Partikelfysik: Antistof til eftertanke

Når stof møder antistof, bliver begge øjeblikkelig tilintetgjort og forvandlet til ren energi. Og hermed grobund for de forjættende forestillinger om billige energikilder og altødelæggende bomber, der blandt andet har inspireret til »Engle og dæmoner«.

Sporene efter en elektron og en positron i et tågekammer

Filmen Engle og dæmoner må være den mest effektive reklame for CERN, det europæiske center for forskning i partikelfysik, nogensinde. I Dan Browns ramasjanghistorie stjæler håndlangeren for en hemmelig sekt (med et horn i siden på den katolske kirke, i øvrigt) en beholder fra CERN med just produceret antistof. Beholderen bliver gemt et ukendt sted i Rom. Præmissen er følgende: Når batterierne i beholderen dør, vil antistoffet falde ud af dets elektromagnetiske ophæng og derved komme i kontakt med stof. Efterfølgende vil hele Vatikanstaten og halvdelen af Rom blive udslettet i en eksplosion af Bigbangske dimensioner. »Oh my God, ligesom i skabelsesøjeblikket,« som hovedpersonen i filmen udbryder. Med filmen (og bogen i øvrigt) har Dan Brown lagt godt i kakkelovnen til en forestilling om antistof som urkraft tilsat lige dele frygt og frelse.

CERNs hjemmeside har da også en afdeling, der specielt omhandler Engle og dæmoner, og som kortfattet reder trådene ud mellem fakta og fiktion i forhold til antistof. For eksempel: Er det muligt at producere en antistofbombe? Kan antistof bruges som energikilde? Hvad har antistof med Big Bang at gøre? Og ikke mindst, hvad er antistof i det hele taget?

Den, der er interesseret i en lidt mere indgående redegørelse for disse spørgsmål end CERNs FAQ om Engle og dæmoner leverer, kan kaste sig over den britiske partikelfysiker Frank Closes nye bog Antimatter. Frank Close er ikke alene en højtestimeret fysiker, han er også prisvindende forfatter til en række populærvidenskabelige værker om fysik, blandt andet The Void (2007) og Particle Physics – A Very Short Introduction (2004).

Når stof møder antistof, bliver begge øjeblikkeligt tilintetgjort og forvandlet til ren energi. Det er denne kendsgerning, der skaber de forjættende forestillinger om antistof som både billig energikilde og altødelæggende bombe. Men ifølge Frank Close har brugen af antistof som energikilde overordentlig lange udsigter. Hvis man tager alt det antistof, der nogensinde er dannet i laboratorier på jordkloden i form af antiprotoner, vil det højst kunne oplyse en elpære i nogle få minutter.

CERN skaber ganske vist antibrint, men også i så beskedne mængder, at det ville tage længere tid, end universet har eksisteret, at fremstille blot et enkelt gram af det. På samme måde er tidshorisonten, hvad angår produktion af antistof-våben, temmelig lang. Så antistof er mest af alt interessant, fordi det kan fortælle os noget om de første milliarddele sekunder af universets skabelse.

Frank Close’ historie om antistof spænder vidt, og i hans bog bliver vi først suget ind i en verden af subatomare partikler og de kræfter, der skaber og påvirker dem. Siden bliver vi teleporteret tilbage til universets opståen for knap 14 milliarder år siden, hvor partiklerne blev dannet. Undervejs får vi beretninger om, hvem der udviklede hvilke teorier og gjorde hvilke observationer. Og heldigvis for det! Personerne og den historiske beretning om opdagelsen af antistof fænger nemlig væsentlig mere end teorierne er i stand til.

Imens de fleste for eksempel har hørt om kvantefysikkens første superstar, Albert Einstein, og kan nikke genkendende til hans verdensomvæltende formel E = mc², har de færreste hørt om matematikeren Paul Dirac (1902-1984). Han er, ifølge Frank Close, mindst lige så vigtig for udviklingen af partikelfysik som Einstein, for det var Dirac, der alene på baggrund af uhørt dristig matematisk tænkning teoretiserede eksistensen af antistof.

Ligesom Einstein er Dirac kendt for en særlig formel, der efter Close’ opfattelse udviser samme »kreativitet, kraft, elegance« som Shakespeare eller Beethoven. Men hvor Einsteins formel ikke virker særskilt underlig, giver Diracs formel kun mening for dem, der forstår matematikkens hieroglyffer.

