Fysikerne leter fortsatt etter det rene ingenting

Jakten på det absolutte tomrom, der det ikke finnes verken materie, energi eller krefter, har vart i tre tusen år. Underveis har filosofer og fysikere forsøkt å frambringe det totale vakuum både i praksis og i teorien – men det virker som om naturen motarbeider dem. Akkurat når det ser ut til at forskerne har kommet fram til det totale tomrom, fylles det igjen opp av nye oppdagelser og erkjennelser.

99,9999426697 prosent – så sikre var fysikerne ved CERN på at målingen holdt stikk. Så 4. juli 2012 erklærte at de hadde funnet det de hadde lett etter helt siden den store LHC-akseleratoren ble startet opp i 2007: higgspartikkelen.

Forskerne visste på forhånd at det ville bli uhyre vanskelig å finne den. Glem alt om nåler og høystakker. I LHC skapes det bare én observerbar higgspartikkel av ti tusen milliarder sammenstøt mellom de protonene som suser rundt i akseleratorens 27 kilometer lange rør nesten like raskt som lyset.

Heldigvis var fysikerne våkne nok til å fange den. Den viser nemlig at forståelsen av hvordan universet er skrudd sammen, fortsatt holder. Higgspartikkelen er nødvendig for at de andre partikler skal ha masse. Hvis den ikke fantes, ville alle partikler være som fotoner: raske, men uten masse. Universet ville dermed bare inneholde elektromagnetisk stråling, men ingen elektroner, protoner, atomer, molekyler, planeter eller stjerner. Det ville med andre ord være helt tomt for materie.

Higgspartikkelen gir ikke bare en forklaring på at vi er her, men bidrar også til å finne svaret på det motsatte spørsmålet: Finnes det absolutte tomrommet?

Ideen om et rom uten materie og energi har spøkt i hodene på filosofer og forskere i årtusener, og svaret har svingt fram og tilbake mellom nei og ja. Med higgspartikkelen fikk vi et nytt bilde av hva som egentlig finnes i et område av rommet der det ikke er noe som helst annet.

Umiddelbart lyder spørsmålet «Eksisterer ingenting?» enkelt, men ved nærmere ettertanke er det kanskje noe av det mest kompliserte vi kan stille. Definisjonen av «ingenting» må nødvendigvis være «fraværet av alt», så hvis vi skal forstå «ingenting», må vi også forstå «alt». Forskerne måtte med andre ord ut på litt av en omvei før de fant det endelige svaret.

Vi oppdras til å akseptere ingenting

Allerede fra barnsben av møter vi tanken og om intetheten uten at vi tenker så mye over det. På skolen sier læreren for eksempel: «Det ligger to appelsiner på bordet. Nå fjerner jeg begge. Hva er det da igjen?» De fleste oppvakte barn vil svare «ingenting» eller «null», og begge deler vil tilfredsstille læreren. På videregående skole vil de svarene være litt for upresise.

Matematikklæreren vil be om å få en enhet på resultatet, så det korrekte svaret ville være «ingen appelsiner» eller «null appelsiner». Fysikklæreren vil kanskje gå skrittet videre og hevde at det riktige svaret er «luft», fordi den plassen som appelsinene fylte, nå er erstattet av oksygen, nitrogen og noen andre grunnstoffer. På universitetet vil spørsmålet nok være formulert annerledes: «Det er to appelsiner – ikke på bordet, men ute i verdensrommet mellom galaksene. Nå fjerner vi dem. Hva er det nå der de var?»

Astronomi­studenter vil vite at det selv i det intergalaktiske rommet finnes spredte atomer av for eksempel hydrogen og helium, og det svaret vil være riktig, men likevel ikke uttømmende, for det opplagte neste spørsmålet vil jo lyde: «Hva er det i det rommet de spredte atomene ikke har fylt?»

Her begynner det å bli veldig vanskelig, ikke bare for studentene, men også for de skarpeste hjernene innen fysikk og kosmologi. Og det var det også for de greske filosofene som begynte å fundere over spørsmålet allerede for over 2500 år siden.

