Naturen splittet i bosoner

Informations medarbejder har kastet håndklædet i ringen, og i stedet bedt en dansk ekspert - på en simpel måde - at forklare om den teoretiske baggrund for uddelingen af årets Nobelpris i fysik.


Af Robin Engelhardt

Jeg må komme med en indrømmelse: Jeg fatter ikke et klap af det, de to hollandske fysikere har forsket i, og som de nu har fået Nobelprisen for. Jeg har ellers prøvet at sætte mig ned og forstå deres tekster og det baggrundsmateriale, som Nobelpriskomiteen har udgivet som pressemateriale. Men det er håbløst.

Det er, som om man stadig kan være nogenlunde med, når det handler om relativitetsteori eller kvantemekanik, men når det kommer til de stærke og svage vekselvirkninger ved relativistiske kvantefeltteorier som baggrund for standardmodellen, og især når partikelfysikerne begynder at snakke om renormalisering for ikke-abelske gauge-teorier, W+ og Z bosoner, så er det lissom godav og farvel du.

Et eller andet sted er der også noget skummelt, tænker jeg så i min uvidenhed, bag hele denne storindustri af partikelfysikere, som med deres kæmpestore acceleratorer i Schweiz, USA og Japan ustandselig får tildelt Nobelpriser for at flække atomernes bestanddele i endnu mindre dele, for bagefter at samle dem igen med matematik. Hvilken matematik, der i den sidste ende er den rigtige eller bedste, viser sig nemlig ofte at være en smagssag.

Sandheden om naturen har den pudsige tendens til at opdele sig i en uendelig masse små-sandheder ­ ligesom partiklerne ­ hvorefter en endeløs eksegese om bosonernes, leptonernes, fermionernes, hyperonernes, mesonernes og baryonernes struktur og vekselvirkning resulterer i rivaliserende teorier, som ­ hvordan kunne det være anderledes ­ kun kan bevises eller modbevises ved, at man bygger endnu større og endnu kraftigere partikelacceleratorer. Og sådan kan karrusellen køre i mange år.

Forsøg på en udredning
Men i stedet for at filosofere over min personlige tvivl om filosofien bag reduktionismens del & hersk - metode, har jeg bedt en anerkendt ekspert på området, Benny Lautrup fra Niels Bohr Instituttet i København, om at forklare teorien i et let forståeligt sprog til os alle.


Benny Lautrup, er det i sidste ende ikke et spørgsmål om smag, hvad for noget matematik, der i den sidste ende er den rigtige?
'Nej, det er ikke klart. Lad os f.eks. tage Newtons love. Det er selvfølgelig en social konvention, hvordan vi skriver dem, men det som ofte glemmes er, at de har et reelt indhold, som udsiger noget om naturen, og hvis der fandtes marsmænd, så ville de kende lovenes indhold, og det gælder også, tror jeg, for den forenede teori for svage og elektromagnetiske vekselvirkninger.'

En fortabt teori
Joh, den køber jeg gerne, men tvivlen er lidt en anden: Den vedvarende opsplitning af de mange atomare bestanddele virker uendelig, og ikke længere som et virkeligt bidrag til at FORSTÅ naturen...
'Jo det synes jeg bestemt, den gør ... '


Ikke for mig. Jeg forstår ikke, hvad en renormaliseret ikke-abelsk gauge-teori er.
'Hvad er forståelse i fysikken. Der er sammenligning af teorier og eksperiment, og hvis teorien siger nonsens, kan vi ikke lave den sammenligning. Det 't Hooft og Veltman har gjort, er at vise, at teorier, vi troede, vi ikke kunne komme videre med, kunne vi komme videre med til at få en egentlig sammenligning. Pludselig begynder man jo at tro på W bosonen. Selvom Weinberg havde forudsagt den i 64, var der ingen, der bemærkede det, før 't Hooft sagde, at modellen er renormalisérbar, hvilket betyder, at det er en fuldstændig teori, og at man kan lave vilkårligt præcise forudsigelser fra den. Det er der, den ligger.

I vores forståelse af naturen ligger der en sammenligning af teori og eksperiment, og hvis man ikke kan lave eksperimenterne, som man ikke kan i superstrengteorien, så er man fortabt. De to forskere har matematisk banet vej for en teori, som man tidligere troede var fortabt.'

Forfinede beregninger
Og den form for at 'bane vej' kalder man for renormalisering?
'Ja, kvanteelektrodynamikken var den primære teori, hvor renormalisationen blev indført for første gang. Sagen var den, at i 30erne opstillede Dirac, Pauli og Heisenberg kvanteelektrodynamikken, og Bohr og Rosenfelt regnede på målbarheden af elektromagnetiske felter. Problemet var, at når man prøvede at beregne de finere korrektioner til de atomare niveauer, så strejkede teorien ­ den gav svaret uendelig , dvs. nonsens.'

