Fysikerna letar fortfarande efter det tomma intet

Jakten på det absoluta tom­rummet, där ingen materia finns och där varken energi eller ­krafter råder, har pågått i tre årtusenden. Under ­tiden har ­filosofer och fysiker försöktframställa det absoluta ­vakuumet både i praktiken och i teorin – men naturen tycks motarbeta dem. Så snart tomrummet visar sig för ­forskarna fylls det upp igen av nya upptäckter och insikter.

Exakt 99,9999426697 procent – så säkra var fysikerna vid CERN på att deras mätning var korrekt. Därför vågade de den 4 juli 2012 kungöra att de hade hittat vad de hade sökt sedan den stora LHC-acceleratorn sattes igång 2007: Higgspartikeln.

Forskarna visste i förväg att det skulle bli otroligt svårt att hitta den. Glöm allt om nålar och höstackar, i LHC skapas det endast en enda observerbar Higgspartikel av tio tusen miljarder kollisioner mellan protoner som med en hastighet nära ljusets susar runt i acceleratorns 27 kilometer långa rör.

Fysikerna var turligt nog tillräckligt uppmärksamma för att upptäcka den. Den visar nämligen att vår förståelse av hur universum är sammansatt fortfarande håller. Higgspartikeln är nödvändig för att andra partiklar ska kunna ha en vikt. Om den inte fanns skulle alla partiklar vara som ljusets fotoner: snabba, men utan massa. Universum skulle därmed bara innehålla elektromagnetisk strålning och inga elektroner, protoner, atomer, molekyler, planeter eller stjärnor. Det skulle med andra ord helt sakna materia.

Higgspartikeln ger inte bara en förklaring till att vi är här utan bidrar också till att hitta svaret på den motsatta frågan: Finns det absoluta tomrummet?

Teorin om ett rum som är tömt på all materia och energi har gäckat filosofer i årtusenden, och svaret har genom tiderna svängt fram och tillbaka mellan ja och nej. I och med upptäckten av Higgspartikeln fick vi en ny bild av vad som kan finnas i ett område av rymden, där ingenting annat är närvarande.

Frågan "existerar ingenting?" verkar enkel, men vid närmare eftertanke är det kanske den mest komplicerade frågan vi kan ställa oss. Definitionen av ”ingenting” måste nödvändigtvis vara ”frånvaron av allt”, så för att förstå ”ingenting” måste vi också förstå ”allting”. Forskarna fick med andra ord ta lite av en omväg innan de hittade det slutgiltiga svaret.

Vi får lära oss att acceptera ingenting

Redan från barnsben möter vi tanken och konceptet om intet, utan att vi funderar mer på det. I grundskolan säger läraren exempelvis: ”Det ligger två apelsiner på bordet. Nu tar jag bort båda två. Vad finns det då kvar?” De flesta alerta barn svarar ”ingenting” eller ”noll”, och båda svaren gör läraren nöjd. I gymnasiet är svaren inte helt korrekta.

Matematikläraren ber om att få en enhet för resul­tatet, så att det rätta svaret blir ”inga apelsiner” eller ”noll apelsiner”. Fysikläraren kanske går ett steg längre och hävdar att rätt svar är ”luft” eftersom den plats som apelsinerna upptog nu har ersatts av atmosfärens syre, kväve och en del andra grundämnen.

På universitetet kommer frågan sannolikt att formuleras annorlunda: ”Det finns två apelsiner – inte på bordet utan ute i rymden mellan galaxerna. Nu avlägsnar vi dem. Vad finns då kvar där de fanns?”

Astronomistudenterna vet att det även i det intergalaktiska rummet finns utspridda atomer av exempelvis väte och helium, och det svaret är rätt men ändå inte helt uttömmande, eftersom den självklara efterföljande frågan blir: ”Vad finns då i det rum som de utspridda atomerna inte har fyllt?”.

