Atom

Jeg husker ikke første gang jeg så et atom, men jeg husker godt første gang vi studerte dem i naturfagtimen, og de fascinerte meg. Kompleksiteten i tegningene de viste oss, og hvordan atomer kunne slå seg sammen og danne stoffer, gjorde at jeg ville vite mer: jeg leste mye om dem, om deres plass i det periodiske systemet, om partiklene deres, og til og med om hvordan de ble brukt til å generere energien i hjemmene våre.

Mye senere lærte jeg å programmere, og jeg ville gjenskape det jeg hadde lært i timene og i bøkene. Jeg ville lage et atom, se det bevege seg, få hver av delene til å virke ekte; kombinere dem og kanskje bygge noe større i en simulator. Men noe uventet skjedde: jeg var ikke lenger en nysgjerrig ungdom, men en voksen med en annen måte å tenke på. Så jeg begynte å undersøke fra bunnen av. Og resultatet var overraskende: etter år med å lese bøker om emnet, holdt det med noen få timer med kritisk tenkning for å avdekke detaljer jeg ikke hadde sett før.

Selv om beretningene varierer sterkt, kan nesten alle spores tilbake til antikken og ligner ganske mye på denne:

«De sier at de første studiene av atomer går tilbake til antikken, da de mest lærde undret seg over hvor mange deler alt kunne deles i. Etter lang tids studier konkluderte de med at ting bare kunne deles opp til en grense, og at det til slutt ble igjen fragmenter så små og umerkelige at de kalte dem atomer.»

For å forstå idéen kan du forestille deg at du kjeder deg voldsomt og griper tak i noe som helst delelig —en tannpirker, et blad, et stykke frukt— og deler det i to. Og igjen. Og igjen… helt til du rett og slett ikke klarer mer. Og der har du det: du har fått et atom! …eller slik lød i det minste idéen.

Hvis vi kunne stanse tiden og holde oss til denne historien, kunne jeg bygge simulatoren min uten problemer: jeg ville bare la et eple dele seg i to, i tre…, sette en grense, og være ferdig. Men dette var bare begynnelsen på historien.

Det som følger er resultatet av en grundig studie av historiske fakta og oppdagelser som gradvis formet det vi i dag kaller atomer.

Tidlig på 1800-tallet skapte den britiske kjemikeren John Dalton, i mangel av det periodiske systemet og symboler for å representere de kjemiske grunnstoffene, sitt eget system for grafisk fremstilling. I hovedsak laget han en liste over de kjente grunnstoffene —gull, sølv, karbon, oksygen...— og tegnet en sirkel ved siden av hvert av dem, med et ulikt mønster inni for å skille dem fra hverandre.

Dalton så for seg atomer som små, solide, udelelige kuler, som han gjerne kalte «ytterste partikler», noe i retning av materiens grense, der den ikke lenger kunne deles. Arbeidet hans klarte, en gang for alle, å knytte sammen det abstrakte atombegrepet med kjemisk eksperimentering, og det er derfor han historisk regnes som atomteoriens far.

Nesten et århundre senere hevdet den britiske vitenskapsmannen Joseph John Thomson, i forsøket på å forklare naturen til katodestråler, at de var bygget opp av små korpuskler som fraktet elektrisitet. For å forklare hvor slike partikler kom fra, hevdet han at de befant seg inne i atomene, omtrent som rosinene i en pudding, og bygde til og med en atomteori på denne «plommepuddingen».

Det er verdt å merke seg at Thomson aldri viste verden et eneste av disse korpusklene: han utledet dem fra eksperimentene sine, han så dem ikke. Likevel ble idéen tildelt Nobelprisen i 1906 og ble innprentet som et faktum. Fra da av sluttet atomet å være en beskjeden hypotese og ble til noe ingen våget å stille spørsmål ved. Disse hendelsene endret fullstendig spillereglene for datidens vitenskapsmenn, og gjorde atomet og dets teorier til et sikkert springbrett til suksess.

Noen år senere knyttet også den newzealandske vitenskapsmannen Ernest Rutherford sin forskning på radioaktivitet til atomene, og hevdet at de ikke var statiske som Thomsons pudding, men snarere lignet et miniatyrsolsystem. Han la også til en ny brikke —en liten kjerne der nesten hele massen var konsentrert— og bygde en ny atomteori på dette.

Den nye planetariske atommodellen besto omtrent av en svært liten, positivt ladet kjerne, som negativt ladede partikler (elektronene) kretset rundt, og dannet en slags baneformasjon. Den tredje brikken, nøytronet, hadde ennå ikke dukket opp: det skulle ikke vise seg før i 1932. For sin forskning på radioaktive stoffer fikk Rutherford Nobelprisen i 1908.

Nesten samtidig med Rutherfords suksess forsøkte den unge danske vitenskapsmannen Niels Bohr å rette opp feil i den planetariske atommodellen, og la til baneskall, energinivåer, sprang mellom baner, og til og med emisjon og absorpsjon av lys, som han antok var elektromagnetiske bølger. Med sitt arbeid tok Bohr det som hadde vært et teoretisk kart for å forklare visse fenomener, og gjorde det til noe som krevde fylte tavler for å forstås. Som følge av sitt bidrag til atomets struktur vant Niels Bohr Nobelprisen i 1922.

Det som fulgte etter Bohr var en nesten endeløs rekke av briljante sinn. Alle la de til stadig villere teorier om atomer —aldri før sett— og lot det matematiske apparatet vokse til astronomiske nivåer. For å være ærlig: etter timevis med lesning om emnet var det å se på hver atommodell som å se på julenissens slede: noe som ble skammelig mye omtalt, men som ingen noensinne har klart å se.

