DEN GÄCKANDE MATERIEN

Frågan om vad allting egentligen består av har alltid gäckat människan. Hur vi än betraktat materien – som fyra element, atomer eller supersträngar – så finns det problem. Vi står där med en känsla av att inte riktigt ha nått ända fram, att materien­ bär på flera hemligheter.
Följ med på en resa från förhistoriska tiders indelning i element­ till dagens teorier om supersträngar.





Vad våra riktigt avlägsna förfäder tänkte om materien och dess bestånds­delar vet vi inte, men under antiken började olika filosofer skriva ner sina tankar. De tidigaste idéerna handlade om att allt är uppbyggt av några få urmaterial, oftast eld, vatten, luft och jord.

I Europa förknippar nog de flesta de fyra elementen med den gamle greken Aristoteles. Men han var inte först i världen med denna gruppering av de fundamentala byggstenarna. Han var inte ens först i Grekland.

De fyra grekiska elementen luft, eld, vatten och jord konstruerades av Empedokles ungefär år 450 f. Kr. Han kallade dem visserligen inte för element, utan rötter. Den mer välkända termen ”element” är Aristoteles verk.

Enligt Empedokles fanns även två andra element, eller snarare principer. De var kärlek och tvedräkt. Dessa två fyllde utrymmet mellan de övriga fyra, eftersom man inte trodde att tomrum fanns. Kärleken höll ihop elementen och tvedräkten höll dem isär.

De fyra elementen Tanken att allt består av fyra grundelement tycks ha uppstått inom flera olika kulturer. Det är ett ganska intuitivt resonemang och har en del kopplingar till dagens vetenskap. Jord, vatten och luft motsvarar till exempel tre av materiens faser: fast tillstånd, flytande tillstånd och gas. Eld påminner om plasma, som brukar räknas som den fjärde fasen. Till de fyra elementen kom också fyra egenskaper – torrt, kallt, vått och varmt. Eld är till exempel torr och varm, medan vatten är vått och kallt.

De fyra elementen Tanken att allt består av fyra grundelement tycks ha uppstått inom flera olika kulturer. Det är ett ganska intuitivt resonemang och har en del kopplingar till dagens vetenskap. Jord, vatten och luft motsvarar till exempel tre av materiens faser: fast tillstånd, flytande tillstånd och gas. Eld påminner om plasma, som brukar räknas som den fjärde fasen. Till de fyra elementen kom också fyra egenskaper – torrt, kallt, vått och varmt. Eld är till exempel torr och varm, medan vatten är vått och kallt.

Det femte elementet

De fyra elementen kompletterades också på andra sätt. För pytagoréerna var det femte elementet idén, medan­ till exempel Aristoteles menade att det var eter. Etern var det himmelska elementet och som var oföränderligt. De övriga fyra var jordiska och dessa gick att förändra.

Elementen har också vissa inne­boende egenskaper som gör att de skiljer­ sig från varandra och kompletterar varandra. Luft är fuktigt och varmt, eld varmt och torrt, jord torrt och kallt samt vatten kallt och fuktigt. Genom att de kombineras på olika sätt uppstår alla ämnen som finns på jorden.

De olika elementen kan även ombildas till varandra. Om all fuktighet i luft omvandlas till torrhet får man eld. Det var ur den tanken som alkemin uppkom, där försöken att omvandla metaller och andra material till guld var en aktivitet som många alkemister ägnade sig åt.

Fem element De gamla kineserna föredrog fem element istället för de fyra som större delen av den övriga världen definierat som materiens grunder. Luft betraktades inte heller som ett grundelement, men det gjorde däremot trä och metall.

Fem element De gamla kineserna föredrog fem element istället för de fyra som större delen av den övriga världen definierat som materiens grunder. Luft betraktades inte heller som ett grundelement, men det gjorde däremot trä och metall.

Inte bara grekerna
Men grekerna var förmodligen inte först. Det är omöjligt att veta exakt var tankarna om att allt består av några grundelement först uppstod, men det är ganska säkert att exempelvis Buddha­ var tidigare ute än Empedokles. Liknande element har också funnits i Kina, Indien, nuvarande Tibet­ och Japan.

Inom alla dessa kulturer och på alla dessa platser ser indelningen i element någorlunda lika ut. Mest skiljer det sig åt i Kina. Luften saknas, och istället har jord, vatten och eld fått sällskap av trä och metall. Dessutom finns qi, vilket himlen är gjord av. Qi är snarare en kraft eller en energi än ett element, och är alltså inte riktigt en parallell till etern.