Nu börjar det bli riktigt svårt, inte bara för studenterna utan även för de skarpaste hjärnorna inom fysik och kosmologi. Det var det även för de grekiska filosofer som grubblade på frågan redan för över 2 500 år sedan.

  • "Intet är varken tomt eller överflödigt."

    Empedokles (cirka 490–430 f.Kr.) förkastade till fullo att det kunde finnas ett rum utan innehåll.

Grekerna anser att intet är en absurditet

Fadern till det vetenskapliga sättet att tänka menade att teorin om ”ingenting” var meningslös. Thales från Miletos (som levde cirka 635–546 f.Kr.) lade fram argumentet att det faktum att någon tänkte på existensen av ”ingenting” skulle innebära att ”ingenting” ändå var ”någonting” – och alltså inte längre var ”ingenting”. Enligt hans logik kunde ”ingenting” därmed endast existera om inte någon eller något kunde betrakta det eller föreställa sig det.

Det låter lite kryptiskt, men Thales försökte även göra sina tankar mer konkreta genom att själv ställa sig frågan om vad som skulle finnas kvar om man av­lägsnade allt från ett område. Hans svar var – vatten. ­Thales ansåg att vatten var ett mycket speciellt ämne, eftersom det kan anta olika former och förekomma som vätska, gas eller is.

Det gav honom idén att vatten kunde anta alla möjliga andra former och att det därför var universums urämne, som alla material i grunden bestod av. ”Allt är vatten” är ett citat av Thales och det följde därför av sig självt att det närmaste man kunde komma ”ingenting” var vatten i sin ”ursprungliga” form, vilket enligt Thales var det flytande tillståndet.

Thales grundläggande idé om att det fanns ett närvarande urämne levde vidare hos genera­tioner av grekiska tänkare efter honom. För Anaximenes (cirka 585–525 f.Kr.) var urämnet inte vatten utan luft, och för Herakleitos (cirka 535–480 f.Kr.) var det eld – långt mer flyktiga företeelser än vatten i båda fallen.

En senare efterföljare, Empedokles (cirka 490–430 f.Kr.), gick mer metodiskt till väga. Han föresatte sig att undersöka om luft är en substans eller om den är frånvaron av substans och därmed ”ingenting”. För ända­målet använde han en kolv, det vill säga en flaska med en klotrund kropp och en cylinderformad hals. Empedokles gjorde små hål i kolvens kropp och genomförde därefter flera försök med vatten.

Han kom bland annat fram till att när han fyllde kolven med vatten och höll en hand över halsens mynning stannade vattnet kvar i ­kolven. Först när han tog bort handen började vattnet spruta ut genom de små hålen. Empedokles insåg att luft är en substans och att den fyllde rummet i kolven på samma sätt som vattnet. Och att vattnet dessutom bara kunde lämna rummet om luft ersatte det.

I dag tycks försöket banalt, men följderna blev ­omfattande. Empedokles drog slutsatsen att naturen ­motarbetar att tomrum bildas och denna slutsats kom att råda under många århundraden.

Empedokles arbetade vidare utifrån sina föregångares ­tankar om ett urämne till att i stället omfatta fyra ­grund­element: Vatten, eld, luft och jord. Han utvecklade också de första idéerna om två grundkrafter som han kallade ”kärlek” och ”strid”. De påverkade allting och bestod av grundelementen.

Slutligen introducerade han etern, en substans som var tunnare än luft, som var närvarande överallt och fyllde även de minsta rum. På så sätt uteslöt Empedokles fullständigt att ­”ingenting” kunde existera.

”Ingenting i världen är varken tomt eller överflödigt”, som han uttryckte det. Det tog 2 000 år innan Empedokles teori om naturens ”förbud” mot tomrum motbevisades. Även då skedde det med ett enkelt experiment.

Det tog tusentals år att definiera ett lufttomt rum

Under forntiden och medeltiden var den gängse uppfattningen att tomrummet inte kunde existera. Alla rum måste åtminstone vara fyllt med luft eller med någon okänd substans, så kallad ”eter”.

