eksperiment

Den britiske fysiker Ernest Rutherford skal engang have sagt, at kun gennem et liv i laboratoriet kan man lære sig, hvad fysik egentlig er. Rutherford var selv en enestående eksperimentalfysiker, som gjorde en stribe banebrydende, atomfysiske opdagelser i begyndelsen af 1900-tallet, og som særlig huskes for et pionereksperiment, der stadig bærer hans navn. Med sine data kunne han som den første fastslå, at atomet har en kerne af lille udstrækning, hvori næsten hele atomets masse er koncentreret.

Rutherford har ret i, at eksperimentet har en central plads i fysikken. Det er ofte en laboratorieundersøgelse af et isoleret fysisk fænomen eller fænomenkreds, udført med passende registrerings- og måleapparatur. Eksperimentet kan gå ud på blot at identificere og registrere en fysisk effekt, evt. en hidtil ukendt effekt. Men i reglen sigter eksperimentet videre, nemlig mod en systematisk, kvantitativ måling af væsentlige egenskaber ved det undersøgte fænomen, evt. en serie målinger udført under forskellige eksperimentelle betingelser. Som eksempel kan nævnes en måling af et metalstykkes elektriske ledningsevne ved forskellige temperaturer.

Der gives ingen speciel opskrift på udformningen af et eksperiment, og mangfoldigheden af eksperimentelle opstillinger kender ingen grænser. Men eksperimentet skal kunne beskrives så nøjagtigt, at andre har mulighed for at gentage det og overbevise sig om, at resultatet kan reproduceres. Derfor er det væsentligt, at det undersøgte fænomen isoleres så godt som muligt ved eksperimentets udformning, så at forstyrrende effekter kan udelukkes eller reduceres til et minimum. Eksperimentalfysikeren vil altid være på jagt efter systematiske eller tilfældige fejl i de målte data, og jo "renere" forsøgsopstillingen er, jo mere kan man håbe på, at fejlene er eliminerede eller i al fald blevet betydningsløse.

Fysiske eksperimenter udføres altid på baggrund af teoretiske overvejelser. Måske sigter eksperimentalfysikeren mod at verificere eller belyse en fysisk teori, måske har man en formodning om, at teorien er forkert. Det kan siges at være eksperimentatorens kunst at kunne skelne mellem på den ene side trivielle fejl og utilsigtede påvirkninger af eksperimentet, og på den anden side påvisningen af en reelt ny fysisk effekt eller et nyt fænomen. "Har jeg vendt strømmen galt i magnetspolen, eller har jeg opdaget en ny partikel?"

Filosofien bag et fysisk eksperiment er grundlæggende den samme i dag, som den var i begyndelsen af 1800-tallet. Der skal opsamles pålidelige og renfærdige, primære data, og analysen af disse data skal kunne præsenteres på en logisk og overbevisende måde. Men i takt med teknologiens udvikling har eksperimenterne ændret udseende, og samtidig er en mangfoldighed af nye fysiske fænomener rykket ind i laboratorierne. I 1800-tallet sigtede fysikkens eksperimenter mod "klassiske" fysiske systemer, som man kunne se på, høre på, føle på, måle på med målestokke, veje på en vægt, følge på et ur osv. Siden 1900-tallet har fysikkens interesse flyttet sig ind mod mikroverdenens fænomener, mod det der sker i atomet, i atomkernen og i elementarpartiklernes verden, mod den atomare beskrivelse af faste stoffer osv.

Men prisen for den megen ny erkendelse er manglende håndgribelighed. For almindelige mennesker er fysikken siden 1900-tallet blevet fuld af tilsyneladende paradokser: Naturen er ikke længere det, vi umiddelbart oplever med vore sanser. Den faste jord, vi går på, er for størsteparten, hvad man kan kalde et tomt rum. Det rigtig tomme rum, vakuum, indeholder til gengæld energi og kvantefluktationer. Den traditionelle og enkle forestilling om en fysisk partikel som noget tungt stof samlet i et lille område af rummet fortaber sig i en kompleks begrebsverden, når partiklen ses gennem den moderne fysiks briller. Og vore dages fysikere taler om felter, som var det noget håndgribeligt, selvom vi aldrig kommer til at "se" et felt.

