Atomfysikkens genier i politikkens jerngrep
KronikkKronikk i Aftenposten 28. september 2002
av Gaute T. Einevoll, professor i fysikk, UMB.
Gaute Einevoll
Foto: Kjersti Sørlie Rimer
Forklaringen på suksessen er trolig at de dramatiske omstendighetene rundt møtet mellom de to intellektuelle gigantene gir et ideelt tilspisset bakteppe for almene menneskelige spørsmål. Det var en tid med store oppdagelser i fysikken, men også en tid da demokratiet nesten falt i Europa. Atomets avslørte hemmeligheter ble hentet inn på verdenspolitikkens arena.
Selve idéen om at alt levende og dødt materiale består av udelelige byggeklosser, atomer, er mer enn 2000 år gammel, men først på 1800-talle ble det gjort målinger som bekreftet denne hypotesen. Utover 1800-tallet ble stadig flere atomer funnet, og når vet vi om litt over 100 forskjellige ulike atomer, eller grunnstoff. Alt vi ser rundt oss, er ulike sammensetninger av disse grunnstoffene.
Selv om atomhypotesen sto sterkt for 100 år siden, visste man lite om hva atomene består av eller hvorfor ulike atomer har så forskjellige egenskaper. Den første nøkkelen til mysteriet kom i 1897, da det ble oppdaget at atomet ikke var helt udelelig likevel. Påførte sterke krefter, kunne små, negativt ladede partikler, kalt elektroner, løsrive seg fra atomets indre.
Denne oppdagelsen regnes som starten av den moderne fysikk.
I de påfølgende 30 år ble atomet fravristet sine største hemmeligheter, og de som førte til utvikling av kvantemekanikken, var mer oppsiktsvekkende enn noen fysiker kunne gjettet på forhånd.
Kvanteteorien inngår nå som en av de grunnleggende naturlover, og det 20. århundret vil trolig bli stående som den tid da mennesket avdekket spillereglene i naturen. Samtidig er vår forståelse av hvordan disse reglene gir opphav til kompliserte molekyler, celler, dyr og mennesker, svært ufullstendig og en sentral utfordring for forskere.
Som en analogi til sjakkspillet kan man si at vi har lært reglene for hvordan sjakkbrikkene kan flyttes. Men, som sjakkspillere vet, er det et stort sprang fra å kunne reglene til å være en mesterspiller.
Den danske fysikeren Niels Bohr (1885-1962) er en av dem som fikk sitt navn risset inn med gullskrift i historiebøkene ved avdekking av atomets hemmeligheter. Han skapte furore da han i 1913 foreslo en grensesprengende ny modell for atomets struktur.
Bohr tok utgangspunkt i ferske eksperimenter som hadde vist at atomene har en liten, men tung, positiv kjerne med elektroner svirrende rundt. Videre presenterte han det nyoppdagede kvanteprinsippet og postulerte at elektroner bare kan gå i bestemte baner rundt kjernen. Modellen forklarte perfekt den observerte lysutsendelsen fra det enkleste atomet, hydrogen, som kun har ett elektron.
Selv om Bohrs modell ikke kunne forklare lysutsendelsen fra andre atomer og åpenbart ikke kunne representere den endelige sannhet, var den et viktig fremskritt. Den ga ham også Nobelprisen i fysikk i 1922.
Med denne modellen ble Bohr en av verdens ledende atomforskere. I 1916 ble han professor i København og snart leder for sitt eget institutt for teoretisk fysikk.
Institutt samlet de fremste unge fysikktalenter i Europa, blant dem den lynende intelligente og ambisiøse tyskeren Werner Heisenberg (1901-1976), og ble et senter for utviklingen av kvanteteorien. Mens relativitetsteorien, den andre store fysikkteorien fra denne perioden, i stor grad var Einsteins enmannsverk, ble kvanteteorien utviklet ved aktiv dialog mellom mange fysikere med Bohr i sentrum.
Kvanteteorien sto i all hovedsak ferdig i 1927, da den såkalte København-fortolkningen lå klar. Bildet av atomet var, som i Bohrs opprinnelige modell, en liten kjerne omgitt av elektroner.
Elektronene følger imidlertid ikke Newtons mekanikk som ting vi kjenner fra dagliglivet. De følger en annen mekanikk, kvantemekanikken, matematisk beskrevet med en ligning, kalt Schrödinger-ligningen etter opphavsmannen. Denne ligningen har vist seg ikke bare å beskrive atomer, men også molekyler (satt sammen av atomer).