  • "Ingenting er verken tomt eller overflødig."

    Empedokles (om lag 490-430 f.Kr.) avviste at det kunne finnes et rom uten innhold.

Grekerne stempler intetheten som absurd

Faren til den vitenskapelige måten å tenke på mente at tanken om «ingenting» var meningsløs. Thales fra Milet, som levde om lag 635–546 f.Kr., framførte det argumentet at bare det at noen tenkte på eksistensen av «ingenting», ville innebære at «ingenting» likevel var «noe» – og dermed ville det ikke lenger være «ingenting». Han mente at «ingenting» dermed bare eksistere hvis det ikke var noen eller noe som kunne betrakte det eller forestille seg det.

Det lyder litt kryptisk, men Thales forsøkte også å gjøre tankene mer håndgripelige nettopp ved å stille seg selv spørsmålet om hva som ville være igjen hvis man fjernet allting fra et område. Svaret hans var: vann. For Thales var vann et helt spesielt stoff fordi det kunne anta ulike former og opptre som væske, gass eller is.

Det ga ham den ideen at vann også kunne anta alle mulige andre former, og at det derfor var universets urstoff, som alle materialer dypest sett var laget av. «Alt er vann», som han er sitert for å si, og det ga derfor også seg selv at det nærmeste man kunne komme «ingenting», var vann i sin «opprinnelige» form, som ifølge Thales var den flytende tilstanden.

Den grunnleggende tanken til Thales, om at det fantes et urstoff absolutt alle steder, levde videre i generasjoner av tenkere etter ham. For Anaximenes (om lag 585–525 f.Kr.) var ikke urstoffet vann, men luft, og for Heraklit (om lag 535–480 f.Kr.) var det ild – i begge tilfeller en mye mer flyktig størrelse enn vann.

En senere etterfølger, Empedokles (om lag 490–430 f.Kr.), gikk mer metodisk til verks. Han satte seg som mål å undersøke om luft er en substans eller om det nettopp er fraværet av all substans og dermed «ingenting». Til det formålet brukte han en kolbe, altså en flaske med en rund kropp og en sylinderformet hals.

Empedokles laget små hull i kroppen på kolben og utførte deretter flere forsøk med vann. Han fant blant annet ut at når han fylte kolben med vann og holdt en hånd over åpningen av halsen, ble vannet værende i kolben. Først når han fjernet hånden, begynte vannet å sprute ut gjennom de små hullene. Empedokles innså at luft måtte være en substans, og at den tok opp rommet i kolben på samme måte som vannet gjorde det. Og dessuten: Vannet kunne bare forlate rommet hvis lufta fikk lov til å innta det.

I dag virker forsøket banalt, men resultatet var tanke­vekkende. Empedokles konkluderte med at naturen motsetter seg at det dannes et tomrom, og den konklusjonen skulle være enerådende i to tusen år.

Empedokles utvidet sine forgjengeres tanker om ett urstoff til å omfatte fire grunnelementer: vann, ild, luft og jord. Han fostret også de første forestillingene om krefter, som han kalte «kjærlighet» og «strid», og som virket på alle de tingene som var sammensatt av grunnelementene.

Dessuten introduserte han «eteren», som var en substans som var enda tynnere enn luft, som var allestedsnærværende og fylte ut selv de minste rom. Dermed utelukket Empedokles, mente han, at «ingenting» kunne eksistere. «Ingenting i verden er tomt eller overflødig», som han uttrykte det.

Først 2000 år etter Empedokles ble naturens «forbud» mot tomrom avvist. Og også her skjedde det med et ganske enkelt eksperiment.

Det tok noen tusen år å oppdage lufttomt rom

Gjennom antikken og middelalderen antok de fleste lærde at et virkelig tomrom ikke kunne eksistere. Alle rom ville som et minimum være fylt med luft eller med en ukjent substans de kalte «eteren».

  • 450 f.Kr.: Naturen forbyr tomrommet

    Vann og luft kjemper om plassen: Grekeren Empedokles utførte enkle forsøk med en flaske med små hull i. Han så at det alltid ville være enten vann eller luft i flasken. Derfor konkluderte han med at naturen ikke tillater at det oppstår et tomrom.

