Morgunblaðið - 08.03.1992, Page 12

sefil SHAM .8 HU0AQUVIMU8 ŒGAJaMUOHOM
MORGUNBLAÐIÐ SUNNUDAGUR 8. MARZ 1992
írayndunaraflið
er hðmlulausara
en náttúran
Lárus Thorlacius eðlisfræðingur um upphaf alheimsins,
smæstu einingar efnisins og fleiri hliðar lífsgátunnar
Sigrúnu Davíðsdóttur
ÞEGAR ÞAÐ var nefnt við einn ágætan mann að til stæði að ræða
við ungan eðlisfræðing um upphaf heimsins og fleiri mál, svaraði
hann um hæl að hann læsi nú bara um það í biblíunni. Og vissulega
er það rétt. Þar er ein útgáfa heimssköpunarsögunnar. Aðra er að
finna í Snorra-Eddu, þar sem segir frá því að heimurinn varð til úr
tóminu í Ginnungagapi. Hvemig getur eitthvað orðið til úr tómi?
Ónákvæmlega sagt má segja að þessi heimssköpunarsaga Snorra-
Eddu liggi ekki fjarri því sem Lárus Thorlacius eðlisfræðingur og
starfsbræður hans víða um heim glíma við. En í stað þess að keppa
við Snorra og gefa skáldlega skýringu þar á þá er skýringin færð í
stærðfræðilegan búning, ef vel á að vera.
Iöllum heiminum eru ekki meira
en nokkur hundruð eðlisfræð-
ingar, sem vinna á svipuðum
nótum og Lárus og íslending-
arnir í hópnum eru teljandi á
fingrum annarrar handar. Það
er ekki mikið til á íslensku um
nýjustu hugmyndir eðlisfræð-
inga um upphaf heimsins, svo það
liggur beint við að fá_ fréttir þar
um, þegar færi gefst. I fyrra kom
þó út bók, sem hefur veirð metsölu-
bók um allan heim, Saga tímans
eftir breska eðlisfræðinginn Steph-
en Hawking, í snilldargóðri þýðingu
Guðmundar Arnlaugssonar fyrrum
rektors og með inngangi eftir Lár-
us. Aðra merka bók um þessi efni
er verið að þýða á íslensku. Hún
heitir Þijár fyrstu mínúturnar eftir
bandarískan nóbelsverðlaunahafa í
eðlisfræði, Steven Weinberg. Sú
bók er ætluð áhugasömum almenn-
ingi eins og hin og er sömuleiðis
metsölubók. Þessa bók las Lárus,
þegar hann var í menntaskóla og
hún ýtti honum meðal annars í átt-
ina að því, sem hann fæst við nú.
Annars talaði hann um frá blautu
bamsbeini að hann ætlaði að verða
vísindamaður og þá raunvísinda-
maður, þó merking orðanna væri
honum óljós. En orðin heyrði hann
heima hjá sér, því hann er sonur
Örnólfs Thorlaciusar rektors. Fram
á síðasta dag áður en hann skráði
sig í háskólann var hann hikandi
hvort hann ætti að velja efna- eða
eðlisfræði. Síðarnefnda greinin varð
ofan á og hann sér ekki eftir því.
Eftir BS-próf frá Háskóla íslands
1984 fór hann úttil Bandaríkjanna.
Að ráði Þórðar Jónssonar sérfræð-
ings á Raunvísindastofnun, og fleiri
góðra manna, valdi Lárus Prince-
ton-háskóla og lauk þaðan doktors-
prófi árið 1989. Síðan lá leiðin til
Stanford-háskóla, þar sem hann
hefur nú tímabundna rannsókna-
stöðu. Þetta er harður heimur, sam-
keppnin mikil og margir falla frá.
Fastar stöður er sjaldnast að hafa
fyrr en eftir tíu ár eða svo eftir
lokapróf og þá aðeins ef verkin tala,
auk dálaglegrar heppni.
Glópalán
Það hafði spurst að Lárus ynni
með leiðandi fólki í sínu fagi. Það
má kahnski segja að ef hann væri
söngvari, syngi hann með Pavarotti
og ámóta söngvurum. Lárusi fannst
þetta nú svolítið skondin samlíking,
en sagði eftir smá umhugsun að
ef Pavarotti væri á sviðinu, fengi
hann kannski að vera í kórnum.
„Það heyrist nú ekki mikið í manni,
en við skulum segja að ég fái alla
vega að vera með.“ Sú grein eðlis-
fræði, sem Lárus fæst við heitir
strengjafræði, „String Theory“ á
ensku. Hvemig lenti hann þar?
