Vad är det största som finns?

Storleken på det största vi idag känner till är ungefär en procent av hela det universum vi kan se. "Det" är ett platt område med galaxer, d.v.s inget enskilt objekt. Området är nära tusen miljoner ljusår långt och omkring femtio miljoner ljusår tjockt. Man kan inte säkert säga hur många galaxer som finns i området, men det kan vara flera hundra tusen.

För att jämföra avstånden med någonting kan man se på avståndet till vår närmaste galaxgranne, som är två miljoner ljusår. Till den närmaste stjärnan i solsystemet är det fyra ljusår. Jämfört med storleken på det universum vi kan se upptar området, som kallas för Stora väggen, ungefär en procent av universums diameter. Avståndet från vår galax, Vintergatan, till Stora väggen är uppemot fyra hundra miljoner ljusår.

Vad är det minsta som finns?

Materiens innersta

Ett stort steg på vägen till att beskriva mycket små partiklar kom på 1920- och 1930-talen när fysiker kartlade atomen. Atomerna bygger upp alla grundämnen och kemiska föreningar som vi och vår värld består av. Bilden av atomen är en kärna kring vilken elektroner kretsar.

Atomen är mycket liten, mindre än en miljondels millimeter, men i partiklarnas värld är den en jätte. Fysikerna har inte nöjt sig med att komma så här långt. De har nyfiket gått vidare och undersökt vad elektroner och atomkärnor består av.

Man har inte lyckats hitta några mindre delar av elektronen. Om de finns, är de mindre än en hundramiljontedel av atomen.Med atomkärnan är det däremot en helt annan sak. Man har lyckats hitta flera delar inuti atomkärnan. Kärnan består av protoner och neutroner. Deras storlek är ungefär en hundratusendel av atomen. Även dessa består av ännu mindre delar: kvarkar. Fastän ingen har lyckats med att se en ensam kvark tror alla att kvarkar är de byggstenar som bygger upp neutroner och protoner.

Slutsatsen är därför: kvarkar och leptoner (samlingsnamn för partiklar som elektronen, neutrinon m. fl.) är det minsta som finns.

Materians byggstenar

Det vi kallar materia måste rimligtvis bestå av någonting. Detta någonting är små partiklar som kallas elementarpartiklar. Dessa delas upp i tre huvudgrupper, som i sin tur vidare delas upp:

Fotonen

Elektriskt laddade partiklar kan sända ut och absorbera (ta upp) elektromagnetisk strålning, d.v.s. fotoner (brukar betecknas med den grekiska bokstaven gamma). Då elektroner dras upp och ned i en radiosändarantenn sänds radiovågor ut. Dessa vågor kan absorberas av elektroner i en mottagarantenn. Dessa elektroner. En elektron i en atom kan sända ut en foton och hoppa til ett tillstånd med lägre energi, eller absorbera en foton och hoppa till ett tillstånd med högre energi. Då en elektron sänder ut en foton får den en rekyl (den "studsar tillbaka"). En eletron som tar upp en elektron utsätts också för en kraft liknande den vid utsändning. På detta sätt kan kraften mellan elektriska laddningar beskrivas som ett bollande med fotoner.

Elektron

Elektronen (brukar betecknas med e^-) har man känt till länge. Den kretsar kring atomkärnan. Elektronen har en negativ laddning. Antalet elektroner runt en atomkärna bestäms av vilket grundämne atomen tillhör, samt om atomen är en jon eller inte. När en elektron sänds iväg, sänds också en annan partikel iväg. Denna kallas för neutrino (betecknas med grekiska bokstaven ny). Neutrinon är oladdad och saknar, eller har en mycket liten, massa.

Myon

Myonen (betecknas med grekiska bokstaven my) påminner väldigt mycket om elektronen. Det är endast massan som skiljer. Myonens massa är ca 200 gånger större än elektronens. Myonen har en egen neutrino, som skiljer sig från elektronens neutrino. Myonen är inte stabil, utan faller sönder efter 0,000 002 sekunder.

