Kvantmekaniken

De fysiska lagarna, som läge och hastighet för objekt i omloppsbanor kring en massa, gäller både för mikro- och makrovärlden: det vill säga universum och partiklar. Det är dock en väsentlig skillnad mellan den stora och lilla världen: man kan beräkna var man ska söka efter en himlakropp och också finna den på beräknad plats; men i mikrovärlden kan man bara tala om hur pass sannolikt det är att en partikel ska befinna sig i ett visst läge. Man talar till exempel om elektronskal, där man menar att det är högst sannolikt att en elektron befinner sig, men man kan aldrig beräkna exakt var den befinner sig.

Det är nämligen så, att energi inte kan delas upp i hur små beståndsdelar som helst: liksom atomen har sina små byggstenar, består energin av små enheter.

En enhet har vi redan nämnt: fotonen, som är den minsta beståndsdelen som kan existera för ett ljusknippe. Då en elektron blir exciterad i sin bana, hoppar den upp i ett högre läge. Den energi som ska till för att elektronen ska hoppa upp i en annan bana måste vara ett litet paket, lagom stort till en viss typ av atom med en elektron i ett visst skal. Då elektronen sedan hoppar ner till en lägre bana (mindre energirik), avges en foton. En foton är det minsta lilla energipaket som kan avges.

Det är först i lite större skalor som vi kan göra mätningar och beräkningar: tillräckligt många energipaket finns då till hands, för att vi ska kunna mäta och göra beräkningar av medelvärde med mera.

Varje mätning stör det system man undersöker. Sticker man ner en termometer i ett badkar, ändrar man temperaturen på vattnet, eftersom termometern med all sannolikhet har annan temperatur än vattnet. Vi märker normalt inte denna lilla avvikelse. Men i mikrovärden spelar dessa förändringar stor roll, eftersom systemet är så litet att det alltid kommer att vara förändrat efter mätningen. Överdrivet kan man tänka sig, att man med en termometer mäter temperaturen hos en droppe: förutsägbart är droppens temperatur detsamma som termometerns. Ref.: Illustrerad Vetenskap 5/99.

Eftersom mätningarna stör, kan man inte tala om visshet, bara om sannolikhet. Ref.: Illustrerad Vetenskap 5/99.

Superdator

Moores lag, som säger att datorernas kapacitet kommer att fördubblas var artonde månad, gäller kanske ett bra tag till. Men tar man hänsyn till kvantmekanik, relativitetsteori, termodynamik och informationsteori, finns det en gräns för hur litet och hur snabbt allting kan vara. Dagens hårddiskar kan lagra 10¹¹ bitar per liter, medan gränsen kommer att bli vid 10³¹ bitar per liter. En bit kan ändra sig från en nolla till en etta 10¹⁹ gånger i sekunden. Datorns snabbhet beror på hur stora beräkningar som ska göras. Dagens datorer klarar 10¹³ operationer i sekunden, medan gränsen kommer att vara vid 10⁵¹ operationer i sekunden. Ref.: Ny Teknik 46/2000.

Caspar van der Wal och hans kolleger vid Delfts tekniska högskola har visat att kvantteorin kan inta två möjliga tillstånd: ett föremål kan vara på två platser samtidigt. Strömmen kan också gå i två olika riktningar, där de två tillstånden överlagrar varandra. Genom ett pålagt litet magnetfält, som varieras väldigt lite, kan balansen mellan dessa tillstånd påverkas. Upptäckten kan ha betydelse för en kvantdator. Ref.: Ny Teknik 44/2000.

Det finns en handfull fungerande kvantdatorer i dag. Under 2011 lanserade företaget D-Wave världens första kommersiella kvantdator med 128 samarbetande atomenheter. D-Wave two har 512 kvantbitar. Google har tillsammans med NASA köpt D-Wave two. D-Wave planerar att introducera en kvantdator med 1024 kvantbitar. Länk Länk

Kanske kommer nästa generation datorer att få ett optiskt minne. Små klumpar, nano-kluster, av silveroxid, bestående av två till åtta silveratomer, kan programmeras och avläsas med ljus. Om partiklarna exponeras med blått ljus, blir de luminiscerande. Oexponerade partiklar får inte den förmågan. Detta innebär att exponerade partiklar lyser i svagt ljus. Ref.: Ny Teknik 6/01.

