Berlingske Tidende (Univers) den 19. oktober 1999

Årets Nobelpris i fysik

Benny Lautrup
Niels Bohr Institutet

Den 12. oktober kom meddelelsen om, at Nobelprisen i fysik for 1999 var gået til hollænderne Gerard 't Hooft og Martin Veltman for, som det hed, deres ``belysning af elektrosvage vekselvirkningers kvantestruktur''. For de fleste vil kun det første ord give mening, resten af den korte begrundelse forekommer uforståelig. Det kongelige svenske videnskabsakademi gav som sædvanlig\footnote{Se http://www.nobel.se/announcement-99/physics99.html} en længere forklaring på, hvad det var, de to forskere havde fået prisen for, men den hjælper heller ikke meget på forståelsen, med mindre man allerede ved, hvad det drejer sig om.

Prisen falder inden for den teoretiske fysik, nærmere betegnet teoretisk partikelfysik, et område med et højt udviklet matematisk og formalistisk apparat. Man kan måske undre sig over, at prisen tildeles for rent teoretisk arbejde, fordi det gælder i fysikken som i anden virksomhed, at ren teori i sig selv er gold. Der laves masser af teori, der ikke fører nogen vegne hen.

Kun, hvis teori kan sammenlignes med eksperiment, og sammenligningen ikke fører til en modstrid, begynder omverdenen at acceptere teoriens rigtighed. Langsomt, men sikkert, leder denne selvjusterende proces til teorier med omfattende etablerede gyldighedsområder.

Det arbejde, 't Hooft og Veltman har fået prisen for, har ikke alene været afgørende for den videre teoretiske udvikling, men har i høj grad også muliggjort en detaljeret sammenligning med eksperimenter gennem de forløbne tredive år. Det er især det, der udløser prisen.

For at forstå, hvad de matematiske finesser egentlig bestod i, er det nødvendigt at gå lidt tilbage i historien, faktisk helt tilbage til kvantemekanikkens første år. Allerede i slutningen af 20'erne opstilledes den første model, som forbandt elektromagnetismen, relativitetsteorien og kvantemekanikken. Den blev --- naturligt --- kaldt kvanteelektrodynamikken og skulle i princippet kunne beskrive atomernes fysik i stor detalje.

De grundlæggende ingredienser i kvantelektrodynamikken er elektroner, partikler med både masse og elektrisk ladning, og fotoner, altså lyspartikler, som hverken har masse eller ladning. Dertil kommer en elementær strålingsproces, som består i, at elektroner kan udsende eller indfange fotoner.

I første tilnærmelse gik det også fint, men det viste sig ret hurtigt, at hver gang man forsøgte at beregne korrektioner fra indre stråling, hvorunder en elektron både udsender og indfanger en foton, gik det galt. Matematikken leverede simpelthen svaret uendelig, hvilket selvfølgelig er det rene vrøvl. Atomer har faktisk veldefinerede endelige energier, som kan bestemmes eksperimentelt.

Her stod problemet ved udbruddet af Anden Verdenskrig, hvor fysikerne fik andre ting at tænke på. Efter krigen kom løsningen så. Japaneren Tomonaga, og amerikanerne Schwinger og Feynman, viste, at de uendeligheder, der stod i vejen, kom fra indre strålingskorrektioner til elektronens masse og ladning, og kun derfra. Det eneste uberegnelige i hele teorien var altså disse korrektioner, og det betød, at hvis de kunne fjernes, ville teorien blive endelig.

Nu er det imidlertid sådan, at for eksempel elektronens masse før den bliver korrigeret for elektromagnetiske effekter, ikke er tilgængelig for målinger. Kun den fysiske masse, som indeholder disse effekter, er målelig. Hvis teorien derfor omformuleres, så at den kun indeholder den fysiske masse, bliver de uendelige elektromagnetiske korrektioner automatisk inkluderet og forsvinder fra teorien. Denne proces kaldes renormalisation.

