Igennem de sidste århundreder har videnskaben gravet sig dybere og dybere ned i materien i jagten på den ultimative forståelse af virkeligheden. Og hullet, som videnskaben har gravet, er dybt.
Det går gennem kemien, hvor det periodiske system beretter om grundstoffernes egenskaber, og atomfysikken, der fortæller os om elektronbanerne omkring atomkernerne, og videre ned gennem kernefysikken for til slut at ende ved partikelfysikken.
\ Om Forskerzonen
Denne artikel er en del af Videnskab.dk’s Forskerzonen, hvor forskerne selv formidler deres forskning, viden og holdninger til et bredt publikum – med hjælp fra redaktionen.
Forskerzonen bliver udgivet takket være støtte fra Lundbeckfonden. Forskerzonens redaktion prioriterer indholdet og styrer de redaktionelle processer, uafhængigt af Lundbeckfonden. Læs mere om Forskerzonens mål, visioner og retningslinjer her.
Partikelfysikken ligger altså dernede på bunden af det videnskabelige hul, hvor standardmodellen for partikelfysik – eller standardmodellen i daglig tale – fortæller os en mærkværdig historie, om hvordan virkeligheden opfører sig på afstande kortere end den svimlende skala af 10-15 meter (dvs. en milliontedel af en milliontedel af en tusindedel af en meter).
Det er så langt, som vi er nået; alt, hvad der ligger dybere (læs: på endnu kortere skala), kender vi ikke. Ikke endnu.
Hvad går standardmodellen ud på?
Standardmodellen blev fundet i 1970’erne af fysikerne Glashow, Salam og Weinberg og er sidenhen blevet bekræftet igennem et antal spektakulære eksperimentelle successer – den seneste er opdagelsen af Higgs-partiklen i 2012; den sidste brik, der manglede – og står i dag som en kampesten af en fysisk teori, urokkelig og uomgængelig.
Men hvordan ser standardmodellen ud? Hvad er det egentlig, fysikerne har fundet, dernede på bunden af virkeligheden? Er det overhovedet noget, som almindelige dødelige kan forstå?
Standardmodellen er en forholdsvis kompliceret matematisk teori, der fortæller os, hvordan de såkaldte elementarpartikler vekselvirker med hinanden.
Det kan for eksempel være elektroner – de negativt ladede partikler, der i en slags kvantesky svæver rundt om atomkernen – eller det kan være kvarks, som er de byggesten, som protonerne og neutronerne indeni atomkernerne er formet af.
Der er en hel række af elementarpartikler, der vekselvirker via de stærke og svage kernekræfter samt elektromagnetismen, og der er den berømte Higgs-partikel, der giver de andre partikler deres masse via den såkaldte Higgs-mekanisme.
Og hele baduljen kommer i tre næsten ens kopier, de såkaldte partikelgenerationer, der hovedsagelig adskiller sig ved at have forskellige masser.
Det er altså standardmodellen: en matematisk kogebog, der fortæller partikelfysikerne, hvordan de kan tilberede deres forskellige eksperimenter, der for eksempel foregår på forskningscentret CERN på grænsen mellem Schweiz og Frankrig, og som fortæller dem hvilke resultater, de kan forvente.
Og indtil nu har kogebogen aldrig svigtet; standardmodellen er en særdeles succesfuld fysisk teori.
Tyngdekraften er ikke med
Der er to ting, der er værd at tilføje her: Dels at standardmodellen er en kvanteteori, hvilket vil sige, at den er formuleret i den generelle begrebsramme, som Niels Bohr og andre fandt i begyndelsen af det 20. århundrede, nemlig kvantemekanikken, og dels at standardmodellen ikke inkluderer den fjerde naturkraft, tyngdekraften.
At tyngdekraften er fraværende har ikke nogen praktisk betydning, da den er langt svagere end de andre kræfter, og derfor ikke spiller nogen rolle i de eksperimenter, man kan udføre i dag, men fra et teoretisk synspunkt er det en skønhedsplet.
Men det er altså så langt, som vi er nået.
Standardmodellen indeholder alt, hvad vi ved om den fysiske virkelighed forstået i en reduktionistisk forstand (reduktionistisk i den forstand, at standardmodellen ikke fortæller os meget om biologi, psykologi eller økonomi).
Spørgsmålet er derfor, hvad den egentlig fortæller os. Hvad er det, naturen fortæller os med dette matematiske udsagn?
Strengteorien: At verden ser ud, som den gør, er tilfældigt
Hvad naturen vil fortælle os med standardmodellen, kender vi ikke svaret på, og der er ingen konsensus blandt fysikere overhovedet.
Der er grundlæggende set to synspunkter indenfor den teoretiske fysik.