  • 1643: Mennesket kan skape et vakuum

    Kvikksølv tvinger vakuumet fram: Evangelista Torricelli oppdaget at hvis han fylte et glassrør med kvikksølv og snudde det på hodet i en skål med kvikksølv, falt søylen av flytende metall. Siden ingenting kunne slippe inn i det lukkede røret, måtte rommet over kvikksølvsøylen være fylt av ingenting.

Naturen overvinner frykten for tomheten

Ta et glassrør som er en meter langt og sett en propp i bunnen. Fyll det med kvikksølv og sett en kork i åpningen. Senk bunnen av røret ned i en skål som også er fylt med kvikksølv og fjern korken. Denne enkle oppskriften ble fulgt av Evangelista Torricelli i 1643 etter gode råd og anvisninger fra hans store forbilde og læremester, Galileo Galilei, som døde året før. Da Torricelli gjennomførte forsøket, så han at søylen av kvikksølv i røret begynte å dale, og at den først falt til ro da den var nådd en høyde på 76 centimeter.

Torricelli innså også hvorfor. Det tunge kvikksølvet i røret får søylen til å falle helt til det oppstår en balanse med atmosfærens trykk på overflaten av kvikksølvet i skålen.

Med dette forsøket hadde Torricelli oppnådd to ting. Han hadde funnet opp barometeret, og han hadde skapt et vakuum. Da søylen av kvikksølv falt, etterlot den jo et tomrom på 24 centimeter øverst i glassrøret, som måtte være fylt med «ingenting». Torricelli hadde med andre ord skapt det som alle i et par tusen år hadde ansett for å være umulig. Likevel var reaksjonen hans ganske avdempet:

«Mange har påstått at et vakuum ikke kan eksistere, andre har hevdet at det bare kan finnes ved å trosse naturens motvilje mot det. Jeg kjenner ingen som påstår at det kan eksistere uten motstand fra naturen.»

Til gjengjeld var begeistringen stor omkring ham. I de følgende årene gjentok flere forskere i en rekke ulike land forsøket – og arbeidet samtidig med å finne ut hvilke egenskaper et vakuum har.

I Frankrike ble Torricellis eksperiment bygget ut av Blaise Pascal, som plasserte hele forsøket på en vekt og konstaterte at vakuumets innhold, hvis det var noe, ikke veide noe som helst.

  • "Vi må konkludere med at det ikke finnes noen stasjonær eter."

    Albert Michelson beviste i 1887 at det ikke eksisterer en eter som jorda beveger seg gjennom når den går i bane rundt sola.

I England utviklet Robert Hooke pumper som kunne frambringe vakuum i større områder, og læremesteren hans, Robert Boyle, gjennomførte forsøk der han stengte mus, slanger og fugler inne i vakuumet – og så på mens de ble kvalt. Uansett hva det var i vakuumet, var det i hvert fall ikke luft.

Boyle plasserte også en klokke i vakuumet og konstaterte at den ble lydløs. Lyden kunne altså ikke bevege seg gjennom det lufttomme rommet. Til gjengjeld ble lys åpenbart ikke påvirket. En lampe plassert på den ene side av en lufttom glassbeholder var jo synlig fra den andre siden. Boyle var dermed på sporet av forskjellen mellom bølger i fysiske substanser, som luft og vann, og elektromagnetiske bølger som lys.

Disse oppdagelsene gjorde slutt på den «horror vacui» – frykt for det tomme rom – som hadde hersket i naturforskernes beskrivelse av verden fra antikken og gjennom hele middelalderen. Og gjennombruddet nådde langt ut over det vitenskapelige miljøet.

Rommet ble tømt for materie og fylt med bølger

På 1800-tallet hersket ideen om en eter som fylte rommet mellom stjerner og planeter, men en ny oppfinnelse viste at det var feil. 100 år senere avslørte samme oppfinnelse gravitasjonsbølger.