  • 450 f.Kr.: Naturen förbjuder tomrummet

    Vatten och luft slåss om utrymmet: Greken Empedokles utförde enkla försök med en flaska med små hål i. Han såg att det alltid skulle finnas antingen vatten eller luft i flaskan. Därför drog han slutsatsen att naturen inte tillåter ett tomrum att uppstå.

  • 1643: Människan kan skapa ett vakuum

    Kvicksilver tvingar fram vakuum: Evangelista Torricelli upptäckte att om han fyllde ett glasrör med kvicksilver och vände det upp och ned i en skål med kvicksilver så föll pelaren av den flytande metallen. Eftersom inget kunde komma in i det slutna röret, måste rummet över kvicksilvret vara fyllt av ingenting.

Naturen övervinner rädslan för tomhet

Ta fram ett en meter långt glasrör och sätt en propp i botten. Fyll det sedan med kvicksilver och placera en propp i toppen. Sänk ned botten av röret i en skål som ­också är fylld med kvicksilver och ta bort proppen.

Detta enkla experiment utförde ­Evangelista Torricelli 1643 efter goda råd och anvisningar från sin stora förebild och läromästare, Galileo Galilei, som hade gått bort året innan. När Torricelli ­genomförde försöket såg han att pelaren av ­kvicksilver i röret började sjunka och att den ­stannade upp först när den hade kommit ned på 76 centimeters höjd. Torricelli insåg också varför.

Vikten av det tunga kvicksilvret i röret får pelaren att sjunka tills det uppstår en balans med atmosfärens tryck på ytan av kvicksilvret i skålen.

Med sitt försök hade Torricelli uppnått två saker. Han hade både uppfunnit barometern och skapat ett ­vakuum. När kvicksilverpelaren sjönk lämnade den ett tomrum på 24 centimeter högst upp i glasröret, som måste vara fyllt med ”ingenting”. Torricelli hade med andra ord skapat det som alla i ett par tusen år hade ansett vara omöjligt.

Ändå var hans reaktion dämpad: ”Många har påstått att ett vakuum inte kan existera, andra har hävdat att det bara kan uppstå genom att ­naturens motvilja trotsas. Jag känner ingen som påstår att det kan existera utan naturens motstånd.” Exaltationen var däremot stor omkring honom.

Åren därpå upprepade flera forskare i flera olika ­länder hans försök och försökte samtidigt ta reda på vilka egenskaper ett vakuum besitter. I Frankrike byggde Blaise Pascal vidare på Torricellis experiment, genom att placera hela test­stativet på en våg och konstaterade att vakuumets innehåll, i den mån det fanns något, inte vägde något alls.

  • "Vi måste konstatera att det inte finns ­någon stationär eter."

    Albert michelson bevisade 1887 att det inte existerar någon eter som jorden rör sig genom i sitt omlopp runt solen.

England utvecklade Robert Hooke pumpar som kunde frambringa vakuum i större ­områden och hans läromästare, Robert Boyle, genomförde försök i vilka han stäng­de in möss, ormar och fåglar i vakuumet och såg dem kvävas. Oavsett vad som än befann sig i ­vakuumet så var det inte luft.

Boyle placerade även en klocka i vakuumet och konstaterade att den blev ljudlös. Ljudet ­kunde alltså inte röra sig genom det lufttomma rummet. Däremot påverkades tydligen inte ljus. En lampa placerad på ena sidan av en lufttom glasbehållare syntes nämligen från andra sidan.

Boyle hade i och med det konstaterat att vågor i fysiska ­substanser som luft och vatten skiljer sig från elektromagnetiska vågor som ljus. Upptäckten av vakuumet på 1600-talet gjorde upp med den ”horror vacui” – skräck för tomrummet – som hade rått i naturforskarnas beskrivning av världen från forntiden och under hela medeltiden. Och genom­brottet sträckte sig långt utanför den vetenskapliga miljön.