En kan derfor si at kvantemekanikken knyttet sammen fysikk og kjemi til ett fagfelt. Men selv om kvantemekanikkens matematiske ligninger beskriver naturen nøyaktig, har tolkningen av den budt på mye hodebry. Begrepet "komplementaritet" ble innført av Bohr for å beskrive ett av kvantemekanikkens underligste særtrekk:
Et elektron kan ikke beskrives som kun en partikkel eller kun en bølge, den er begge deler. Om ikke det er forunderlig nok, så er det hvilken måling en observatør velger å gjøre som bestemmer om en ser elektronets bølge- eller partikkelegenskaper.
Heisenbergs berømte usikkerhetsrelasjon beskriver denne dobbeltheten matematisk. Den sier at det er en naturgitt, uunngåelig begrensning på hvor nøyaktig man kan måle et elektrons hastighet og posisjon samtidig. Men mange elektroners gjennomsnittlige oppførsel er nøyaktig bestemt, og derfor utnyttes kvantemekaniske fenomener i dag i en lang rekke teknisk apparatur. Datamaskiner og mobiltelefoner er to eksempler. Et annet er laserne i automatisk prisavlesning i matbutikkene.
På 1930-tallet ble kvantemekanikken anvendt til å forstå egenskapene til atomets ørlille kjerne. Bohr og Heisenberg spilte sentral rolle på teorisiden. De fant at kjernen, i motsetning til elektronet, kan deles opp ytterligere, men at kun to kjernebyggesteiner fantes, protoner og nøytroner.
I 1939 fikk forskerne en dramatisk innsikt: Kjerner til store atomer, som uran, kan splittes i to når de treffes av et nøytron, med samtidig frigjøring av store mengder energi.
Tanken om en bombe med uovertruffen ødeleggelseskraft meldte seg som en teoretisk mulighet, sammenfallende i tid med starten på den annen verdenskrig. På begge sider av konflikten fryktet man at motstanderen utviklet atomvåpen.
For Heisenberg var 30-årene vanskelige etterhvert som nazifiseringen av Tyskland grep om seg. Raseidéene ga seg utslag i fysikkmiljøet, og ikke-jøden Heisenberg ble angrepet for å undervise "jødefysikk" som inkluderte relativitetsteorien (utviklet av jøden Einstein) og kvanteteorien. Nazistenes fremmarsj førte til en masseutvandring av ledende fysikere, ofte jøder, fra Tyskland til Ungarn og Italia til USA.
Heisenberg var ikke nazist, dog en tysk patriot, og valgte å bli. Da krigen kom, ble han en av lederne for det tyske atomprogrammet. Bohr, som hadde jødisk mor, satt i en svært utsatt posisjon på sitt institutt i et okkupert Danmark inntil han rømte til England via Sverige og senere til USA i 1943.
Det tyske atomprogrammet førte heldigvis ikke til at Hitler fikk en atombombe i hendene. Heisenberg og de andre tyske fysikerne jobbet etterhvert hovedsakelig med å lage en atomreaktor for kraftproduksjon, og her inngikk tungtvannet fra Norge. Om de tyske fysikerne ikke var flinke nok til å bygge en atombombe eller om de i det stille saboterte et slikt prosjekt for ikke å gi Hitler et slikt våpen, er blitt heftig diskutert. Uansett hadde neppe det tyske samfunn nok industrielle ressurser mot slutten av krigen til å kunne bomben.
Heldigvis, kan en si, er naturen så viselig innrettet at naturlig uran ikke enkelt kan brukes i en atombombe, kun den sjeldne isotopen uran-235 kan benyttes. Separering av isotopen fra naturlig uran er meget vanskelig, og fremstilling av tilstrekkelig mengde til en bombe krever store industrielle anlegg.
Høsten 1941, mens Tyskland så ut til å vinne krigen, foretok Heisenberg et myteomspunnet besøk til Bohr i København. Under utviklingen av kvanteteorien 15 år tidligere hadde de to utviklet et nært vennskap, nærmest et far-sønn-forhold. Den gang var det vitenskap og ny erkjennelse det sto om. Fysikken hadde inntatt verdenspolitikkens fremste scene, som de neppe ønsket å være på og heller ikke hadde særlig erfaring fra. I tillegg sto de på hver sin side av konflikten.
Ville Heisenberg rekruttere Bohr til å jobbe for tyskerne? Ville han varsle de allierte, som han regnet med Bohr hadde kontakt med, om at tyskerne ikke ville bygge en bombe? Ville han prøve å medvirke til en ikke-forskningspakt på atomvåpen mellom alle verdens fysikere?
Selv ikke etter krigen greide en å få klarhet i dette. Heisenberg var upresis og Bohr lukket. Og stykket "Copenhagen" etterlater, naturlig nok, spørsmålene ubesvart.
Oppdatert: 23.03.09
Utskriftsvennlig versjon
Del med en venn:
Kommunikasjonsavdelingen
Universitetet for miljø- og biovitenskap
Postboks 5003
1432 Ås
Universitetet for miljø- og biovitenskap
Postboks 5003
1432 Ås