Selvom fysik har fjernet sig fra hverdagsoplevelsen, hviler fysikkens billede af verden stadigvæk på konkrete eksperimenter med måleresultater, som skal være håndfaste og reproducerbare. I den forstand er 1800-tallets og vore dages fysik ens: Udfaldet af kontrollerede og systematiske laboratorieeksperimenter er prøvestenen for gyldigheden af en fysisk teori. Men det er blevet sværere og sværere at forbinde hverdagens fænomener med det, der foregår i fysikernes laboratorium.

I den sammenhæng er det tankevækkende at sammenstille to fundamentale fysiske eksperimenter, et fra begyndelsen af 1800-tallet og et fra for nylig, nemlig fra slutningen af 1900-tallet.

I 1820 opdagede H.C. Ørsted en iøjnefaldende sammenhæng mellem elektricitet og magnetisme, og det i en tid, da fysikerne ellers mente, at de to fysiske fænomener var helt adskilte. I 1995 kunne en gruppe fysikere ved det store Fermi National Laboratory (FNAL) i USA dokumentere, at en ny kvark-partikel, den såkaldte top-kvark, faktisk eksisterer. Top-kvarken var teoretisk forudset, men ikke observeret før eksperimentet ved FNAL.

H.C. Ørsteds berømte eksperiment var til at forstå for en bred offentlighed. En magnetnål med en nordpol og en sydpol kender vi fra et gammeldags kompas. Og det er en dagligdags erfaring, at der går elektrisk strøm i en kobbertråd, når tråden forbindes til polerne af et elektrisk batteri. Enhver kan med egne øjne se det, som Ørsted iagttog som den første: Magnetnålen svinger ud, når den strømførende kobbertråd holdes tæt hen over magnetnålen. Det enkle og letforståelige eksperiment viser uigendriveligt, at der er en forbindelse mellem nålens magnetisme og trådens elektriske strøm. Er man kommet så vidt, er det nærliggende at gætte på, at to kobbertråde med hver sin elektriske strøm påvirker hinanden direkte, hvis de bringes tæt sammen. Det viser sig at være tilfældet, og det ligger nu snublende nær at gøre eksperimentet kvantitativt. Hvor meget ændrer kraften mellem de to tråde sig, hvis strømmen i den ene tråd fx gøres dobbelt så stærk? Det kan måles i et nyt eksperiment, og der kan opstilles en matematisk formuleret lov for kraften mellem trådene. Den lov kan afprøves ved flere, nye forsøg. Alt foregår inden for en begrebsramme, som de fleste vil kunne finde sig til rette med. Det er klassisk fysik i en nøddeskal.

Lige så gennemskueligt som Ørsteds eksperiment kan fremstå, lige så dunkel kan vejen til top-kvarken forekomme. Fysikerne havde tidligere identificeret fem forskellige kvarktyper, og man formodede teoretisk, at der skulle være i alt seks. Resultatet fra FNAL var derfor en triumf: Det manglende familiemedlem var fundet, og top-kvarken havde egenskaber som forventet. Eksperimentet foregik ved en stor accelerator, der kan frembringe stråler af hurtige og energirige protoner og antiprotoner. Ved sammenstødet mellem en proton og antiproton kan der skabes et par af en top-kvark og dennes antipartikel anti-top-kvarken (som dog ikke hedder en bund-kvark!). De to partikler henfalder til nye partikler på en så speciel måde, at fysikernes instrumenter kan registrere et karakteristisk "fingeraftryk" af top-kvarken. Efter mange "kørsler" med eksperimentet kunne FNAL-fysikerne registrere mere end 40 af den slags fingeraftryk, og en detaljeret analyse af hele datasættet overbeviste gruppen om, at top-kvarken nu var definitivt identificeret.