Inom hinduismen (Indien), buddh­ismen, i Tibet och i Japan finns jord, eld, luft och vatten. I Tibet var rymd det femte elementet, i Japan var det tomrum. Hinduismen menar att etern är det ursprungliga elementet som de andra fyra är skapade ur. I den tidiga buddhismen kallade man dem för egenskaper, och ur dem kunde man skapa färg, smak, lukt och näring.

Att dela in omvärlden i just jord, vatten, luft och eld är egentligen ganska intuitivt. De tre första representerar de tre faserna materia kan befinna sig i: fast, flytande och gas. Den fjärde står för energi, men kan även representera plasma, som ofta räknas som materiens fjärde fas. Etern, eller dess motsvarighet, tyder på att man ansåg att himlen och stjärnorna var skapade av något annat än det som fanns på jorden.

Atomer enligt Leukippos I de gamla grekernas atomteori var atomer små odelbara saker som kunde ha olika form och storlek. Att de kan ha olika storlek stämmer med dagens teorier, men formen och odelbarheten är två antaganden som skiljer sig.

Atomer enligt Leukippos I de gamla grekernas atomteori var atomer små odelbara saker som kunde ha olika form och storlek. Att de kan ha olika storlek stämmer med dagens teorier, men formen och odelbarheten är två antaganden som skiljer sig.

Atomerna

Tanken att materien består av små odelbara partiklar, atomer, känns modernare än teorierna om de fyra elementen. Men faktum är att atomtanken är lika gammal – till och med kanske mycket äldre.

Parallellt med Empedokles teori om de fyra elementen utvecklades i Grekland atomteorin. Ordet atom kommer från grekiskans atomos, odelbart ting.

På 440-talet f.Kr. lanserade Leukippos teorin om att all materia består av odelbara grundpartiklar. Teorin vidareutvecklades­ av hans lärjunge Demokritos, som gjorde läran mer känd och denne har ofta fått äran för teorin. Men alla grekiska filosofer höll inte med om denna beskrivning, bland annat Aristoteles menade att materien är delbar i all oändlighet. Och ett tyngre namn än Aristoteles kunde man knappast­ få som motståndare.

Enligt atomisterna bestod alla atomer av samma material, men de hade olika form och storlek. De var oföränderliga, utrymmet mellan dem var tomrum som atomerna rör sig i. De förenas bara temporärt i kluster, annars studsar de mot varandra. På det sättet byts atomerna i en makroskopisk kropp ut med tiden; kropparna förändras, men inte deras beståndsdelar.

Men inte ens här var grekerna först. De tidigaste bevisen man har för tankar om materien som bestående av odelbara minsta enheter kommer från Indien på 600-talet f.Kr.

Enligt vissa hinduistiska skolor var atomerna inaktiva och hade i sig inga egenskaper. De kopplades ihop med andra atomer till större objekt, drivna av Guds vilja.

Jainistiska och

muslimska atomer


Inom den gamla indiska religionen jainismen var bilden av atomen annorlunda. Enligt denna skola var atomerna gjorda av samma ämne, men de hade olika färg, lukt och smak. Genom att kombineras på olika sätt uppstod någon av sex olika substanser. Atomerna kunde befinna sig i två olika tillstånd, antingen är de oändligt små, eller så tar de upp en viss plats.

På 1100-talet uppstod inom den muslimska världen en atomteori som byggde vidare på både den hinduis­tiska och den grekiska. Enligt den viktigaste grenen var atomer det enda materiella som verkligen existerade, allt annat var tillfälligt. Man kom även med nya koncept, som att det kunde finnas partiklar som var mindre än atomen.

På den här tiden var atomteorin mer eller mindre förkastad och bortglömd i västvärlden. En viktig anledning till det var att kristendomen, som spreds under denna tid, föredrog elementläran. I vetenskapliga sammanhang var Aristoteles den ojämförligt största auktoriteten inom kristendomen, och många av hans idéer stämde överens med kristendomens centrala delar, till exempel att människan har en fri vilja. Och eftersom Aristoteles hävdat att materien består av fyra element så var det närmast en självklarhet att det var så det låg till.

John Dalton Den förste att formulera en modern atomteori var engelsmannen John Dalton. 1803 la han fram sitt arbete där han föreslog att materien består av små odelbara atomer. Bild: SPL

John Dalton Den förste att formulera en modern atomteori var engelsmannen John Dalton. 1803 la han fram sitt arbete där han föreslog att materien består av små odelbara atomer. Bild: SPL

Moderna atomer

Atomteorin återföddes på allvar i vår kultursfär först i början av 1800-talet. Filosofer som Leibnitz och Locke var visserligen inne på tankar om atomer redan på 1600-talet, men det var filosofiska tankar som mer liknade de gamla grekernas än modern vetenskap.

