Atom

Jag minns inte första gången jag såg en atom, men jag minns första gången vi studerade dem i naturvetenskapen, och de fascinerade mig. Deras komplexitet i teckningarna vi fick se, och hur de kunde slå sig samman och bilda ämnen, fick mig att vilja veta mer: jag läste mycket om dem, om deras plats i det periodiska systemet, deras partiklar, och till och med om hur de användes för att alstra energin i våra hem.

Mycket senare lärde jag mig att programmera, och jag ville återspegla det jag hade lärt mig i skolan och i böcker. Jag ville skapa en atom, se den röra sig, få varje del av den att kännas verklig; kombinera dem och kanske bygga något större i en simulator. Men något oväntat hände: jag var inte längre en nyfiken ungdom, utan en vuxen med ett annat sätt att tänka. Så jag började undersöka från grunden. Och resultatet var förvånande: efter år av att läsa böcker om ämnet räckte bara några timmars kritiskt tänkande för att avslöja detaljer jag inte hade sett tidigare.

Även om berättelserna varierar kraftigt, går nästan alla tillbaka till antiken och liknar ganska mycket den här:

"Man säger att de första studierna av atomer går tillbaka till antiken, när de mest lärda undrade i hur många delar allt kunde delas. Efter lång forskning kom de fram till att saker bara kunde delas upp till en gräns, och att det till slut blev kvar bitar så små och omärkbara att de kallade dem atomer."

För att förstå tanken, föreställ dig att du är otroligt uttråkad och tar vad som helst som går att dela — en tandpetare, ett löv, en frukt — och delar det på mitten. Och igen. Och igen… tills du helt enkelt inte kan längre. Och där har du det: du har fått en atom! …eller så gick i alla fall tanken.

Om vi kunde stoppa tiden och hålla oss till den här historien skulle jag kunna bygga min simulator utan problem: jag skulle bara låta ett äpple delas i två, i tre…, sätta en gräns och klart. Men detta var bara början på historien.

Det som följer är resultatet av en djupgående studie av historiska fakta och upptäckter som gradvis format det vi idag kallar atomer.

I början av 1800-talet skapade en brittisk kemist vid namn John Dalton, i avsaknad av det periodiska systemet och symboler för att representera de kemiska grundämnena, sitt eget system för grafisk återgivning. I grund och botten gjorde han en lista över de kända grundämnena — guld, silver, kol, syre... — och ritade en cirkel bredvid varje ett med en egen design inuti för att kunna skilja dem åt.

Dalton föreställde sig atomer som små, solida, odelbara sfärer, som han vanligtvis kallade "yttersta partiklar", något i stil med materiens gräns, där den inte längre kunde delas. Hans arbete lyckades en gång för alla förena det abstrakta atombegreppet med den kemiska experimenteringen, vilket är anledningen till att han historiskt räknas som atomteorins fader.

Nästan ett sekel senare argumenterade en annan brittisk vetenskapsman vid namn Joseph John Thomson, som försökte förklara katodstrålarnas natur, för att de bestod av små korpuskler som bar elektricitet. För att förklara varifrån sådana partiklar kom hävdade han att de fanns inuti atomerna, ungefär som russinen i en pudding, och byggde till och med en atomteori baserad på den där plommonpuddingen.

Det är värt att notera att Thomson aldrig visade världen en enda av dessa korpuskler: han härledde dem från sina experiment, han såg dem inte. Ändå belönades idén med Nobelpriset 1906 och etsades in som ett faktum. Från och med då slutade atomen vara en blygsam hypotes och blev något som ingen vågade ifrågasätta. Dessa händelser förändrade spelreglerna fullständigt för dåtidens forskare och gjorde atomen och dess teorier till en säker språngbräda till framgång.

År senare kopplade en nyzeeländsk vetenskapsman vid namn Ernest Rutherford också sin forskning om radioaktivitet till atomer, och hävdade att de inte var statiska som Thomsons pudding, utan något som liknade ett solsystem i miniatyr. Han lade också till en ny beståndsdel — en liten kärna där nästan hela massan var koncentrerad — och byggde en ny atomteori på den.

Den nya planetariska atommodellen var något i stil med en mycket liten, positivt laddad kärna, runt vilken negativt laddade partiklar (elektronerna) kretsade och bildade ett slags omloppssystem. Den tredje beståndsdelen, neutronen, dök ännu inte upp: den skulle inte visa sig förrän 1932. För sin forskning om radioaktiva ämnen fick Rutherford ett Nobelpris 1908.

Nästan samtidigt med Rutherfords framgång lade en ung dansk vid namn Niels Bohr, som försökte korrigera fel i den planetariska atommodellen, till omloppsnivåer, energinivåer, hopp mellan banor och till och med utsändning och absorption av ljus, vilket han antog var elektromagnetiska vågor. Med sitt arbete tog Bohr det som tidigare varit en teoretisk karta för att förklara vissa fenomen och gjorde det till något som krävde fyllda griffeltavlor för att förstås. Som ett resultat av sitt bidrag till atomernas struktur vann Niels Bohr ett Nobelpris 1922.

Vad som följde efter Bohr var en nästan oändlig lista av lysande hjärnor. Alla lade till allt vildare teorier om atomer — aldrig tidigare skådade — och lät sin matematiska apparat växa till astronomiska nivåer. Ärligt talat, efter timmar av läsning om ämnet, var det att titta på varje atommodell som att titta på tomtens släde: något skandalöst uppmärksammat som ingen någonsin har kunnat se.