Hur man skapar antipartiklar
Receptet är ganska enkelt. Man börjar med en stråle av protoner som får träffa en metallplatta. Vid kollisionen slungas en massa partiklar ut åt olika håll. Det bildas lika många partiklar som antipartiklar. En del av dem är protoner och antiprotoner. De skapade partiklarna håller gärna ihop i par: då de återförenas skapas energi, varvid partikeln och antipartiklen upphör att existera. Ref.: Illustrerad Vetenskap 12/96.

Man måste skilja bort antiprotonerna från alla andra partiklar som bildas, innan antiprotonerna hinner förintas. Med hjälp av starka magneter kan man skilja partiklarna åt: de positivt laddade partiklarna kommer att gå åt ett håll, medan de negativt laddade partiklarna kommer att gå åt motsatt håll. Då protonerna har en vikt som avviker från andra partiklar, kan man via andra magneter styra partikelflödet, så att partiklar med en viss vikt kan fångas upp. På så sätt kan man skilja protoner respektive antiprotoner från alla andra sorters partiklar. Efter utgallringen måste antiprotonerna hållas isolerade i vakuumflaskor, försedda med starka magnetfält: så fort de kommer i kontakt med vanlig materia, förintas antiprotonerna.

Ute i världsrymden förekommer dock mer materia än antimateria. Vi återkommer längre fram till hur antipartiklarna kan försvinna.

Protonens och neutronens beståndsdelar

Vid fusion upptäckte man att två protoner kan kollidera med varandra, varvid den ena omvandlas till en neutron. Samtidigt slås två små partiklar iväg: en positron och en neutrino. Det uppstår samtidigt även värme: det är den värmen från fusionen i solen som bland annat når jorden.

Man kom alltså fram till att atomerna är uppbyggda av ännu mindre enheter än neutroner och protoner. Eftersom partiklarna som skickades iväg orsakade protonens positiva laddning och omvandlade den till en neutron, förstod man att man borde leta efter ännu mindre partiklar än de nämnda. Så länge som partiklarna hade laddning och vikt var det inga problem att spåra dem, men det finns faktiskt partiklar som saknar laddning och nästan saknar vikt.

Man kom på att protoner och neutroner i huvudsak består av tre partiklar. Man kallade dem kvarkar. Vi tittar lite närmare på atomkärnan. En kvark är 10^-15 cm. I vår skala, där atomen är stor som jorden, blir en kvark stor som en pingisboll. Ref.: Illustrerad Vetenskap 4/93.

Neutron	Proton	Antiproton
Link	Link

Här började forskarna få problem med benämningarna, eftersom man hittade en uppsjö av oupptäckta partiklar. Eftersom en protons eller neutrons utseende utåt var neutral, försökte man hitta något, där tre olika enheter tillsammans tog ut varandra. Man valde då färgerna som finns på TV: tre utvalda färger, röd, blå och grön, bildar tillsammans vit färg. Men eftersom ljuset har en våglängd på 0,0005 mm, 100 000 000 000 gånger större än en kvark, förstår vi att vi inte kan se någon färg på en kvark. Hur som helst benämnde forskarna att en proton eller en neutron består av tre kvarkar med färgerna röd, blå och grön. Bildar tre kvarkar en enhet, blir färgen vit, det vill säga att det är neutralt.

Det finns andra egenskaper på partiklar än det omnämnda, som till exempel spinn och energinivåer. Spinnet kan vara uppåt eller nedåt. För kvarkarnas del kallade man dem uppkvark respektive nedkvark (u för up och d för down i figurerna). En proton består av två uppkvarkar och en nerkvark; en neutron består av två nedkvarkar och en uppkvark.