Kvarkar

Det finns två sorters kvarkar i naturen, u-kvarken med laddning +2/3 och d-kvarken med laddning -1/3. Protonen består av två u- och en d-kvark, medan neutronen består av två d- och en u-kvark. Detta stämmer med den totala laddningen för protonen (=1) respektive neutronen (=0). Man har hittat fler kvarkar än u- och d-kvarkar, men de har producerats i laboratorium. Kvarkar påverkas av den starka kraften i naturen och kallas därför för hadroner (från grekiska hadrós = stark.

Man brukar dela upp hadronerna i två olika grupper beroende på vilket spinn de har. Dessa grupper kallas för baryoner (halvtaligt spinn) och mesoner (heltaligt spinn).

Universums utveckling

Som tidigare har nämnts, tror man att universum skapades i vad som kallas Big Bang. Vad har då hänt i universum efter att Big Bang inträffade?

Det är svårt att säga helt säkert hur universum har uppkommit. Man har genom åren haft flera olika teorier. Den som de flesta nu anser är den riktiga kallas för Big Bang.

Med Big Bang (Stora smällen) menar man att universum skapades när rymden plötsligt utvidgades mycket snabbt. I början befann sig universum i ett energirikt tillstånd, d.v.s. att universum bestod av ren hög energi. Allt påverkades av en kraft som var så stor att universums storlek fördubblades var 10-34 (tiondels miljondels miljarddels miljarddels miljarddels) sekund. Avstånden i universum växte allt snabbare. Detta var den stora smällen. Från och med Big Bang började universum att utvidgas. Faktiskt är det så att det fortfarande utvidgas och blir tunnare och tunnare för var dag som går.

Vi anser i dag att universum uppstod för 10-15 miljarder år sedan. Temperaturen och densiteten i det unga universum var extremt höga och det fanns ännu ingen materia, bara elektromagnetisk strålning. Men snart började materia bildas, först lätta elementarpartiklar, sedan även tyngre, som väte och helium. Temperaturen och densiteten minskade snabbt allt eftersom universum ökade sin volym , och materien var jämnt fördelad. Mycket senare började materien att klumpa ihop sig och stjärnor bildades. Tyngre grundämnen bildades i det inre av stjärnorna, och kunde sedan spridas ut i rymden vid supernovaexplosioner. Hopklumpningen av materian ledde så småningom fram till att även större system bildades, t. ex. stjärnhopar, galaxer och galaxhopar.

Men varför anser man att det gick till just så här ? Det finns flera fakta som tyder på att teorierna stämmer. Observationerna visar att universum expanderar. Dessutom kan vi mäta en bakgrundsstrålning, som är lika i alla riktningar, och som i dag har temperaturen 3 grader över absoluta nollpunkten. Den är en rest av den strålning som fanns när universum bildades. Big Bang-teorin förutsäger även i vilka proportioner elementarpartiklar och grundämnen bildades, och förhållandet mellan väte och helium i universum stämmer med det som förutsägs. I dag består världsalltet av stjärnor, stjärnhopar, nebulosor, galaxer och galaxhopar. Mellan himlakropparna finns gas, stoft och elektromagnetisk strålning. Dessutom finns en okänd mängd mörk materia, som påverkar universums tillstånd och framtida utveckling.

Gravitation

Gravitation verkar på alla sorters energi. Det är denna kraft som ibland kallas för tyngdkraft. Det är denna kraft som gör att t. ex. ett äpple som kastas upp i luften ramlar ned igen

Elektromagnetism

Elektromagnetism (eller elektromagnetiska kraften) verkar på alla elektriskt laddade partiklar. Den kan också verka på neutrala partiklar som innehåller mindre laddade partiklar, t.ex. atomer och neutroner. Elektromagnetism binder alltså elektronerna till kärnan i en atom.

Stark kraft

Den starka kraften håller samman kvarkarna i en proton eller en neutron. Den binder också ihop neutronerna och protonerna i atomkärnan med varandra. Den här kraften är speciell, eftersom den håller ihop kvarkarna så starkt att man aldrig lyckats hitta en ensam kvark.

Svag kraft

Den svaga kraften kan omvandla vissa partiklar till andra på ett sätt som inte den starka eller elektromagnetiska kraften kan. Det är denna kraft som är ansvarig för det första steget i de reaktioner i solen där väte omvandlas till helium.