Yang-Mills-ligningen og klapjagten på en »teori om alting«
VERDEN PÅ FORMLER: Yang-Mills-ligningen har bragt mennesket frem til en langt bedre forståelse af naturen, herunder af de første sekunder af universets eksistens og dermed af, hvordan alting formodes at være begyndt.

Yang-Mills-ligningen beskriver den svage og den stærke vekselvirkning

Efter udviklingen af kvantemekanikken i 1920’erne og den senere overbygning med kvantefeltteorien i 30’erne og 40’erne forstod forskerne i detaljer, hvordan lyspartikler vekselvirker med ladede partikler, og hvordan ladede partikler udveksler informationer. 

I 50’erne var forskerne bevidste om de fundamentale problemer med at beskrive vekselvirkninger i atomkerner og få rede på dem eksperimentelt.

Men med Yang-Mills-ligningen og den tilhørende teori blev kineseren Chen Ning Yang og amerikaneren Robert Mills de første til i 1954 at nærme sig en beskrivelse af den svage og den stærke vekselvirkning, fortæller Steen Hannestad, professor i teoretisk astrofysik ved Aarhus Universitet.

Kvarkerne i universet

Yang og Mills tog afsæt i elektromagnetismen og brugte samme fremgangsmåde, som forskere før dem havde anvendt ved udviklingen af kvantefeltteorien.

Undervejs konstaterede de, at det var uhyre vanskeligt at koge essensen af henholdsvis den svage og den stærke vekselvirkning ned til et overskueligt billede.

»I fysikken leder vi altid efter simple naturlove, som kan beskrive en meget kompleks verden. Og det stilede man også efter i forhold til den stærke og den svage vekselvirkning. 

Fakta

’Verden på formler’ er 20 korte artikler om en fysisk, matematisk eller kemisk formel, der har haft afgørende indflydelse på vores opfattelse af verden.

Hvem udviklede formlen? Hvad betyder formlen konkret? Under hvilke omstændigheder blev den til? Hvordan blev den modtaget i samtiden? Og hvad har den betydet for udviklingen af den verden, vi kender i dag?

Dette er 19. artikel i rækken, og denne gang gælder det Chen Ning Yang og Robert Mills formel.

Men det var først i løbet af 60’erne, man forstod, at protoner og neutroner er bygget op af elementarpartikler kaldet kvarker, som vekselvirker på en måde, der ligner partiklers vekselvirkning i et elektromagnetisk felt«, siger Steen Hannestad. 

Han fortæller videre, at det også var på det tidspunkt, forskerne blev klar over, at det særlige ved den stærke vekselvirkning er, at naturkræfterne på et vist tidspunkt får nogle mystiske egenskaber.

Dels optræder kvarkerne altid parvis eller i større grupper, hvorfor det er fysisk umuligt at trække dem fra hinanden og studere en fri kvarkpartikel, dels forekommer fænomenet »asymptotisk frihed«.

Det betyder, at hvis partiklerne får tilstrækkelig høj energi, så vil kvarkerne opføre sig som frie partikler, hvilket gør det muligt at studere de egenskaber, kvarkerne havde i det tidlige univers.

Disse studier foregår i dag bl.a. på forskningscentret CERN i Schweiz.

Altfavnende naturkraft

Ifølge Steen Hannestad har forståelsen af de svage og stærke vekselvirkninger betydet, at videnskaben har fået klarhed over et fundamentalt princip for, hvordan naturen opbygger vekselvirkninger.

Chen Ning Yang (1922-), kinesisk fysiker, udviklede med Robert Mills Yang-Mills-ligningen i 1954.(foto: http://insti.physics.sunysb.edu/)

Og det gør så, at man håber på, at nogle af de samme principper kan bruges til at beskrive verden ved højere energier end dem, det er muligt at opnå i laboratoriet i dag.

»I dag har vi forstået elektromagnetismens vekselvirkninger og den stærke og svage vekselvirkning, og vi tror, at de tre forskellige vekselvirkninger vil smelte sammen ved meget høje energier og fremstå som forskellige aspekter af en underliggende, altfavnende naturkraft, som også omfatter tyngdeloven«

Fortæller Steen Hannestad og pointerer, at der findes i alt fire naturkræfter: elektromagnetismen, den svage vekselvirkning, den stærke vekselvirkning og tyngdekraften.

Teori om alting udspringer af Yang-Mills-ligningen

For Steen Hannestad er det naturligt at forvente, at de tilsyneladende uafhængige naturkræfter på en eller anden måde er forbundet.

Nogle forskere mener, at den såkaldte superstrengteori kan blive et af de redskaber, som kan forene dem.

Fysikernes klapjagt på en sådan »teori om alting«, der i høj grad udspringer af Yang-Mills-ligningen, har bragt mennesket frem til en langt bedre forståelse af naturen, herunder af de første sekunder af universets eksistens og dermed af, hvordan alting formodes at være begyndt.

Artiklen er oprindelig bragt i Magisterbladet.