Rum tömdes på materia och fylldes med vågor

På 1800-talet rådde idén om en eter som fyllde rummet mellan stjärnor och planeter, men en ny uppfinning visade att teorin inte höll. 100 år senare avslöjades universums gravitationsvågor.

  • 1887: Etern lämnar världsrymden

    Mätningsresultat blev eterns död: Albert Michelson uppfann sin interferometer för att mäta jordens rörelse i relation till etern i rymden. Instrumentet skulle visa rörelsen genom att de två ljusstrålarna påverkades på olika sätt, så att deras interferensmönster förändrades när Michelson vred instrumentet. Men ingenting hände eftersom det inte finns någon eter.

  • 2015: Gravitationsvågor intar universum

    Osynliga vågor deformerar rummet: Den gigantiska LIGO-interferometern på­visade 2015 för första gången de så kallade
    gravitationsvågorna som förutspåddes av Einsteins relativitetsteori ­exakt 100 år tidigare. Vågorna skapas av massor i rörelse och deformerar rummet när de rullar genom universum.

Det magiska vakuumet fascinerar världen

Det var ett prominent sällskap som 1654 samlades i den tyska staden Regensburg för att uppleva ett mystiskt ­fenomen. Både kejsar Ferdinand III och medlemmarna av riksdagen närvarade. Mannen bakom den spektakulära föreställningen var den tyske fysikern Otto von Guericke, som även var borgmästare i Magdeburg. Von Guericke hade låtit framställa två halvklot av koppar på 60 centimeter, som kunde sättas ihop till ett ihåligt klot.

Med en trollkonstnärs sinne för dramatik bad han sedan några frivilliga från församlingen att åtskilja halvkloten, vilket förstås var enkelt att göra. Därefter satte han ihop klotet igen och med hjälp av en pump, som han själv hade uppfunnit, sög han ut luften ur klotet genom en ventil.

Publiken fick dra i halvkloten igen, men nu var det helt omöjligt att rucka på dem. Sedan drog von Guericke fram det verkliga trumfkortet. Som höjdpunkt på föreställningen spändes två spann hästar till var sitt halvklot och piskades att använda alla sina krafter, men de satt fortfarande som berget.

Von Guericke hade demonstrerat hur kraftfullt ett vakuum är – eller rättare sagt: Hur starka de krafter är som verkar utanför det. Lufttrycket på halvklotens utsida, och allt annat i nivå med havsytan, är på en atmo­sfär, ­vilket motsvarar ett kilo för varje kvadratcentimeter eller tio ton per kvadratmeter – långt mer än den kraft 16 hästar kan prestera.

Von Guericke upprepade sin demonstration många gånger, ibland med 24 och 30 hästar och alltid med ­samma resultat. Det var fängslande populärvetenskap och ett firande av den insikt som Torricelli hade kommit till, nämligen att vi lever ”på botten av ett hav av luft”. Fransmannen Blaise Pascal hade också konstaterat att lufthavet blir tunnare ju längre uppåt vi rör oss.

Nästa insikt var en direkt förlängning: Luft är inte något som fyller hela världsrymden. Upptäckten att ett vakuum är ett lufttomt rum innebar inte att teorin om en överallt närvarande eter övergavs. Etern kunde ju bestå av något annat, precis som Empedokles hade föreställt sig.

1600-talets allra största geni, Isaac Newton, förhöll sig ambivalent till etern. I hans publikationer framgår det hur han växelvis accepterade och förnekade dess existens. År 1675 lade han fram sin teori om ljus, i vilken han ansåg att det rör sig genom en eter. Fyra år senare övergav han idén, men återgick till den 1718 i en återutgivning om ljusets natur.

Fysiker förde en intensiv diskussion kring frågan om vad ljus består av på Newtons tid och i årtionden framåt. Var ljus partiklar eller vågor? Striden fortsatte under ett århundrade och avgjordes först när den brittiske ­fysikern Thomas Young 1804 publicerade sitt ban­brytande försök, i vilket han lät ljus passera genom två smala spalter så att det bildade ett randigt interferensmönster på en skiva bakom.