  • 1887: Eteren forlater verdensrommet

    Skuffende måling ble eterens død: Albert Michelson fant opp sitt interferometer for å måle jordas bevegelse i forhold til eteren. Instrumentet skulle vise bevegelsen ved at de to lysstrålene ble påvirket ulikt, så interferensmønsteret endret seg når Michelson svingte på oppstillingen. Men det skjedde ingenting – fordi det ikke finnes noen eter.

  • 2015: Gravitasjonsbølger inntar universet

    Usynlige bølger deformerer rommet: Den gigantiske LIGO-interferometer påviste i 2015 for første gang de såkalte gravitasjonsbølgene, som ble forutsagt av Einsteins relativitetsteori nøyaktig hundre år tidligere. Bølgene skapes av masser i bevegelse og deformerer rommet når de ruller gjennom universet.

Det magiske vakuumet bergtar verden

Det var et prominent selskap som i 1654 var samlet i den tyske byen Regensburg for å oppleve et mystisk fenomen. Både keiser Ferdinand 3. og medlemmene av riksdagen var til stede. Mannen bak den spektakulære forestillingen var den tyske fysikeren Otto von Guericke, som også var ordfører i Magdeburg. Von Guericke hadde fått produsert to halvkuler av kobber med en diameter på 60 centimeter, som kunne settes sammen til en hul kule.

Med en tryllekunstners sans for dramatikk ba han nå noen frivillige fra forsamlingen om å trekke halvkulene fra hverandre, noe som naturligvis var enkelt. Deretter samlet han kulen igjen, og ved hjelp av en pumpe han selv hadde funnet opp, sugde han lufta ut av den gjennom en ventil. Publikum fikk igjen lov å trekke i halvkulene, men nå var det helt umulig å rokke dem. Så siktet von Guericke seg inn mot klimakset.

Som et høydepunkt på forestillingen ble to spann på åtte hester hver spent til hver halv­kule og pisket til å bruke alle krefter, men de to halvkulene var fortsatt uløselig bundet sammen.

Von Guericke hadde på den måten demonstrert hvor kraftig vakuum er – eller rettere sagt: Hvor sterke de kreftene er som virker utenom det. Luftens trykk på halvkulenes utside, og på alt annet ved havets overflate, er på én atmosfære, som svarer til ett kilo på hver kvadratcentimeter eller ti tonn per kvadratmeter – langt mer enn den kraften 16 hester kan prestere.

Von Guericke gjentok demonstrasjonen mange ganger, i noen tilfeller med 24 og 30 hester, og alltid med samme resultat. Det var glimrende populærvitenskap og en feiring av den erkjennelsen Torricelli hadde kommet til, nemlig at vi lever «på bunnen av et hav av luft». Franskmannen Blaise Pascal hadde fastslått at dette lufthavet blir tynnere jo lenger vi beveger oss oppover. Den neste erkjennelsen lå i direkte forlengelse: Luft er ikke noe som fyller hele verdensrommet.

Oppdagelsen av vakuumet som et lufttomt rom betydde ikke at ideen om en allestedsnærværende eter ble forlatt. Denne eteren kunne i prinsippet bestå av noe helt annet, akkurat som Empedokles hadde forestilt seg. 1600-tallets aller største geni, Isaac Newton, hadde et ganske ambivalent forhold til eteren. Av publikasjonene hans framgår det hvordan han noen ganger aksepterte den og noen ganger benektet at den kunne eksistere.

I 1675 framsatte han sin teori om lys, som han mente beveget seg gjennom en eter. Fire år senere forlot han tanken om eteren – før han igjen vendte tilbake til den i 1718 i en ny utgivelse om lysets natur.

Nettopp spørsmålet om hva lys består av, ble heftig diskutert blant fysikere på Newtons tid og i de følgende tiårene. Var lys partikler eller bølger? Striden fortsatte gjennom et helt århundre og ble først avgjort da den britiske fysikeren Thomas Young i 1804 offentliggjorde sitt banebrytende forsøk der han lot lys passere gjennom to smale spalter slik at det ble dannet et stripete interferensmønster på en plate.