Kontrasten mellem de to århundreders fysik er ikke til at tage fejl af. Mens Ørsteds forsøg forekommer nært og "virkeligt", er kvarkeksperimentet så fjernt fra dagligdagen, at næsten intet i det forekommer "virkeligt". En stråle af antiprotoner, hvad er dog det? Hvordan registrerer man alle disse partikler i laboratoriet? Hvad forbinder man overhovedet med en kvarkpartikel? Hvorfor er det så interessant at finde en manglende kvark, at man vil bruge millioner af dollars på eksperimentet?

Den professionelle partikelfysiker har naturligvis ingen vanskeligheder med at vurdere fornuften i kvarkeksperimentets perspektiv. Og eksperten vil selvfølgelig også kunne vurdere lødigheden af selve forsøgsopstillingen og af resultatet. Men selv for fagfysikere fra andre grene af fysikken opstår der et troværdighedsproblem: De andre fysikere må tro på top-kvarkens eksistens, fordi de har tillid til, at eksperimentet er udført af erfarne kolleger, og at gruppen fra FNAL har været igennem en lang analyseproces, der har givet et entydigt resultat. Og FNAL-gruppen har naturligvis også måttet fremlægge deres resultat for andre erfarne partikelfysikere. Alligevel burde et så vigtigt eksperiment naturligvis afprøves af andre grupper, men afprøvningen forudsætter et acceleratorlaboratorium af tilsvarende dimensioner og vil være kostbar og langvarig. I praksis må vi indstille os på, at top-kvarkens eksistens er fastslået i et enkelt, førende laboratorium, og at vi foreløbig må være tilfredse med det.

Lad os igen vende tilbage til Ørsteds eksperiment. Allerede på Ørsteds egen tid, og allerede mens hans eksperiment endnu havde nyhedens interesse, var det let at formidle indholdet og betydningen af eksperimentet med magnetnålen og den elektriske strøm. Mange andre af de banebrydende, fysiske eksperimenter i 1800-t. var på samme måde nært knyttede til dagligdagens erfaringer, og eksperimenternes betydning for fysikkens verdensbillede kunne forklares i grove træk til en interesseret og forudsætningsløs offentlighed.

Med opdagelsen af top-kvarken i 1995 er det en anden sag. Alene en forklaring af selve eksperimentets udformning, en beskrivelse af de store elektroniske detektorer, af acceleratorens konstruktion og funktion osv. fortaber sig hurtigt i tekniske detaljer, som mange med god grund vil opleve som uforståelige. Endnu mere kompliceret bliver det, når man kommer til selve analysen af de eksperimentelle data og til den sluttelige konklusion, at top-kvarken er identificeret og dens masse bestemt. Og så begynder først det rigtig interessante for en bredere offentlighed, nemlig konsekvensen af eksperimentet for fysikkens verdensbillede. Hvorfor er det så fundamentalt og vigtigt at kunne identificere netop denne partikel, og hvad nyt fortæller opdagelsen os? Så skal man i gang med elementarpartikelfysikernes Standardmodel, og der vil de fleste almindelige mennesker nok give op.

Lige så fjerne kan mange andre fundamentale eksperimenter i moderne fysik forekomme: fremstilling og påvisning af antibrintatomer, eksperimenter til påvisning af neutrino-oscillationer, identifikationer af sorte huller i verdensrummet, påvisning af Bose-Einstein-kondensater, jagten på Higgs-bosonen (påvist i 2012) osv. Alene terminologien kan blokere, for slet ikke at tale om en beskrivelse af selve eksperimentet. Lægmanden må forlade sig på eksperternes ord, og selv erfarne fysikere vil ofte have svært ved at vurdere lødigheden af et fundamentaleksperiment, hvis deres speciale ligger fjernt fra eksperimentets område.