Dessutom fick man problem med att beskriva laddningen för kvarkarna. Laddningen hade man ju tidigare bestämt till enheten 1, den minsta man trodde fanns. Men då tre kvarkar delade på laddningen, fick man lösa kvarkarnas laddning. Man kom då fram till att en uppkvark har laddningen +2/3 och en nerkvark laddningen -1/3. Så löste man det problemet. Ref.: På resa i universum, Universums Skapelse, bokförlaget Lademann.

Antimateria betecknas med en överstruken linje över texten.

Vi kan också se att antiprotonen har negativa färger i förhållande till protonen: men även här bildar de tre färgerna gult, cyan och magenta vit färg, om de blandas.

Då en proton eller en neutron byggs upp av kvarkar, utbyter kvarkarna en gluon, bäraren av den starka kraften (fjäder i figurerna ovan. Den starka kraften håller samman atomkärnan. Som nämnts tidigare har de neutrala neutronerna inget klister för att hålla samman protonerna: negativa och neutrala partiklar vill stöta bort varandra; likaså positiva och neutrala.

En partikel bestående av två kvarkar är mycket kortlivad: en partikel bestående av tre kvarkar håller länge.

Det finns alltså två typer av kvarkar, benämnda “upp” och “ned”, som fungerar i de atomer som vi är vana vid. Dessa kvarkar har den lägsta energinivån bland kvarkarna.

Men det finns också kvarkar med högre energinivåer, som finns i rymden: detta kallas för kosmisk strålning och kan träffa jorden. Dessa kvarkar kan även skapas i laboratorier. Dessa kvarkar kallas “Sär” och “Charm”.

Ytterligare två kvarkar finns, som benämnes “Topp” och “Botten”. Dessa har den högsta energinivån hos samtliga kvarkar. De kan bara skapas i laboratorier, där till exempel protoner får kollidera med varandra med nära ljusets hastighet. Hur som helst har vi sex typer av kvarkar, som kan bygga upp de atomer som finns i vår närhet.

Ref.: Illustrerad Vetenskap 4/93.

Länk

Elektronen är uppbyggd av partiklar som kallas leptoner. De finns också sex olika typer av leptoner, med motsvarande tre olika höga energinivåer som hos kvarkarna. Länk

Tillräckligt hög energi kan skapa partiklar. Partiklar som sönderfaller kan omvänt skapa energi. Då energi skapar partiklar, skapas det samtidigt både en “normal” partikel och en “antipartikel”. Elektronens anti-motsvarighet kallas positron och har motsatta egenskaper mot elektronen: den är positivt laddad. Det finns då motsvarande 6 antikvarkar och 6 antileptoner. Dessa finns inte i vår närhet, eftersom de skulle utplånas så fort de kom i kontakt med vanlig materia. Därmed har vetenskapen hittat 24 elementarpartiklar, som bygger upp hela universum. Ref.: Illustrerad Vetenskap 4/93.

Elektronen upptäcktes 1898 och positronen 1932.

Bland kvarkarna upptäcktes uppkvarken, nedkvarken, särkvarken och charmkvarken 1963 och bottenkvarken 1977. Ref.: Här är vi hemma. Bra Böcker 1982.

Inte förrän 1994 kunde man skapa den sista och saknade kvarken, toppkvarken. Men man hade gjort ett prydligt schema över de omnämnda 24 små byggstenarna, så man hade beräknat den eftersökta toppkvarkens egenskaper. Ett team på 440 forskare behövde 30 år och en biljon försök, innan man lyckades hitta toppkvarken. Man fick tillräckligt hög energi för att skapa toppkvarken genom att låta protoner och antiprotoner kollidera med höga hastigheter. Ref.:  Illustrerad Vetenskap 1/96.

