1/3 2024 av Lars Söderholm
Ett tänkvärt citat av Einstein:
What really interests me is whether God could have created the world any differently; in other words, whether the requirement of logical simplicity admits a margin of freedom.
Jag läser Fysikersamfundets årsbok för 2023. Temat är Standardmodellen. Det låter trist och opoetiskt, men är något helt annat. Standardmodellen är en teori som omfattar materien och tre av de fyra krafter vi känner till. Det är alltså en mycket omfattande teori. Elektromagnetiska, svaga och starka krafter gäller den för, men inte gravitation.
Elektriska och magnetiska krafter är kända sedan antiken. Gradvis insåg man att dessa beskrivs av matematiska teorier. Arbetet kulminerade med Maxwells ekvationer från 1865. När man studerade dem insåg man att elektromagnetiska fält brer ut sig som vågor med ljushastigheten och att ljus är en form av elektromagnetiska vågor.
1905 kom Einstein med sin speciella relativitetsteori. Märkligt nog visade det sig att Maxwells ekvationer redan innehåller kärnan i den speciella relativitetsteorin. På 1920-talet kom kvantmekaniken. Efter ett långvarigt och svårt arbete lyckades man förena Maxwells ekvationer och kvantmekanik. Intressant nog så förändrar det inte utseendet av ekvationerna, bara tolkningen. Det elektromagnetiska fältet blir en operator i stället för tal. Men ekvationerna är desamma. En konsekvens blir att det elektromagnetiska fältet blir kvantiserat, uppträder som kvanta som rör sig med ljushastigheten.
Så följde ett mycket omfattande experimentellt och teoretiskt arbete för att försöka förstå de svaga och starka krafterna. Den svaga kraften är orsak till att vissa atomkärnor sönderfaller radioaktivt. Den starka kraften håller samman kvarkarna som bygger upp protoner och neutroner och håller ihop dessa i atomkärnor.
Gradvis har man insett att den svaga och den starka kraften bägge uppfyller ekvationer som har samma grundstruktur som Maxwells ekvationer.
Därmed vet vi en hel del om kraftfälten som verkar. Men vi måste också veta hur dessa verkar på materiepartiklarna – kvarkarna och leptonerna. Elektronen är en av leptonerna. Där har det krävts mycket djupsinnigt teoretiskt arbete. Det visar sig att av alla teoretiskt tänkbara matematiska uttryck för hur krafterna kopplar med materien, så leder nästan alla till matematiska orimligheter. Det blir bara ett litet antal kvar och de är just dessa som är förverkligade i Naturen.
Så denna mycket omfattande och framgångsrika teori man kallar standardmodellen är bestämd av två principer: den ska stämma med den speciella relativitetsteorin och dess kraftfält ska ha samma grundkaraktär som Maxwells ekvationer. Ovanpå detta kommer det självklara, att teorin ska vara matematiskt konsistent. Det räcker för att ge hela grundstrukturen i standardmodellen.
Einsteins fråga är intressant.
Nå, teorin har ett 20-tal parametrar som inte ges av detta resonemang. Inte heller täcker den gravitationen – eller mörk materia.