Mesteparten av massen er energi

Albert Einsteins berømte energiligning E=mc² og varianter av den er helt grunnleggende for den moderne forståelsen av verden rundt oss. E-en står for energi, m-en står for masse og c er lyshastigheten i vakuum, den absolutte maksfarten i universet.

Det energiligningen i bunn og grunn forteller oss er at energi og masse egentlig er to sider av samme sak. Masse kan bli til energi, det er dette som utnyttes i atomkraftverk og atombomber, og det er dette som får sola vår til å lyse i milliarder av år. Men energiligningen forteller oss også at energi kan bli til masse, altså motsatt vei, og det er det jeg vil fortelle dere noe om nå.

Det er beregnet at den kjente materien kun utgjør omtrent 5% av all masse i universet. 2,5% av dette utgjøres av stjerner (soler), planeter, måner, asterioder, kometer, vann, luft og deg og meg, altså objekter vi kan observere direkte eller indirekte. Ytterligere 2,5% utgjøres av frittdrivende gass og støv inne i og utenfor galaksene. Dette siste er påvist relativt nylig ved kjelp av lyset fra fjerne kvasarer, veldig lyssterke objekter ute i ytterkanten av den delen av universet vi kan observere. Lyset derfra ble filtrert gjennom gassen og støvet på veien til våre måleinstrumenter, og graden av endring kunne brukes til å beregne mengden støv og gass.

Omtrent 25% av universets masse utgjøres av det som kalles mørk materie. Ordet «mørk» betyr her ukjent, det har ingenting med fargen på denne materien å gjøre, for den er usynlig. Vi kan beregne at denne massen må eksistere, bl.a for å holde galaksene sammen, men vi vet ikke hva den består av enda. De siste 70% av massen i universet utgjøres av den mørke energien, den som motvirker tyngdekreftene mellom galaksene og blåser opp selve rommet i universet, slik at avstanden mellom galaksene øker mer og mer. Også her betyr ordet «mørk» ukjent. Forhåpentligvis klarer framtidens forskere å finne ut av hva mørk materie og mørk energi består av. Nok om det, her.

For nå skal vi dykke inn i atomenes verden. Vi vet foreløpig om 118 ulike grunnstoff, stoffer som som kun består av én type atomer. Alle andre stoffer (de fleste) er sammensatt av ulike grunnstoffer, altså av ulike atomer. Disse sammensatte stoffene kalles kjemikalier, og da tenker vi på flere stoffer enn de kunstig framstilt kjemikaliene. Selv helt naturlig vann er et kjemikalie, det er sammensatt av hydrogen- og oksygen-atomer. Kjemisk formel for vann er H₂O, kjemisk navn er dihydrogenmonoksid, noe som betyr at hvert vannmolekyl består av to hydrogenatomer og ett oksygenatom.

Det aller enkleste og letteste grunnstoffet er hydrogen. Hydrogenatomet består av ett elektron, en negativt ladet elementærpartikkel og ett proton, en positivt ladet kjernepartikkel. Protonet er bygd opp av tre elementærpartikler, to opp-kvarker og én ned-kvark. Det finnes en annen type kjernepartikkel som består av bare én opp-kvark og hele to ned-kvarker. Slike partikler er bittelitt tyngre enn protoner, fordi ned-kvarker er tyngre enn opp-kvarker, og har en helt nøytral ladning, de kalles nøytroner. Det finnes varianter av grunnstoffene, såkalte isotoper, der atomkjernen innheolder ett eller flere nøytroner i tillegg til protonene. Noen av isotopene er radioaktive, men ikke alle.

Elementærpartiklenes masse oppstår fordi de yter ulik motstand i det såkalte higgs-feltet. Det berømte Higgs-bosonet, som ble påvist i 2012, et halvt århundre etter at fysikeren Peter Higgs beregnet at det måtte eksistere, er en god indikator på at higgs-feltet eksisterer. Litt forenklet kan vi si at de ulike elementærpartiklene får sin masse utfra hvor stor motstand de får når de «svømmer» i higgs-feltet.

Elektronets masse på 1,022 MeV (mega-elektron-volt) kommer kun av motstanden i higgsfeltet, og det gjør kvarkenes masse også, hver for seg. Men såvidt vi vet kan ikke kvarker opptre alene, de må alltid danne ulike kjernepartkler. Foreløpig vet vi om tolv ulike kvarker, men det er stort sett bare to av de som opptrer i den kjente materien, nemlig opp-kvarker og ned-kvarker, som altså kan danne protoner og nøytoner.

Og nå begynner det å bli spennende, for beregninger har vist at hver for seg har opp-kvarkene en masse (higgsfelt-masse) på 2,2 MeV og ned-kvarkene en masse på 4,7 MeV. Higgsfeltmassen til de tre kvarkene i et proton er altså på tilsammen 2,2 + 2,2 + 4,7 = 9,1 MeV. Men et proton veier faktisk hele 938 MeV. Så hvor kommer resten av protonmassen fra?

Credit: Science Photo Library

Det er nå vi må bringe inn E-en fra energiligningen, for det finnes en svært kraftig energitype som holder kvarkene samlet til protoner og nøytroner, og denne kalles fargekraften, eller fargeenergien. Og det er denne fargekraften som utgjør omtrent 99% av massen i kjernepartiklene, og dermed også mesteparten av massen i atomene, som alt vi vet om er bygd opp av. Navnet fargekraft har dog ingenting med farger å gjøre, elementærfysikerne trengte bare et unikt navn på denne bindingsenergien.

Så i bunn og grunn består stort sett alt i universet av energi, selv koppen du drikker fra eller vannet du drikker fra den eller alle stjernene og planetene og deg og meg. Elementærpartiklene, de egentlige masseobjektene i verden, de utgjør en forsvinnende liten del av all massen i universet. Mesteparten av massen i universet utgjøres altså av energi.
E=mc²

Les mer:
Enheten MeV (mega-elektron-volt), en sær måleenhet som brukes i elementærfysikk (engelsk Wikipedia)
Higgspartikkelen (forskning.no)
Fargekraft (norsk Wikipedia)