Mönstret var ett bevis på att ljuset uppförde sig på samma sätt som vågor på en vattenyta när de möts. Två vågtoppar förstärker varandra, medan en vågtopp och en vågdal jämnar ut varandra.

Uppfattningen att ljus var vågor stödde idén om etern. Att ljus kunde tränga igenom Torricellis vakuum måste bero på att vakuumet innehöll en eter som ljuset kunde röra sig igenom. För att solens ljus skulle kunna nå oss här på jorden måste den lufttomma rymden mellan stjärnor och planeter också vara fylld med samma eter.

Det skulle gå ytterligare ett århundrade innan det stod klart att detta inte stämde. Det var när den amerikanske fysikern Albert Michelson uppfann ett genialt instrument som i dag är känt som interferometern. Kort sagt är principen bakom instrumentet att dela upp en ljusstråle och skicka strålarna i var sin riktning och tillbaka igen med hjälp av speglar.

De bildar ett interferensmönster när strålarna möts igen. Michelsons idé var att använda instrumentet för att mäta jordens rörelse i förhållande till etern. Om jorden seglade genom etern som en båt genom vatten skulle mönstret förändras när han vred ställningen, eftersom jordens rörelse genom etern skulle påverka de båda ljusstrålarna på olika sätt.

Med hjälp av sin kollega Edward Morley lyckades ­Michelson 1887 ställa upp instrumentet så exakt att de sista mätningarna kunde genomföras. De två forskarna inledde experimenten och vred runt instrumentet, men ingenting hände. Hur de än vände och vred var inter­ferensmönstret detsamma.

Det kunde bara betyda en sak, och Michelson insåg det direkt: ”Vi måste konstatera att det inte finns en stationär eter, som jorden rör sig genom i omloppet runt solen.”

I väteatomen, som består av en proton och en elektron, finns det ett enormt avstånd mellan de två partiklarna. Om vi förstorar upp atomen, så att protonen får en diameter på 2,2 centimeter, kommer avståndet ut till elektronen att bli 541 meter. Den allra största delen av atomen är alltså tom på materia.

Gravitationskraften blir en del av rummet

Utan eter var det plötsligt möjligt att föreställa sig ett rumsligt område fyllt av ”ingenting”. Som ett tanke­experiment kan vi konstruera en liten behållare, exempel­vis i form av en tärning på en kubikcentimeter, och suga ut alla atomer ur den så att den töms på­materia. Om vi utöver det kunde avskärma den mot ljus och annan elektromagnetisk strålning skulle den även vara tömd på energi. Kvar blir då ”ingenting”. Eller?

Den frågan hann fysikerna inte fundera på så länge för redan 1915, bara 28 år efter avlivandet av etern, ­ställdes den motsatta frågan när Albert Einstein ­introducerade sin allmänna relativitetsteori med en helt ny beskrivning av världen.

Enligt den "newtonska" uppfattningen av rummet är det något som existerar oberoende av innehållet. Vi kan därför, åtminstone i teorin, mycket väl avlägsna allt från ett rumsligt område utan att själva området försvinner. Så förhåller det sig inte i det universum som Einstein ritade upp för oss.

För det första är det inte tredimensionellt som Newtons universum, utan fyrdimensionellt i vilket den fjärde dimensionen är tiden. För det andra definieras rummet av sitt eget innehåll. Massan i ­rummet avgör hur rummet formas och rummet be­stämmer hur massan rör sig. Massa och rum är därmed oupplösligt förbundna företeelser i Einsteins rumtid, och därför är det meningslöst att föreställa sig det ­ena utan det andra.

Dessutom talar relativitetsteorin om för oss att massor i rörelse skapar så kallade ­gravitationsvågor som rullar genom hela universum och deformerar rumtiden, vilket innebär att oavsett vad vi gör med vår lilla tärning av ”ingenting” sköljer gravitationsvågor igenom den kors och tvärs.

