Det sies at matematikk er naturens språk. Men kan ligninger på et ark virkelig lære oss noe vi ikke visste fra før? Forrige uke annonserte fysikere ved Cern i Sveits at de har sett spor etter en hittil ukjent partikkel. Antagelig er det den som lyder navnet Higgs-partikkelen, og som vi har lett etter i femti år. Alle – fra fysikere til tabloidaviser – er enige om at dette er enormt spennende. Men hva betyr det? Hvilke konsekvenser har det – for forskning, for forståelse, for folk flest?
Oppdagelsen av Higgs-partikkelen er viktig, men de umiddelbare reaksjonene er ikke nødvendigvis de mest interessante. Det ligger et dypere resultat her enn at forskere har funnet en ny partikkel å leke med. Oppdagelsen har implikasjoner for hele forskningsmetoden vår.
Da Rolf-Dieter Heuer, generaldirektør for Cern, etter kunngjøringen av funnet sa «I think we have it», hadde han god grunn til å smile.
For det første har partikkelfysikere generelt grunn til igjen å være fornøyde. Dette er den første virkelig store oppdagelsen innen partikkelfysikk siden 1990-tallet. Den nye partikkelen – uansett hva den ved nærmere ettersyn viser seg å være – vil gi spennende resultater og jobb i minst tyve år fremover. Gitt den enorme interessen folk viser, er det dessuten håp for at bevilgende myndigheter fortsatt vil satse på denne typen forskning.
For det andre har vi fått en nål til rådighet, som kanskje kan brukes til å sprekke en plagsom verkebyll. Partikkelfysikk i 2012 er både en kjempesuksess og en gigantisk katastrofe. Vi vet i dag om fire naturkrefter og et lite antall partikler, som lett kan listes opp på et postkort. Vi forstår hvordan disse til sammen danner grunnlaget for den komplekse virkeligheten vi er en del av.
Samtidig forteller astrofysikere oss at for hvert kilo stoff i universet som kan beskrives av postkort-partiklene våre, så finnes det minst fire kilo som må være laget av noe helt annet.
Dessuten er en av de fire naturkreftene – tyngdekraften – ikke forstått på en måte som henger sammen med tre andre – elektromagnetisme og de henholdsvis «sterke» og «svake» kreftene som stort sett virker inne i atomkjernene. Det er rett og slett en enorm mengde spørsmål som gjenstår. Dagens forståelse er god, men alle vet at den bare er en midlertidig mellomløsning.
Hvordan går vi da frem for å løse disse gåtene, sprekke verkebyllen? Vi må oppdage noe uventet, noe som krever en bedre forklaring enn den vi har.
Isaac Newtons tyngdelov fra 1600-tallet ble rundt 1920 erstattet av Albert Einsteins generelle relativitetsteori, blant annet fordi den første ikke kunne beskrive planeten Merkurs bevegelser mens den andre kunne. Omtrent samtidig erstattet kvantefysikken den klassiske mekanikken, igjen fordi vi hadde eksperimenter som ikke kunne forklares av den rådende teorien.
Oppdagelsen av Higgs-partikkelen er på overflaten ikke et slikt resultat. Den var, som vi skal se, høyst forventet. Djevelen ligger likevel i detaljene. Higgs-partikkelen har mange flere egenskaper enn bare det at den finnes, og disse egenskapene – hvor tung den er, hvilke partikler den kan forvandles til, om den reagerer likt på stoff og antistoff – er det som avgjør om den virkelig er «som forventet».
Verkebyllen, nemlig at vi ikke vet hvor vi skal begynne for å nøste opp neste lag med mysterier, sprekker den dagen vi finner et resultat som virkelig bryter med forventningene. Historisk sett har nesten alle nye partikler lært oss noe uventet, så her er det lov å være optimist.
At Higgs-partikkelen åpner et nytt forskningsfelt og gir oss et vindu mot ny fysikk, er riktig og viktig. Men det finnes også et aspekt til, et som kommer til å bety minst like mye for fremtiden. At vi har oppdaget en partikkel, med omtrent de forventede egenskapene, nesten femti år etter at den ble forutsagt, er intet mindre enn sensasjonelt. Det betyr nemlig at måten vi angriper fysikk på er nødt til å ha noe for seg.
For å forklare det må vi se litt på hvordan moderne fysikk – og naturvitenskap generelt – fungerer. Naturen er fortsatt full av herlige mysterier. Vi mennesker er nysgjerrige av natur, og derfor forsker vi – både på ting som har umiddelbar nytte og på ting vi bare har lyst til å vite. Vi finner stadig flere svar på hvordan virkeligheten er skrudd sammen, men samtidig også nye ting å lure på.
Dessverre mangler naturen en fasit vi kan sjekke. Er svarene vi finner – og spørsmålene vi stiller – fornuftige? Hvordan vet vi om vi er på rett vei?