Gitt at atommodeller er et imaginært kart, dukker det opp et mer ærlig spørsmål: har noe som ligner et atom noensinne blitt sett? Det korte svaret er ubehagelig: det kommer an på hva vi mener med å se.

For å forklare det bedre, la oss forestille oss at vi ser på et eple: lyset spretter av overflaten, når oss, og danner et bilde i øynene våre. Men under omtrent 200 nanometer slutter det triksene å fungere: vanlig lys gir ikke lenger tilbake et portrett av det som finnes; det ser ut til å passere rundt tingen uten å tegne den, og fortsetter sin vei, som om tingen var gjennomskinnelig. Bare et svært spesielt lys —ekstremt intenst, som det som produseres i de store partikkelakseleratorene— har klart å komme nær den skalaen, og selv da er det ikke fotografier det leverer, men mønstre: silhuetter og skygger.

Vitenskapen, ved bruk av all teknologi den har til rådighet, har kommet forbausende langt: den kan lokalisere uklare silhuetter, telle dem, ordne dem én etter én, måle det elektriske feltet på utrolig små skalaer. Men hver av disse bragdene er en måling forkledd som et bilde, ikke et direkte blikk. Det vi i dag kaller «et bilde av atomer» er fortsatt et kart —langt bedre enn Thomsons eller Bohrs, men et kart likevel—. Og det må sies rolig, uten drama: vi har målt sporet dets med ekstraordinær presisjon; å se dem, i den enkle forstand vi ser et eple, ikke ennå. Og det samme gjelder for nesten alt som er svært lite eller svært langt unna.

En nesten søkt hypotese, men en avgjørende en: hva ville skje hvis vi, i møte med dens usannsynlighet, bestemte oss for å fjerne atomet i ett slag, å viske ut hver av modellene fra klasserommene og fra alle grener av kunnskap?

Det første som ville skje, var total kaos i klasserom og utdanning. Lærebøker måtte skrives om, og mer enn 200 års historie ville bli visket ut. Millioner av sider ville bli fulle av begrepsmessige «hull», overstrøkne ord eller forbudte termer som ville gjøre tekstene fullstendig uleselige. Schrödingers ligninger, Lewis-strukturer og diagrammer over molekylbindinger ville mangle en grunnleggende forutsetning, og bli til meningsløst kruseduller. Hele avhandlinger viet til nanoteknologi, kjernefysikk eller biokjemi ville bli ugyldige med ett slag.

Vitenskapen, for sin del, ville ikke stoppe: den ville lete etter andre veier —matematiske, filosofiske— for å forklare det atomet pleide å forklare. For verden ville fortsatt være laget av det samme. Vi ville bare ha visket ut kartet, ikke terrenget.

Uansett hvor usannsynlig det kan virke, bak all denne innsatsen —og tusenvis av mennesker som vier hele livet til å tegne atomet bedre— ligger det et veddemål: å undersøke hva materie er laget av på et dypere nivå lover et univers fullt av muligheter.

Transmutasjon av de kjemiske grunnstoffene kan bli mulig. Kjernekraftverk omdanner allerede grunnstoffer som uran til plutonium og cesium. Å bombardere lettere grunnstoffer med partikler kan på samme måte gjøre dem tyngre. Likevel er hver av disse omdannelsene ekstremt kostbar og upraktisk, og gir dessuten bare minimale mengder tilbake. Alt dette er noe som kunne endre seg hvis vi forsto prosessen bedre og kunne kontrollere den på et lavere nivå.

For å si det som en spøk: vi kunne gjøre steiner om til gull eller diamanter, fylle bankene, og deretter gjøre dem om til steiner igjen; og til og med gå lenger og skape nye kjemiske grunnstoffer med nye egenskaper: materialer som trosser tyngdekraften, superledere ved høye temperaturer… en historie uten ende.

Den andre gevinsten er allerede slått på, og ikke i et laboratorium, men i ditt eget hjem: en god andel av verdens elektrisitet kommer fra en enorm innsats som lar oss alle nyte godt av den. Å forstå materie bedre kunne åpne opp for måter å generere energi vi ennå ikke kjenner til, langt bedre og mer effektive enn dagens. Og da uten å se bort fra muligheten for bruk til ikke-fredelige formål, som har ført til tragiske resultater gjennom historien.

Men ikke alt ville føre til tragedie. Bak denne forskningen ligger håpet om å forbedre teknologier som kjernemagnetisk resonansavbildning, uunnværlig for å diagnostisere sykdom; eller å finne nye måter å behandle informasjon på som kunne ta fremtidens datamaskiner til grenser vi ikke har drømt om. Og, uten tvil det mest ambisiøse og fantasifulle av alt, tårner et gammelt mål seg opp: å forstå hva tid er, og kanskje kontrollere den.

Alt dette forklarer hvorfor så mange aldri legger fra seg blyanten og fortsetter å forske. Hvis et kart så uklart og imaginært som atomet allerede har brakt oss så langt, hvor langt ville vi da kommet hvis vi kunne forstå og kontrollere materie på dens laveste nivå?

Til slutt ble simulatoren min bare et forsøk. Som du sikkert har skjønt, var det å simulere et atom på en datamaskin som å prøve å fange sommerfugler med bind for øynene. Likevel førte alt dette til at jeg ikke bare fikk interesse for atomer og deres imaginære modeller, men også tok fatt på et helt univers av kunnskap som en gang fascinerte oss, og som, dypest sett, få av oss egentlig kjenner.