Feynman, Schwinger og Tomonaga modtog i 1965 Nobelprisen for udarbejdelsen af de matematiske detaljer i renormalisationen. Gennem 50'erne og 60'erne benyttedes denne renormaliserede kvanteelektrodynamik til at beregne et utal af forfinede detaljer i den atomare fysik, og en række eksperimenter bekræftede teorien.

Problemet med uendelighederne ramte også andre teorier for elementarpartiklernes vekselvirkninger. For eksempel havde italieneren Fermi i 1934 opstillet en relativistisk kvanteteori for de svage kræfter, som er ansvarlige for beta-henfald i ustabile atomkerner. Men det stod hurtigt klart, at denne teori ikke tillod renormalisation, fordi uendelighederne dukkede op i alle sammenhænge, ikke blot som skygger af uendelighederne i masse og ladning.

Der var i 60'erne blandt partikelteoretikerne en stærk følelse af, at der måtte findes en underliggende teori for de svage kræfter af samme karakter som kvanteelektrodynamikken. Men medens fotonen i kvanteelektrodynamikken er masseløs og elektrisk neutral, så fordrede de svage kræfters korte rækkevidde og deres øvrige natur, at de tilsvarende partikler, kaldet vektorbosoner, måtte have en ret så stor masse og forekomme i elektrisk ladede former.

Allerede i 1954 havde amerikanerne Yang og Mills opstillet en matematisk model for ladede vektorbosoner. I midten af 60'erne udbyggede amerikanerne Glashow og Weinberg, samt pakistaneren Salam, denne model til en mere realistisk form. Selv om man håbede på, at disse modeller kunne renormaliseres, manglede der dog et bevis herfor.

Her stod man så endnu engang som ved Anden Verdenskrigs afslutning med det problem, at teorien godt nok kunne formuleres, men dog ikke lokkes til at give fornuftige resultater.

I begyndelsen af 1971 brød den unge Gerard 't Hooft, som på det tidspunkt var student af Martin Veltman, ind på scenen med et par artikler, hvori han hævdede og gav matematisk belæg for, at vektorteorierne faktisk kunne renormaliseres. Det var blot langt mere kompliceret end i kvanteelektrodynamikken. I efterfølgende artikler uddybede 't Hooft og Veltman beviset og opfandt langs ad vejen en meget nyttig matematisk metode til at håndtere uendelighederne på.

Med et slag var vektormodellerne af Glashow, Weinberg og Salam blevet tilgængelige for detaljerede beregninger og sammenligning med eksperimenter. Og det gik faktisk hurtigt. Allerede i 1979 modtog disse forskere Nobelprisen i fysik for deres model, selv om vektorbosonerne først blev opdaget i 1983 på accelerator-laboratoriet CERN i Gen\`eve.

Men det var ikke blot de svage vekselvirkninger, der blev tæmmet med 't Hooft's matematiske indspark. I sommeren 1972 var der en lille konference i Marseille med ikke meget mere end tyve deltagere, heriblandt 't Hooft og Veltman (og undertegnede). Ved dette møde, hvor diskussionen gik meget på de nye teoriers struktur, rejste den unge student sig op og lod en bombe springe, som senere skulle vise sig at have enorm betydning for forståelsen af de stærke kræfter, der holder atomkernerne sammen.

Han hævdede, at nye beregninger viste, at vektormodellerne havde fysiske egenskaber, der var meget forskellige fra kvanteelektrodynamikkens. Medens kvanteelektrodynamikkens kræfter er svage ved lave energier og bliver stærke ved høje, forholdt det sig lige omvendt i vektormodellerne. Dette fænomen kaldes asymptotisk frihed.

Nobelkomiteen har valgt ikke at omtale dette bidrag, formodentlig fordi historien ikke er helt klar på dette punkt, idet 't Hooft ikke publicerede sit resultat umiddelbart efter mødet i Marseille på trods af, at han blev stærkt rådet til det af den nu afdøde tyske fysiker Symanzik. Andre beregnede senere den samme effekt og videreudviklede teorien for asymptotisk frihed.