Med dessa 24 partiklar med dess signalerande budbärare, som gluoner och fotoner (ljus), förstår forskarna hur universum är uppbyggt. Man har därmed fått förklaring till vad som är radioaktivitet, fusion och elektromagnetism. Då man hittade Higgspartikeln fick man reda på vad som orsakar massa hos partikalrna och därmed vad som orsakar gravitationen.

Vad kvarkar består av

Forskarna har gjort upptäckter, som visar att kvarkarna består av ännu mindre enheter. Partiklarna bör ha en diameter av storleksordningen 10^-18 cm. Om vår atom skalades upp till jordens storlek, skulle en kvarks beståndsdelar bestå av partiklar som är 0,2 mm.

I en partikelaccelerator i Fermilab i Chicago har man kommit fram till att om kollisioner mellan partiklar sker vid låga energinivåer, uppstår det antal jetströmmar som är förväntade. Vid höga energinivåer är dock antalet jetströmmar för stort, vilket tyder på att kvarken består av mindre beståndsdelar. Ref.: Illustrerad Vetenskap 9/96.

Vid en kollision mellan en proton och en antiptroton vid CERN i Schweiz fann forskarna följande sönderfall (bild). Ref.: Illustrerad Vetenskap 2/85.

Mesoner

I partikelacceleratorer kan man skapa nya partiklar bestående av en kvark och en antikvark: dessa kallas då mesoner. De hålls ihop av den starka kraften. En antipartikel brukar betecknas med ett streck över bokstaven. En hel del mesoner har namn enligt tabell. Ref.: Nationalencyklopedin, elementarpartiklar.

Mesonerna har en livslängd på mellan 10^-8 - 10^-20 s. Ref.: Här är vi hemma. Bra Böcker 1982.

Länk

Alla kombinationer av kvarkar kallas hadroner. Hadroner kallas för mesoner, då de består av två kvarkar, eller baryoner, då de består av tre kvarkar.

Baryoner

Baryoner är alltså en typ av hadron med tre kvarkar. Fyra typer av baryoner känner vi redan till: proton, antiproton, neutron och antineutron. Protonen är stabil, likaså antiprotonen, om den hålls isolerad från protoner. Neutronen, om den inte ingår i en atomkärna, har en livslängd på endast 917 sekunder. Ref.: Här är vi hemma. Bra Böcker 1982.

Antineutronen har samma livslängd som neutronen. De andra baryonerna har en livslängd ungefär som mesonerna. En del är dubbelt så tunga som protonen.

Eftersom vi har 12 typer av kvarkar, får vi omkring 100 möjliga kombinationer om vi slår samman tre kvarkar.

uud, udu and duu är samma partikel

medane uud, uud, uud, uud, uud och uud är olika partiklar.

En hel del baryoner har namn. Ref.: Nationalencyklopedin, elementarpartiklar.

Länk

Vetenskapen diskuterar för närvarande om protonen har en begränsad livslängd eller ej, men det lutar åt att protonens livslängd är begränsad. Japanska forskare håller på at bygga en undervattenstank, innehållande en miljon ton vatten. En sönderfallande proton avger så kallad Carenkov-strålning, vilken man kan mäta i denna tank. Den som kommer att påvisa protonens bräcklighet är värd ett nobelpris. Ref.: Ny Teknik 3/2001.

Går antimateria över till vanlig materia?

Då man började med partikelacceleratorer kunde man skapa antipartiklar till de partiklar man kände till. Elektronens motsvarighet i den antimateriella världen kallas positron och är positivt laddad. Protonens motsvarighet kallas antiproton och är negativt laddad. Normala partiklar och antipartiklar förintar varandra, då de möts igen, varvid våldsam energiutveckling sker. För att inte antipartiklarna ska förintas, gäller det att man håller dem isolerade från vanlig materia: det sker i magnetflaskor med vakuum.
Man skapar antiväte genom att förena positroner med antiprotoner. Energiutvecklingen är så våldsam då man förenar väte med antiväte, att ett par gram antiväte räcker för att driva ett rymdskepp.