Existensen av gravitationsvågor bevisades 2015, då forskare vid LIGO-detektorerna i USA uppmätte en förvrängning av rumtiden som hade skapats av två svarta hål som smälte ihop långt ute i universum för mer än en miljard år sedan. LIGO-detektorerna är interferometrar som påminner om det instrument som Michelson använde för att ge etern dödsstöten.

Hans lampa är dock utbytt mot en laserkanon och stativet är ett par tusen gånger större för att uppnå den känslighet som krävs. Gravitationsvågor är nämligen så svaga att vi bara kan mäta dem som skapas av de mest dramatiska händelserna i universum. Men efter fyndet 2015 så vet vi att de måste finnas överallt.

I sitt arbete med den allmänna relativitetsteorin stötte Einstein på ett helt annat problem. För att få sina ekvationer att stämma med det universum vi kan observera var han tvungen att införa en konstant. Han var själv inte förtjust i idén och kallade den sitt ”största misstag”, men senare observationer visar att det faktiskt finns en så kallad kosmologisk konstant i spel i universum. Astronomerna har klarlagt att universum expanderar och att expanderingen dessutom accelererar.

Det innebär att det måste finnas en kraft som verkar mot gravitationskraften. Det är ­fortfarande en stor gåta vad som skapar denna kraft, men tills vidare har den fått namnet ”mörk energi”. Den mörka energin skulle vara närvarande i vår lilla tärning också, precis som den är på alla andra platser i universum.

Med relativitetsteorin beskrev Einstein universum i stor skala. Andra fysiker på 1900-talet gick i motsatt riktning. De zoomade in på det allra minsta och gick på upptäckt i atomen. Resultatet blev helt nya insikter i vad som sker i områden där det inte finns någon materia.

Modern fysik fyller tomrummet med aktivitet

Både relativitetsteorin och kvantmekaniken har gett oss nya kunskaper om vad som sker i ett ­vakuum. Det är allt annat än stillestånd. Det till synes tomma rummet genomströmmas av energi och vibrerar av flyktiga partiklar – och bakom alltihop ligger Higgsfältet som rummets överallt närvarande eter.

1. Virtuella partiklar

Uppstår och försvinner konstant, även i ett vakuum med ett minimum av energi.

2. Gravitationsvågor

Rullar kors och tvärs genom hela universum, även genom ett tomt rum.

3. Mörk energi

Är den mystiska kraft som expanderar själva universums rum, och är aktiv överallt.

Atomens tomrum är fyllt med energi

Titta noga på punkten som avslutar den här meningen. Trycksvärtan i den består av omkring 100 miljarder atomer. För att kunna se en av dem med blotta ögat behöver vi förstora punkten till en diameter på 100 meter. Och om vi vill se atom-kärnan måste vi förstora den till en diameter på 10 000 kilometer – motsvarande avståndet mellan ekvatorn och Nordpolen.

I den enklaste atomen, väteatomen, består kärnan bara av en enda proton som omgärdas av en enda ­elektron. Avståndet mellan de två partiklarna är enormt jämfört med deras storlek. Om vi färdas från protonens centrum ut till elektronen har vi bara tillryggalagt en tiotusendel av resan i det ögonblick vi når kanten av protonen.

Eftersom elektronen är mycket mindre än protonen står det klart att det mesta av atomen ­består av rum som inte är upptaget av några materie­partiklarna. Detta rum utgör 99,99999999999999 procent av atomens rymd. Det skulle dock vara fel att säga att det var helt tomt. De magnetiska krafterna ­mellan elektronens negativa laddning och protonens positiva laddning skapar nämligen ett intensivt ­elektriskt fält som fyller rummet mellan dem.

Det förhåller sig på samma sätt om vi zoomar in ännu mer på protonen. Den består av mindre elementar­partiklar, så kallade kvarkar. Kvarkarna utgör bara en liten del av protonens totala massa, cirka nio procent. Resten är energi som skapas av de krafter som verkar mellan kvarkarna och de gluoner och andra masslösa partiklar som protonen består av.