Dette mønsteret var et bevis på at lyset oppførte seg på samme måte som bølger som møtes på en vannoverflate. To bølgetopper forsterker hverandre, mens en bølgetopp og en bølgedal utlikner hverandre.

Forståelsen av lys som bølger støttet ideen om eteren. Når lys kunne trenge gjennom Torricellis vakuum, måtte det være fordi vakuumet inneholdt en eter som lyset kunne bølge i. Tilsvarende måtte det lufttomme rommet mellom stjerner og planeter inneholde den samme eteren, noe som sikret at lyset fra sola kunne nå oss her på jorda. Det skulle gå enda et århundre før det ble påvist at dette var helt feil.

Det skjedde da den amerikanske fysikeren Albert Michelson fant opp et genialt apparat som i dag er kjent som et interferometer. Det fungerer ved å splitte en lysstråle i to og sende de to strålene i hver sin retning og tilbake igjen ved hjelp av speil. Når strålene igjen samles, danner de et interferensmønster. Michelsons idé var å bruke oppstillingen til å måle jordas bevegelse i forhold til eteren.

Hvis jorda seilte gjennom eteren som en båt gjennom vann, ville mønsteret endre seg når han endret retningen på apparatet fordi jordas bevegelse gjennom eteren ville påvirke de to lysstrålene på ulike måter.

Med hjelp fra kollegaen Edward Morley klarte Michelson i 1887 å gjøre apparatet så nøyaktig at han kunne gjennomføre de endelige målingene. De to forskerne begynte eksperimentene og svingte apparatet i ulike retninger, men ingenting skjedde. Uansett hva de gjorde, var interferensmønsteret det samme.

Det kunne bare bety én ting, og Michelson forsto det med en gang: «Vi må konkludere med at det ikke finnes en stasjonær eter som jorda beveger seg gjennom når den går i bane rundt sola.»

I hydrogenatomet, som består av et proton og et elektron, er det en enorm avstand mellom de to partiklene. Hvis vi forstørrer atomet opp slik at protonet får en diameter på 2,2 cm, vil avstanden ut til elektronet bli på 541 meter. Det aller meste atomet er altså tømt for materie.

Tyngdekraften blir en del av rommet

Uten eteren var det plutselig mulig å forestille seg et rom fylt av «ingenting». Som et tankeeksperiment kunne vi konstruere en liten beholder, for eksempel i form av en terning på én kubikkcentimeter, og suge ut alle atomer av den, slik at den er helt tom. Hvis vi dessuten kunne skjerme den mot lys og annen elektromagnetisk stråling, ville den heller ikke inneholde energi. Det som sto igjen, ville være «ingenting». Eller?

Det spørsmålet fikk ikke fysikerne særlig lang tid på å tenke over, for allerede i 1915, bare 28 år etter at eteren var blitt avlivet, ble spørsmålet snudd helt på hodet, da Albert Einstein introduserte sin generelle relativitets­teori med en helt ny beskrivelse av universet.

I den newtonske forståelsen er rommet noe som eksisterer uavhengig av innholdet. Vi kan derfor, i hvert fall i teorien, godt fjerne alt fra et romlig område, og området vil fortsatt være der. Det er annerledes i det universet Einstein tegnet for oss. For det første er det ikke tre­dimensjonalt, som Newtons univers, men firedimensjonalt, med tiden er den fjerde dimensjonen. For det andre defineres rommet av sitt innhold.

Massen i rommet bestemmer hvordan rommet former seg, og rommet bestemmer hvordan massen beveger seg. Masse og rom er dermed uløselig sammenknyttede størrelser i Einsteins romtid, og derfor er det meningsløst å tenke seg det ene uten det andre.

Dessuten forteller relativitetsteorien oss at masser i bevegelse skaper såkalte gravitasjonsbølger, som ruller gjennom hele universet og deformerer romtiden, så uansett hva vi gjorde med vår lille terning av «ingenting», ville gravitasjonsbølger skylle gjennom den på kryss og tvers.