Inden for få år førte renormalisationen og den asymptotiske frihed til opstillingen af den teori for de stærke kræfter, som går under navnet kvantekromodynamikken. I denne teori bevirker den asymptotiske frihed, at højenergetiske sammenstød mellem kernepartikler kan beskrives forholdsvis simpelt, og at det faktisk forholder sig sådan, blev eksperimentelt bekræftet i slutningen af 70'erne.

Efter fremkomsten af strengteorierne i midten af 80'erne forlod forskningens fokus vektorteorierne. Disse teorier var nu langt hen ad vejen forstået, og desuden fremkom de naturligt som en konsekvens af strengteorierne. Mange følte også et behov for at komme i clinch med de grundlæggende spørgsmål, der underligger renormalisationen. For selv om renormalisationen tillader at omgå de uendeligheder, der opstår, så er det stadig relevant at stille det fysiske spørgsmål om, hvad for eksempel strålingsbidraget til elektronens masse er. Disse spørgsmål er stadig uafklarede.

Mange vil måske undre sig over, at 't Hooft ikke fik prisen helt alene. Men selv om 't Hooft vitterligt skrev de første to artikler med sig selv som eneforfatter, valgte Nobelkomiteen klogt at lade ham dele prisen med Veltman.

Først og fremmest var 't Hooft som sagt student af Veltman, og blev sat ind i problemet af ham. Men det er også velkendt, at Veltman gennem 60'erne havde arbejdet med vektorteorier og publiceret sine resultater, uden dog at finde løsningen på spørgsmålet, om de kunne renormaliseres. Dertil kommer, at det ikke er alle lærere, der automatisk skriver deres navn på studenternes publikationer, selv om de måske har haft stor indflydelse på dem.

Endelig skal det nævnes, at et vigtigt bidrag til beregningerne var et program, SCHOONSHIP (hvilket siges at betyde ``klart skib'' på hollandsk), som Veltman egenhændigt havde udviklet i 60'erne. Programmet var i stand til at udføre symbolske --- i modsætning til numeriske --- beregninger og hjalp med at holde styr på den omfattende formalisme i de nye teorier. Programmet var i øvrigt en af forløberne for det nu så berømte Mathematica.

Som kuriosum kan det også nævnes, at programmet bestod af 15,000 linier ukommenteret assembler kode. Jeg var ihærdig bruger af programmet på CERN i begyndelsen af 70'erne, og Veltman fortalte mig engang, at han havde skrevet det så, at ingen systemprogrammør nogen sinde ville kunne forstå det! Han nærede en veritabel afsky for disse folk, fordi de lagde hindringer i vejen for hans frie udfoldelse på den ene computer, alle på CERN dengang måtte deles om.

Denne anekdote vidner lidt om de meget forskellige personligheder, de to forskere besidder. Medens 't Hooft er kølig, korrekt, høflig og præcis, er Veltman varm, politisk ukorrekt, temperamentsfuld, nærmest en utæmmet naturkraft. Forskellighederne kan ikke have været nemme at komme om ved, men at det lykkedes dem i fællesskab at skabe det resultat, de nu får Nobelprisen for, bekræfter, at fysik dyrkes af rigtige mennesker, ikke af stereotyper.

Deres arbejde har været en del af fysikkens store sag gennem århundreder, nemlig opnåelse af den dybeste indsigt i naturen, og ser ikke ud til at have en eneste brugbar, samfundsnyttig konsekvens --- endnu. Det burde give lidt stof til eftertanke til de teknomaner, som mener, at forskning altid bør have umiddelbar nytteværdi. Der gives også i forskningen --- med den gamle digter Carsten Hauch's ord --- stjerner som ikke lyser for Jorden, men over den.