Under första halvan av 1900-talet utvecklades en ny gren av fysiken, den så kallade kvantmekaniken, och dess uppgift är att beskriva vad som försiggår på atomär och sub­atomär nivå. Kvantmekaniken innehåller ett flertal punkter som omedelbart strider mot vårt normalt konkreta sätt att uppfatta världen.

En av punkterna är att beskriva alla partiklar – inklusive materiepartiklar – som vågor, vilket får ett par viktiga konsekvenser. År 1927 formulerade den tyske fysikern Werner Heisenberg sin så kallade o­säkerhetsprincip. Kort sagt innebär den att det är omöjligt att bestämma en partikels position och rörelse samtidigt.

Vi kan se principen framför oss om vi ritar en våg på ett papper. Nu kan vi definiera vågens position ­genom att välja en punkt på dess kurva. Men utifrån den punkten kan vi inte veta något om vågens storlek eller riktning. Och tvärtom: Om vi i stället väljer att bestämma vågens storlek och riktning kan vi inte sam­tidigt ange dess exakta position.

Osäkerhetsprincipen har också konsekvenser för tankeexperimentet med vår lilla tärning av ”ingenting”. Vi har tömt den på atomer och därmed på materie­partiklar och kan därför ange deras exakta position som ”noll”. Men det innebär att deras energi inte också kan vara ”noll”.

Det skulle helt enkelt strida mot osäkerhetsprincipen. Kvantmekaniken säger att det i vår tärning alltid kommer att finnas en liten mängd energi – känd som ”nollpunktsenergin”. Ett rum med nollpunktsenergi kallas därför även för ett ”kvantvakuum”. Längre ned kan vi inte nå rent energimässigt. Närmare ”ingenting” kan vi aldrig komma.

Tomrummet sjuder av aktivitet

Partiklar uppstår ur ingenting, existerar ett ögonblick och återgår till intet igen. Det låter som trolleri men är även det en konsekvens av kvantmekaniken. Den tillåter nämligen att två partiklar med motsatt laddning kan uppstå spontant i ett kvantvakuum och utplåna varandra efter mycket kort tid. Fysikerna talar om fluk­tuationer av ”virtuella partiklar”.

Ju större och tyngre ­partiklarna är, desto kortare tid får de existera. En elektron och dess antipartikel, en positron, kan på så sätt hoppa in i verkligheten och försvinna igen efter 10-21 sekund. Det går så snabbt att ljus under samma tid bara skulle hinna färdas en sträcka som motsvarar en tusendel av diametern på en väteatom.

De virtuella partiklarna är alltså mycket flyktiga, men uppstår å andra sidan hela tiden. Det gäller överallt i universum – det vill säga även i vår lilla tärning med ”ingenting”. Vi kan se kvantvakuumet som en sjudande soppa av virtuella partiklar, som med alla upptänkliga våglängder rullar runt i alla riktningar i tärningen.

Existensen av virtuella partiklar förutspåddes redan under tidigt 1900-tal, men först 1996 bevisades de i experiment som den holländske fysikern Hendrik ­Casimir föreslog 1948 att man skulle genomföra. Idén var att placera två metall­plattor i ett kvantvakuum och låta dem långsamt närma sig varandra.

När avståndet blir ytterst litet börjar de båda plattorna attrahera varandra. Orsaken är att avståndet mellan plattorna nu bara passar de virtuella partiklar som har korta våglängder medan alla möjliga våglängder kan existera i resten av vakuumet. Resultatet blir att virtuella partiklar utövar ett högre tryck på plattornas utsida än insida, så att plattorna pressas in mot varandra. Fenomenet är känt som Casimireffekten.

De experimentella bekräftelserna av kvantmekanikens förutsägelser är en viktig grund för den så kallade standardmodellen, som är fysikernas beskrivning av allt i universum. Den innehåller både de partiklar som utgör materian och de partiklar som bär krafterna.