Eksistensen av gravitasjonsbølger ble bevist i 2015, da forskere ved LIGO-detektorene i USA målte en forvrengning av romtiden som var skapt av to svarte hull som smeltet sammen langt ute i universet for over en milliard år siden. LIGO-detektorene er interferometre – altså det samme typen apparat som Michelson brukte til å gi eteren dødsstøtet.

Lampen hans er imidlertid skiftet ut med en laserkanon, og hele apparatet er noen tusen ganger større for å oppnå den nødvendige presisjonen. Gravitasjonsbølger er nemlig så svake at vi bare kan måle de som skapes av de mest dramatiske begivenhetene i universet. Men etter funnet i 2015 vet vi at de må være til stede overalt.

I arbeidet med den generelle relativitetsteorien støtte Einstein for øvrig på et helt annet problem. For å få ligningene sine til å passe med det universet vi kan observere, måtte han innføre en konstant. Han likte ikke ideen så godt og kalte den senere sin «største feiltagelse», men senere observasjoner viser faktisk at det er en såkalt kosmologisk konstant i universet.

Astronomene har klarlagt at universet utvider seg, og at utvidelsen faktisk akselererer. Det innebærer at det må være en kraft til stede som motvirker tyngdekraften. Hva som skaper denne kraften, er fortsatt en stor gåte, men inntil videre har den fått navnet «mørk energi». I vår lille terning ville den mørke energien også være til stede, som den er det alle andre steder i universet.

Med relativitetsteorien beskrev Einstein universet i stor skala. Andre fysikere gikk motsatt vei på samme tid. De zoomet inn på det aller minste og gikk på oppdagelsesferd i atomet. Resultatet var helt nye erkjennelser av hva som foregår i områder der det ikke er noen partikler til stede.

Moderne fysikk fyller tomrommet med aktivitet

Både relativitetsteorien og kvantemekanikken har gitt oss ny kunnskap om hva som foregår i et vakuum. Det er alt annet enn stillstand. Det tilsynelatende tomme rommet gjennomstrømmes av energi og sitrer av flyktige partikler – og bak alt sammen ligger higgsfeltet som rommets allestedsnærværende eter.

1. Virtuelle partikler

Oppstår og forsvinner hele tiden, selv i et vakuum med et minimum av energi.

2. Gravitasjonsbølger

Ruller på kryss og tvers gjennom hele universet, også gjennom tomt rom.

3. mørk energi

Er den mystiske kraften som utvider selve rommet og er involvert overalt.

Atomets tomrom er fylt med energi

Se godt på punktumet som avslutter denne setningen. Trykksverten i det består av omkring 100 milliarder atomer. Hvis vi kunne se et av dem med det blotte øye, måtte vi forstørre punktumet opp til en diameter på 100 meter. Og hvis vi skulle ha mulighet til å se atomkjernen, måtte vi forstørre det opp til en diameter på 10 000 kilometer – noe som svarer til avstanden mellom ekvator og Nordpolen.

I det enkleste atomet, hydrogenatomet, består kjernen bare av ett proton og ett elektron. Avstanden mellom de to partiklene er enorm sammenlignet med størrelsen. Hvis vi reiser fra sentrum av protonet ut til elektronet, har vi bare tilbakelagt en titusendel av reisen i det øyeblikket vi når overflaten av protonet.

Siden elektronet er mye mindre enn protonet, er det opplagt at det meste av atomet består av rom som ikke er opptatt av partiklene. Faktisk utgjør dette rommet 99,99999999999999 prosent av atomets volum. Det ville imidlertid være feil å si at det var helt tomt. De magnetiske kreftene mellom elektronets negative ladning og protonets positive ladning skaper nemlig et intenst elektrisk felt som fyller rommet mellom dem.

På samme måte forholder det seg hvis vi zoomer ytterligere inn på protonet. Det består av mindre elementærpartikler som kalles kvarker. Kvarkene utgjør bare en liten del av protonets samlede masse, om lag ni prosent. Resten er energi som skapes av de kreftene som virker mellom kvarkene og de gluonene og andre masseløse partikler som protonet består av.

