Partikelfysik
Partikelfysikken er den gren af fysikken der beskæftiger sig med elementarpartikler og deres vekselvirkning. Den kaldes også for højenergifysik.
Udtrykket partikel er ret beset noget misvisende. De objekter der studeres i partikelfysikken følger kvantemekanikkens love og udviser derfor en bølge-partikel dualitet, hvor de under visse omstændigheder har partikelegenskaber, mens de under andre udviser bølgeegenskaber. Teoretisk beskrives de hverken som partikler eller bølger men som tilstandsvektorer i et abstrakt Hilbert-rum. (Se også Kvantefeltteori). Vi følger her partikelfysikkens konventioner og anvender begrebet «elementarpartikler» til at dække objekter som bl.a. elektroner og fotoner, selvom disse objekter samtidig har bølgeegenskaber.
Den moderne partikelfysisk er fokuseret på subatomare partikler. Det drejer sig om atomets byggestene - elektroner, protoner og neutroner (protoner og neutroner er i virkeligheden sammensatte partikler der består af quarks) - samt partikler der dannes ved kerneprocesser - fotoner, neutrinoer og myoner. Mange af de partikler der er blevet opdaget og studeret findes ikke under normale forhold i naturen. De fremstilles under højenergieksperimenter i partikelacceleratorer.
Alle de partikler der frem til i dag er blevet observeret er katalogiseret i en kvantefeltteori kaldet standardmodellen, som ofte anses for at være partikelfysikkens største bedrift til dato. Modellen rummer 47 slags elementarpartikler, hvoraf nogle kan sammensættes til andre partikler der er tungere og mindre fundamentale. Dette forklarer de flere hundrede partikler der er opdaget siden 1960'erne. Standardmodellen forklarer næsten alle de eksperimenter der er foretaget til dato. Alligevel mener de fleste partikelfysikere, at den er en ufuldstændig model af naturen, og at en mere grundlæggende model fortsat venter på at blive opdaget. Den nylige observationen af neutrinoer med masse er den første eksperimentelle afvigelse fra standardmodellen.
Historie
Forestillingen om at alt stof består af elementarpartikler går tilbage til det 6. århundrede f.v.t. i det gamle Grækenland. Den filosofiske doktrin om atomisme blev studeret af græske filosoffer som Demokrit og Epikur. Selvom Isaac Newton i det 16. århundrede mente, at alt stof bestod af partikler, var det først John Dalton der i 1802 erklærede, at alt stof består af atomer.
Dmitri Mendelevs første periodiske system fra 1869 bidrog til at cementere den opfattelse, at stof bestod af atomer. En opfattelse der blev forstærket gennem det 19. århundrede. Teoretisk arbejde gennemført af J.J. Thomson antydede, at atomer består af lettere elektroner og tungere protoner. Ernest Rutherford fandt ud af, at protonerne er koncentreret i en kompakt kerne. Man havde tidligere ment, at kernen bestod af både protoner og indesluttede elektroner - for at kunne forklare forskellen mellem ladningens størrelse og atomets masse. Først senere erkendte man, at kernen alene bestod af protoner og neutroner.
Det 20. århundredes udforskning af atomfysik og kvantemekanik førte til beviser for, at nuklear fission (spaltning af atomer) og fusion (sammenslutning af flere atomer til et andet) faktisk var mulig, og denne forskning førte videre til udviklingen af atomvåben - fusionsbomben i 1940'erne (se Hiroshima) og brintbomben i 1950'erne. Det blev også bevist, at det faktisk var muligt at realisere alkymisternes gamle drøm om at omdanne bly til guld - selvom det ikke økonomisk fordelagtigt.
