Fysik: Einstein hade rätt igen

Tidigt på morgonen den 5 juni 1995 kunde fysikerna Carl Wieman och Eric Cornell vid Universitety of Colorado för första gången se en klump atomer som var varken gas, vätska eller fast materia.

– Vår lilla klump är den enda av sin sort i hela universum, såvida inte något annat laboratorium på någon annan planet har gjort liknande försök, sade Wieman den dagen.

Och därför får Carl Wieman och hans yngre kollega Eric Cornell Nobelpriset i fysik i år.Men konkurrensen var hård, och bara några månader senare fanns det en lika kall atomklump i Wolfgang Ketterles laboratorium utanför Boston. Trots att Ketterle blev tvåa i denna kapplöpning får han vara med och dela Nobelpriset i år. Han har nämligen förbättrat tekniken och liksom föregångarna utvecklat forskningsfältet vidare.

Atomer utan identitet

Den nya materiesorten kallas Bose-Einsteinkondensat efter Albert Einstein och Satyendra Nath Bose som föreslog möjligheten. På 1920-talet skickade en drygt trettioårig bengalisk fysiker – Bose – sina beräkningar på ljuspartiklar till den redan då berömde Einstein och fick tillbaka ett vykort där Einstein lovprisade hans insatser. Vykortet blev Boses biljett till Europa, medan Einstein utvidgade beräkningarna till att gälla även atomer.

Enligt teorin skulle alla atomer i en gas som kyls ner till extremt låg temperatur plötsligt samlas i ett och samma energitillstånd – det lägsta möjliga kvanttillståndet. Processen liknar den när vätskedroppar bildas ur en gas och kallas därför kondensation. När man lyckas få gasatomer att hamna i detta kvanttillstånd beter de sig som en enda atom: de har samma energi och rör sig i takt med varandra. Då blir kvanteffekter som annars gäller bara i atomernas mikrovärld tusentals gånger förstorade.

Det skulle dröja sju decennier tills Wieman och Cornell för första gången fick fram kondensatet. Det bestod av cirka 2 000 atomer av grundämnet rubidium kylda ner till 17 nanokelvin, dvs bara 0,000000017 grader över den absoluta nollpunkten – den temperatur då alla rörelser stannar av. I 15 sekunder, enligt upptäckarna ”en hel evighet”, blev det lilla atommolnet till en enda stilla frusen jätteatom tills förtrollningen släppte. För säkerhets skull förevigades bedriften med några laserfoton.

Ett givet pris

Ketterle å sin sida kylde ner många fler – miljontals – atomer natriumgas till en ”superatom” som han sedan kunde studera närmare. Han visade att det verkligen rörde sig om ett Bose-Einsteinkondensat.

Dessutom lyckades Ketterle ett par år senare, 1997, att konstruera världens första atomlaserstråle. Liksom alla ljuspartiklar i en vanlig laser svänger i takt, rör sig även atomerna i atomlasern helt unisont. För att tvinga dem till detta knuffade Ketterle ut Bose-Einsteinkondensatet portionsvis ur sin behållare och lät ”strålen” falla ner med hjälp av jordgravitationen. Pulsernas storlek reglerades med radiovågor som användes för att få atomerna ut från kondensatet. Så uppstod världen första pulserande atomlaserstråle. Att få fram en komplett atomlaser är nästa stora utmaning.

Fysik är i första hand experiment – annars skulle det vara matematik. Därför var det viktigt att med handling visa vad teorin hade räknat fram redan drygt 70 år tidigare. Så det var inte fråga om utan när Nobelpriset skulle gå till det allra första Bose-Einsteinkondensatets skapare.Fast först, för fyra år sedan, belönades de forskare som hade utvecklat metoder att kyla ner atomerna och fånga dem i fällor (se F&F 8/97). Gasens atomer får frontalkrocka med laserstrålar som lyser in i fällan från sex olika håll. Med hjälp av magneter hålls atomerna på plats samtidigt som de varmaste atomerna, alltså de som rör sig snabbast, tillåts läcka ut. Kvar blir de kallaste som plötsligt slår ihop sig till en oigenkännbar massa – ett kondensat där alla ser ut som en. Allt försiggår naturligtvis i vakuum – kontakt med annan materia bryter omedelbart det magiska tillståndet.

Att tala atomernas språk

I det här tillståndet uppvisar materieklumparna ett kvantbeteende som annars är otillgängligt för direkta studier. Kvantegenskaperna försvinner nämligen redan på ett tidigt stadium när materia klumpar ihop sig till vår vardagsvärld. Samtidigt tror fysikerna att det är materiens kvantegenskaper som är naturens yttersta hemlighet.

För på samma sätt som språket är uppbyggt av ett par dussin bokstäver så är all materia som vi känner till – stolar och bord, människor och växter, solar och planeter – uppbyggda av en begränsad uppsättning partiklar. Elektronerna, gluonerna, kvarkarna och de andra partiklarna är bokstäver i naturens alfabet. Med detta lilla alfabet bildas ord, och det är atomerna. Hur i sin tur meningar bildas av dessa ord vet forskarna inte exakt, men de vet att det är kvantteorins lagar som är naturens grammatik.I kvantfysikens värld kan man inte vara riktigt säker på någonting. Den styrs av slumpen och tillfälligheter och ter sig märklig och mystisk samtidigt som den är svår att studera. Därför behövs avancerade tricks, som det med Bose-Einsteinkondensatet, för att kunna tränga in i denna mikrovärld.