Gjennom den første halvparten av 1900-tallet ble en ny gren av fysikken, kvantemekanikken, utviklet for å beskrive hva som foregår på atomnivå – og inne i atomer. Kvantemekanikken inneholder en rekke påstander som strider mot vår normale måte å oppfatte verden på. En av dem er at alle partikler, også de som bygger opp materien, kan beskrives som bølger, og det har noen viktige konsekvenser.

I 1927 formulerte den tyske fysikeren Werner Heisenberg sitt såkalte usikkerhetsprinsipp. Kort fortalt betyr det at det er umulig å bestemme en partikkels posisjon og bevegelse samtidig. Vi kan se prinsippet for oss når vi tegner en bølge på et ark. Vi kan nå definere bølgens posisjon ved å velge et bestemt punkt på kurven.

Men ut fra dette punktet kan vi jo ikke vite noe om bølgens størrelse eller retning. Eller omvendt: Hvis vi i stedet velger å bestemme bølgens størrelse og retning, kan vi ikke samtidig angi den presise posisjonen.

Usikkerhetsprinsippet har også konsekvenser for tankeeksperimentet med vår lille terning av «ingenting». Vi har tømt den for partikler og dermed for materie, og vi kan derfor angi den nøyaktige posisjonen til partiklene som «null». Men det innebærer at energien ikke samtidig kan være «null».

Det ville rett og slett stride mot usikkerhetsprinsippet. Faktisk sier kvantemekanikken at det i terningen vår alltid vil være en ganske liten mengde energi til stede – kjent som «nullpunktsenergien». Et rom med nullpunktsenergi kalles derfor også for et «kvantevakuum». Lenger ned kan vi ikke komme rent energimessig. Nærmere «ingenting» kan vi aldri komme.

Tomrommet syder av aktivitet

Partikler oppstår av ingenting, eksisterer et øyeblikk og vender igjen tilbake til intetheten. Det lyder som ren magi, men er faktisk også en konsekvens av kvantemekanikken. Den tillater nemlig at to partikler med motsatt ladning kan oppstå spontant i et kvantevakuum og utslette hverandre etter ganske kort tid.

Fysikerne snakker om fluktuasjoner av «virtuelle partikler». Jo større og tyngre partiklene er, desto kortere tid får de lov til å eksistere. For eksempel kan et elektron og et eksemplar av antipartikkelen positron oppstå spontant og forsvinne igjen etter 10-21 sekund. Det er så raskt at lys på den tiden bare ville rekke å reise en strekning som svarer til en tusendel av diameteren til et hydrogenatom.

De virtuelle partiklene er altså veldig flyktige, men til gjengjeld oppstår de hele tiden. Det gjelder overalt i universet – og altså også i vår lille terning med «ingenting». Vi kan betrakte kvantevakuumet som en sydende suppe av virtuelle partikler som med alle tenkelige bølgelengder ruller rundt i alle retninger i terningen.

Eksistensen av de virtuelle partiklene ble forutsagt allerede tidlig på 1900-tallet, men først i 1996 ble de bevist i eksperimenter som den nederlandske fysikeren Hendrik Casimir hadde foreslått så tidlig om 1948. Ideen var å plassere to metallplater i et kvantevakuum og langsomt la dem nærme seg hverandre.

Når avstanden blir veldig liten, vil de to platene begynne å tiltrekke hverandre. Årsaken er at avstanden mellom platene nå bare passer til de virtuelle partiklene som har korte bølgelengder, mens alle mulige bølgelengder kan eksistere i resten av vakuumet.

Resultatet er at virtuelle partikler utøver et høyere trykk på platenes utside enn innsiden, slik at platene blir presset mot hverandre. Fenomenet er kjent som casimir-effekten.

De eksperimentelle bekreftelsene av kvantemekanikkens spådommer er et viktig grunnlag for den såkalte standardmodellen, som er fysikernes beskrivelse av alt i universet. Den inneholder både de partiklene som utgjør materien, og de partiklene som bærer kreftene.

