Kris i fysiken

Det började så bra. Vid 1900-talets början skedde två stora revolutioner inom fysiken som helt förändrade vår syn på världens uppbyggnad, både i det mycket stora och det mycket lilla.

Upptäckten av röntgenstrålarna ledde till upptäckten av radioaktiviteten, som i sin tur ledde till insikten att atomen består av en positivt laddad kärna och ett skal av negativa elektroner. Men det var något som fattades för att det hela skulle gå ihop. Mycket riktigt. 1932 upptäckte James ­Chadwick neutronen.

Men för att ekvationerna skulle stämma krävdes också en mycket liten, nästan masslös oladdad partikel, en neutrino. Tyvärr växelverkar neutriner så lite med vanligt materia att det tog många decennier innan de upptäcktes.

Så kom Paul Dirac 1928 och sa att ekvationerna krävde att det till alla elementarpartiklar skulle finnas antipartiklar. Mycket riktigt igen. 1932 upptäcktes positronen. Nu var det dubbelt så många elementarpartiklar.

Men än var det inte färdigt. Vid experiment i partikelacceleratorer dök det upp en mängd nya tidigare okända partiklar – mesoner, lamdapartiklar, xsi-partiklar med flera. Vad var de? Fanns det någon struktur i detta menageri av partiklar? Ungefär som periodiska systemet inom kemin? Jodå.

Murray Gell-Mann hävdade 1964 att både neutronen och protonen och de andra partiklarna i själva verket var uppbyggda av ännu mindre beståndsdelar, något som han i brist på bättre kallade kvarkar. En proton består av två uppkvarkar och en nerkvark, sa Gell-Mann, medan en neutron består av en uppkvark och två nerkvarkar. Mesonerna består av en kvark och en antikvark. Varje kvark förekommer dessutom i tre färger: blå, grön och röd. Efter nya experiment i partikelacceleratorer kunde man med tiden identifiera inte mindre än sex olika kvarkar i tre familjer. I den första familjen, som ingår i vanlig materia, finns uppkvarkar, nerkvarkar, elektroner och neutriner. I familj två finns charmkvarkar, särkvarkar, myoner och myonneutriner. Och i den tredje finns topp- och bottenkvarkar, tau-elektroner och tauneutriner.

Svag kärnkraft

De fundamentala krafterna i naturen krävde också varsin kraftpartikel för växel­verkan. Den elektromagnetiska kraften växelverkar genom fotoner, och inne i atom­kärnan verkar den starka kärnkraften genom ett utbyte av gluoner. Men hur var det med den svaga kärnkraften, den som låter kvarkar byta identitet så att neutroner kan förvandlas till protoner och vice versa i radioaktiva sönderfall?

På 1970-talet räknade fysikerna Sheldon Glashow, Abdus Salam och Steven Weinberg ut att i universums begynnelse, vid en tillräckligt hög temperatur, förenades den elektriska och den svaga kärnkraften till en enda kraft, den elektrosvaga kraften. De förutsade också tre okända kraftpartiklar, bosonerna W+, W– och Z. Och jodå. Bosonerna upptäcktes 1983 i acceleratorn SPC vid Cern.

Nu fattades bara en partikel för att ekvationerna skulle gå ihop och den så kallade standardmodellen skulle vara fullständig. Den hade förutsagts redan på 1960-talet, dels av belgarna Robert Brout och François Englert, dels av den skotske fysikern Peter Higgs. Glädjen var stor när Cern sommaren 2012 kunde proklamera att man funnit higgspartikeln. Sådärja. Nu var allting klart. Eller?

Nej, tyvärr inte. Standardmodellen är fortfarande behäftad med brister som gör att ekvationerna inte riktigt stämmer. För att rädda det hela har forskarna tvingats uppfinna ytterligare en rad okända partiklar. I de så kallade supersymmetriska teorierna antas det finnas lika många ­supersymmetriska partiklar som ­vanliga. Om det räcker, för det finns en rad olika sådana teorier. Problemet är att man inte hittat ett enda spår efter någon av dem. Och nu kommer vi in på den andra av 1900-talets stora fysikaliska revolutioner: kosmologin.

På 1920-talet upptäckte astronomerna att vår galax Vintergatan inte var den enda i sitt slag, det fanns i själva verket en oräknelig mängd galaxer. Universum var större än någon kunnat ana. Edwin Hubble kunde dessutom visa att ju längre bort en galax befann sig desto mer rödförskjutet var dess ljus, något som tydde på att hela universum expanderade. Detta fick den belgiske prästen och kosmologen Georges Lemâitre att räkna på galaxernas rörelser tillbaka i tiden och finna att universum utvecklats från en enda punkt i något som måste ha varit en enorm explosion för ungefär 13 miljarder år sedan. Uttrycket Big Bang myntades föraktfullt av den engelske astronomen Fred Hoyle 1949. Big Bang-hypotesen bekräftades på 1950-talet, när radioastronomerna Arno Penzias och Robert Wilson år 1964 upptäckte den kosmiska bakgrundsstrålningen, askan från ursmällen.

Dammet lurades

Hänger nu allt ihop i de kosmologiska modellerna? Nja. Problemet med att universum är mer homogent än det borde vara löstes visser­ligen av kosmologerna Alan Guth och Andrej Linde som föreslog att universum under sin första bråkdel av en sekund blåstes upp till enorma dimensioner i den så kallade inflationsfasen. Men har inflationen verkligen ägt rum? I våras kom resultat från ett teleskop på Sydpolen som tydde på det. Men så visade det sig att det var fel. Det var bara damm i rymden som lurades.

Sedan länge tyder mätningar av hur galaxer roterar på att de innehåller för lite massa för att hållas ihop av gravitationen. De borde rimligtvis flyga isär av centrifugalkraften. Men kanske finns det i galaxerna förutom den vanliga materien också en sorts osynlig mörk materia som inte går att se med astronomernas instrument? Vad består den i så fall av? Kanske av de saknade supersymmetriska partiklarna? Men finns de verkligen?

Ett annat problem är att universum inte expanderar så rätlinjigt som man tidigare trott. Tvärtom tyder alla mätningar på att expansionhastigheten ökar. Varför det? Finns det i universum en sorts okänd mörk energi som fungerar motsatt mot gravitationen och får materien att skingras?

Bara fem procent av universum beräknas bestå av materia. Resten är mörk materia, 25 procent, och mörk energi, 70 procent.

Fortfarande vet ingen vare sig vad mörk materia eller mörk energi är. Ingen vet om inflationen verkligen ägt rum. Och ingen vet om det finns några supersymmetriska elementarpartiklar. Är vår världsbild felaktig? Och tänk om vi, som en del fysiker hävdar, lever i ett universum med fyra rumsdimensioner? Här krävs nog en ny Einstein som syr ihop påsen.