Med tiden har nästan alla partiklarna i standard­modellen påvisats, men fram till 2012 fanns det ett ­betydelsefullt hål i pusslet. En mycket central bricka, Higgspartikeln, saknades och därmed även en förklaring till varför det finns massa i universum.

  • "Ibland är det bara trevligt att få rätt."

    Peter higgs, efter att fysiker på CERN lyckats hitta hans förutspådda partikel som ger andra partiklar massa.

Universums eter gör comeback

Peter Higgs kunde inte hålla tillbaka tårarna när han från sin plats på fjärde raden i auditoriet på CERN tog del av på forskarnas nyhet. Att den partikel vars existens han hade förutspått 1964 skulle hittas under hans livstid var helt enkelt för överväldigande för den 83-årige fysikern. Och han var inte ensam. Över hela världen delade fysiker hans överraskning och glädje, för i och med beviset av Higgspartikeln var standardmodellen räddad.

”Ibland är det bara trevligt att få rätt”, som Peter Higgs uttryckte det när han hade återhämtat sig lite.

Higgspartikeln skapar ett fält som råder överallt i universum, och som därför är närvarande överallt på samma sätt som den eter filosofer och vetenskapsmän hade trott på i årtusenden tills den avlivades 1887.

Higgsfältet skiljer sig från andra fält i fysikens värld genom att det inte varierar i styrka eller har någon ­riktning. Det beskrivs ofta som en sirap som fäster sig vid vissa partiklar, men inte vid andra. Materie­partiklar som elektroner och protoner påverkas av Higgsfältet, som därför ger dem en massa. Ljusets ­fotoner färdas däremot opåverkade genom fältet och har därför inte någon massa.

Jämförelsen med sirap ger en visuell förståelse av Higgsfältet, men Peter Higgs är faktiskt inte själv en ­anhängare av den eftersom den kan leda till miss­förståndet att materiepartiklarna förlorar energi och hastighet när de rör dig genom fältet. Higgsfältet representerar den lägsta energin som kan förekomma i vakuum och därför är det inte möjligt att överföra energi från fältet till partiklarna eller ­tvärtom.

Peter Higgs vill därför inte heller jämföra fältet med det sätt som ljus bryts när det rör sig genom ett medium som glas eller vatten.

Enligt teorin om Higgsfältet existerar det bara vid temperaturer under 1017 grader, vilket faktiskt betyder att fältet inte alltid har existerat. Under ett ögonblick, efter att tid och rum föddes under stora smällen, var uni­versums temperatur ännu högre. Men om vi bortser från denna allra första biljondelen av en sekund har Higgsfältet alltid fyllt varenda vrå av universum – och det gäller självfallet även vår lilla ­tärning av ”ingenting”.

På frågan ”existerar ingenting?” måste vi därför svara nej utifrån de kunskaper vi har i dag. Den moderna fysiken har lärt oss att även om vi avlägsnar all materia från ett område i universum och isolerar det från elektromagnetisk strålning ­utifrån, kommer Higgsfältet fortfarande att finnas där – utöver gravitationsvågor, nollpunktsenergi,
vir­tuella partiklar och troligen även mörk materia.

En del hävdar säkert att “ingenting existerade före stora smällen” eller att “ingenting existerar utanför ­universum”. Men att placera “ingenting” i tid och rum, som enligt vår fysiska förståelse har definierats genom att vara icke-existerande, kan ändå inte ge “ingenting” en existens. Så dessa två svar är nog minst lika absurda som greken Thales ansåg att själva frågan om ingenting var för mer än 2 500 år sedan.

Läs också:

Naturlagar

Ljus är en schizofren universalkonstant

3 minuter
Naturlagar

Newton skickar raketen i omloppsbana

3 minuter
Periodiska systemet

Allt är byggt av stjärnstoft

2 minuter

Logga in

Fel: Ogiltig e-postadress
Lösenord behövs
VisaDölj

Redan prenumerant? Prenumererar du redan på tidningen? Klicka här

Ny användare? Få åtkomst nu!