Problemet är att isolera antivätet mitt i magnetflaskorna: atomerna är magnetiskt neutrala.

Antivätet skapades vid ett experiment på så sätt, att protoner accelererades upp i nära ljushastigheten. Detta skedde i den stora partikelacceleratorn CERN i Schweiz. Protonerna kolliderade med en metallplatta, varvid en skur av olika partiklar bildades. Några av partiklarna var antiprotoner, som fångades upp via magneter och sparades i en ring, försedd med magneter och vakuum.

Då ett tillräckligt antal antiprotoner bildats, accelererades dessa upp i hög hastighet och fick träffa xenonatomer. På nytt bildades skurar av olika partiklar. Några av partiklarna var positroner. Om dessa slog följe med antiprotonerna, bildades antiväte, som leddes vidare. Länk

År 2013 lyckades man skapa så mycket antimateria, att man kunde väga den. Genom att kyla ner antivätet till en grad Kelvin, och utsätta materian för magnetfält i vakuumkammare, lyckades man hålla kvar antivätet tillräckligt länge för att testa de gravitionella krafterna. Man försökte testa om gravitationen var som vanlig materia, starkare, svagare eller negativ. I det sistnämnda fallet skulle antimateria accelereras uppåt. Men mängden man hade var för liten för att klargöra detta. Det enda man kom fram till var att gravitationskrafterna på antivätet var inom plus eller minus 100 normala gravitationskrafter. Ref.: Allt om Vetenskap 9/2013.

Fler säregna partiklar

Då forskarna gärna vill bryta ner all sorts materia i minsta beståndsdelar för att bygga upp den igen, för att på det viset förstå hur naturen fungerar, kommer man därigenom att förstå allt utom den mörka materian. Den okända materian betecknas mörk, då den varken sänder ut eller absorberar fotoner, det vill säga den mörka materian kanske inte har elektroner. En viktig pusselbit är Higginspartikeln, som orsakar massa hos partiklarna, och därmed orsakar gravitation.

Det jag tar upp nu är inte längre fråga om materia och antimateria. Då protoner och antiprotoner kolliderade (materia och antimateria) på CERN, skapades en elektron och en positron (materia och antimateria) samt två fotoner. Men de fyra skapade partiklarna hade mindre energi än vad som tillfördes: här fanns alltså partiklar som detektorerna inte kunde avslöja. Den saknade massan motsvarade exakt två elektroner, men som sagt: hade det varit elektroner, hade man detekterat dem. Man har också sett fyra spår efter en kollision mellan en elektron och en positron: dessa fyra spår avviker ibland från det normala.

Man kallar dem för supersymmetriska partiklar. Här är listan över samtliga partiklar Ref.: Illustrerad Vetenskap 8/97.

Länk

Fortfarande gäller, att då en partikel skapas, skapas även dess anti-motsvarighet.

Den starka kraften fungerar omvänt mot alla andra krafter: den ökar då kvarkarna tvingas isär. Det är som om ett gummiband som håller ihop kvarkarna. Formeln har det negativa värdet -11/3. Ref.: Ny Teknik 42/04.

Man behöver allt större partikelacceleratorer för att få upp partiklarna i allt högre hastigheter, i avsikt att avslöja atomernas innersta uppbyggnad. Forskarna vill gärna söka efter en enda urkraft/urpartikel, som står för den starka och svaga kraften, elektromagnetismen och gravitationen. Detta kan enligt forskarna i dag endast ske genom att accelerera upp partiklarna i allt högre hastigheter och låta dem kollidera. Tyvärr är sådana projekt alltför kostsamma. En påbörjad anläggning, SSC i Texas, fick läggas ner. Man kom så långt, att man borrat tunneln till banan färdig: det är en 87 km lång ring (27 km i diameter). Man beräknade att anläggningen skulle kräva 1000 fysiker och 1000 tekniker. Dessa måste bussas mellan arbetsplatserna på grund av de enorma avstånden. 1993 var kostnaden uppe i 2 miljarder dollar, varpå anläggningen lades ner.