'Sådan stod det i slutningen af 30 erne. Så kom krigen, og efter krigen kom forskerne hjem, blandt andre Feynman, Schwinger og Tomonaga, og begyndte at undersøge tingene. De fandt så ud af, at de matematiske uendeligheder, der lå i teorien, faktisk alle sammen var korrektioner til masse eller ladning. Man starter altså f.eks. teorien med en masse, der ikke er elektronens rigtige masse, fordi den mangler det elektromagnetiske bidrag til massen. Men den faktiske elektron, som vi måler på, har jo disse ting inkluderet, så hvis man nu gør det, at man absorberer de uendelige korrektioner til massen ind i den fysisk bestemte masse, så renormaliserer man massen fra den bare masse før, til den, som den har med det elektromagnetiske bidrag bagefter. Så er alle uendeligheder væk, og pludselig kunne man i princippet udregne alle energiniveauer til langt højere præcision end tidligere.'

'I Kvanteelektrodynamikken har sammenligningen mellem teori og eksperimenter i dag ført til den mest forfinede beregning, der findes. og det kunne ikke have foregået, medmindre man havde forstået, at alle de uendeligheder, der optræder, alle sammen er skygger af de samlede korrektioner af massen i højere og højere orden. Renormaliseringen af massen fjerner alle uendeligheder af masse og ladning, og beviset for det blev givet af Dyson i 48.'

Alt blev nonsens
Og den ikke-abelske...
'Ja, det var en abelsk gauge-teori, og den ikke-abelske gauge-teori refererer til det, som ligger under. Denne Yang-Mills teori blev opstillet i '58 som en kuriositet. I '64 integrerede Weinberg Yang-Mills teori med en idé af Peter Higgs, som gør, at han ser W og Z partiklerne og fotonen som værende forskellige aspekter af samme fænomen ­ og de er til at begynde med masseløse alle sammen. Så er vakuum sådan indrettet, at W og Z får en kæmpe masse, mens fotonen forbliver masseløs.'

'Jeg har været meget involveret i gauge-problemer i min studietid og efter. I de massive vektorfelter blev alt ikke-renormaliserbart, dvs. nonsens, og ingen troede på, at det kunne lade sig gøre. Og sådan stod den op igennem 60erne indtil 't Hooft i '71 kommer med et næsten ulæseligt preprint, hvor han siger, at Yang-Mills-teorierne er renormaliserbare.'

'Jeg har kendt Veltman siden '68, og han var 't Hoofts lærer, og det var et meget klogt valg at tage Veltman med i Nobelprisen, fordi han havde stor indflydelse på udviklingen. Han er en voldsom, en vidunderlig person. Veltman er en vildmand at se på, med stort skæg ­ en dejlig, rundt Brabrander, som man kalder den slags typer i Holland. Og han har lavet mange bidrag. Når sådan nogle uendeligheder optræder, skal de regulariseres, dvs. på en eller anden måde bringes under kontrol, ikke blot gennem renormalisation, men du er nødt til at få dem ned til endeligheder, før man kan tale om dem ordentligt.'

Stået af for længst
Hmm...
'Men med 't Hoofts arbejde kunne vi så komme videre. I '72 publicerede jeg allerede en artikel, hvor vi beregner det, der hedder statiske størrelser ud fra Weinberg-modellen. Og i '75 kom Gell-Mann og Fritsch med deres kvantechromodynamik, som også er en gauge-teori baseret på gruppen SU(3).'

'Og igen er det på baggrund af 't Hoofts arbejde, at man overhovedet gider at stille en sådan teori op, og sige, at det er den, vi tror, der gælder for stærke vekselvirkninger...'

'Ok, der er baggrunden, og jeg kan godt høre, at du er stået af for længst, men det var, hvad historien var, og hvis du vil fortælle den rigtige historie, så skal de her ting altså med.'

(...pause) Altså, ja, det her er ligesom, når man læser i en kogebog: I princippet kan jeg godt forstå ordene, men jeg ved ikke, hvordan man faktisk skal gøre, og hvordan kagen faktisk ser ud eller smager.

'Ja, man skal nok bage den selv, for faktisk at forstå hvad det her går ud på,' siger Benny Lautrup, og peger til slut på, at partikelfysikkens store spørgsmål i dag er, om også den fortsat uopdagede Higgs boson, der er blevet forudsagt af Nobelpristageres teori, vitterlig findes. Det er et spørgsmål, som sikkert ikke vil blive klarlagt, før den nye accelerator, Large Hadron Colider i CERN, vil være færdigbygget en gang i år 2005.




Nobelprisen i fysik 99



  • Gerardus 't Hooft er født i 1946 i Den Helder, Holland. Han fik sin doktorgrad i 1972 ved Universitetet i Utrecht, og blev professor i fysik i 1977. Fik Dannie Heineman-prisen i 1979, og Wolf-prisen i 1982 for sit arbejde med de renormaliserede gauge- teorier.




  • Martinus J. G. Veltman er født i Holland i 1931, fik sin doktorgrad i Utrech 1963, og var professor samme sted fra 1966-81. Blandt andre fik Veltman højenergi partikelprisen i 1993 for sit arbejde med de renormaliserede gauge-teorier. Han er nu pensioneret.  
  • 0 comments:

    There was an error in this gadget