Naturvitenskapen forsøker å nå forståelse ved å lage og så teste forklaringsmodeller. For eksempel vet vi i dag at et «atom» ikke egentlig er en klump av protoner og nøytroner med elektroner svirrende i pene baner rundt. Naturen er heller ikke satt sammen av små, kulerunde «elementærpartikler».
Likevel lærer vi fortsatt bort dette, henholdsvis på ungdomsskolen og på videregående. Begge forklaringene er modeller med forskjellige grader av nøyaktighet, måter å beskrive virkeligheten på som er gode nok til det vi vil formidle der og da. En god analogi er oppløsningen på tv- og mobilskjermer. For ikke lenge siden var alle fornøyd med «tv-bildet», selv om vi visste at hvis vi gikk for nær skjermen så ble bildet kornete.
Tenk deg nå at Leonardo da Vincis maleri Mona Lisa vises på en slik skjerm. For å lære en ungdomsskoleklasse om kunsthistorie er dette mer enn nok. Kjøper du en tv i dag, får du hd-oppløsning, og Mona Lisa blir mye skarpere i kantene. Kanskje godt nok til å diskutere da Vincis malerstil?
Men selv ikke en ultramoderne retina-skjerm kan gi en tilstrekkelig beskrivelse av alle detaljene i det ekte maleriet, og uansett hvor flott maleriet er, så er det jo bare en blek kopi av damen som en gang ble malt.
Partikkelfysikere vil gjerne studere den ekte naturen, men tingene vi er interessert i er så små at vi ikke kan se dem eller ta på dem. De er like utilgjengelige for oss som den opprinnelige personen Mona Lisa. For å forske på dem trenger vi enorme maskiner, som maler bilder for oss slik da Vinci gjorde. For å tolke resultatene er vi dessuten avhengige av en forståelsesmodell – en skjerm – med så god oppløsning som mulig.
Modellen vi bruker i dag ble utviklet på 1960-tallet. Den er veldig abstrakt, men også konseptuelt enkel. Den består av bare tre ingredienser: et lite antall grunnleggende antakelser om naturen, et sett med regne-regler, og en mesternøkkel som beskriver akkurat hvordan vår natur er.
Antagelsene er av denne typen: «Fysikkens lover endrer seg ikke hvis jeg flytter meg en meter til venstre», og «de endrer seg heller ikke hvis jeg snur meg nitti grader mot høyre». Fysikere kaller dette symmetrier. På 1960-tallet begynte man å behandle slike symmetrier som det virkelig grunnleggende i naturen, for så å se hvilke konsekvenser de har.
Regnereglene kalles kvantefeltteori. De er avansert matematikk, men når man har lært den er den verken mer eller mindre logisk enn pluss, minus, gange og dele. Nevn en symmetri, så forteller regnereglene hva den betyr.
Til sist kommer nøkkelen: En lang og komplisert ligning. I denne ligningen finnes ledd for alle partikler i naturen – ledd som viser hvor tunge de er, hvilke naturkrefter som virker på hver av dem, og dermed hvordan de kan binde seg sammen til større partikler.
Hvis regnereglene brukes på denne ligningen, så kan den forutsi resultatet av eksperimenter. Den er med andre ord en god vitenskapelig hypotese: Den kan testes, og eventuelt falsifiseres. Og hvordan er ligningen laget? Den er en ren konsekvens av symmetriene vi har antatt at naturen har, satt sammen med tall vi har målt.
Hvis du synes dette er abstrakt, så er du ikke alene – det er abstrakt. Du er også tilgitt hvis du lurer på hva et sett av symmetrier og regneregler egentlig kan fortelle oss om den virkelige naturen. Har moderne fysikk gått seg bort i filosofien?
Her ligger et dypt mysterium ikke bare for partikkelfysikk, men for naturvitenskap generelt. Matematikk er naturens og naturviterens språk, men er det virkelig slik at så lenge det vi regner ut er logisk og riktig, så kan ligningene forutsi noe vi ikke visste fra før? Vi antar gjerne at det er sånn, men stemmer det?
Tilbake til 60-tallet og partikkelfysikernes abstrakte modeller. Tanken om å utlede naturlover fra symmetrier var ny og spennende, men man hadde ingen klar forbindelse mellom matematikken og alle de partiklene som alt var oppdaget.
Det fantes også et avgjørende problem: Partiklene hadde masse – de ville veiet noe hvis de ble lagt på en bitteliten vekt – og det brøt med de antatte symmetriene. Et banesår for modellen – hvis det ikke kunne fikses på.
Det var nettopp dette Peter Higgs og fem andre fikk til i 1964. Ved et par gjetninger og litt triksing med symmetriene fikk de inn et ledd i ligningen som kunne beskrive masse.