På 1800-talet visade mer praktiska vetenskapliga undersökningar och experiment att det faktiskt låg något i atomteorin. Den engelske fysikern och kemisten John Dalton utvecklade en teori som sade att atomer är oföränderliga och oförstörbara, och att alla ämnen består av atomer av en specifik sort. Genom att kombineras på olika sätt uppstod andra, sammansatta ämnen­.

Synen på atomer som odelbara fanns kvar i nästan hundra år till. Precis i slutet av 1800-talet, år 1897 närmare bestämt, redovisade den engelske fysikern J J Thomson sina resultat av olika experiment som tydde på att atomen bestod av ett flertal partiklar med negativ laddning. Han kallade dem för korpuskler, men senare fick de namnet elektroner. Atomen var inte längre odelbar.

Några år senare lade Thomson fram en hel atommodell. Eftersom atomen i sig var elektriskt neutral kunde den inte bestå av enbart elektroner, som ju är negativt laddade. Istället var atomen en slags soppa av positiva laddningar, vari elektronerna fanns.

Empedokles Någon gång kring 450 före Kristus levde Empedokles. Hans teorier om de fyra elementen fick stort genomslag och i Aristoteles form dominerade denna tanke hela västvärlden under ett par tusen år. Bild: SPL

Empedokles Någon gång kring 450 före Kristus levde Empedokles. Hans teorier om de fyra elementen fick stort genomslag och i Aristoteles form dominerade denna tanke hela västvärlden under ett par tusen år. Bild: SPL

Från Saturnusmodellen

till kvantfysiken


1904 uppstod en annan atomteori. Den japanske fysikern Hantaro Nagaoka­, som delvis studerat i Europa, skapade vad som kallades Saturnusteorin. Enligt den hade atomen en tung kärna med elektroner som cirklade runt den. Ungefär som en tung Saturnus med sina ringar omkring. Teorin hade vissa felaktigheter, som gjorde att Nagaoka själv övergav den efter bara några år.

Men många delar stämde ändå. Just den tunga kärnan med de cirklande elektronerna bevisades av bland andra Ernest Rutherford. Utifrån ett experiment med heliumkärnor (alfapartiklar) som sköts genom tunn guldfolie kunde han dra slutsatsen att atomen har en kärna med positiv laddning och ett moln av elektroner runt om.

I Rutherfords modell var elektronerna alltså inte styrda till vissa banor. Det dröjde bara några år innan modellen­ vidareutvecklades.

År 1913 presenterade Niels Bohr sin atommodell, som i stor utsträckning gäller än idag. Enligt denna rör sig elektronerna i cirkulära banor runt atomkärnan. Banorna befinner sig på vissa, specifika, avstånd från kärnan, vilket innebär att elektronerna inte kan ha vilka energier som helst. Till varje bana är kopplad en viss energinivå, ett energikvanta. I och med denna modell infördes kvantmekaniken i atomernas värld. Den klassiska mekanikens lagar gäller inte för elektronens rörelse runt kärnan­.

Bohrs modell har förbättrats och kompletterats. Egentligen gäller den endast för atomer med en elektron, och idag betraktas atomen helt och hållet som ett kvantmekaniskt system. Men som en enkel modell fungerar den fortfarande bra.

Supersträngar Teorin om supersträngar – eller mer rätt numera, M-teorin – kan vara en väg bort från de motsägelser och nonsensresultat som uppstår när man försöker involvera gravitationen i kvantfysiken. I så fall byter materiens innersta skepnad från punktformade partiklar till endimensionella strängar.

Supersträngar Teorin om supersträngar – eller mer rätt numera, M-teorin – kan vara en väg bort från de motsägelser och nonsensresultat som uppstår när man försöker involvera gravitationen i kvantfysiken. I så fall byter materiens innersta skepnad från punktformade partiklar till endimensionella strängar.

Kärnpartiklar

Jakten på materiens innersta väsen gick vidare. Åren efter sekelskiftet var verkligen fruktsamma för fysiken som vetenskap. Nästa steg var att upptäcka protonen, en av de byggstenar som utgör­ atomkärnan.

Det var flera personer som sökte efter­ det som gav atomkärnan dess positiva laddning. Den som oftast sägs ha upptäckt den är Rutherford, men flera andra var den på spåren. Rutherfords experiment genomfördes 1918, då han kom fram till att väteatomens kärna måste vara en elementar­partikel, protonen­.

Riktigt så enkelt är det ju inte. Först och främst består i princip alla atomkärnor av något mer än protoner, nämligen neutroner. Det är en neutralt laddad partikel som har ungefär samma massa som protonen.

Om en atomkärna får en extra proton bildas ett helt nytt ämne. Vilket det ämnet är ser man enkelt i en periodisk tabell, som är sorterad efter antal protoner. Först kommer väte, med en proton, sedan helium med två protoner. Och så vidare. En enda protons skillnad kan ge stora skillnader i ämnenas egenskaper.