Etter hvert har nesten alle partiklene i standardmodellen blitt påvist, men fram til 2012 var det et alvorlig hull i puslespillet. En helt sentral brikke, higgspartikkelen, manglet – og dermed en forklaring på hvorfor det finnes masse i universet.

  • "Noen ganger er det hyggelig å få rett."

    Peter Higgs, etter at fysikere ved CERN hadde klart å finne den partikkelen han hadde spådd at skulle eksistere.

Universets eter gjør comeback

Det var umulig for Peter Higgs å holde tårene tilbake da han fra sin plass på tredje rad i auditoriet ved CERN lyttet til forskernes nyhet. At den partikkelen han hadde forutsagt eksistensen av i 1964, skulle bli funnet i hans levetid, var rett og slett for overveldende for den 83 år gamle fysikeren. Og han var ikke alene. Over hele verden delte fysikere hans overraskelse og glede, for med higgspartikkelen var standardmodellen reddet.

«Noen ganger er det hyggelig å få rett», som Peter Higgs uttalte da han hadde fått summet seg litt.

Higgspartikkelen skaper et felt som hersker overalt i universet, og det er derfor allestedsnærværende på samme måte som den eteren filosofer og vitenskapsmenn hadde trodd på i årtusener, helt til den ble avlivet i 1887.

Higgsfeltet skiller seg fra andre felter i fysikkens verden ved at det ikke varierer i styrke eller har noen retning. Det beskrives ofte som en sirup som klistrer seg til noen partikler, men ikke til andre. Partikler som elektroner og protoner påvirkes av higgsfeltet, som derfor gir dem masse. Lysets fotoner farer derimot upåvirket gjennom feltet, og derfor har de ikke det.

Sammenligningen med sirup gir en billedlig forståelse av higgsfeltet, men Higgs påpeker selv at det kan føre til en misforståelse: Det er lett å tenke seg at partiklene mister hastighet – og dermed energi – når de beveger seg gjennom feltet.

Slik er det ikke. Higgsfeltet representerer den laveste energien som kan forekomme i vakuum, og derfor er det ikke mulig å overføre energi fra feltet til partiklene eller omvendt. Higgs vil heller sammenligne feltet med den måten lys brytes på når det beveger seg gjennom et medium som glass eller vann.

Ifølge teorien om higgsfeltet eksisterer det bare ved temperaturer under 1017 grader, og det betyr faktisk at feltet ikke alltid har eksistert. I et øyeblikk etter at tiden og rommet ble født ved big bang, var universets temperatur enda høyere. Men ser vi bort fra denne aller første billiondelen av et sekund, har higgsfeltet fylt hver eneste en avkrok av universet til alle tider – og det gjelder selvfølgelig også vår lille terning av «ingenting».

Til spørsmålet «Eksisterer ingenting?» må vi derfor svare nei med den kunnskapen vi har i dag. Den moderne fysikken har lært oss at selv om vi fjerner all materie fra et område i universet og isolerer det fra elektromagnetisk stråling utenfra, vil higgsfeltet fortsatt være der – og det samme gjelder gravitasjonsbølger, nullpunktsenergi, virtuelle partikler og antagelig også mørk materie.

Noen vil sikkert hevde at «ingenting eksisterte før big bang», eller at «ingenting eksisterer utenfor universet». Men å plassere «ingenting» i tider og på steder som i vår fysiske forståelse nettopp er definert ved å være ikke-eksisterende, kan vel ikke gi «ingenting» en eksistens. Så disse to svarene er nok minst like absurde som grekeren Thales anså selve spørsmålet om ingenting for å være for over 2500 år siden.

Les også:

Naturlover

Et kilo veier nå endelig et kilo

2 minutter
Naturlover

13 sære fakta fra vitenskapen

5 minutter
Naturlover

Lys ser inn i kroppen

1 minutt
Mest populære

Logg inn

Feil: Ugyldig e-postadresse
Passord er påkrevd
VisSkjul

Allerede abonnement? Har du allerede et abonnement på magasinet? Klikk her

Ny bruker? Få adgang nå!