Studier av W- och Z-partiklar har visat sig vara varianter av fotonen. Ref.: Illustrerad Vetenskap 1/96.

Partikelacceleratorn vid CERN skulle stängas av, men då forskarna ansåg sig vara mycket nära att hitta den gåtfulla Higginspartikeln, lät man den vara igång.

Forskarna har hittat en partikel som innehåller fem kvarkar. Den kallas Theta-plus. Den kan skapas i partikelacceleratorer och genom strålning från rymden. Den lever i 10^-23 sekunder. Ref.: Forskning & Framsteg 7/03.

Letandet efter neutriner

En av de atomer som undantagsvis reagerar med neutriner är klor-37, som därvid omvandlas till den radioaktiva isotopen argon-37. Amerikanen Raymond Davis byggde en neutrindetektor, som grävdes ner i en gammal guldgruva. 1968 lyckades försöket: Davis hittade argon i tanken.

Förutom att solen skickar ut neutriner, kommer partiklarna från annat håll i världsrymden. 1987 lyckades man registrera neutriner från en supernova, som exploderade i de Magellanska molnen.

Liksom kvarkarna har tre olika höga energinivåer, förekommer även neutrinon i tre motsvarande olika höga energinivåer: elektronneutrino, myonneutrino respektive tauneutrino.

Solen skickar endast ut ett slags neutriner, elektronneutriner. Varje sekund skickar den ut 2*10³⁸ neutriner. På väg till jorden omvandlas en del av elektronneutrinerna till de två andra slagen. Ref.: Illustrerad Vetenskap 16/01.

Myonneutriner skapades i ett laboratorium och sköts in i en tank med 200 ton babyolja. De ljusblixtrar som där registrerades tydde på att det var elektronneutriner som reagerade med protonerna i oljan: någon reaktion mellan myonneutriner och oljan sker aldrig. Detta var ett bevis på att omvandling mellan neutriner sker. Omvandling kan bara ske om neutrinen har massa.

Ref.: Illustrerad Vetenskap 14/96.

Länk

Spinn

Om ett föremål är helt asymmetriskt, måste det vridas 360° för att se likadant ut igen. Det har spinnet 1. Ett klätt spelkort är emellertid symmetriskt och behöver bara vridas 180° för att se likadant ut igen. Det har spinnet 2. Bosoner har spinnet 0, 1 eller 2. Det finns emellertid partiklar som måste vridas 2 varv för att se likadana ut igen. Fermioner har halvtaligt spinn. Länk Länk.

En femte naturkraft

Rent teoretiskt kan kvarkar och leptoner omöjligt bindas samman i en enda partikel. Kvarkar hör ju till familjen protoner och neutroner, medan leptoner hör till familjen elektroner. Ändå har det hänt att kvarkar och leptoner slagits samman till en partikel, vilket skedde i HERA-acceleratorn i Hamburg. Forskarna kallar partikeln leptokvark. I så fall måste en femte naturkraft vara inblandad. Länk

Vad elektroner består av

Det går att dela elektronen också. CERN missade det på grund av att de sköt protoner.

Jeroen van den Brink i Dresden lyckades. Det behövs inte så stor anläggning, bara en kraftig röntgenlaser. Forskarna sköt röntgenstrålen mot en metallplatta, där elektronen kunde delas i två delar: spinoner (spinon) som står för elektronens spinn, samt orbitoner (orbiton), som står för banan runt atomen.

Link Link Link

Forskarna lyckades också dela elektronen i en tredje del, haloner (holon), som står för laddningen.

Ref.: Axess hösten 2013: Horizon: How small is the Universe? I programmet där van den Brink intervjuas, nämner han att det kan vara värt ett Nobelpris.

Link

Inledningsvis nämnde jag att jag inte fått svar på varför antalet elektroner i varje lager ska vara just 2-8-8-18 och så vidare. Elektronens tre beståndsdelar räknar ju inte upp detta.