Så är det inte med neutroner. En mer eller mindre spelar i de allra flesta avseenden ingen roll alls, det är samma ämne med mestadels samma egenskaper. Förutom stabiliteten. Atomer av samma ämne med olika mängd neutroner­, och därmed olika vikt, kallas isotoper. Olika isotoper har olika lång livslängd, de sönderfaller olika fort och olika lätt. Därför är till exempel vissa isotoper av uran mer lämpade i kärnkraftverk än andra.

Allt mindre delar

av det odelbara


Den tidigare odelbara atomen fanns alltså inte längre. Istället fanns en tung atomkärna med positiv laddning och runt den negativt laddade elektroner. Men historien slutar som bekant inte där.

Inte heller protoner och neutroner är odelbara. På 60-talet började man misstänka att alla de partiklar man hittade inte var elementarpartiklar, utan att åtminstone en del av dem i sin tur bestod av något ännu mindre. Det var kvarkarna.

Det finns sex olika typer av kvarkar, vilka alla upptäcktes teoretiskt och experimentellt under de kommande decennierna. En av dem, toppkvarken, hittades så sent som 1996.

De sex kvarkarna har fått, med fysikaliska mått mätt, ganska lustiga namn: upp-, ner-, sär-, charm-, topp- respektive bottenkvarken. Bland många andra egenskaper har de laddning, men inte heltalsladdning som elektronen och protonen. Istället har de antingen laddingen –1/3 eller +2/3.

I en proton kombineras två uppkvarkar med laddning 2/3 med en nedkvark med laddning –1/3. Neutronen består av en uppkvark och två nedkvarkar, vilket gör den neutral. Elektronen däremot består inte av kvarkar, utan tycks vara en elementarpartikel.

Riktigt säker kan man förstås inte vara. Det har framförts teorier om att även kvarkarna har beståndsdelar, en av de mer framstående var preonteorin. Preoner är, liksom elektroner, punktformiga partiklar, om de finns. Men i dagsläget är det inte särskilt mycket som tyder på det.

Bortom kvarkarna

– strängteorin


Den viktigaste teorin för den som vill skåda bortom kvarkarna är istället strängteorin. Ett mer korrekt namn idag är supersträngteori, eller kanske ännu hellre M-teori. Problemet med strängteorin är att den snabbt blev flera teorier och att dessa kopplades ihop med något som kallas supersymmetri. M-teorin är ännu inte formulerad, men anses vara den grund som alla strängteorier bygger på.

Vibrationer ger egenskaper Enligt strängteorin kan strängar ha olika form, men också vibrera. Det sätt som de vibrerar på ger olika egenskaper.

Vibrationer ger egenskaper Enligt strängteorin kan strängar ha olika form, men också vibrera. Det sätt som de vibrerar på ger olika egenskaper.

Men vi kallar den strängteori, för enkelhets skull. Enligt den består inte materian av punktlika, nolldimensionella partiklar, som elektronen eller preonen. Istället är de allra minsta partiklarna endimensionella. På så sätt kommer man undan vissa matematiska problem som finns i dagens beskrivningar, till exempel divisioner med noll. Att dividera med noll innebär att svaret blir oändligt och därför ger dagens beskrivning av atomen nonsenssvar vid vissa beräkningar. Och det tyder på att något inte stämmer­.

Dessa endimensionella partiklar, strängarna, har diverse egenskaper. De kan vibrera på olika sätt, de kan vara öppna eller slutna, ha olika storlek. Egenskaperna avgör vilken partikel de skapar.

Strängteorin är inte bevisad experimentellt. Det är dessutom osäkert om det någonsin kommer gå, vilket är en av dess allra största svagheter, eftersom bevisning är en fundamental bas för vetenskapen.

Det som talar starkt för strängteorin är att den matematiskt är den allra starkaste kandidaten till att vara teorin om allting. Om den är korrekt innebär det att gravitationen, som hittills varit oförenlig med kvantmekaniken, faktiskt kan införlivas med den. Därigenom kan samma ekvationer beskriva alla de fyra krafterna: svag, stark, elektromagnetisk och gravitation. Och det har forskarna letat efter i hundra år, sedan man insåg att de var för sig så framgångsrika teorierna kvantmekaniken och relativitetsteorin var oförenliga­.

Även om strängteorin kan bevisas någon gång i framtiden är den kanske inte slutgiltig. Kanske finns det inte någon minsta struktur i naturen, det kanske bara handlar om hur nära vi tittar. Var det hela slutar vet vi inte idag, och forskarnas­ åsikter går isär.

Material från
Allt om Vetenskap nr 8

Mest lästa

Fler nyheter

Fler nyheter