Eksperimentel bekræftelse vil fortsat være det nåleøje, som en fysisk teori må kunne passere for at vinde almindelig accept. Fysiske teoridannelser, som unddrager sig muligheden for afprøvning ved eksperiment eller observation, kan besidde stor matematisk skønhed og elegance, men det er teorier, der strengt taget falder uden for fysikkens domæne. Man kan spore en sådan tendens i nutidens elementarpartikelfysik. På den ene side en tendens mod sofistikerede og undertiden ret spekulative teoridannelser, på den anden side en tendens mod eksperimenter af gigantisk omfang, størrelsesmæssigt og tidsmæssigt. Fortsætter fysikkens udvikling i retning af mere big science, dvs. mod stadig større og stadig mere komplicerede eksperimenter og derfor også med årelange tidshorisonter, før et resultat foreligger, så vil fysikken som videnskab risikere at blive yderligere fremmedgjort i manges bevidsthed.

Men det er da også tænkeligt, at big science er ved at kulminere som en epoke i fysikkens historie, at den fysiske videnskab i 2000-tallet vil udvikle sig hen mod en ændret balance mellem big science og small science. Inden for højaktuelle områder som lavtemperaturfysik, overfladefysik, laserfysik, kaosfænomener, superledning ved "høje" temperaturer mfl. dyrkes der en stor og voksende flora af betydningsfulde og mere overskuelige eksperimenter. Mange af disse emner har oven i købet en forståelsesbaggrund, der ligger tættere ved hverdagens fænomener. Måske er det i det lange løb eksperimenter inden for small science og fortællingen om den slags eksperimenter, som vil kunne levendegøre fysikken i offentlighedens øjne, i højere grad end tilfældet er i dag. Det originale, fysiske eksperiment er stadigvæk en elementær manifestation af menneskets grundlæggende videbegærlighed og kreativitet. Men fysikerne vil snyde deres medmennesker, hvis samtlige deres eksperimenter, og den begrebsramme eksperimenterne fungerer i, kun er tilgængelige for eksperten. Ørsteds samtidige kunne forstå hans forsøg, og de kunne dele hans glæde. Den fornøjelse skulle fysikerne gerne fortsat kunne bibringe andre mennesker.

Eksperimentets kunst — og en kunst er det, ikke blot et håndværk — kendes også fra videnskaber som biologi, medicin, psykologi, kemi og til en vis grad endda matematik. I sidstnævnte videnskab kan det undertiden være nærliggende at "afprøve" sandhedsværdien af et matematisk udsagn ved at indsætte talværdier. Er udsagnet sandt for et større antal numeriske værdier, kan man måske formode, at der er tale om en matematisk sætning med generel gyldighed. Men modsat fysikken gælder i matematikken til syvende og sidst kun det sammenhængende, fuldstændige, logisk uangribelige bevis. Selvom et matematisk udsagn holder stik for hundrede millioner værdier, behøver udsagnet dog ikke at være generelt sandt. Udsagnet falder til jorden, hvis det blot viser sig at være usandt for en enkelt værdi af den pågældende størrelse. Men numeriske afprøvninger har dog ofte kunnet inspirere matematikkens udvikling, fx inden for talteorien.

Fysikken indtager en særstilling i videnskaberne ved sin ejendommelige blanding af matematisk teoribygning og eksperimentel afprøvning af naturens fænomener. Det er meningsløst at spørge, hvad der kom først — eksperimentet eller teorien. Eksperimentet ledes af teorien, teorien inspireres af eksperimentet; og teorien må undertiden bøje sig for eksperimentets resultat, hvis dette ellers er overbevisende nok. Eksperimentatorerne derimod er på evig jagt efter svagheder eller huller i teorierne, ikke drevet af sadisme, men fordi de ved, at den uophørlige eksperimentelle afprøvning — også af fænomener, der anses for velkendte — er den nøgle, der kan åbne døre til ny erkendelse.

• tankeeksperiment
• naturvidenskab
• videnskab
• videnskabsteori
• videnskabsmand