„Fyrir algjört glópalán Eðlis-
fræðideild Princeton hefur lengi
verið sterk í fræðilegri öreinda-
fræði. Strengjafræði er undirgrein
hennar og kom fyrst fram undir
1970, en hafði svo þokað fyrir öðr-
um kenningum, sem þóttu lýsa bet-
ur því sem fram fer inni í efniskjarn-
anum. Nokkrum árum síðar skaut
strengjafræði upp kollinum aftur í
nýjum búningi. Þegar ég kom til
framhaldsnáms við Princeton-
haustið 1984 birtust einmitt nýjar
niðurstöður, sem komu henni aftur
á dagskrá. í þessum fræðum er
stundum talað um októberbylting-
una 1984. Ég gerði mér auðvitað
litla grein fyrir mikilvægi þessa,
vissi varla af greininni, en þetta
varð til þess að það lá í augum
uppi að þegar kom að því að ég
veldi mér viðfangsefni í doktorsrit-
gerðina, þá var það úr strengja-
fræði. Ritgerðin fjallaði um grunn-
ástand opinna strengja, ef einhver
hefur áhuga á því...“
Hvað er strengjafræði?
„Strengjafræðin tilheyrir öreind-
afræðinni, sem fæst við smæstu
agnir efnisins. Vonin, sem bundin
er við hana er að með þessari grein
takist að sameina lýsingu á öllum
þekktum ögnum og allra kraftanna,
sem verka á milli þeirra, þannig að
þetta verði kenningin um allt. Þeir
sem ekki hafa trú á henni kalla
hana reyndar kenninguna um ekk-
ert, en það er annað mál... Innan
eðlisfræðinnar þykir heppilegast að
hafa allt sem einfaldast. Því er eðli-
legt að stefna að þvi að fella sem
flestar kenningar saman, fækka
kenningunum.
Til að gera sér grein fyrir sam-
hengi strengjafræðinnar við aðrar
þekktar kenningar eðlisfræðinnar,
er nauðsynlegt að rifja upp sögu
greinarinnar. Á síðustu öld sýndi
breski eðlisfræðingurinn James
Maxwell fram á að segulkraftur og
rafkraftur væru tvær hliðar á sama
fyrirbæri, sem hann sameinaði í
eina kenningu um rafsegulkraftinn.
Þegar talað er um þessa krafta í
eðlisfræði eru þeir færðir í stærð-
fræðilegan búning, sem kallast
sviðsfræði. Á þessum tíma voru
tveir kraftar þekktir, sem undir-
stöðukraftar náttúrunnar, nefni-
lega rafsegulkrafturinn, sem heldur
hlutunum saman, og þyngdarkraft-
urinn, sem heldur okkur á jörðinni,
jörðinni á braut um sólina og svo
framvegis.
Þegar farið var að rýna nánar í
gerð efnisins á þessari öld fundust
tveir aðrir kraftar, kjarnakraftar,
sem verka milli öreindanna í frum-
eindunum og kallast veika og sterka
víxlverkunin. Hér má skjóta því inn
að áður fyrr var talað um krafta,
en nú hallast menn heldur að því
að tala um víxlverkun, því hugtakið
„kraftur" felur í sér að eitthvað sé
dregið að öðru, en það lýsir fyrir-
bærinu betur að tala um víxlverk-
un, því kraftaverkunin er fólgin í
að ákveðnar agnir gangi í báðar
áttir á milli. Veika víxlverkunin
sést meðal annars í ákveðinni teg-
und geislavirkni, svokallaðri beta-
hrömun efniskjarna. Sterka víxl-
Innan eðlisfræðinnar
þykir heppilegast að
hafa allt sem einfald-
ast. Því er eðlilegt að
stefna að því að fella
sem flestar kenningar
saman, fækka kenning-
unum
verkunin verkar milli róteinda og
nifteinda í efniskjamanum og er
sterkásta víxlverkunin af þessum
fjórum."
Eindir handan hins sýnilega
„Þegar verið er að skoða innstu
gerð efnisins gilda önnur lögmál
um hreyfingu en við eigum að venj-
ast í hinum sýnilega heimi. Þetta
má rekja til þess að agnimar eru
svo miklu smærri en þeir mæli-
kvarðar, sem við notum í daglegu
lífí. Stærðfræðileg lýsing smárra
agna kallast skammtafræði og vom
þýski eðlisfræðingurinn Max
Planck og Daninn Niels Bohr meðal
frumheija í þeim fræðum. í nútíma
tilraunum koma við sögu orkumikl-
ar öreindir, sem nálgast ljóshrað-
ann, og til að lýsa hegðun þeirra
verður kenningin að vera í samræmi
við takmörkuðu afstæðiskenningu
Einsteins (sem var reyndar einn af
frumkvöðlum skammtafræðinnar
líka). Eitt meginviðfangsefni eðlis-
fræðinnar á þessari öld hefur þann-
Lárus Thorlacius

ig verið að þætta saman skammta-
fræði Plancks, sviðsfræði Maxwells
og takmörkuðu afstæðiskenning-
una í svokallaða skammtasviðs-
fræði og síðan að beita henni til
skilnings á innstu gerð efnisins.