Dirac var specielt interesseret i at forklare elektroner og udviklede sin banebrydende formel i 1928 som kun 26-årig. Close gennemgår Diracs fremmaning af eksistensen af en »positiv elektron« blandt andet ved hjælp af noget så eksotisk som »todimensionelle tal« kendt som »matrix«. Dirac døbte sin teoretiske partikel en anti-elektron, og senere blev den mere mundret kendt som en positron. Når man tænker på, at partikelmenuen, som Frank Close kalder den, i 1928 var ganske kort, og kun bestod af negativt ladede elektroner og positivt ladede protoner, var den unge Diracs forestilling om en antielektron virkelig revolutionerende.

En afgørende implikation af Diracs formel var eksistensen af en »fuldstændig og perfekt symmetri mellem en partikel og dens anti-partikel.« Stof og antistof er altså nøjagtige spejlbilleder af hinanden, og antistof er opbygget af atomer og partikler fuldstændig som stof.

I 1932 lykkedes det for en anden forsker, nemlig amerikaneren Carl Anderson, at observere og påvise eksistensen af Diracs teoretiske positroner ved hjælp af et sindrigt konstrueret tågekammer. Altså en anordning, der synliggør subatomare partiklers bevægelser. Billeder af elektroner, positroner og andre partiklers snirklede og særegne spor i tågekamre er i øvrigt nogle af de meste ikonografiske i videnskabshistorien.

Det matematiske geni Paul Dirac var lidt af en sær snegl, der blandt forskere var lige så berømt for sin fåmælte stil som for sine formler. Efter sigende sagde Danmarks egen verdensberømte atomfysiker Niels Bohr om ham: »Denne Dirac, han ved ret meget om fysik, men han siger aldrig noget.« I 1932 fik Dirac Nobelprisen i fysik for sin opdagelse af positronen sammen med Erwin Schrödinger, kendt for det berømte tankeeksperiment Schrödingers kat.

Efter 1932 blev et hav af nye subatomare partikler opdaget, og til elektroner og protoner blev lagt neutroner, leptoner, fermioner, hadroner, bosoner, mesoner, neutrinoer, kvarker med videre. Som Close fortæller, bliver de fleste af disse partikler skabt af forskere under særlige forhold i partikelaccelleratorer og eksisterer kun i milliontedele af sekunder. Implikationerne af Diracs teori er desforuden, at alle disse partikler også har en tilsvarende antipartikel.

Selv om opdagelsen af antistof i form af positronen tog lang tid, og partiklen forekommer mystisk og mærkelig, er den almindeligt forekommende her på Jorden, fremhæver Frank Close. Hvis De nogensinde er blevet scannet i en PET, Positron Emission Tomography, -scanner, vil De for eksempel have fået antistof i form af positroner indenbords!

Selv om positroner eksisterer i rigt mål her på Jorden og andre steder i universet, har fysikere ikke været i stand til at påvise eksistensen af antistof i form af antiatomer noget sted i det observerbare univers. Inden for en afstand af mange hundrede lysår er der kun stof. Fysikere er dog enige om, at der må have været en perfekt balance mellem stof og antistof, da universet blev skabt. Det store mysterium er, hvorfor stof har overlevet, og hvad der er blevet af alt antistoffet. Måske er svaret, skriver Frank Close, at der faktisk er forskel på stof og antistof, og at de ikke er nøjagtige spejlbilleder af hinanden, som Diracs teori tilsiger.

Frank Close’ bog giver et grundigt indblik i antistofs forunderlige historie og væsen og punkterer samtidig mange af de myter, der eksisterer om emnet. Men at markedsføre den som populærvidenskabelig, som forlaget Oxford University Press gør det, er måske lidt af en tilsnigelse. Selv den berømte fysiker og levemand Richard Feynman (1918-1988), der forstod sig på ret så meget, sagde i sin tid, at der ikke er nogen, der forstår kvantefysik.

Alligevel har fysikere, inklusive Frank Close, en fin fornemmelse for at opfinde og bruge suggestive ord og udtryk for at beskrive og teoretisere over sorte huller, kosmiske strenge, røde dværge, ormehuller, kvarker, antistof og deslige. Så selv om man ikke begriber en pind af teorien, fremmaner de udtryksfulde ord en lille flig af kosmisk forstand hos lægmand og -kvinde.

For dem, der måtte være interesseret i mere om Paul Dirac, er biografien The Strangest Man af George Farmelo netop udkommet.

Publiceret i Weekendavisen 19.06.2009.