For det første er der strengteorien, der påstår, at virkeligheden er opbygget af ekstremt små strenge, der lever i 10 dimensioner, og hvis vibrationer udgør de elementarpartikler, som vi observerer.
Ifølge strengteorien, der på trods af tusindvis af fysikeres intensive forskning i mere end tre årtier endnu ikke har været i stand til at levere et eneste eksperimentelt verificerbart udsagn, er standardmodellen en tilfældighed.
Den ser ud, som den gør, fordi vi tilfældigvis lever i en virkelighed med den type naturkræfter, men det kunne lige så godt have været helt anderledes.
Der er altså intet særligt ved standardmodellen, dens matematiske struktur er en tilfældighed — ifølge strengteorien.
Berømt matematiker skabte nyt forskningsfelt
Overfor det synspunkt står det diamentralt modsatte, nemlig at standardmodellen har en ganske særlig struktur, at den ser ud, som den gør, fordi det ikke kan være anderledes.
Dette synspunkt er i særlig grad repræsenteret ved det matematiske forskningsfelt kaldet ikke-kommutativ geometri.
Forskningsfeltet ikke-kommutativ geometri er hovedsagelig skabt af den berømte franske matematiker og Fields-medalist Alain Connes (Fields-medaljen, der uddeles hvert 4. år, er matematikkens svar på Nobelprisen).
Hvad er ikke-kommutativ geometri? For det første handler det om geometri, hvilket øjeblikkelig bringer os i forbindelse med Einsteins almene relativitetsteori, der jo netop fortæller os, at tyngdekraften skal forstås som krumning – altså geometri – af rum og tid.
Den virkelighed, som vi lever i, har ikke en almindelig flad geometri, hvor trekanter, for eksempel, altid har en vinkelsum på 180 grader, men derimod en langt rigere struktur, som vi i vores dagligdag oplever som tyngdekraften.
Alain Connes har igennem de sidste cirka 40 år udviklet en matematisk begrebsramme, der udvider vores traditionelle forståelse af, hvad et geometrisk rum er.
Og det viser sig, at standardmodellen for partikelfysik på finurlig vis passer som fod i hose ind i Alain Connes’ matematik.
Dette er en yderst overraskende og langt fra triviel opdagelse.
Fantastisk ny indsigt udløste en smittende begejstring
Første gang, jeg mødte Alain Connes, var i år 2000, da jeg var ph.d.-studerende på Wiens tekniske Universitet.
Nogle af mine venner på Schrödinger Instituttet, der ligger tæt på den amerikanske ambassade, havde sagt til mig, at jeg skulle komme og se denne bemærkelsesværdige matematiker, der netop var på besøg i byen, holde foredrag.
Så en forårsdag i år 2000 cyklede jeg tværs gennem Wien for at se Alain Connes.
Jeg forstod ikke ret meget af Connes’ foredrag den dag.
Matematikken var alt for avanceret for mine kundskaber; det var, som om han kom fra en anden planet, ja, fra en anden galakse. Men jeg forstod hans kropssprog.
Det, jeg var vidne til den dag på Schrödinger Instituttet, lignede et stykke moderne dans forklædt som et matematikforedrag.
Alain Connes sprang rundt foran tavlen, han hvirvlede afsted, grinede højt mens han fægtede med arme og ben; hans hvide skjorte forsøgte at følge hans tynde krop, men halvvejs gennem foredraget forlod den hans bukser og flagrede som en forvirret skygge efter ham.
Hvis jeg ikke vidste, at Connes var en verdensberømt matematiker, ville jeg have troet, at han var gal.
Det, jeg så den dag i Wien, var et barn, der var fuldstændig opslugt af den fantastiske gave, det havde fået, og som det nu ønskede at dele med alle sine venner.
Jeg forstod intuitivt Alain Connes begejstring; hans boblende glæde over det, han havde fundet. Og den glæde smittede, det var umuligt ikke at blive trukket med ned i Connes’ sandkasse af fantastiske vidundere.
Passer som fod i hose
Det, som Alain Connes sammen med fysikeren Ali Chamseddine har fundet, er en matematisk fortolkning af standardmodellen for partikelfysik, der vender alle de sædvanlige begreber på hovedet.
Higgs-partiklen, for eksempel, spiller i Connes’ formulering en helt ny rolle. I den gamle formulering af standardmodellen er Higgs-partiklen en slags eftertanke, noget vi tilføjer, fordi vi ved, at partiklerne skal have deres masse, men i Connes’ formulering er Higgs-partiklen et output; det kan kun være sådan, det kan ikke være anderledes.
Det særlige er, at hvis standardmodellen havde set bare en smule anderledes ud, ville den ikke passe ned i Connes’ matematiske maskineri.