Hér er kannski rétt að skjóta inn
að það er fátt sem sýnist. Ég nefndi
áðan að það væri ekki nógu ná-
kvæmt að tala um krafta og því
væri orðið víxlverkun notað. Sama
á við um eindir, eins og í orðinu
„öreind". Orðið gefur til kynna ein-
hvers konar efnisagnir eða búta,
en það stenst ekki alltaf. Þó skilja
Ef framhaldsnámið kom
mér í skilning um hve
ég kunni lítið, þá hefur
starfið síðan því lauk
sannfært mig um að
það er ekkert sem heit-
ir að verða fullnuma
megi marga eiginleika ljóss sem það
sé buna af svokölluðum ljóseindum
sýnir það oft bylgjuhegðun líka.
Talað er um tvíeðli öreinda, að eind
°g bylgja séu tvær hliðar á sama
fyrirbærinu. í stað þess að tala um
eindir er í skammtasviðsfræðinni
talað um skammta og öreindir álitn-
ar skammtar í skammtasviðinu með
ákveðna bylgjulengd, sem ræðst af
orku þeirra.
En hvað þá með grundvallar-
kraftana fjóra? Áður er nefnt að í
eðlisfræðinni er leitast við að fella
sem flesta hluti saman, líkt og þeg-
ar Maxwell tókst að sýna fram á
að rafkrafturinn og segulkrafturinn
voru tvær hliðar á sama fyrirbæri.
Það virðist vera reginmunur á veiku
víxlverkuninni og rafsegulkraftin-
um, en það hefur engu síður tekist
að sýna fram á að þessar tvær víxl-
verkanir eru hluti sama fyrirbæris.
Fræðilegir eðlisfræðingar sýndu
fram á þetta 1967 og niðurstaða
þeirra fékkst síðan staðfest í til-
raunum. Fyrir þessa niðurstöðu
voru nóbelsverðlaunin í eðlisfræði
veitt 1979. Einn þeirra þriggja, sem
hlutu þau, er Steven Weinberg,
höfundur „Þriggja fyrstu mínútn-
anna“.
Þá voru eftir þrír kraftar, þar sem
er samsteypa rafsegulkraftsins og
veiku víxlverkunarinnar, sterka
víxlverkunin og svo þyngdarkraft-
urinn, sem Newton skilgreindi á I:
sínum tíma og Einstein færði í nú-
tímabúning í almennu afstæðis-
kenningunni. Síðan var sett fram
kenning um hvernig sterka víxl-
verkunin gæti verið hliðstæð raf-
segulkraftinum og veiku víxlverk-
uninni, þannig að þetta væri aðeins
einn kraftur. Þessi kenning kallast
sameinaða sviðkenningin eða
„Grand Unified Theory“, GUT.
Hugmyndin að baki kenningarinnar
er að við mjög hátt hitastig hafi
þessir þrír kraftar allir sama styrk-
leika og þarna sé því um einn og
sama kraftinn að ræða. Þetta ger-
ist við hitastig, eða orku, sem er
miklu hærra heldur en hægt er að
ná í tilraunum. Það má kannski
segja að um leið fái hugmyndaflug-
ið lausari taum, en í raun er það
ekki stórt skref að sameina þessa
þijá krafta í einn.
Þá er þyngdarkrafturinn einn
eftir og þá fer nú málið að vand-
ast. Þyngdarkrafturinn sýnist vera
sterkur, því hann á við stóra massa
eins og jörðina og sólina og er í
raun eini krafturinn sem er að verki
milli reikistjarnanna. Kjamakraftar
ná ekki svo langt og himinhnettirn-
ir innihalda flestir jafnmargar já-
kvæðar og neikvæðar rafhleðslur
svo það togar enginn rafkraftur í
þá. En ef hlutirnir eru skoðaðir á
frumeindaskala, þá kemur annað í
ljós. Ef þyngdarkrafturinn og raf-
krafturinn milli rafeindarinnar og
kjarnans í vetnisfrumeind eru born-
ir saman, þá er rafkrafturinn svo
miklu sterkari að það er hægt að
slá striki yfir þyngdarkraftinn þar.
Draumurinn er samt að sameina
lýsingu þyngdarkraftsins við hina
kraftana þijá og sýna fram á að í
rauninni séu þeir allir aðeins mis-
munandi hliðar á sama fyrirbæri.
Afstæðiskenningin og
sveigður tími
• „Hér komum við aftur að al-
mennu afstæðiskenningu Einsteins.