) Vil efterforskningen nogen sinde få ende? Måske vil vores nysgerrighed aldrig blive fuldstændig tilfredsstillet. Nogle finder dette forhold mere dragende end egentlig nedslående. De føler som den kristne apostel Paulus: „O dyb af Guds rigdom og visdom og kundskab! Hvor uransagelige hans domme og usporlige hans veje!“ — Rom. 11:33.

    Danske publikationer (1950-2025)
    Log af
    Log på
    • Dansk
    • Del
    • Indstillinger
    • Copyright © 2025 Watch Tower Bible and Tract Society of Pennsylvania
    • Anvendelsesvilkår
    • Fortrolighedspolitik
    • Privatlivsindstillinger
    • JW.ORG
    • Log på
    Del