Prisen de betalte var bare at det også dukket opp ett ledd til – et som beskrev en ny, massiv partikkel med ganske bestemte egenskaper. Ettertiden har gitt den navnet Higgs-partikkelen, en kortversjon av det mer korrekte Englert–Brout–Higgs–Guralnik–Hagen–Kibble-partikkelen.
Dette matematiske trikset ble senere en del av den store teorien som i dag kalles standardmodellen for partikkelfysikk, et felles resultat av tiårs innsats fra mange fysikere. Den har vært en enorm suksess, og har både forutsagt nye partikler og ledet til et antall nobelpriser. Det eneste skåret i gleden har vært fraværet av Higgs-partikkelen, som til tross for iherdig leting ikke vært sett i noe eksperiment – før nå i 2012.
Rekkefølgen i logikken her er slående. Man ville se om det lot seg gjøre å lage en modell som kunne beskrive alle partikler og naturkrefter på en gang, bare ut fra enkle symmetrier og litt matematikk.
Et ganske så ambisiøst prosjekt, som det på ingen måte er opplagt at man kan gjennomføre. Svaret ble likevel ja, men bare hvis vi bruker et matematisk triks som har som konsekvens at det dukker opp et ekstra ledd i en ligning. Dette leddet tolker vi freidig til å bety at det må finnes en hittil uoppdaget partikkel.
Og jammen gjorde det det. Modellen, som vi alle er klar over at bare er en modell, var i stand til å forutsi noe som umulig kunne testes med sektitallets teknologi. Det krevde et internasjonalt kollegium av tusenvis av fysikere, forskningspenger fra mer enn tredve land, jordens hittil mest avanserte teknologi og tøffeste datanettverk å bekrefte hypotesen – men vi klarte det.
Oppdagelsen er dessuten gjort samtidig i to helt uavhengige eksperimenter – Atlas og CMS – noe som gir ekstra tyngde til resultatet.
Fra dette kan vi trekke en helt klar slutning: Fysikkens måte å studere verden på er konstruktiv. Selv om de er abstrakte, så er symmetrier, matematikk og logikk såpass grunnleggende elementer i naturen at de kan brukes til å lede oss videre.
Dette har igjen konsekvenser for hvordan vi jobber fremover. Et eksempel er strengteori, kort fortalt et forslag om at partiklene egentlig er vibrerende strenger som lever i flere enn våre vante tre dimensjoner.
En underlig tanke, men med potensial til å gi oss en teori for alle naturkreftene på en gang. Strengteori, og i forlengelsen moderne fysikk, er blitt kritisert av blant andre Lee Smolin i boken The Trouble With Physics, og av Erik Tunstad her i Morgenbladet. Problemet med strengteori er at den enn så lenge bare er en modell, uten testbare forutsigelser av den typen Higgs-partikkelen var. Egentlig holder ikke det mål.
Det besnærende med teorien er likevel at den er laget ut fra de samme enkle symmetrier og regneregler som ledet oss til Higgs. Partikkelen tok det femti år å finne. Moderne strengteori dukket opp først på 1980-tallet. Selv om kritikken mot teorien er alvorlig og velbegrunnet, så er det for tidlig å avskrive den.
Partikkelfysikk har som mål å beskrive «alt» i naturen i én teori. Med «alt» menes her alle partikler som finnes, alle naturkrefter, og hvordan disse hører sammen. Dette vil så danne grunnfjellet for en forståelse av hele resten av naturen.
Helst vil vi forstå hvordan partiklene samler seg til atomer, atomene til molekyler, molekylene til planter, mennesker og planeter, og disse igjen til galakser og et helt univers. Veien dit er lang, og ingen kan si om det i det hele tatt går an. Det at Higgs-partikkelen ble oppdaget i 2012, femti år etter at den ble forutsagt på basis av ren, abstrakt matematikk, gir håp om at vi er på rett vei.
Naturvitenskapen kan nok tidvis fremstå som arrogant overfor alternative måter å tenke på. Vi krever at nye ideer skal være formulert innen vårt språk – matematikken – og gjort testbare ut fra den hypotetisk-deduktive metode.
Nye modeller må kunne forklare alt vi allerede vet, eller eventuelt begrunne hvorfor det vi trodde vi visste, ikke holder mål. Resultater som det som nå er annonsert fra Cern, gjør det helt tydelig at tankegangen fører frem, og at hvis vi vil forstå flere av naturens mysterier så kan vi fortsette langs denne veien.
I hvert fall inntil det en dag dukker opp et resultat vi bare ikke forstår, og tvinger frem nok en ny forbedring av modellene og forståelsen vår.
Bjørn H. Samset, fysiker og tidligere Cern-forsker, fagformidler på kollokvium.no
Ingen kommentarer