Hvis kombinationen af naturkræfter havde været en anden, hvis Higgs-partiklen havde manglet, eller hvis ensemblet af elementarpartikler havde været bare en smule anderledes, så ville Connes’ matematik ikke passe.
Set i lyset af Connes’ arbejde er standardmodellen en helt særlig teori, den er unik. Af en eller anden grund lever vi i et univers, hvis grundlæggende spilleregler på næsten magisk vis passer ind i den nye geometriske begrebsramme, som Connes har opdaget.
Connes guider os på rejsen mod svar
Men er Connes’ formulering af standardmodellen så det svar, som vi leder efter? Fortæller den os, hvorfor standardmodellen ser ud, som den gør? Hvor den kommer fra, og hvad den egentlig betyder?
Svaret er nej.
Connes’ arbejde er hovedsagelig en omformulering, der kaster et nyt lys over landet, men som grundlæggende set ikke fortæller os, hvad der ligger bag horisonten. Standardmodellen er som et vejskilt, og Connes’ matematik er tilsyneladende det sprog, som skiltet er skrevet på.
Her må det også tilføjes, at der er en række åbne spørgsmål forbundet med Connes’ formulering af standardmodellen.
Det er for teknisk at komme ind på detaljerne her, men blandt andet er der et uafklaret spørgsmål med hensyn til, hvordan standardmodellen i Connes’ version skal formuleres som en kvanteteori.
Alt i alt giver Connes os altså ikke det svar, som vi søger; det, han giver os, er muligvis en retning.
Standardmodellen: Et stort rod og pinlig orden på samme tid
Så det er her, vi står: Standardmodellen for partikelfysik har en meget bemærkelsesværdig matematisk struktur.
På den ene side virker den næsten tilfældig, som et rodet sammensurium af elementarpartikler og vekselvirkninger, der lige så godt kunne have set anderledes ud.
Men når man studerer modellen nærmere, ser man pludselig sammenhænge, der tyder på, at den er alt andet end tilfældig, at der gemmer sig et budskab i netop denne sammensætning af fysiske vekselvirkninger.
Så hvilken en er det? Er det tilfældigt eller ej? Det er, hvor den teoretiske fysik står i dag.
Spørgsmålet, vi står overfor, er dybest set om universet, vi lever i, ser ud, som det gør, fordi det ikke kan være anderledes, eller om det hele er en tilfældighed.
For universet er et produkt af standardmodellen, hele den struktur, som vi skuer op imod, når vi undrende står under en klar nattehimmel og ser Mælkevejen over os, en galakse blandt milliarder af andre galakser, er dybest set en konsekvens af standardmodellen.
Hvis universet så anderledes ud, ville standardmodellen ikke passe. Ændrer du på standardmodellen, ændrer du så at sige også på hele universet.
\ Læs mere
Med forvirringen åbner der sig nye muligheder for svar
Spørgsmålene om, hvorfor der netop er det antal naturkræfter og elementarpartikler; hvorfor der netop er tre partikelgenerationer; eller hvorfor Higgs-partiklen ser ud, som den gør, handler alle ultimativt om universet:
Hvis standardmodellen havde været anderledes, ville alt se helt anderledes ud.
Og det svar, som strengteorien vil sælge os, er, at det univers, som vi observerer, ser ud, som det gør, for havde det været anderledes, ville vi ikke kunne være her for at beskrive det.
Dette er, hvad man kalder det antropiske svar; et svar, der ligger udenfor det strengt videnskabelige, idet det aldrig vil kunne modbevises.
Den ikke-kommutative geometri synes derimod at fortælle os, at universet ikke er en tilfældighed. Det faktum, at naturlovene passer ind i Connes’ matematik, tyder på, at vores univers er noget ganske særligt.
Hvis læseren er en smule forvirret, kan jeg forsikre Dem om, at De ikke er alene. Men forvirring er ikke altid en dårlig ting. Nogle gange må man give slip på alt for at kunne springe over afgrunden foran en.
En ting er sikkert: Vi kender endnu ikke afslutningen på vores store skattejagt efter Guds legoklodser – det eneste, jeg tør sige med sikkerhed, er ’fortsættelse følger’.
Jesper Møller Grimstrup har skrevet meget mere om standardmodellen og ikke-kommutativ geometri i bogen ’Shell Beach – jagten på den endelige teori’, som han har berettet om på Forskerzonen i artiklen ’Jagten på den endelige teori: Hvordan ser bunden af det videnskabelige projekt ud?’. Bogen kan købes her – og en engelsk version findes her.
Han har også skrevet mere om standardmodellen og ikke-kommunativ geometri i KVANT-artiklen ’Standardmodellen for partikelfysik og ikke-kommutativ geometri’.