Gennem 50'erne og 60'erne blev der fundet et stort antal nye elementarpartikler under højenergiforsøg. Det var først med formuleringen af standardmodellen i 70'erne at fysikerne erkendte, at det store antal partikler kunne forklares som kombinationer af et relativt lille antal grundlæggende partikler. Standardmodellen forklarer den stærke og den svage kernekraft samt elektromagnetismen. Den opererer med to partikelfamilier: bosoner der formidler kræfterne mellem de øvrige partikler og fermionerne der er de partikler alt stof består af.
Udviklingen indenfor partikelfysikken har fra denne videnskabs oprindelse været baseret på samspillet mellem udviklingen af teoretiske modeller (som den aktuelle standardmodel) og eksperimentalfysikken. Eksperimenterne er blevet stadig mere kostbare. For at udforske stoffets elementarpartikler er det nødvendigt at slå ikke blot atomerne, kernerne, men også elementarpartiklerne i stykker, og til dette kræves enorme partikelacceleratorer, der kan accelerere partiklerne til den nødvendige hastighed (energi) for at dette er muligt. Disse acceleratorer drives ofte af flere lande i fællesskab for at fordele de enorme omkostninger. De vigtigste samarbejdscentre er i dag:
- CERN der ligger på den fransk-tyske-schweiziske grænse nær Geneve. Dens vigtigste acceleratorer er LEP (Large Electron Positron collider) og LHC (Large Hadron Collider).
- DESY i Hamburg, hvis vigtigste accelerator er HERA, der er specialiseret i kollisioner mellem elektroner og protoner.
- SLAC nær Palo Alto, Californien, hvis vigtigste accelerator er PEP-II, der er specialiseret i kollisioner mellem elektroner og positroner.
- Fermilab nær Chicago, Illinois, hvis vigtigste accelerator er Tevatron, der er specialiseret i kollisioner mellem protoner og anti-protoner.
- Brookhaven National Laboratory på Long Island, New York, hvis vigtigste accelerator er den relativistiske tunge ion-collider, der anvendes til kollisioner mellem tunge ioner som guld og protoner.
Mange mener, at de videnskabelige fremskridt disse store acceleratorer kan medføre ikke står mål med de enorme omkostninger, og at partikelfysikken trækker midler bort fra vigtigere forsknings- og uddannelsesområder. I 1993 indstillede USA's kongres bygningen af en Superledende Super-Collider (SSC), efter at 2 mia. US$ allerede var blevet anvendt på projektet. De fleste tilhængere og modstandere af projektet var dog enige om, at projektet blev indstillet pga. den Kolde Krigs afslutning - Sovjetunionen var året forinden gået i opløsning. En erkendelse af, at USA's interesse i partikelfysik primært havde et våbenteknologisk formål - for at bevare et nordamerikansk forspring over Sovjetunionen.
En anden årsag til nedskæringerne på den partikelfysiske forskning er den økonomiske krise, og nogle fysikere mener desuden, at befolkningens ændrede alderssammensætning spiller en rolle. Den aldrende befolkning er mere interesseret i forskning indenfor medicin og biologi. Årsagen er dog også de enorme byggeomkostninger ved de stadig større partikelacceleratorer. Dette nødvendiggør et større internationalt samarbejde - både omkring financiering og videnskabelig udvikling.
Partikelfysik har haft betydelig indflydelse på videnskabsfilosofi, men den reduktionistiske tilgang som er grundlaget for det meste af arbejdet indenfor dette område, er blevet udsat for skarp kritik fra både filosoffer og fysikere. Reduktionisterne mener, at alt kan forklares ud fra elementarpartiklerne og deres interaktion, mens kritikerne mener, at det er vigtigere at studere atomer og molekyler og især store statistiske sammensætninger af disse. Kritikerne mener, at selv en fuldstændig erkendelse af de grundlæggende elementarpartikler ikke vil medføre en samlet viden om atomer og molekyler - en viden der indiskutabelt er vigtigere. Reduktionisterne svarer, at alle fremskridt indenfor videnskaben har været baseret på en vis form for reduktionisme.
Sidst ajourført: 23/10 2003
Læst af: 29.416