Eftersom atommodeller är en föreställd karta, uppstår en mer ärlig fråga: har något som liknar en atom någonsin blivit sett? Det korta svaret är obekvämt: det beror på vad vi menar med att se.

För att förklara det bättre, låt oss föreställa oss att vi tittar på ett äpple: ljus studsar mot dess yta, når oss och bildar dess bild i våra ögon. Men under ungefär 200 nanometer slutar det tricket att fungera: vanligt ljus återger inte längre ett porträtt av det som finns; det tycks passera runt föremålet utan att teckna det och fortsätter sin väg, som om saken vore genomskinlig. Bara ett mycket speciellt ljus — extremt intensivt, av den typ som produceras i de stora partikelacceleratorerna — har lyckats komma nära den skalan, och även då är det som levereras inte fotografier, utan mönster: silhuetter och skuggor.

Vetenskapen, med all teknik till sitt förfogande, har kommit förvånansvärt långt: den kan lokalisera suddiga silhuetter, räkna dem, ordna dem en efter en, mäta det elektriska fältet på otroligt små skalor. Men var och en av dessa bedrifter är en mätning utklädd till bild, inte en direkt blick. Det vi idag kallar "ett foto av atomer" är fortfarande en karta — mycket bättre än Thomsons eller Bohrs, men en karta trots allt. Och det måste sägas lugnt, utan dramatik: vi har mätt dess spår med enastående precision; att se dem, i den enkla mening vi ser ett äpple, ännu inte. Och detsamma gäller nästan allt som är väldigt litet eller väldigt avlägset.

En nästan långsökt hypotes, men en avgörande sådan: vad skulle hända om vi, inför dess osannolikhet, bestämde oss för att i ett svep ta bort atomen, sudda ut var och en av dess modeller från klassrummen och från alla vetenskapsgrenar?

Det första som skulle hända vore fullständigt kaos i klassrummen och i utbildningen. Läroböcker skulle behöva skrivas om, och mer än 200 års historia skulle raderas. Miljontals sidor skulle vara fulla av begreppsmässiga "hål", överstrukna ord eller förbjudna termer som skulle göra texterna helt oläsliga. Schrödingers ekvationer, Lewis-strukturer och diagram över molekylära bindningar skulle sakna en grundläggande premiss och förvandlas till meningslöst klotter. Hela avhandlingar ägnade åt nanoteknik, kärnfysik eller biokemi skulle ogiltigförklaras i ett slag.

Vetenskapen, å sin sida, skulle inte stanna upp: den skulle söka andra vägar — matematiska, filosofiska — för att förklara det som atomen brukade förklara. För världen skulle fortfarande vara gjord av samma sak. Vi skulle bara ha suddat ut kartan, inte territoriet.

Hur osannolikt det än kan verka, bakom all denna möda — och tusentals människor som ägnar hela livet åt att rita atomen bättre — finns en insats: att undersöka vad materia består av på en djupare nivå lovar ett universum fullt av möjligheter.

Transmutationen av de kemiska grundämnena skulle kunna bli genomförbar. Kärnreaktorer omvandlar redan grundämnen som uran till plutonium och cesium. Att bombardera lättare grundämnen med partiklar kan likaså omvandla dem till tyngre ämnen. Ändå är var och en av dessa omvandlingar extremt kostsam och opraktisk, och ger dessutom bara försumbara mängder. Allt detta är något som skulle kunna förändras om vi förstod processen bättre och kunde kontrollera den på en lägre nivå.

För att skämta lite skulle vi kunna förvandla stenar till guld eller diamanter, fylla bankerna och sedan förvandla dem tillbaka till klippor; och till och med gå längre och skapa nya kemiska grundämnen med nya egenskaper: material som trotsar tyngdkraften, supraledare vid höga temperaturer… en historia utan slut.

Det andra priset är redan påkopplat, och inte i ett laboratorium utan i ditt hem: en stor del av världens elektricitet kommer från en enorm ansträngning som gör att vi alla kan njuta av den. Att förstå materia bättre skulle kunna öppna vägar till energiproduktion som vi ännu inte känner till, mycket bättre och effektivare än dagens. Detta utan att bortse från möjligheten till användning för icke-fredliga ändamål, vilket har fört med sig tragiska resultat genom historien.

Men inte allt skulle föra med sig tragedi. Bakom denna forskning finns förhoppningen om att förbättra tekniker som kärnmagnetisk resonanstomografi, oumbärlig för att diagnostisera sjukdomar; eller att hitta nya sätt att bearbeta information, som skulle kunna föra framtidens datorer till oanade gränser. Och, utan tvekan den mest ambitiösa och fantasifulla av alla, skymtar ett gammalt mål: att förstå vad tiden är gjord av och, kanske, kunna kontrollera den.

Allt detta förklarar varför så många aldrig lägger ner pennan och fortsätter forska. Om en karta så suddig och fantasifull som atomen redan har fört oss så här långt, hur långt skulle vi då komma om vi kunde förstå och kontrollera materia på dess lägsta nivå?

Till slut förblev min simulator bara ett försök. Som ni säkert förstår var det att simulera en atom på en dator som att försöka fånga fjärilar med förbundna ögon. Ändå ledde allt detta mig inte bara till att intressera mig för atomer och deras föreställda modeller, utan också till att ta mig an ett helt universum av kunskap som en gång fascinerade oss och som, innerst inne, få av oss egentligen känner till.